1、26 卷 第 1 期 北 京 Vol.26 No.12004 2 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb. 2004收 稿 日 期 20030515 来 兴 平 男 31 岁 博 士 后 副 教 授陕 西 省 自 然 科 学 基 金 No.2003E213 和 教 育 部 博 士 点 基 金No.20020008021 资 助 项 目西 部 地 区 地 域 辽 阔 矿 产 资 源 丰 富 煤 炭 资源 总 量 为 4.7 亿 万 t 占 全 国 84.5% 随 着 煤 炭 开 采技 术 和 装 备 越 来 越 先
2、进 开 采 强 度 与 深 度 逐 渐 提高 开 采 规 模 日 益 加 大 以 及 小 窑 小 井 的 不 规 范开 采 多 年 来 形 成 的 采 空 区 很 多 严 重 威 胁 着 西部 大 开 发 的 战 略 计 划 与 建 设 影 响 西 部 经 济 稳 定发 展 如 果 不 及 时 进 行 研 究 与 治 理 很 容 易 造 成大 空 区 的 动 力 破 坏 进 而 演 变 为 重 大 灾 害 这 是西 部 煤 矿 开 采 中 面 临 的 一 个 迫 在 眉 睫 的 重 大 科学 问 题 1,21 特 征 描 述西 部 矿 山 采 空 区 衍 生 动 力 灾 害 有 四 大 特 征
3、(1)尺 度 大 开 采 形 成 的 大 尺 度 采 空 区 是 在 一定 的 煤 岩 脆 弱 条 件 构 造 环 境 以 及 脆 弱 的 生 态与 干 旱 的 气 候 中 形 成 的 其 变 形 的 数 量 级 别 大属 于 米 以 上 尺 度 这 不 同 于 其 他 坚 硬 如 坚 硬复 合 材 料 金 属 材 料 材 料 的 微 尺 度 变 形 形 成 的平 衡 结 构 可 能 维 持 几 天 也 可 能 维 持 几 年 但 从本 质 上 讲 它 是 一 个 暂 时 的 结 构 一 旦 受 到 某 种外 因 的 诱 发 就 可 能 造 成 大 尺 度 的 动 力 失 稳 现象 从 而 演
4、 变 为 动 力 灾 害(2)变 形 速 率 大 大 尺 度 采 空 区 的 失 稳 与 层 状矿 床 开 采 围 岩 沉 陷 有 所 不 同 前 者 围 岩 失 稳 与 坍塌 速 率 大 有 动 力 学 破 坏 特 征(3) 危 害 大 这 类 围 岩 断 裂 与 失 稳 发 生 时 间地 点 具 有 随 机 性 发 生 过 程 具 有 突 变 性 其 力 学现 象 具 有 冲 击 性 因 此 其 造 成 的 围 岩 断 裂 错 动失 稳 以 及 耦 合 破 坏 有 害 气 体 溢 出 或 爆 炸 等 动力 学 效 应 对 生 产 和 安 全 的 危 害 极 大 甚 至 造 成 矿井 停 产
5、 或 关 闭 造 成 的 经 济 损 失 很 大(4)负 面 社 会 效 应 大 这 类 突 发 性 灾 害 造 成 的社 会 效 应 对 西 部 矿 区 的 经 济 与 政 治 稳 定 影 响很 大2 形 成 原 因大 尺 度 采 空 区 坍 塌 是 在 特 定 地 质 条 件 下 因自 然 和 人 为 因 素 耦 合 触 发 形 成 的 衍 生 灾 害 采 空区 上 覆 煤 岩 结 构 稳 定 主 要 由 自 然 作 用 和 围 岩 结构 的 连 接 作 用 来 维 持 由 于 不 同 矿 区 的 地 质 条 件相 差 很 大 大 尺 度 采 空 区 坍 塌 的 主 导 因 素 也 有 所
6、不 同 主 要 原 因 有(1)许 多 矿 区 或 工 作 面 的 断 层 比 较 多 由 断 层动 力 效 应 诱 发 造 成 坍 塌(2)煤 体 内 部 气 体 运 动 速 率 增 加 如 煤 与 瓦 斯突 出 诱 发 等 造 成 坍 塌(3)采 取 大 规 模 高 强 度 的 开 采 技 术(4)开 采 方 式 与 工 作 面 结 构 参 数 优 化 不 合 理造 成 尤 其 是 保 护 煤 矿 柱 的 结 构 参 数 不 合 理 或支 撑 体 系 结 构 内 部 力 学 特 性 劣 化西 部 矿 山 大 尺 度 采 空 区 衍 生 动 力 灾 害 控 制来 兴 平 1,21) 西 安
