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第一章绪论研究背景随着国民经济的快速发展，对矿产资源需求口益增加，伴随着矿石的开采人们获得了巨大的经济效益，然而采空区安全问题口益突出。部分矿山采用空场采矿法开采，矿体开采后，形成了大面积采空区，随着采空区规模的扩大，采空区地压不断增加，局部出现应力集中现象，采空区局部冒落，矿柱变形并破坏，最终有可能导致采空区塌陷，严重威胁到矿山的安全生产。近几十年来，采空区冒顶塌陷事故不断，造成了重大人员伤亡和经济损失，部分采空区现状己成为矿山安全生产的重大隐患，采空区塌陷己成为矿山生产的重要地质灾害之一「1-3]以大冶桃花山矿采空区塌陷事故为例，该矿山采用空场采矿法，经过多年开采，己形成多水平大面积采空区。由于回采结束后采空区缺乏有效支护手段，1998年至2003年矿山共发生过六次采空区塌陷事故，上下采空区连通且塌陷至地表，形成了一个长约70-80米，宽约30-}-50米，50米深，面积约3000平方米的近似圆形塌陷坑，给矿山生产带来了巨大经济损失[[4-6]采空区塌陷是一个复杂的力学时空过程，矿山岩体复杂，影响因素极多，解决这类问题需要进行全面系统的研究。研究采空区塌陷规律，可以找出矿山采空区塌陷的主要影响因素，判断塌陷区的发展趋势以及现有采空区的稳定性，为采空区塌陷预警、采矿工程设计、采空区治理工作、采空区安全评价等提供理论依据。准确的采空区塌陷规律研究对矿山安全和生产具有重大作用，准确的研究结果可保证最大限度的回收国家矿产资源，避免资源的浪费，为矿山带来巨大经济效益，同时可指导矿山生产的安全进行，预防塌陷事故的发生和降低塌陷事故带来的危害。因此，在地下采矿形成大规模采空区时，掌握采空区塌陷规律，对矿山安全生产的顺利进行具有重要意义[7]。2国内外研究现状采空区塌陷规律的研究，是矿山重要课题之一。采空区塌陷问题研究的重点是采空区顶底板的管理、采空区围岩的控制、采空区上覆岩层移动规律和采空区地压活动所导致灾害的控制及地表沉陷的控制。其工程特点表现为:矿山地质条件和围岩应力分布状态复杂多变;随着矿体的开采，采空区围岩应力分布状态和应力大小不断改变;岩层的运动状态也不断变化;矿山采空区结构力学模型不断发展变化[fgl。采空区顶板冒落、地表塌陷及冲击地压等是目前矿山最大威胁之一[[9]。矿山采空区顶板冒落、片帮、塌陷等引起的安全事故，是矿山生产事故中很大一部分，其根本原因则是采空区地压平衡的失控，为此，国内外进行了大量研究，在采煤形成采空区塌陷问题研究上己取得重要成果，并形成了开采沉陷学科[10-12]早在1838年。比利时Gonot就提出了开采沉陷“垂线理论”，随后又提出了“法线理论”。德国的Jicinsky于1876年提出“二等分线理论”。耳西哈于1882提出“自然斜面理论”[13]。法国的裴约尔于1885年提出“拱形理论”等。1903年，Halbaum认为，可将采空区上覆岩层视作悬臂梁，地表变形是由上覆岩层的下沉导致的。1909}Korten根据变形实测结果总结出水平变形与移动的分布规律。1913年，Eckardt认为岩层的移动应是岩层逐步弯曲导致的。1919年，Lehmann提出，地表沉陷过程与褶皱的形成过程类似。Schmitz等人于1923-1940年提出了影响函数法研究开采沉陷影响面积。前苏联的阿维尔申利于1947年建立了地表下沉盆地剖面方程。波兰学者Litwinszyn于1954年提出随机介质理论研究开采沉陷「‘“}。至此，国外己逐步形成开采沉陷学科的理论体系。上世纪50年代，我国开始对开采沉陷理论进行研究，经过多年努力，也己逐步形成一套符合我国矿山开采实际情况的开采沉陷理论。1965年，刘宝深、廖国华等在随机介质理论基础上发展，提出了“概率积分法”。1981年，何国清[}ls}等提出了碎块体理论。1985年，何万龙「16}等提出了地表移动的计算方法。1988年，刘文生「17}研究了矿房尺寸对地表沉陷的影响。