水砂—胶结充填隔离矿柱稳定性及宽度研究

某嗣后充填矿山前期水砂充填泌水效果不佳,充填体富水,随着水砂充填区域增大,开采过程中顶板及上盘稳定性变差,为改善开采安全状态,改用胶结充填,水砂充填区与胶结充填区之间的隔离矿柱是保证未来采矿安全的关键。构建了侧壁承压倾斜矿柱理论分析模型,并采用FLAC^3D数值模拟软件对10～15 m宽度水砂—胶结充填隔离矿柱和不同水砂充填体静水压力梯度进行了研究。研究表明:(1)开采扰动会使隔离矿柱内形成应力集中,且未凝固的水砂充填体会进一步增加矿柱内最大主应力;(2)矿柱内部应力重分布及水砂充填体水平压力使得矿柱水平变形增加,逐步产生破坏形成塑性区,10～13 m的隔离矿柱不足以保障充填体含水工况下的采场稳定性;(3)考虑到爆破扰动的影响,在现有富水充填情况下,建议隔离矿柱宽度为15 m;(4)隔离矿柱宽度15 m时,随着静水压力梯度增加,矿柱内部最大主应力和水平变形会有所增长,但塑性区未发生明显增加,15 m宽的隔离矿柱可以保障后续开采安全。     

基于尖点突变理论的水平矿柱稳定性研究

龙首矿岩体复杂破碎,为研究其贫矿体大面积开采过程中预留的30m厚水平矿柱能否保证地表及井下采场结构的稳定,基于尖点突变理论对水平矿柱稳定性进行了分析,并利用SURPAC、ANSYS以及FLAC3D等三维数值模拟软件对矿柱稳定性进行了研究。通过GPS地表监测,验证了理论计算与数值模拟结果的可靠度。结果表明:矿柱失稳与否,与岩体强度无关,其中水平应力和矿柱长度越大,越不利于矿柱的稳定,贫矿开采过程中只要做到及时充填采空区,提高充填接顶率,预留30m厚的水平保安矿柱不会发生突变失稳破坏;水平保安矿柱的塑性区分布及其最大主应力变化都在可控的范围内,其中矿柱最大主应力变化较小,由贫矿开采前的24.56MPa增大至27.25MPa,说明贫矿开采并没有对保安矿柱产生过大的应力集中,在预留厚度为30m的情况下,保安矿柱能够保证稳定;采空区充填后,由于充填体的支撑作用,水平保安矿柱能够充分发挥其承载能力,保持地表及井下岩体的稳定,可以保证矿山安全生产。     

阶段嗣后充填法采场应力与变形规律及稳定性研究

某铁矿采用阶段空场嗣后充填法开采,目前-450 m首采中段的回采工作即将结束,拟在-390 m新中段的开拓中将阶段高度从原来的60 m提高到90 m,阶段高度提高了50%。为了研究急倾斜厚大矿体在阶段 空场嗣后充填法开采条件下的应力变形规律,采用相似材料试验和数值模拟相结合的方法,考虑了首采中段和多盘区对新中段回采充填的影响,通过分析得到了采场矿柱和围岩的应力与变形规律。结果表明：在阶段 高度提升后的新中段回采充填过程中,矿柱被揭露后矿柱内的应力会大幅增加,并随应力集中程度增加而导致矿柱的剪切破坏;采场内最大变形出现在中间盘区矿房顶板,最大主应力及塑性区主要出现在中间矿柱的 中下位置,最大主应力、沉降变形及塑性区呈中间大两边小的对称性分布,最小主应力出现在两边矿房顶角处;盘区矿房采用间隔回采形成的最小主应力和沉降变形小于顺序开采,矿房的回采顺序对最大主应力的影 响较小;随着矿柱宽度增加,采场内最大最小主应力、变形值及塑性区范围呈逐渐减小的趋势。研究成果对国内外采用空场嗣后充填法开采的同类型矿山具有借鉴意义。     

进路间距对采场围岩力学行为和变形的影响

增加无底柱分段崩落法进路间距,有利于增加一次崩矿量和改善放矿效果.基于某矿山无底柱分段崩落法的结构参数优化方案,采用数值模拟方法,研究了该矿5种进路间距下的进路围岩应力分布特征、位移变化和塑性区分布规律,分析了进路间距变化对围岩稳定性的影响.结果表明:(1)不同进路间距下,进路顶板与两侧帮围岩的最大主应力表现出进路间距越大主应力值越小的特征,但随围岩深度的变化,最大主应力表现出不同的变化态势;(2)顶板和侧帮围岩的最小主应力呈现出先增加后趋于平稳的变化趋势,主应力的最大值主要分布于进路侧帮4~10 m 范围内,进路间距越小,相邻进路的相互影响引起了应力叠加,易发生张拉破坏,间距越大,最小主应力的值越小;(3)顶板和侧帮围岩的位移量呈现出“中间大、两端小”的变化规律,增加进路间距对顶板围岩的位移区域及范围影响较大,但有利于降低相邻进路间的相互影响程度和保持进路围岩的整体稳定性;(4)进路围岩塑性区以剪切塑性区为主,主要分布在进路四周2 m范围内,进路间距变化对塑性区扩展影响不大.     

