缓倾斜层状石膏矿开采沉陷相似模拟

采用相似模拟的实验方法,模拟了衡山石膏矿开采上覆岩层的破断、运移特征及导水裂隙带发育高度和开采沉陷规律,并对其开采沉陷进行了实测。相似模拟结果表明:当矿房跨度大于10m时,采空区上覆岩层开始产生竖向裂隙和层间水平裂隙;随着矿房跨度的增大,直接顶呈悬臂梁结构破断而逐渐逐层垮落,老顶则出现了初次来压和几次周期性来压;当矿房跨度为164m时,地面已整体塌陷,最终垮落带高度和层间水平裂隙发育高度分别为55m和94.5m,为采空区高度的18.3倍和31.5倍;地表沉降的最大值和地面塌陷的影响范围分别为115cm和342m,与其实测结果吻合良好,且两者的相对误差分别为15%和2.3%。     

考虑层间作用的采场基本顶断裂规律分析

岩体层间作用对采场基本顶的断裂规律有着显著影响,为探究采场基本顶在岩体层间作用影响下的破断过程,运用弹性力学基本理论分析采场基本顶的断裂形式以及端部顶板的应力分布与断裂位置。运用ANSYS数值模拟软件,依据最大拉应力准则,采用单元失效技术对端部顶板的应力分布进行模拟计算。结果表明,在中部基本顶破断之后,端部顶板在悬伸或粘结状态下垂直应力不同;因结构面的影响,顶板在端部的断裂位置存在不确定性,从而导致顶板端部来压强度在工作面推进方向上的波动。结合工程实践,揭示了来压强度在工作面方向上存在波动的机理。     

缓倾斜矿体空场法回采矿柱、矿房的确定

通过对良山铁矿岩体力学性质的认识和矿岩稳定性分析,确定了采场失稳的关键因素,利用岩体力学和边界元法,模拟不用采场跨度的应力变化,确定了采场矿房、矿柱尺寸。     

深井超长工作面基本顶分区破断模型与支架阻力分布特征

开采深度和工作面长度增加导致采场矿压显现程度和空间分布特征发生改变,增加了该类采场围岩失稳类型的不确定性及控制难度。针对深井超长工作面异常矿压现象发生频率高、预测难度大等问题,采用理论分析、室内实验和实测等方法分析了该类采场基本顶破断类型和支架阻力分布特征。结果表明:开采深度增加提高了岩体中裂隙发育程度,裂隙尺寸服从对数正态分布,裂隙倾角和倾向服从正态分布;基于蒙特-卡罗模拟方法实现深井超长工作面基本顶三维重构,工作面长度增加导致基本顶中部存在裂隙的概率升高,增大了基本顶在工作面中部发生局部破断的可能性;建立深井超长工作面基本顶分区破断力学模型,采用上限定理推导出完整基本顶的整体承载能力以及基本顶中存在1条和2条原生裂隙时的局部承载能力,获得基本顶在裂隙影响区发生局部分区破断和迁移现象的力学判据;基本顶分区破断现象导致破断岩块在空间上呈非均匀分布,表现为工作面中部块度小、两端块度大的特征;分区破断模型预测结果同相似模拟实验结果吻合,解释了深井超长工作面开采实践中发现的顶板压力沿工作面方向的非均匀分布现象。     

衡山石膏矿老采空区地表沉陷的 ANFIS 预测

采用FLAC3D对已塌陷的衡山县石膏矿的地表沉陷进行了模拟,对该矿不同采场结构参数的采空区地表沉陷进行了模拟,分析了影响采空区地表沉陷的因素;建立了采空区地表沉陷预测的ANFIS模型,分析了其拟合性能和预测性能,对衡山某石膏矿的采空区地表沉陷进行了预测,同时还对其进行了实测.研究结果表明:FLAC3D对已塌陷的衡山县石膏矿地表沉陷的模拟精度达到97％以上;在矿岩力学参数不变的条件下,矿柱跨度、矿房跨度及采空区高度是影响采空区地表沉陷的关键因素;所建立的采空区地表沉陷预测的ANFIS模型的拟合精度和预测精度分别达96％和97％以上;采用该模型预测的衡山某石膏矿的采空区地表沉陷值与实测结果吻合良好;矿房跨度为10,矿柱跨度为4m是该地区石膏矿最合理的采场结构参数.     

