空区顶板安全厚度和临界跨度确定的数值模拟

为了确定空区上方顶板厚度和临界跨度之间的关系,本文以某露天铁矿采空区群为工程实例,通过现场取样测定的岩石力学参数为基础获得顶板岩体力学参数,采用K.B.鲁别涅依他公式法、厚跨比法、结构力学梁理论、平板梁理论法对其进行计算。同时,作者利用RFPA数值模拟方法对空区顶板的损伤及垮塌过程进行数值模拟,计算空区顶板发生初始损伤和失稳垮塌时顶板安全厚度与临界跨度之间的关系。K.B.鲁别涅依他公式法所得结果与RFPA计算的顶板发生初始损伤时的数值结果最为接近,两者的比值可认为是从数值模拟获得的安全系数。由此可见,由K.B.鲁别涅依他公式法计算的顶板临界厚度保留了很大的安全系数,基于RFPA的数值模拟可以计算该安全系数,具有更为广泛的适用性。     

充填体荷载作用下金属矿山采空区顶板稳定性分析

针对如何提高研究区深部矿体采矿活动安全性的问题,通过理论计算方法和数值模拟计算法对采空区顶板的稳定性进行了分析。结果表明,厚跨比理论、载荷传递交汇线理论和结构力学梁理论求得的采空区顶板安全厚度基本一致,具有较好的线性变化关系,获得采空区顶板安全距离为10.0～18.0 m(采空区跨度为20 m);通过数值模拟极端后,确定了研究区顶板的临界破坏厚度为12.5 m,最终确定了采空区顶板的安全厚度为15 m。此时,采空区的水平方向最大的位移量可达28.2 mm,垂直方向上最大下沉量可达368 mm;采空区开挖后的最小主应力为-1.42 MPa,最大主应力为-6.7 MPa。     

露井联采矿山采空区顶板安全厚度控制技术

采用有限差分法模拟分析采空区顶板不同厚度时的位移及塑性区变化特征,结合莫尔-库仑屈服理论,确定紫金山金铜矿露井联合开采过程中顶板的最小安全厚度。当顶板厚度为72,60,48,36 m时,采空区顶板存在局部压剪、拉伸破坏,但破坏面并没有连续贯通,可以保证露天、井下采矿作业面的安全;当顶板厚度为24 m时,矿柱会产生贯通性破坏,容易导致矿区顶板发生坍塌事故;当顶板厚度为12 m时,采空区顶板也没有发生贯通性剪切、拉伸破坏,但是顶板厚度在降低至12 m之前,已然发生破坏。根据数值模拟结果,结合矿山露采技术要求,确定采空区顶部最小安全厚度为36 m,为矿山露井联合安全开采提供了理论指导依据。     

采空区临界安全顶板预测的厚度折减法

借鉴强度折减法计算边坡安全系数的思路,提出采空区安全顶板预测的厚度折减法.不断调整顶板厚度,直到其达到临界破坏状态,此时对应的顶板厚度即为安全顶板厚度.当顶板达到临界状态时,其位移将发生突变,计算不收敛,因此,将静力平衡方程组是否有解、计算是否收敛作为顶板破坏的标准.采用同时考虑拉伸和剪切破坏的Mohr-Coulomb准则,对某一采空区顶板安全厚度进行预测,并对采空区周围的应力和变形进行分析,结果表明：当采空区跨度分别为4,7,10,15,20,25 m时,顶板安全厚度为2.1,5.2,9.2,12.3,16.6,22.9 m;采空区跨度较小时,塑性区范围较小,顶板主要破坏形式为冲切破坏;随着跨度的增大,塑性区面积增加,破坏形式转变为垮落;当顶板发生破坏时,计算的不平衡力无法收敛,位移不断发展,位移最大值区域位于采空区正上部.     

