[發明專利]一種人工礦柱支護下金屬礦覆巖體穩定性勢能的判別方法

有效

• 申請號: 201811580821.1
• 申請日: 2018-12-24
• 公開（公告）號: CN109682946B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 趙康;寧富金;于祥;嚴雅靜;王慶;顧水杰;黎強;朱勝唐
• 申請（專利權）人: 江西理工大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24;G01N3/00
• 代理公司: 昆明大百科專利事務所 53106
• 代理人: 李云

一種人工礦柱支護下金屬礦覆巖體穩定性勢能的判別方法，先建立采空區覆巖模型，當采空區寬度遠遠大于長度時，將模型簡化為薄切面簡支梁模型，分別計算出梁的支撐力和構造應力所產生的應力分布；當巖體只受梁的支撐力作用時，建立平面坐標系，計算求解出該平面上的應力函數，得到各應力分量；當巖體只受構造應力作用時，計算求出各應力分量；當巖體受支撐力和構造應力共同作用時，計算當巖體受支撐力和構造應力共同作用時產生的總應力分布，最后計算出整個巖體的勢能，判別人工礦柱支護下金屬礦覆巖體穩定性勢能。本方法可分析用人工礦柱支護來改變采空區覆巖的應力分布及集中程度，同時判斷人工礦柱支護下采空區覆巖的穩定性。

技術領域

本發明屬于金屬礦山采礦安全防控技術領域，具體涉及金屬礦山采空區上覆巖體系穩定性勢能的判別方法。

背景技術

金屬礦山地質構造及礦體形態不同于層狀的煤礦，煤礦的上覆巖層具有層狀且厚度不是很大，它具有老頂和關鍵層，因此在研究煤礦巖層移動破壞時一般都作為“梁”或“薄板”進行研究，目前現有的針對金屬礦山覆巖的移動破壞研究，大都是將針對煤礦上覆巖層的研究方法直接應用到金屬礦山中，包含覆巖地質條件及其厚度，這顯然是不合適的；另外，由于金屬礦山埋藏條件復雜，重力和構造應力成為采礦動態開采過程中影響采空區圍巖穩定性及覆巖移動的重要因素，尤其是構造應力更是不容忽視，但是在金屬礦山覆巖巖體移動破壞研究中，在地質及力學模型構建時將構造應力作為重要考慮因素的較少。Thom提出了7種突變模型，而礦山常用的是尖點突變模型。尖點突變模型(見圖1)其勢能函數標準形式為：

V(x)＝x⁴+ux²+vx (A)

式(A)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，如在空區頂板巖石力學系統中，覆巖的位移、變形速率、物理力學性質和聲發射等都屬于狀態變量；u和v是表示頂板或圍巖的變量，可以控制和決定頂板穩定系統的演化進程、冒落途徑等。對式(A)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。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。過臨界點之后，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。

影響采空區覆巖移動及穩定性的因素比較復雜，這主要表現在：一是空場法采空區一般由頂板、底板和礦柱三個構成要素組成，其穩定性是構成要素的綜合體現；二是采空區頂、底板和礦柱的巖體性質、結構特征一般都有差異；三是采空區空間幾何尺寸及形態、礦體傾角是影響穩定性的特定因素。

發明內容

本發明旨在針對金屬礦山實際地質情況，根據力學環境再造的思想，分析用人工礦柱支護來改變采空區覆巖的應力分布及集中程度；同時根據圍巖材料的復雜性、非均質的特點，利用非線性理論，從勢能角度判斷人工礦柱支護下采空區覆巖的穩定性。

本發明采取的技術方案如下：

一種人工礦柱支護下金屬礦覆巖體穩定性勢能的判別方法，包括如下步驟：