基于声发射监测结果的采空区失稳预测模型研究

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1、基于声发射监测结果的采空区失稳预测模型研究第一章绪论1.1引言矿产资源是重要的自然资源，是人类社会发展的重要物质基础。我国是世界上矿产资源总量丰富、矿种比较齐全的少数几个资源大国之一，已探明的矿产资源有156种资源，占世界的12%，位居世界第三，仅次于美国和俄罗斯[1]。新中国成立后，矿产资源勘查与开发快速发展，由于国家对于矿产资源的开采监管力度不足，监管措施不到位等原因，导致矿山资源开采秩序混乱，非法开采和无规划的乱采乱挖等现象非常严重，在金属非金属地采矿山中形成大量的采空区。长沙矿山研究院对我国现有的金

2、属以及非金属大、中型矿山的采空区进行调查，结果表明我国有色金属矿山采空区的总体积约为1.9亿立方米，黑色金属矿山的采空区规模达到0.8亿立方米，黄金、化工以及建材矿山的采空区规模分别达到0.32亿立方米、0.75亿立方米及0.57亿立方米。地下大量存在采空区主要包括未查明的采空区和矿产资源开采后形成大量的未处理的采空区。未查明采空区一方面危害地表新建设施，导致地表设施如房屋开裂、道路突现天坑等事故发生；另一方面在开采过程中，这些采空区可能在各种因素的诱发下而失稳或采空区内存储的水涌入到采场中等。已探明的采空

3、区随着暴露面积增加、暴露时间延长以及采矿扰动作用的影响，致使矿山的开采条件不断恶化、安全开采系数减小，甚至引起地表大面积塌陷、岩移、矿山地震等地质灾害发生。地下岩体被开挖后形成采空区这一活动，扰动了原岩应力场，破坏了应力场的初始平衡状态，随着开采活动的进行，岩体内应力重新分布，从而可能导致采空区两帮周围的应力集中或增加顶板的拉应力。当顶板的岩石的抗拉强度低于所受的拉应力时，采空区顶板发生塌陷；当采空区两帮围岩应力集中大于岩石峰值抗压强度时，将会发生岩爆现象。1.2研究背景及意义目前，随着矿山资源不断枯竭、开

4、采深度不断增加、开采条件不断恶化、开采技术滞后提高等因素，国内大部分矿山陷入开采难的困境以及深部开采面临的困境，为了最大限度的利用矿山资源，保证矿山经济持续稳定，许多矿山进入老采空区进行回收采空区边缘矿或永久保留的矿柱等以及进行深部开采。由于老采空区开采年限久、顶板暴露时间长以及深部开采温度与地压的等因素影响，采空区顶板或矿柱失稳事故更易发生，严重危及矿山工作人员的生命安全。如何进入保证矿山的经济效益，又能保证采矿过程中空区的稳定性，并能时刻掌握地压活动变化规律，甚至预测采空区顶板坍塌事故的发生，这是矿山密

5、切关注的重要问题，也是企业亟需解决的难题。湖北省鄂东地区华灵集团所属多个矿山处于资源枯竭的边缘，为了保证矿山当前生产可持续，矿山管理人员决定进入封闭已久的老采空区进行残矿的回采。由于老采空区暴露时间长、工程地质、水文地质不明朗等因素，矿山在老采空区的残采存在着极大的安全隐患。目前，鄂东地区多个矿山已发生多起因采空区失稳安全事故，例如，华灵集团长坪竖井为了回收露天坑底部及-50m水平的资源，在露天坑底未采取任何防护措施进行作业，经过多次放炮后，露天坑发生滑坡，在坡顶产生宽为5~10cm，长约10~15m的裂缝

6、；华灵集团灵宝铁矿资源枯竭，因此，在已回采完的采空区内扩帮及扩高开采，导致该矿-70m水平顶板于2013年多次垮塌；2012年9月，普民铁矿在-610m水平回采作业时，由于采空区跨度大，空区内未保留矿柱，导致回采过程中1#矿房顶板发生大规模的垮塌；2011年9月，正旺铁矿-580m水平采空区顶板存在软弱夹层，在排险放炮时发生顶板软弱岩层大面积塌陷；2008年7月，垴窖铁矿由于不按规范开采，导致采空区顶板发生大规模塌陷，甚至造成人员伤亡。第二章声发射技术原理及其应用2.1引言声发射(AcousticEmiss

7、ion,简称AE)是指材料在外部（载荷、温度变化等）或内部（裂纹缺陷）等相互作用下，材料的内部发生变形，从而产生应变能，当应变能积聚到一定程度，并高于岩体的极限强度时，应变能会以波的形式释放出来，这种现象即称为声发射。声发射现象在自然界和日常生活中十分普遍，自然界和日常生活中许多的材料其内部发生变形破坏时均会释放声发射信号，但是这些信号人耳很难听见，因此，只能采用特定的仪器进行采集、放大，并记录该声发射信号，通过仪器采集并记录声发射信号的技术称为岩体声发射监测技术。.2.2声发射监测原理岩体结构发生破坏是一

8、个累积的过程，是由其内部或表面的几条裂纹或微裂隙在外界荷载或内部应力作用下，发生扩展和贯通，当岩体内部结构完全发生贯通破坏时，岩体才会发生失稳。裂纹或微裂隙在扩展过程中，岩体内部结构之间相互挤压、摩擦，在挤压摩擦的同时，声发射信号随之释放，运用岩体声发射监测仪对释放出的信号进行采集和分析，可知道声发射信号随岩体破坏程度不同而不同。运用不同的分析方法分析采集的声发射信号，可得到声发射源的位置和破坏程度，以及岩体破坏