矿柱扰动下相邻采空区覆岩冒落机理及治理方法

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240069

摘要/Abstract

摘要：

相邻采空区之间矿柱通常会积蓄大量能量，一旦矿柱失稳将引发大规模冒落危害事故.基于此构建了采空区诱导冒落力学模型，通过物理实验与数值模拟研究了相邻采空区覆岩冒落特征与机理，提出了诱导冒落矿柱治理相邻采空区新方法.结果表明：矿柱的存在能够承载一定的能量积蓄，使矿柱上方覆岩发生一定程度变形和破坏.矿柱消除后，上方岩体发生冒落，冒落块体整体较小，不易发生大规模整体冒落，可避免发生冲击气浪灾害；应力拱反复形成与消散使得采空区上覆岩层呈现断续冒落特征，采空区上覆岩层内部拉伸损伤的发展与贯通是覆岩裂隙发育直至冒落的主要诱因.通过工程实践表明，该方法具有安全、低成本特点，可为类似条件采空区治理提供指导与借鉴.

关键词: 相邻采空区, 诱导冒落, 冒落机理, 矿柱, 临界冒落跨度

Abstract:

The ore pillar between adjacent goaf usually accumulates a large amount of energy， and the ore pillar instability will lead to large-scale caving hazard accidents. Therefore， a caving-induced mechanical model of goaf was constructed. The caving characteristics and mechanism of the overlying rock in the adjacent goaf were studied through physical experiments and numerical simulation， and a new method of caving induced by ore pillar treatment of the adjacent goaf was proposed. The results show that the existence of the ore pillar can carry a certain amount of energy accumulation， so that the overlying rock above the ore pillar is deformed and destroyed to a certain extent. After the ore pillar is removed， caving of the upper rock mass occurs， and the caving block is small as a whole； it is not easy to induce large-scale overall caving， which can avoid the impact gas wave disaster. The repeated formation and dissipation of stress arches make the overlying strata of the goaf appear intermittent caving， and the development and connection of tensile damage in the overlying strata of goaf are the main reasons for the fracture development and caving of the overlying rock. Engineering practice has shown that this method is characterized by safety and low cost and can provide guidance and reference for the management of goaf under similar conditions.

Key words: adjacent goaf, induced caving, caving mechanism, ore pillar, critical caving span

中图分类号:

TD 853

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图/表 15

图1 相邻采空区简示图

Fig.1 Schematic diagram of adjacent goaf

图2 采空区受力示意图

Fig.2 Force diagram of goaf

图3 相似模拟实验模型

Fig.3 Similar simulation experiment model

表1 相似材料配比方案(质量分数) (%)

Table 1 Ratio scheme of similar materials（mass fraction）

河砂	石膏	水泥	松香溶液	水	云母片
80	15	5	2	13	1.3

图4 方案Ⅰ开挖过程（a）—开挖3次；（b）—开挖8次；（c）—开挖11次初态；（d）—开挖11次终态.

Fig.4 Excavation process of scheme I

图5 方案Ⅱ开挖过程（a）—开挖3次；（b）—开挖10次；（c）—开挖11次初态；（d）—开挖11次终态.

Fig.5 Excavation process of scheme Ⅱ

图6 两组实验方案的应变演化曲线（a）—方案Ⅰ；（b）—方案Ⅱ.

Fig.6 Strain evolution curves of two experimental schemes

图7 两组方案最终冒落形态（a）—方案Ⅰ；（b）—方案Ⅱ.

Fig.7 Final caving patterns of two schemes

图8 书记沟铁矿208采场采空区分布形态

Fig.8 Distribution pattern of goaf in stope 208 of Shujigou iron mine

表2 岩体力学参数

Table 2 Mechanical parameters of rock mass

岩石类型	均匀性指数	弹性模量	抗压强度	抗拉强度	泊松比	摩擦角	密度
岩石类型	m	GPa	MPa	MPa	泊松比	(°)	kg·m^-3
磁铁石英岩	3	23	24.1	2.8	0.27	38.5	2 700
斜长角闪岩	3	22	21.4	2.5	0.27	35.7	3 050
节理	5	1	5.5	0.1	0.32	30.3	1 000

图9 数值分析模型

Fig.9 Numerical analysis model

图10 有矿柱支撑数值模拟结果（a）—裂隙扩展；（b）—应力演化；（c）—损伤发展.

Fig.10 Numerical simulation results with ore pillar support

图11 无矿柱支撑覆岩冒落数值模拟结果（a）—覆岩冒落；（b）—应力演化；（c）—损伤发展.

Fig.11 Numerical simulation results of caving of overlying rock without ore pillar support

图12 无矿柱支撑覆岩冒透地表数值模拟结果（a）—冒透地表；（b）—应力演化；（c）—损伤发展.

Fig.12 Numerical simulation results of surface penetration of overlying rock without ore pillar support

图13 1 195 m分段诱导工程布置图

Fig.13 Layout of 1 195 m section induction engineering

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