7、科 技 大 学 能 源 学 院 教 育 部 西 部 矿 山 开 采 与 灾 害 治 理 重 点 实 验 室 西 安 7100542) 北 京 科 技 大 学 土 木 与 环 境 工 程 学 院 北 京 100083摘 要 西 部 矿 山 大 尺 度 采 空 区 衍 生 动 力 灾 害 是 目 前 煤 矿 开 采 中 面 临 的 最 大 技 术 难 题 为了 给 采 取 合 理 有 效 的 防 灾 措 施 提 供 科 学 依 据 对 采 空 区 衍 生 动 力 灾 害 主 要 特 征 形 成 原 因 以及 衍 生 灾 害 的 实 质 等 进 行 详 细 阐 述 通 过 数 字 化 监 测 与 预
8、 防 分 析 可 以 控 制 采 空 区 衍 生 动 力灾 害 有 效 方 法关 键 词 西 部 矿 山 大 尺 度 采 空 区 衍 生 动 力 灾 害 突 然 坍 塌分 类 号 TD 3152 2004 1(5)不 规 范 开 采 如 地 方 小 窑 小 井 的 不 规 则 开采 其 数 量 之 多 破 坏 性 之 大 加 之 小 窑 之 间 的 井界 间 距 有 限 这 样 很 容 易 造 成 破 坏 作 用 叠 加 效应(6) 气 候 干 旱 西 部 自 然 降 水 较 少 造 成 生 态环 境 极 其 脆 弱 这 就 为 采 空 区 动 力 破 坏 孕 育 提 供了 自 然 条 件3
9、数 字 化 监 测 与 预 报 分 析要 进 行 灾 害 及 时 有 效 治 理 与 控 制 必 须 对其 进 行 全 过 程 实 时 监 测 加 强 时 空 强 即 能量 几 何 时 间 监 测 预 报 其 过 程 监 控 是 以 数 字化 过 程 异 变 检 测 和 动 态 系 统 灾 害 检 测 与 诊 断 为基 础 其 主 要 研 究 包 括 过 程 的 异 常 变 化 或 动 态 系统 功 能 性 故 障 涉 及 过 程 破 坏 检 测 幅 度 识 别 时间 推 断 机 理 诊 断 影 响 分 析 以 及 针 对 不 同 灾 害应 该 采 取 的 处 理 措 施 或 对 策 等 针
10、对 大 尺 度 采 空区 围 岩 介 质 非 稳 态 运 动 力 学 特 征 其 预 测 预 报 基础 理 论 必 须 是 室 内 实 验 与 现 场 监 测 相 结 合 43.1 室 内 测 试 与 实 验利 用 实 验 可 获 取 对 机 理 的 认 识 利 用 声 发 射监 测 大 尺 度 采 空 区 动 力 破 坏 相 似 模 拟 材 料 实 验中 动 力 破 坏 过 程 以 及 定 量 化 分 析 找 出 表 征 大 采空 区 突 然 失 稳 特 征 参 数 的 警 戒 值 区 为 大 尺度 采 空 区 灾 害 治 理 提 供 决 策 依 据 5,6 地 质 领 域 中存 在 的 大
11、 量 剪 切 带 或 应 变 局 部 化 现 象 可 以 在 煤岩 等 材 料 中 观 测 到 应 用 应 变 梯 度 塑 性 理 论 对 韧性 剪 切 带 进 行 理 论 分 析 可 获 得 韧 性 剪 切 带 内 部局 部 剪 应 变 (率 )分 布 规 律 剪 切 带 错 动 总 位 移 及剪 切 带 法 向 位 移 的 理 论 表 达 式 以 及 韧 性 剪 切 带内 部 体 积 应 变 (率 )和 孔 隙 率 分 布 规 律 7 8 声 发 射和 CT研 究 大 空 区 煤 岩 介 质 断 裂 韧 度 以 及 破 裂 过程 是 非 常 有 效 的 手 段 CT 技 术 可 以 观 测
12、 岩 石 在空 间 和 时 间 上 破 坏 形 态 变 化 的 全 过 程 为 介 质损 伤 与 裂 隙 动 力 演 化 趋 势 提 供 可 视 化 理 论 基 础利 用 扫 描 电 镜 对 煤 岩 等 介 质 破 裂 断 口 和 不 同 损伤 阶 段 过 程 时 损 伤 界 面 形 貌 观 察 为 确 定 断 裂 源或 初 始 坍 塌 位 置 提 供 理 论 依 据 9另 外 已 有 学 者 成 功 开 展 了 煤 岩 受 压 红 外 热象 与 辐 射 温 度 特 征 实 验 研 究 与 煤 岩 变 形 破 裂 电磁 辐 射 的 实 验 研 究 10 113.2 现 场 监 测 应 用西 部
13、 矿 山 衍 生 灾 害 实 质 上 是 复 杂 地 层 结 构承 受 复 杂 环 境 作 用 的 演 化 过 程 体 现 出 明 显 的 复杂 性 以 及 动 态 变 化 等 特 征 现 场 监 测 关 键 要 对 大尺 度 采 空 区 准 剪 切 带 剪 切 带 和 坍 塌 区 域 煤 岩 断裂 界 面 的 滑 动 摩 擦 效 应 顶 板 岩 层 内 部 形 成 的 拉张 应 力 抗 拉 临 界 强 度 时 产 生 向 下 的 弯 曲 和 移 动进 行 监 测 与 预 报监 测 内 容 主 要 包 括 (1)开 挖 边 界 岩 石 的 破 裂和 滑 移 (2)垂 直 或 沿 单 个 节 理