采动覆岩应力变化规律分析

为了研究采动覆岩应力变化规律,采用理论研究和数值模拟,理论分析了采场底板岩体支承压力分布、采动裂隙场的空间形态;采用FLAC^3D数值模拟了不同推进距离下水平剖面的应力分布和塑性破坏分布。研究得出,采动覆岩裂隙圈呈现典型的直接顶破断“O-X”型特征,采动塑性破坏区呈中间低和两端高的马鞍分布状态;底板和上覆岩层应力呈3个不同应力区域。     

大采高采场力学模型及支架工作状态研究

以大采高岩层运动及应力分布规律为核心,运用“传递岩梁”理论对大采高综采工作面上覆岩体破断类型及其平衡结构进行分析,研究建立了大采高采场结构力学模型,探讨了大采高采场的覆岩结构及运动规律,详细分析了“给定变形”、“限定变形”两种力学状态下支架工作荷载即缩量确定方法,修正了大采高下直接顶及基本顶概念,确立了支架载荷的计算方法。研究表明：采高增大,直接顶厚度可能大幅度增加,直接顶中出现大跨度悬顶坚硬岩层的几率增大。影响采场矿压显现的“传递岩梁（基本顶）”范围相对减少,对采场矿压有明显影响的岩梁距采场的高度增大。准确地确定悬顶位置、厚度及可能的最大悬跨度是大采高采场顶板控制设计及支架选型计算的关键。     

石膏矿矿柱稳定性分析及试验研究

通过岩石力学试验,运用Hoek-Brown准则及Roclab软件得出石膏矿岩体的力学参数。基于矿柱上的荷载、矿柱中的应力分布和矿柱自身强度的计算方法,得出某石膏矿山条形矿柱的安全系数为1.5～2.0。根据Bieniawski的面积承载理论和强度计算公式,采用反分析法对矿柱进行稳定性分析。结果表明,在开采深度为130 m时推荐的采场结构参数为:条形矿柱宽度≥6 m,矿房跨度≤10 m,矿房高度≤10 m。整个分析过程简单可靠,可以为石膏矿矿柱稳定性分析提供参考。     

特厚煤层大采高综放面组合悬臂梁运动特征及支架阻力研究

针对直接顶岩层结构对大采高综放采场矿压显现影响较大的特点,基于关键层理论与岩块铰接条件,分析直接顶岩层运动特征及液压支架工作阻力合理确定方法,以准格尔地区某矿大采高综放工作面为例计算分析。研究表明,特厚煤层综放采场直接顶关键层及其上位直接顶形成组合悬臂梁结构,随工作面推进破断回转,与其后方的已破断岩层接触、分离滑落,其重量由后方已破断岩层与液压支架共同承担,其悬臂破断回转、与已断岩层接触、分离滑落的过程直接影响着工作面矿压显现。正常回采阶段液压支架仅承受顶煤及下位直接顶的荷载;来压阶段应保证承受顶煤、下位直接顶及组合悬臂梁破断所施加的荷载,才能防止支架压死、活柱急剧下缩等现象;依据其力学特征确定了大采高综放工作面合理的液压支架工作阻力。     

秩和比法耦合数值模拟优化采场结构参数研究

为了得到合理的采场结构参数, 在地应力测量的基础上, 利用FLAC^3D对内蒙古获各琦铜矿CuⅠ矿体采用的上向水平分层充填采矿法采场在不同结构参数下的稳定性进行了研究, 并分析了矿房围岩的应力与位移在不同结构参数(如矿柱宽、矿房宽、控顶高度)下的变化情况。结果显示: 开挖矿房两帮出现最大位移和最大拉应力, 顶板出现最大压应力。从安全角度出发, 采用秩和比法对正交设计的9种方案模拟结果进行优选, 从经济角度分析, 得出获各琦铜矿采场最佳尺寸组合为矿柱宽10 m, 矿房跨度10 m, 控顶高度7 m。     