基于FLAC~(3D)的空区下矿体回采隔离保安矿柱厚度研究

以某地下矿山为工程背景,通过FLAC~(3D)数值建模,讨论不同隔离矿柱厚度下开采矿体对空区的影响,并将结果与现场监测数据进行了对比分析。研究结果表明:隔离矿柱的设置确实能够有效控制围岩变形和空区破坏,保证空区下矿体回采的安全进行;拉应力破坏是围岩破坏的主要形式;考虑到围岩自承能力以及矿量的损失,隔离矿柱厚度确定为15m左右。隔离保安矿柱的尺寸确定对类似矿山的空区治理及开采具有参考意义。     

猫场铝土矿采场回采顺序优化研究

在矿山开采过程中,不合理的回采顺序容易导致围岩变形、位移和破坏。为有效预防该类地质灾害发生,本文采用数值模拟仿真软件对猫场铝矿条带开采嗣后充填法采场回采顺序进行优化研究。通过分析采场整体和顶底板位移大小、顶板与矿柱应力分布以及整体塑性区体积大小,研究表明：方案Ⅰ(由南至北)的回采顺序最佳,该方案下采场整体位移5.396 m、顶板位移为5.853 m、地表位移为2.854 m;顶板最小主应力为0.421 MPa,矿柱最大主应力为25.4 MPa;剪切破坏体积为0.628 m3,拉伸破坏体积0.248 m3。其中,位移与应力数值相较其他两种方案差值较小,但拉伸破坏体积差值较大,且该方案下位移、应力、塑性区体积均小于其他两种方案。因此,采用从南至北开采的回采顺序更有利于采场的稳定。     

双巷布置工作面留巷塑性区演化规律及稳定控制

为了揭示双巷布置工作面留巷塑性区演化特征,以石圪台矿为研究背景,应用理论分析和数值模拟方法,针对主应力大小、角度和塑性区分布特征展开研究,获取了留巷主应力变化规律、塑性区扩展特征,阐明了留巷发生非对称变形的原因。结果表明:1)得出了留巷轴向主应力分布特征,并沿走向将其划分为7个阶段,主应力特征曲线左右大致对称,中部高且平缓、左右两侧较低但变化幅度大,其中主应力大小及角度急剧变化过程位于滞后影响阶段;2)主应力大小与塑性区扩展范围正相关,主应力角度决定了塑性区扩展方位,二者共同作用下塑性区产生非对称扩展,从而引起留巷围岩非对称变形;3)得出了石圪台矿31203工作面留巷非对称变形破坏特征,确定了隐患部位,提出了留巷非对称补强支护方案,现场应用取得良好效果。     

基于最大水平主应力设计锚杆支护方向

深部地下工程中最大水平主应力方向发生变化时,确定锚杆的最佳支护方向能够达到最好的围岩支护效果。应用FLAC3D数值分析方法,分析了山金白音呼布矿区最大主应力方向与巷道轴向52°相交的围岩应力、位移变化及塑性区分布特征。针对最大水平主应力方向提出3种巷道支护方案,研究最大主应力和锚杆支护方向对围岩稳定性的影响。结果表明,矿区巷道断面应力集中和塑性破坏区非对称分布,主要分布在最小主应力方向一侧的顶板和最大主应力方向一侧的边帮;在σHv型应力场中巷道支护方向与最大水平主应力方向一致更有利于围岩的稳定,最终考虑方案2为锚杆支护优化方案。     

冬瓜山铜矿隔离矿柱开采方法及稳定性分析

叙述了冬瓜山铜矿采用大直径深孔嗣后充填开采法进行多个采场同时开采,嗣后一次全尾胶结填充采空区的做法;同时通过数值计算软件模拟3种采场结构参数,分析采场的稳定性。计算结果表明：当采场长度越长,采场宽度越大时,围岩里面的最大主应力越大;当采场宽是14 m,长是28 m,永久矿柱厚度是4 m时,采场塑性区范围最小;此组参数被定为隔离矿柱的最终采场结构参数,实现了隔离矿柱的安全高效开采。     