14、 或 裂 隙 面 的 移 动(3)边 界 点 上 两 点 间 的 相 对 位 移 (4)地 下 水 渗 流(5) 支 护 构 件 的 荷 载 变 化 (6) 剪 切 带 面 的 正 应力 和 剪 应 力 (7) 断 层 活 动 (8) 波 的 传 播 从 实 际应 用 来 看 综 合 压 力 位 移 瞬 态 瑞 雷 波 和 CT 探测 声 波 测 井 地 质 雷 达 钻 孔 电 视 等 探 测 与 监 控是 非 常 有 效 的 预 报 方 法 12194 结 论(1) 大 尺 度 采 空 区 衍 生 动 力 灾 害 治 理 具 有 很大 的 复 杂 性 是 迫 切 需 要 解 决 的 重 大
15、科 学 问 题也 是 目 前 和 今 后 西 部 矿 山 开 采 中 面 临 的 最 大 技术 难 题 综 合 应 力 /应 变 位 移 地 质 异 常 探 测 与监 控 是 解 决 西 部 矿 山 大 尺 度 采 空 区 衍 生 灾 害 与控 制 的 基 础 研 究 很 有 创 新 性(2) 利 用 室 内 物 理 实 验 获 取 衍 生 灾 害 产 生 机理 找 出 表 征 大 采 空 区 突 然 失 稳 特 征 参 数 的 警戒 值 区 为 大 尺 度 采 空 区 的 有 效 准 确 及 时 预报 以 及 灾 害 治 理 提 供 决 策 依 据(3) 建 立 有 效 的 大 尺 度 采
16、空 区 动 力 灾 害 监 测预 报 体 系 提 供 大 采 空 衍 生 灾 害 预 报 与 控 制 的 有效 途 径 验 证 大 采 空 区 关 键 煤 柱 与 层 位 的 失 稳 检测 非 对 称 载 荷 造 成 的 剪 切 破 坏 源 煤 柱 结 构参 数 合 理 性 完 善 采 空 区 衍 生 灾 害 过 程 检 测 实 验理 论 与 技 术致 谢 感 谢 北 京 科 技 大 学 蔡 美 峰 教 授 窑 街 煤 业 股 份 公司 王 军 高 级 工 程 师 宁 夏 煤 业 集 团 李 玉 民 总 工 程 师 西安 科 技 大 学 石 平 五 教 授 伍 永 平 教 授 和 柴 敬 教
17、授 以 及西 安 光 机 所 纤 维 与 集 成 光 学 研 究 所 李 会 录 博 士 的 鼓 励与 启 发参 考 文 献1 朱 旺 喜 ,王 来 贵 ,王 建 国 ,等 . 资 源 枯 竭 城 市 灾 害 形 成机 理 与 控 制 战 略 研 讨 M. 北 京 地 质 出 版 社 20032 谢 和 平 .中 国 能 源 发 展 趋 势 与 跨 世 纪 煤 炭 科 技 展 望 .可 持 续 发 展 与 煤 炭 工 业 报 告 文 集 M. 北 京 :煤 炭 工业 出 版 社 1998Vol.26 No.1 来 兴 平 西 部 矿 山 大 尺 度 采 空 区 衍 生 动 力 灾 害 控 制
18、3 3 吴 立 新 王 金 庄 郭 增 长 . 煤 柱 设 计 与 监 测 基 础 M.徐 州 中 国 矿 业 大 学 出 版 社 19994 石 平 五 来 兴 平 伍 永 平 . 复 合 岩 体 支 护 巷 道 破 坏 规律 的 实 验 系 统 研 制 与 应 用 J. 北 京 科 技 大 学 学 报2002 24(3) 2315 蔡 美 峰 来 兴 平 . 岩 石 基 复 合 材 料 支 护 采 空 区 动 力失 稳 声 发 射 特 征 统 计 分 析 J. 岩 土 工 程 学 报 200325(1) 5146 Shi P W, Lai X P, Gao Z N. Damage stat
19、istical mechanicsmodel of top coal in steep top caving coal J. J Univ SciTechnol Beijing, 2003 10(1) 1257 刘 宝 琛 . 实 验 断 裂 损 伤 力 学 测 试 技 术 M. 北 京 机械 工 业 出 版 社 19948 王 学 滨 潘 一 山 马 瑾 . 基 于 应 变 梯 度 理 论 的 韧 性 剪切 带 理 论 研 究 J. 地 质 力 学 学 报 , 2002 8(1) 7969 来 兴 平 . 基 于 非 线 性 动 力 学 采 空 区 稳 定 性 集 成 监 测分 析 与 预