2000年，郭增长[[18}提出了预计地表在不充分开采时移动的方法。2005年，张永波「19]等根据数值计算结果和相似模拟实验结果，结合分形几何理论对采动覆岩形成分形裂隙网络的演化规律进行了研究。2008年，黄英华研究了石膏矿采用房柱法时采空区的失稳机理。2010年，王鹏[[20}研究了复杂开采条件时上覆岩层变形和移动规律。目前，采空区塌陷研究方法主要有以下几种:}1}唯象学研究方法。这类方法是通过收集地表位移的监测和观测数据，结合统计学方法总结上覆岩层移动与地表沉陷规律，学者己提出了多种地表塌陷预测方法，典型的有典型曲线法[[21]概率积分法，神经网络法，剖面函数法[[22]，分布函数法[[23]，模糊数学方法，图表法「24]，灰色预测方法，采空区矢量法及稳健统计方法[[25}等。}2)力学研究方法。为揭示上覆岩体破坏的力学本质，学者们提出了许多力学模型和假说，如普氏地压学说、悬臂梁(板)冒落论「26-27]、太沙基理论、冒落岩体碎胀充填论、冒落岩块铰结论、采场薄板矿压理论、矿山岩体损伤力学方法、岩层控制的关键层理论「28]等，这些理论加强了人们对上覆岩层移动规律的认识。但由于开采塌陷问题过于复杂，目前尚无公认和通用的采空区塌陷理论。(3)数值模拟方法。随着计算机软件和硬件技术的快速发展，某些软件己能较准确的模拟采空区塌陷过程和地下岩层的移动，数值模拟方法己广泛应用于复杂岩体力学问题的研究。目前，常用数值分析方法为:有限差分法、有限单元法、边界单元法等。依据上述数值分析方法，世界上许多公司己开发出相应专用程序。有限差分程序有美国Itasca公司开发的FLAC3D，有限元程序则有加拿大学者研究出的SAP2D、我国西安矿业学院开发的NCAP和SASI公司开发的最著名的ANSYS，边界单元法程序是由南安普敦大学首创的，目前己开发出T'WOFS,T'WODD,T'WOD1程序，此外，由加拿大多伦多大学开发的边界单元程序EXAMINE也己得到应用[[29-35]采空区塌陷研究己取得了十分可喜的成绩，但尚有许多需要探讨和深入研究的内容，有很多问题还需要进行全面系统深入的研究，还需要一个长期的研究发展过程才能满足于工程实践的要求。3研究内容和方法空场采矿法矿体开采后形成的采空区塌陷涉及到采空区顶板、矿柱、围岩、上覆岩层稳定性，破坏机理及其复杂，影响因素甚多。采空区塌陷过程及其复杂，其影响因素和破坏机理尚未完全研究清楚。基于现有研究现状，对采空区顶板和矿柱失稳机理和破坏模式进行了总结，利用ANSYS有限元程序分析采空区应力分布情况和稳定性，结合桃花山矿塌陷实例分析其采空区塌陷规律并找出采空区塌陷控制因素。研究思路如下:(1)搜集资料:选择研究方向，总结矿山地质资料，现场调查矿山采空区规模和采空区塌陷情况及塌陷现状，搜集国内采空区塌陷相关资料，并对相关资料进行总结和归纳。(2)数值模拟:在矿山现场选取矿石和围岩岩样，在实验室进行点载荷实验，并结合相关地质资料选取数值模拟中岩体参数，根据矿山各采场现状平面图、现状图和地表地形图等构建矿山三维有限元模型，结合矿山实际情况施加边界条件，计算分析矿山各采空区应力分布情况和采空区稳定性。(3)顶板和矿柱稳定性分析:结合现有顶板和矿柱稳定性计算方法，对矿山现有采空区顶板和矿柱进行了稳定性计算和分析，得出采空区顶板和矿柱稳定性。(4)采空区塌陷规律研究:根据矿山历次采空区塌陷实例，分析矿山顶板冒落规律。基于采空区塌陷基本条件计算分析地表塌陷形成过程和规律，并分析塌陷体稳定性。(5)采空区塌陷控制因素和塌陷防治措施研究:结合矿山地质条件和采空区现状，基于桃花山矿采空区塌陷规律，分析桃花山矿采空区塌陷控制因素。结合矿山塌陷现状，提出采空区塌陷防治措施。第四章采空区失稳机理和破坏模式4.1引言空场采矿法在矿体开采后，采场以敞空形式存在，往往会形成大面积采空区，主要靠矿柱和围岩本身强度来维护采空区稳定「36]。随着矿体的开采，采场围岩应力状态不断改变，采场原始应力平衡破坏，应力状态重新分布，最后会达到新的平衡状态。