联合采矿法回采挂帮矿时采空区的临界冒落跨度研究

露天转地下过渡期挂帮矿开采方法有多种,其中联合开采是解决过渡期产量平衡的有效方法。使用联合采矿法会形成非连续的采空区,这些采空区将影响矿山的安全生产,因此,需要研究安全合理的空区处理方法,诱导冒落法是近几年兴起的一种新型空区处理方法,采用诱导冒落法时需要提前确定采空区的临界冒落跨度和散体垫层的安全厚度,文章结合某铁矿挂帮矿体的实际情况,首先利用解析法计算出空区的临界冒落跨度和散体垫层安全厚度,然后通过数值模拟对矿柱回采过程中空区顶板围岩的位移、应力进行分析,补充验证了采空区的临界冒落跨度,并证明了采用此方案处理采空区的可行性,对矿山的生产施工具有一定的指导意义。     

基于改进梁模型的地下空区顶板安全厚度分析

针对天然水平应力程度对地下采空区的影响,以某地下矿山采空区为工程实例,将地下空区顶板视为改进梁模型,结合岩梁、结构力学和材料力学理论,以顶板岩层抗拉强度为控制条件,推导出地下空区不同跨度下顶板的安全厚度。研究结果表明,顶板安全厚度随空区跨度的增加而增大,近乎呈线性关系。低水平应力时随空区跨度增加对顶板厚度整体影响都较小;当采空区跨度较小时,不同水平应力程度对顶板安全厚度的影响可忽略不计;当空区跨度达到一定程度时,随空区跨度的增加改进梁模型计算的顶板安全厚度增加幅度变大。     

多因素耦合下的采空区上覆岩层安全厚度分析

为了研究露天矿多因素耦合下的采空区上覆岩层安全厚度变化规律,针对河曲露天矿已探明采空区进行了顶板安全厚度分析;建立采空区及周边岩体的数值模型,分析不同跨度的采空区在震动载荷因素和双采空区叠加影响下顶板沉降位移变化规律。结果表明:采空区上覆岩层安全厚度随采空区跨度的增加而增大,且采空区跨度达到60 m时,上部岩层发生严重破坏;考虑震动荷载时,随着采空区跨度的增大,震动荷载的影响越为明显;双采空区产生叠加影响的采空区间距范围为40 m以内。综合采空区上覆岩层安全厚度的理论分析与数值模拟结果,给出河曲露天矿开采范围内的采空区处置方案。     

车辆荷载作用下露天矿采空区顶板安全厚度研究

采空区的存在对露天矿的安全生产构成极大威胁,而顶板是决定空区稳定性的重要因素。针对弓长岭露天矿已探明采空区进行了顶板安全厚度分析。建立了车辆荷载作用下的采空区顶板的力学模型,推导了顶板的振动方程,获得了其安全厚度计算式。结合弓长岭露天矿采空区实际情况,分析了车速、车质量、顶板厚度和跨度对顶板岩梁动态响应的影响规律,计算了不同顶板抗拉强度、跨度组合和不同车质量时的顶板最小安全厚度值,并据此分析了安全厚度的变化规律,对该矿区的安全生产具有重要意义。结果表明：顶板岩梁中的动弯矩与车速、车质量以及顶板跨度近似呈线性关系,且随顶板厚度增加而减小,顶板厚度越小,动弯矩减小幅度越大;顶板最小安全厚度随其抗拉强度增大而减小,随其跨度、车质量的增大而增大。     

三山岛金矿软破介质下残柱开采的稳定性分析

为确保三山岛金矿顶底残柱安全高效回采, 采用理论力学与数值模拟对散体下顶底残柱开采过程进行了稳定性分析。建立了理论力学模型, 应用修正普氏拱理论计算了进路顶部荷载, 采用数学力学解析法对不同规格的进路在开挖过程中的承载层进行了内力分析, 得出了进路开采半宽和承载层厚度之间的拟合函数, 进而得出了不同跨度进路顶板需预留原岩的最小安全厚度。应用ABAQUS软件对不同规格进路的开挖过程进行了塑性变形和顶板应力分析, 得出了进路的合适采高及预留原岩的安全厚度, 以及不同跨度的进路顶板冒落规模, 从而得到采场进路宽和高分别为1.5 m和1.6 m。将理论力学分析和数值模拟分析的结果应用于三山岛金矿残柱的开采中, 并对采场沿脉巷道进行位移监测, 能确保试验采场安全生产。     

某矿山多层采空区群稳定性的FLAC3D数值分析

为评价某矿山采空区群的稳定性,应用有限元FLAC3D软件对该矿体及复杂多层采空区群三维数值模型进行了模拟分析.选取相邻空间区间顶板厚度小于30 m和顶板跨度较大的空区群作为研究对象,对多层采空区的应力分布和塑性区(结构塑性强度破坏方面)以及采空区顶板中点位移监控(变形控制方面)进行了研究,并根据研究结果对矿体所有采空区进行了稳定性分类,为后续采空区治理提供了可靠的依据.     