20、报 系 统 研 究 及 应 用 D. 北 京 : 北 京 科 技 大学 , 200210 吴 立 新 , 王 金 庄 . 煤 岩 受 压 红 外 热 象 与 辐 射 温 度 特征 实 验 研 究 J. 中 国 科 学 (D 辑 ), 1998 28(1) 41611 何 学 秋 ,王 恩 元 ,聂 百 胜 ,等 . 煤 岩 流 变 电 磁 动 力 学 J.北 京 科 学 出 版 社 200312 Szwedzicki T. Geotechnical precursors to large-scaleground collapse in mines J. Int J Rock Mech Min
21、Sci,2001, 38: 95713 Holla L. Ground movement due to longwall mining inhigh relief areas in new south Wales J. Int J Rock MechMin Sci 1997, 34 77514 蔡 美 峰 来 兴 平 复 合 坚 硬 岩 石 巷 道 塌 陷 段 监 控 的研 究 与 应 用 J. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 2003 22 (3)39115 Cai M F, Lai X P. Monitoring and analysis of nonlinear dy-namic d
22、amage of transport roadway supported by com-posite hard rock materials in Linglong Gold Mine J. JUniv Sci Technol Beijing, 2003 10(2) 82716 Lai X P. Research on inspection of stability of subsidingarea in composite rockmass roadway J. J Coal Sci Eng,2002 8(1): 21617 蔡 美 峰 来 兴 平 李 长 洪 . 耦 合 监 控 在 地 下
23、 主 运 输 巷塌 陷 区 锚 固 段 应 用 J. 北 京 科 技 大 学 学 报 2001 23(4) 29318 来 兴 平 . 暴 雨 入 渗 对 复 合 岩 体 巷 道 环 境 损 伤 影 响 的分 析 J. 北 京 科 技 大 学 学 报 2002 24(6) 58519 任 奋 华 蔡 美 峰 来 兴 平 等 . 采 空 区 覆 岩 破 坏 高 度测 控 试 验 研 究 J. 西 安 科 技 大 学 学 报 2003, 22(3)101Derived Dynamic Disasters of Large Scale Mined-out Area for West Coal Min
24、esLAI Xingping1,2)1) The Key Lab of West Mine Mining and Hazard Control of the Ministry of Education, Xian University of Science and Technology Xian710054, China2) Civil and Environmental Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, ChinaABSTRACT It is the most i
25、mportant research for west coal mining presently to control the derived dynamicaldisasters of large scale mined-out area. In order to obtain reliable evidence to control the disasters, some characters,causes and essentials were analysed. The result shows that a technology based on digital monitoring and predictingcan control the derived dynamical disasters of large scale mined-out area for west coal mines.KEY WORDS west coal mine; large scale mined-out area; derived dynamic disaster; abruptly collapse; moni-toring and predicting