千米深井超长工作面顶板分区破断驱动机制与围岩区域化控制研究

我国煤矿开采深度和工作面长度不断增加,矿压显现剧烈程度逐年走高。为提高深部超长工作面围岩控制效果,以中煤新集口孜东矿121304工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析、室内试验等手段研究顶板微震活动规律,揭示顶板分区破断与动态迁移机制。结果表明：千米深井超长工作面支架阻力呈现“中间小、两端大”的谷形分布特征,顶板破断有异于常规采场的“O-X”模式;工作面不同推进阶段,顶板破断引起的高能级微震事件位置在工作面长度方向上动态变化,表明基本顶破断存在分区和动态迁移现象;工作面中部高能级微震事件携带能量小于工作面两侧,造成中部动载冲击效应弱,与支架阻力谷形分布吻合;将超前采动应力大于基本顶初始屈服强度的区域定义为峰值影响区,区内应力集中驱动超前裂隙萌生,应力释放和应力旋转促进裂隙扩展,揭示了旋转性采动应力驱动超前裂隙发育机理;构建了基本顶分区破断与动态迁移力学模型,原生裂隙和采动裂隙改变了基本顶局部边界条件,引发基本顶分区破断现象,由中部峰值影响区至工作面两侧,基本顶极限承载能力降低,导致分区破断动态迁移现象;峰值影响区基本顶破断尺寸小于非峰值影响区,解释了121304工作面支架阻力呈谷形分...     

近直立特厚煤层直接顶初次破坏特征

近直立煤层在开采过程中直接顶的破坏将直接影响采场及巷道的稳定,针对近直立特厚煤层采用水平分段开采过程中直接顶所处的应力状态及其破坏特点,建立了与之对应的四边固支的薄板力学模型;采用FLAC~(3D)数值模拟和正交分析的方法开展4个因素3个水平9组数值模拟实验,模拟分析了埋深、倾角、侧压系数和最大主应力方向等4个因素对直接顶法向应力分布的影响特征,结果表明,近直立特厚煤层在开采过程中,作用在直接顶上的法向应力可以简化为均布载荷;采用伽辽金法求解了均布载荷作用下的直接顶挠度,并应用胡克定律和弧长定理对直接顶岩层不同位置处的拉应力进行求解,通过计算获得了直接顶在破坏前拉应力的最大值及其对应的位置;以最大拉应力强度准则为岩层破断依据,最终得到了近直立特厚煤层在采用水平分段综放开采条件下的初次破断垮距。     

充填法采场结构参数优化设计

采用弹塑性理论,综合考虑了国内某矿山矿体的赋存条件,建立了采场稳定性分析的三维有限元模型,研究了充填采矿法不同结构参数时采场的稳定性以及围岩应力和位移随矿房、矿柱尺寸以及采场控顶高度的变化情况.研究结果表明:采场最大压应力和最大拉应力随矿柱宽度增大而减少,随矿房宽度增大而增大;该矿山合理的采场结构尺寸为矿柱宽8 m,矿房宽10 m,控顶高度8～12 m.     

大采高采场覆岩破断演化过程及支架阻力的确定

基于煤岩体"强度参数-应力环境-节理弱面"破坏控制条件研究了大采高采场覆岩变形破断特征,并通过室内试验再现采动引起覆岩破断后运动演化过程,最后根据顶板结构形态对支架工作阻力确定方法进行了理论分析。研究表明:覆岩薄弱岩层冒落取决于层间离层裂隙的发育范围,基本顶表现出固支梁变形破坏特征,断裂线位置则取决于剪切错动裂隙的发育范围;软弱岩层中受拉应力区贯通分布,坚硬岩层中呈孤岛式分布,分布形态同离层和剪切错动裂隙的发育范围相关;层间拉伸张开型裂缝则呈小范围正梯形滞后工作面发育,剪切闭合型裂缝呈大范围倒梯形超前工作面发育;大采高采场下位基本顶破断后形成单关键块结构,更高位基本顶可形成静定三铰拱结构,采场顶板控制关键为前者的稳定性;以单关键块结构形成条件为基础给出直接顶范围确定方法,基于能量守恒原理、直接顶性质提出顶板压力确定公式,直接顶力学参数对其影响程度依次为:黏聚力塑性模量内摩擦角。     