采空区形成后，采空区覆岩失去支撑，原本平衡状态破坏，致使上覆岩层移动变形，发生顶板冒落，甚至会导致采空区大面积塌陷，采空区离地表较近时，采空区塌陷会导致地表塌陷。空场采矿法形成的采空区，其稳定性状态由顶板和矿柱稳定性共同决定，其中顶板破坏是目前矿山主要灾害之一[[37]。采空区稳定性状态基本可以分为以下几个类型:(1)矿柱稳定、矿房稳定;(2}矿柱稳定、采空区顶板失稳。此时，矿柱稳定，但采空区顶板失稳后采空区顶板大面积冒落，可导致上下采空区连通;(3)矿柱失稳、顶板完整。由于矿柱所受荷载超过矿柱强度，矿柱破坏失稳，且不足以支撑采空区顶板岩层，造成上覆岩层整体向下沉陷;(4)矿柱失稳、顶板整体破坏。矿柱失稳破坏后，顶板岩层不断向上破坏甚至有可能发展至地表。采空区采深较小时，则会形成地表塌陷。采空区塌陷是一个复杂的力学时空过程，矿山岩体复杂，影响因素极多，采空区塌陷影响因素主要有地质条件、采空区开采方式、顶底板管理方法、围岩物理力学条件、采空区开采深度、采空区规模、采空区空间位置等。4.2采空区顶板破坏模式和失稳机理采空区顶板失稳时，则会发生顶板冒落。按照顶板冒落范围，常见顶板冒落可分为两大类。(1)局部冒顶局部冒落的特点主要为冒落范围较小，冒落岩体体积较小，原因是己失稳破坏的顶板岩体失去依托导致的，其触发原因是采矿工作(包括爆破、装矿等)过程中，未及时支护己暴露可见的破碎顶板。(2)大面积冒顶采空区大面积顶板冒落时会产生强烈冲击波引起灾难性的破坏。随着采矿的不断进行，采空区不断扩大，如不及时处理，采空区达到一定的规模后可以诱导顶板岩石的崩落，而且可使冒落分阶段、大面积地发生，大片的采空区岩石冒落又可以引起空气快速扩散产生空气冲击波，并产生巨大的冲击压力。冲击波所产生的气浪具有很大的破坏性，给矿山井下作业人员和设备带来危害。4.2.1顶板破坏模式顶板破坏模式，指采空区形成后，悬露顶板在次生应力和其自重共同作用下表现出的失稳破坏方式。各采空区由于采空区规模、地质条件等因素的不同，顶板破坏模式也各不相同。通过分析总结采空区顶板失稳现象，可将顶板的破坏模式概括为拱形冒落、沿断层破碎带抽冒、折断垮落、楔形冒落和顶板的离层垮冒五种破坏模式。（1）顶板拱形冒落。根据普氏地压学说，采空区顶板岩块在自重作用下，会逐渐冒落，最终形成一定高度的免压拱以支撑上覆岩体自重，免压拱形成后，采空区顶板会趋于稳定。(2)沿断层破碎带抽冒。如果采空区上覆岩层存在断层破碎带，顶板被断层切割，如果断层破碎带倾角较大、厚度较大，顶板则会沿断层破碎带抽冒。(3)顶板折断垮落。顶板岩层厚度不大，岩体强度较低时，如果存在断层破碎带垂直矿体走向切割采场顶板，可使顶板成为悬臂梁，在顶板岩体自重作用下，在垂直方向和水平方向顶板会发生折断破坏。(4)顶板楔形冒落。如果顶板岩体节理裂隙发育，部分顶板岩体被多条较大裂隙切割后形成楔形岩体，楔形体在自重作用下回脱离母岩冒落。(5)顶板离层冒落。采空区上覆岩层为层状，如果岩体层间结合力小，单层连续性好，单层岩层厚度小，岩石强度低而顶板跨度较大，则在构造力和岩体自重共同作用下，顶板岩层之间会分离，直接顶板产生弯曲变形，当弯曲变形超过岩层抗拉强度时，直接顶板岩体向采空区冒落。4.2.2顶板失稳机理(1)地质构造弱面导致冒落矿岩层在形成过程中随地质变化形成的地质构造弱面，对顶板的稳定性影响很大[[38]弱面的存在破坏了顶板的完整性，有的弱面使岩性、顶板组合结构改变，顶板的强度降低，最后导致顶板冒落。裂隙、节理等构造较发育时，会频繁出现小规模冒顶，极端时会发生大面积顶板冒落。裂隙发育形成的弱面，对顶板的稳定性影响也较大。虽然顶板岩性、结构未改变，但顶板完整性破坏，强度大大降低，稳定性也降低。节理裂隙发育时，顶板岩体受压后容易破碎，如果未支护，则会发生局部冒顶。层理发育形成的弱面，则使顶板组合结构改变，顶板岩体沿层理产生离层裂隙，导致岩层和母岩分离，使顶板岩体强度降低从而发生离层冒落。而且，层理面越光滑，顶板