采空区侧保留巷道围岩破坏分析及控制技术

针对王家塔煤矿3s101工作面采空区侧保留巷道受采动影响导致围岩破坏变形的问题,采用现场监测、理论分析、数值模拟等研究方法,对采动影响下保留巷道的围岩变形破坏特征、采动应力分布规律、以及围岩塑性破坏特征进行了研究。结果表明:受工作面采动影响,保留巷道位移变化主要在工作面后方顶底板,最大顶底板移近量达310 mm;巷道围岩主应力、主应力比值、最大主应力与z轴夹角的变化值在工作面后方175 m左右达到最大,最大主应力达到16 MPa,主应力比值达到2.32,最大主应力与z轴的夹角偏转至20°左右;受采动应力的影响,巷道围岩塑性破坏区也主要发生在工作面后方,塑性破坏范围在工作面后方175 m左右达到最大,顶板最大破坏深度达7.5 m。针对性地提出了“锚索+钢带”加强支护顶板的补强治理方案,保证了巷道围岩稳定,回采期间安全生产。     

连续全面回采对采场稳定性的影响

针对全面采矿法,进行连续回采,对其采场稳定性进行分析。以云南某铜矿为例,采用数值模拟手段,分析采场中的应力、位移、塑性区。得出:随着开采的推进,最大主应力和最小主应力并不是出现在采场深部,而是出现在顶底柱上,出现应力集中现象,采场中最小主应力的最小值由2.53 MPa增加至5.71 MPa,增幅为125.7%,最大主应力的最小值由6.88 MPa增加至20.11 MPa,增幅达192.3%,应力过大易造成失稳破坏;各点位移均呈增大趋势,3个顶底柱上均出现位移突然增大的现象,中部顶底柱上的最大下沉量达到47.87 mm;顶底柱上表现为剪切破坏,围岩塑性区影响范围增大,表现为剪切、拉剪、拉破坏共存的状态。应适当增大顶底柱尺寸,或者减小采场尺寸,以保证采场安全。     

不同卸压孔劈裂角度的硬岩岩爆局部解危效应

针对岩爆局部解危,分别开展了基于室内试验和现场尺度的不同卸压孔劈裂角度和无劈裂情况下的FLAC~(3D)数值模拟,结果表明,同条件下,在卸压孔及劈裂缝的周围,0°劈裂缝的围岩变形不均匀性最大,最易通过局部损伤破裂耗散能量,90°劈裂缝和无劈裂缝情况的围岩变形不均匀性最小,几乎接近均匀,难于通过局部损伤破裂来耗散能量;劈裂角度为0°～45°时,塑性区从劈裂缝尖端部开始萌生,并沿最大主应力方向扩展发育,在形态上呈共轭状分布,在沿卸压孔轴线方向(y轴方向)上,塑性区从临空面向孔底部呈近似锥状收缩,即从孔底到围岩临空面,塑性区范围不断增大,随着劈裂角度的增加,围岩塑性区范围随之减小;垂直于最大主应力方向的卸压孔劈裂缝解危效果最好,现场施工与最大主应力方向相垂直的卸压孔劈裂缝,根据现场围岩表面的破裂演化情况来综合确定临空面完整性系数,根据现场施工的卸压孔深度,可大致确定卸压孔劈裂解危深度。     

矿山隔离矿柱回采稳定性分析及开采方案研究

冬瓜山铜矿在进行完大规模1步骤矿房回采和2步骤矿柱回采后,形成了大量的采空区和充填采场,致使岩体应力分布十分复杂,盘区隔离矿柱的回采条件已发生根本性改变。通过对开采状态的调研分析,以52-54线隔离矿柱为例,提出了2种隔离矿柱回采方案,从开采难度、矿石回收率、采切工程量等方面进行了对比分析,并结合数值模拟软件FLAC^3D对2种矿柱回采方案进行了模拟。模拟分析显示：方案1隔离矿柱在回采过程中侧壁出现了较大的位移,容易形成侧壁垮塌,并且其塑性区面积较大;方案2在隔离矿柱回采后,采场侧壁位移很小,对于在回采过程中出现的应力集中区域,减小矿房跨度,避免矿壁受到进一步破坏,回采作业对围岩的影响最小。通过综合比较,认为方案2较为合理,为可行性较高的方案。     

近地房柱法矿柱尺寸对石膏矿采空区稳定性影响研究

为确保某石膏矿地下矿体回采不影响地表大面积变形和塌陷,对其所预留的矿柱尺寸大小与采场稳定性关系分析,由面积承载理论构建简易混合矿柱模式,得到矿柱安全系数随矿柱宽高比增大而增大的结论。采用FLAC3D软件模拟地下开挖过程采场周围岩体应力应变变化情况,结果表明:预留矿柱在3 m及以上时,能较好的维护采场稳定,不会出现较大的塑性破坏,满足地表非重要建筑物的安全要求。     

