1 引言

對于地下采礦工程來說, 無論是硬巖采礦還是軟巖采礦, 采場地壓控制和頂板管理在可預見的時期內,仍然是一項十分艱巨的任務. 5月26日23時06分，山東省微山縣棗礦集團新安煤礦發生頂板冒落事故，致使6名礦工被困, 截止目前為止(5/28/2021 11:45am),已有一名被困礦工獲救,其他人生死不明。

這個事件促使我們快速產生出一個新的數據集----頂板冒落(Roof Collapse), 主要包括:

(1) roof collapse.txt;

(2) ..\Surface Subsidence Prediction

(3) ..\rockbolting

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以及UDEC模擬. 本公眾號先前與頂板冒落相關的主要文章參考如下鏈接:

GIIC-UDEC操作教程(3)---巷道頂板冒落

使用RMR估算巷道支護壓力 (Support Pressure)

巖爆和沖擊地壓災害分類(Rock Burst Hazard)

礦山沖擊地壓控制(Coal Mine Burst Prevention Controls)

本筆記簡要描述了在發展這個數據集時想到的一些問題, 想到哪寫到哪, 沒有太多的邏輯.

2 頂板冒落引起地面斷裂

如果是淺部大面積的頂板冒落, 有可能會導致冒落上方地面巖體產生斷裂或引起地表沉降. 地表巖體會產生由應力引起的斷裂(stress induced fractures), 如下圖所示. 這種斷裂通常能用肉眼觀察到. 

2 導致頂板冒落的主要因素

(1) 地質構造. 地質構造直接決定了頂板是否穩定. 如果遇到大的斷層或不連續巖體, 可以考慮避開該地段或者改變開挖方向, 不過, 這對實踐的采礦工程師和地質工程師來說確實是一項非常大的挑戰.

(2) 應力集中. 當開挖深度很大或者開挖尺寸很大時, 巖體內部由構造作用產生的原巖應力以及巖體的自重會導致頂板產生應力集中. 特別是原巖應力的大小和方向對開挖起著主要作用, 因此必須對開挖尺寸和開挖方向進行優化設計, 避免應力集中區域. 

(3) 開采順序. 由于開挖會引起巖體內部的應力重新分布, 因此無論是長臂開采, 房柱開采, 充填開采或其它類型的采礦方法, 都必須考慮采礦順序以及各種開挖之間的相互作用, 包括不同中段的開采順序.  

(4) 巖體質量. 巖體總的質量評價是頂板控制的一個主要手段, 巖體質量與地質構造密切相關, 對于風化和節理化的巖體, 可以采用工程巖體分類系統,例如RMR, Q-System, GSI定量評價巖體質量, 從而決定頂板的自穩時間以及決定是否需要支護.

(5) 地下水. 地下水是影響頂板穩定的一個重要因素. 大多數的地下開挖都能遇到地下水, 地下水一方面軟化了巖體, 另一方面會產生流體與力的相互作用. 因此如果在開挖過程中遇到大量地下水, 必須改變開挖方向或者采取預排干措施.

(6) 沖擊地壓. 沖擊地壓的產生一方面是由于開挖區域巖體的能量釋放, 另一方面也可能由于礦區附近的地震. 預防沖擊地壓是一件非常困難的事情. 

3 頂板冒落的數值模擬

對于大多數頂板控制問題來說, 優先使用的數值模擬方法是假定巖體是不連續的, 這可能比使用連續介質方法產生更好的預測結果. 最常用的不連續方法是離散元, 例如UDEC和3DEC.

 

4 參考文獻

[1] Suchowerska, A. M., et al. (2012). "Prediction of underground cavity roof collapse using the Hoek-Brown failure criterion." Computers and Geotechnics 44: 93-103.

[2] Zhang, R., et al. (2019). "Study on roof collapse of deep circular cavities in jointed rock masses using adaptive finite element limit analysis." Computers and Geotechnics 111: pp.42-55.

[3] Park, D. and R. L. Michalowski (2018). "Tunnel Roof Stability in Soft Rock with Tension Cutoff." Proceedings of Geoshanghai 2018 International Conference: Tunnelling and Underground Construction: 361-368.

[4] Wang, H. T., et al. (2019). "Roof collapse mechanisms for a shallow tunnel in two-layer rock strata incorporating the influence of groundwater." Engineering Failure Analysis 98: 215-227.

[5] Hatzor, Y.H, Benary, R. (1998). The stability of a laminated Vousoir beam: back analysis of a historic roof collapse using DDA. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 35, Issue 2, pp:165 -181.