[發明專利]膠結礦柱支護下金屬礦采空區覆巖失穩突變判別方法

有效

• 申請號: 201811580815.6
• 申請日: 2018-12-24
• 公開（公告）號: CN109681272B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 趙康;寧富金;王慶;嚴雅靜;于祥;顧水杰;黎強;朱勝唐
• 申請（專利權）人: 江西理工大學
• 主分類號: E21F17/00
• 分類號: E21F17/00
• 代理公司: 昆明大百科專利事務所 53106
• 代理人: 李云

膠結礦柱支護下金屬礦采空區覆巖失穩突變判別方法，先建立采空區覆巖空間應力模型，計算只有重力和梁支撐力作用時，各項應力分量；當覆巖只有構造應力作用時，計算得出各項應力分量；當礦柱采用膠結礦柱時，計算得出各項應力分量；根據突變理論建立人工礦柱支護下覆巖失穩破壞的突變模型：分別進行尖點突變分析，得出覆巖穩定性判斷依據。本發明可根據覆巖失穩破壞的突變理論判據得出膠結礦柱支護下金屬礦山開采覆巖破壞與采空區的跨度和開采深度對空區頂板穩定性定量關系，進而得出覆巖破壞與采空區的開采跨度與開采深度之間的定量關系，為金屬礦山深部的開采參數設計提供依據。

技術領域

本發明屬于金屬礦山采礦安全防控技術領域，具體涉及在膠結礦柱支護下金屬礦山采空區覆巖失穩突變的判別方法，可為金屬礦山深部開采，開采深度與采空區跨度的參數設計提供參考依據。

背景技術

采空區突發性大面積頂板垮落屬于巖體系統突發性動力失穩問題，巖體系統突發性動力失穩災害的孕育階段是準靜態的，但是其發生是動態的，伴有大量彈性能釋放，造成巖體動力破碎、圍巖振動，是一種高度非線性狀態下的復雜行為，失穩之后的系統處于一種新的穩定狀態。近年來多用突變理論研究參數連續變化導致系統狀態突變。突變理論由Thom最先提出，它以不連續現象為研究對象，運用拓撲學、奇點理論和結構穩定性等數學工具，研究某種系統(過程)從一種穩定狀態到另一種穩定狀態的躍遷，討論動力學系統中狀態發生跳躍性變化的一般規律。其主要闡述不同參數的連續性的變化是如何導致不連續現象的產生。尖點突變模型(圖1)是礦山最常用的模型，其勢能函數標準形式為：

V(x)＝x⁴+ux²+vx (A)

(A)式中x為狀態變量，u和v為兩個控制變量。其中x表示系統當前所處的狀態情況；u和v是表示頂板或圍巖的變量，對(A)式求導，可得尖點突變模型的平衡曲面方程：

V″(x)＝12x²+2u＝0 (B)

式(B)是系統處于平衡位置的臨界點方程，可得u-v平面上各區域的V(x)圖形即尖點突變參數平面圖(見圖2)。從圖1中可知，在(x,u,v)三維空間中的圖形是由上、中、下三葉組成的具有褶皺的光滑曲面圖，上、下兩葉是穩定的、中葉為不穩定的，尖拐點或折疊的集合稱為奇點集，其在u-v平面的投影稱為分叉集。把V′(x)＝0和V″(x)＝12x²+2u＝0聯立消去x，可得分叉集方程為：

D＝8u³+27v²＝0 (C)

圖1表明，勢V由上葉向下葉的變化時，控制變量u＞0系統是穩定的；u＜0時，系統從一種狀態演化到另一種狀態，必須穿越分叉集曲線，必然有個突變過程，系統是不穩定的。

在地下礦山開采中，影響頂板穩定的因素較復雜，包括地質與構造、地層與巖性、地應力、工程環境、地下水、開采方法、采空區結構特征、支護與空區處理和時間因素等。另外這些因素中不同的因素隨時在不停的變化，直到達到臨界點，此段時間是頂板失穩的量變過程。臨界點過后，當其中一個或多個因素向有利于頂板失穩發生的方向變化時，頂板就發生失穩冒落，此過程是頂板失穩的質變過程。也即在穿越分叉集時，系統的狀態(具體為狀態變量x)將發生一個突跳，表明從量變到質變的過程中必然存在一個突變。

金屬礦山地質構造及礦體形態不同與層狀的煤礦，由于金屬礦山埋藏條件復雜，重力和構造應力成為采礦開采過程中重要影響因素，但是在金屬礦山覆巖巖體移動破壞研究中，構建地質及力學模型時將構造應力作為重要考慮因素的較少。同時，由于金屬礦產資源日益枯竭，為了充分回收礦產資源，礦山企業常用礦山尾礦廢棄材料、膠結成人工礦柱代替原生礦柱來支撐采空區覆巖的穩定，因此，膠結礦柱支撐覆巖的穩定性是工程技術人員關注的焦點。

發明內容