红透山铜矿采场矿柱破裂过程的数值模拟

基于对红透山铜矿采场矿柱破坏形式的现场调研,发现高应力下矿柱破坏形式主要为剥落、劈裂破坏、剪切破坏3种形式。为研究其采场矿柱破坏的力学机制,依据红透山矿采场的实际情况及矿岩分布模式,将红透山矿矿柱分为3种矿岩组合模型。以此为基础,应用基于有限元的数值分析方法,对3种矿岩组合矿柱模型的破裂模式进行了模拟分析。数值计算结果表明：I型矿柱均为矿石,其破坏形式为X型剪切破坏;II型矿柱为矿岩组合,其破坏形式主要为矿柱上部围岩发生破坏,而在矿柱下部矿体仅仅产生一些裂纹;Ⅲ型矿柱为上下围岩中间夹矿,裂纹先在上下2层围岩中产生,继而向中间矿石扩展,直至最后裂纹贯通,矿柱失稳。该数值分析结果可为类似矿山矿柱的设计提供一定的参考依据。     

基于FLAC3D的上向水平分层充填法采场稳定性分析

小东沟金矿厚大矿体采用上向水平分层充填采矿法开采,合理的采场结构参数直接关系到采场稳定性和矿体开采效率。设计3种采场结构参数,建立FLAC3D数值模型进行计算。模拟结果表明,矿房开采过程中各方案最大主应力、垂直方向位移和塑性区体积均较小,开采矿柱时应力、位移和塑性区体积值均急剧增加。矿房跨度过大易导致矿柱开采过程中采场稳定性降低,增加安全隐患。最优采场结构参数为矿房宽6m,矿柱宽5m。模拟结果为小东沟金矿采场结构参数的确定提供了理论支撑。     

高应力环境水平矿柱稳定性对回采顺序响应特征

深部资源高效开采逐步常态化,深部高应力环境引发的系列安全问题已突出显现,为深部资源高效回采提出了巨大挑战。针对深部多中段多矿房同时回采中的安全问题,从回采顺序合理优化的角度,阐述了回采顺序让压作用原理,通过数值模拟试验进行了水平矿柱稳定性观测,分析了水平矿柱稳定性对回采顺序的响应特征,提出了水平矿柱稳定性调控方案。研究结果表明:回采顺序对水平矿柱稳定性影响较大,在同时开挖条件下,水平矿柱内最大主应力迅速增加,极易造成矿柱破坏性失稳;顺序回采条件下,水平矿柱内最大主应力产生缓慢调整和转移,水平矿柱内最大主应力均小于同时开挖工况。隔一采一条件下最大主应力较顺序回采增加2%,但能有效保证多盘区同时施工,同时降低了高应力集中效应,为深部资源安全高效回采提供有利环境。     

L27号脉矿柱及采空区稳定性数值模拟分析

根据某金矿L27号脉矿柱及采空区分布情况,采用Midas-GTS、FLAC3D等软件完成了934～1054 m中段采空区数值建模及开采过程的仿真计算,发现顶底柱和间柱塑性区破坏程度较轻,矿柱及采空区整体稳定,未出现明显的塑性贯通区,但存在局部的片帮和冒顶现象。所有空区顶底板的垂直位移量控制在10 cm以内,不会产生大规模的破坏,仅下盘围岩产生小范围的拉伸破坏。     

露天转地下开采空区破坏特征及边坡稳定性分析

以某铁矿露天转地下无底柱分段崩落法开采为工程背景,利用FLAC3D数值模拟方法和基于点安全系数方法,分析了地下开采过程中地压活动规律及边坡稳定性。分析结果表明,回采过程中空区围岩逐渐垮落,空区不会出现大面积突然崩塌;塑性区范围并未完全破坏顶板,境界矿柱的留设较为安全;回采过程中边坡安全系数高,较稳定。     

厚煤层沿空留巷掘进变形破坏规律研究

为研究厚煤层下回风巷道掘进过程中围岩的变形破坏规律,以朔州煤电铁峰公司南阳坡矿5800回风顺槽为背景,采用FLAC3D对其应力、变形和塑性区变化情况展开数值模拟分析,得到了3个成果:(1)巷道开挖完成后,巷道围岩最大主应力出现在巷道煤柱帮表面以及实体帮深部约2 m的位置,最大剪应力出现在巷道两帮位置;(2)巷道顶板和两帮在巷道表面上的位移均呈抛物线分布,且其最大值与巷道开挖推进距离呈"指数衰减式"增大关系;(3)巷道开挖过程中,巷道煤柱侧的塑性区范围要明显大于实体侧,巷道顶板靠近煤柱侧的塑性区范围大于另一侧,而巷道底板则基本不发生破坏,整个巷道围岩破坏范围约为1.5～2 m。