缓倾斜矿体空场法回采矿柱、矿房的确定

通过对良山铁矿岩体力学性质的认识和矿岩稳定性分析,确定了采场失稳的关键因素,利用岩体力学和边界元法,模拟不用采场跨度的应力变化,确定了采场矿房、矿柱尺寸。     

高位硬厚岩层下采场覆岩运动规律及采动应力演化规律

针对工作面上覆巨厚坚硬岩浆岩条件,运用相似模拟试验和数值模拟方法,分别研究了硬厚岩层下采场覆岩运动和采动应力演化规律。研究结果表明,工作面上覆岩浆岩时,覆岩破断的关键阶段分别为直接顶破断、基本顶初次破断、基本顸周期破断、岩浆岩初次破断和岩浆岩周期破断(裂隙沟通地表);硬厚岩浆岩破断前,随着工作面的不断推进,煤体支承压力不断增加;硬厚岩浆岩破断后,采场支承压力要小于破断前。     

用沙坝矿采场顶板稳定性模拟分析

贵州开磷矿业公司用沙坝矿主体为缓倾斜矿体,采用机械化盘区分段充填采矿法开采,通过研究采场跨度与顶板稳定性之间关系确保了作业人员安全和稳定生产.建立合理矿山开采力学模型后,对不同跨度采场在未支护方案下进行数值模拟分析表明,采场整体位移变化基本服从近对称分布;靠近开挖边界处围岩位移最大,距开挖边界越远,围岩位移越小,且移动方向均指向采空区;采场跨度在20m以内,采场顶板不发生破坏;当超过25m以上时,采场顶板出现较大拉应力,顶板开始发生破坏.     

洛河组砂岩含水层下大采高工作面导水断裂带演化规律

针对旬耀矿区厚煤层大采高工作面上覆洛河组砂岩含水层下的安全采煤问题,采用理论分析、相似材料试验和数值模拟研究了某矿1109大采高工作面覆岩破断及裂隙演化规律。研究表明:上覆岩层经历了直接顶破断、基本顶初次破断与周期破断、亚关键层初次破断与周期破断5个阶段,破断发生引起工作面煤壁上方裂隙密度和开度发生跃变,采空区覆岩裂隙经历孕育、产生、张开、闭合、压实5个动态阶段;从开切眼到充分采动过程中,在裂隙带的上部、工作面煤壁上方及开切眼上方裂隙较为发育,裂隙区近似"抛物线"状,采空区中部覆岩裂隙闭合而边界处裂隙不易闭合;工作面充分采动后,导水断裂带发育高度82~85 m,未导通上覆洛河组砂岩。     

不同地质条件下的采场结构参数优化

为了确定不同地质条件下较为合理的采场结构参数,采用理论计算与数值模拟相结合的方法,对不同矿岩稳定性条件下的采场跨度进行选择与优化。以程潮铁矿西区作为研究的工程背景,采用简支梁理论、矿房宽度计算公式对合理跨度与临界跨度进行了计算,并通过FLAC3D数值模拟软件对不同跨度参数的采场稳定性进行了分析。结果表明：矿岩条件为稳固、中等稳固、稳固性较差时的矿房合理跨度分别为18.87、14.93、8.08 m。多矿房回采,位移及拉应力的最大值通常出现在区域中间部位,且矿房跨度的增加极易引起开采区域最大沉降值的迅速增加。矿柱顶板沉降值对矿房跨度也非常敏感。数值模拟结果与理论计算值相符,这表明数值模拟能很好地反映地下开采的真实状态,为采场结构参数确定提供依据。     

基于正交试验原理的某铁矿床采场参数优化

为了保证厚大矿体回采采场稳定,提高矿石回采的安全可靠性、降低支护成本、提高生产效率,以霍邱地区某大型沉积型铁矿床为例,对影响采场稳定性的矿房长度、宽度、高度三个主要因素进行正交试验设计,基于正交试验原理,运用有限差分软件FLAC~(3D)进行了9种方案数值模拟,分析了不同采场参数下周围岩体最大拉应力、最大压应力和位移沉降量分布特征。通过极差分析表明,影响矿房稳定性的主要因素为矿房回采长度,其次是采场高度,采场宽度对采场稳定性影响最小;同时确定某铁矿厚大型矿体回采矿房长、宽、高参数分别为60,20,100m时,最有利于采场稳定。