顶板冒落(Roof Collapse)数据集的建立
1 引言
对于地下采矿工程来说, 无论是硬岩采矿还是软岩采矿, 采场地压控制和顶板管理在可预见的时期内,仍然是一项十分艰巨的任务. 5月26日23时06分，山东省微山县枣矿集团新安煤矿发生顶板冒落事故，致使6名矿工被困, 截止目前为止(5/28/2021 11:45am),已有一名被困矿工获救,其他人生死不明。
这个事件促使我们快速产生出一个新的数据集----顶板冒落(Roof Collapse), 主要包括:
(1) roof collapse.txt;
(2) ..\Surface Subsidence Prediction
(3) ..\rockbolting
以及UDEC模拟. 本公 众 号先前与顶板冒落相关的主要文章参考如下链接:
使用RMR估算巷道支护压力 (Support Pressure)
岩爆和冲击地压灾害分类(Rock Burst Hazard)
矿山冲击地压控制(Coal Mine Burst Prevention Controls)
本笔记简要描述了在发展这个数据集时想到的一些问题, 想到哪写到哪, 没有太多的逻辑.
2 顶板冒落引起地面断裂
如果是浅部大面积的顶板冒落, 有可能会导致冒落上方地面岩体产生断裂或引起地表沉降. 地表岩体会产生由应力引起的断裂(stress induced fractures), 如下图所示. 这种断裂通常能用肉眼观察到.
2 导致顶板冒落的主要因素
(1) 地质构造. 地质构造直接决定了顶板是否稳定. 如果遇到大的断层或不连续岩体, 可以考虑避开该地段或者改变开挖方向, 不过, 这对实践的采矿工程师和地质工程师来说确实是一项非常大的挑战.
(2) 应力集中. 当开挖深度很大或者开挖尺寸很大时, 岩体内部由构造作用产生的原岩应力以及岩体的自重会导致顶板产生应力集中. 特别是原岩应力的大小和方向对开挖起着主要作用, 因此必须对开挖尺寸和开挖方向进行优化设计, 避免应力集中区域.
(3) 开采顺序. 由于开挖会引起岩体内部的应力重新分布, 因此无论是长臂开采, 房柱开采, 充填开采或其它类型的采矿方法, 都必须考虑采矿顺序以及各种开挖之间的相互作用, 包括不同中段的开采顺序.
(4) 岩体质量. 岩体总的质量评价是顶板控制的一个主要手段, 岩体质量与地质构造密切相关, 对于风化和节理化的岩体, 可以采用工程岩体分类系统,例如RMR, Q-System, GSI定量评价岩体质量, 从而决定顶板的自稳时间以及决定是否需要支护.
(5) 地下水. 地下水是影响顶板稳定的一个重要因素. 大多数的地下开挖都能遇到地下水, 地下水一方面软化了岩体, 另一方面会产生流体与力的相互作用. 因此如果在开挖过程中遇到大量地下水, 必须改变开挖方向或者采取预排干措施.
(6) 冲击地压. 冲击地压的产生一方面是由于开挖区域岩体的能量释放, 另一方面也可能由于矿区附近的地震. 预防冲击地压是一件非常困难的事情.
3 顶板冒落的数值模拟
对于大多数顶板控制问题来说, 优先使用的数值模拟方法是假定岩体是不连续的, 这可能比使用连续介质方法产生更好的预测结果. 最常用的不连续方法是离散元, 例如UDEC和3DEC.
4 参考文献
[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.