极近距离煤层采空区下回采巷道位置及围岩控制研究

为解决准南煤矿极近距离煤层采空区下1501工作面安全回采问题，运用理论计算、数值模拟及现场实测等手段，研究了1501工作面巷道位置及支护方式。结果表明：为有效避开上部采空区残留煤柱影响，1501回采巷道与上部残留煤柱的合理水平错距应为9m|针对极近距离煤层采空区底板应力分布规律、岩层厚度和力学性质等，提出了巷道支护对策及支护方案；1501工作面回采过程，巷道顶底板相对移近量最大为222.5mm，两帮相对移近量最大为151mm，巷道未出现棚腿压折、冒顶、片帮现象，工作面实现了安全回采。     

地下开采转露天复采复杂采空区顶板厚度的研究

为研究地下采空区顶板厚度对后期露天开采的影响,以紫金山金铜矿地下开采转露天复采为研究背景,运用5种经典理论计算公式对单一采空区顶板厚度进行计算,得出了顶板厚度的优化值; 并结合FLAC^3D有限元软件分析了多个采空区相连时所需的顶板安全厚度,提出了最优的采空区矿房跨度取值。结果表明,采矿量相同时,采空区矿房跨度越小,顶板越稳定,最小安全顶板厚度越薄; 为提高开采效率及安全等级,可适当减小采空区的矿房跨度。     

基于DIMINE-MIDAS/GTS的采空区稳定性分析

随着矿山的开采,形成大量的采空区,采空区的存在严重威胁井下作业人员安全,并影响企业的长期发展。为了保障安全生产,采用室内试验、数值模拟等技术手段针对南川河石灰岩矿井的地下采空区进行了稳定性分析。在室内岩石力学试验基础上,根据Hoek-Brown准则及其强度参数的估计法,对该矿的岩石力学参数进行折算,利用大型三维矿山软件DIMINE建立有限元三维数值模型,结合有限元数值分析软件MIDAS/GTS进行矿山开采及采空区稳定性有限元数值模拟分析。得出结论:老采空区顶板出现拉应力破坏,局部最大拉应力为2.27MPa,易发生冒顶片帮事故;13号矿柱产生主应力集中,处于压应力破坏;采空区周边矿柱仅有少量单元发生塑性破坏,塑性区主要存在于采空区顶板;地表位移沉降较小,矿山采空区基本处于稳定状态。     

基于现场监测与数值模拟的浅层采空区稳定性分析

隐患采空区是目前影响露天开采矿山安全生产的主要危害源之一。随着台阶开采的不断剥离,露天开采境界内各台阶与地下空区群的隔离层厚度越来越薄,随时有可能发生采空区顶板坍塌事故。考虑到露天矿采空区地质赋存条件和围岩稳固性等特征,以弓长岭露天铁矿浅层采空区为工程背景,运用现场监测和数值模拟相结合的手段综合分析了浅层采空区的稳定性。将液体静力水准地表沉降监测系统的监测数据与FLAC数值模拟结果对比,调整蠕变参数使得数值模拟的蠕变速率与现场监测结果一致,而后据此进行未来结果的预测。最终根据地表沉降数据确定的蠕变参数取值为A=1.0×10^-12、m=1.75、n=0.35。研究表明:静力水准测点地表最大沉降位移为-9.8 mm,蠕变计算结果顶板最大垂直位移约20.4 mm,应力最大值约25 MPa,综合分析显示该采空区较稳定。上述研究提供了一种基于采空区现场监测数据的数值模拟蠕变分析方法,可为类似矿山采空区稳定性分析提供借鉴。     

下层采空区跨度对采空区顶板稳定性影响分析

针对齐大山北采区发现的双层采空区,为了分析其稳定性受采空区空间结构的影响规律,在双层采空区正上方进行不同下层采空区跨度的爆破数值模拟试验;在下层采空区的跨度由20m增大到30m的过程中,分析了下层采空区顶板中部与两侧的节点峰值振速和单元有效应力,发现下层采空区顶板中部受爆破荷载扰动较大;计算下层采空区顶板的剪切安全系数和拉裂安全系数,发现下层采空区跨度增大,其顶板稳定性减弱。     

卢安夏铜矿露天开采下采空区顶板安全厚度研究

地下采空区给露天生产带来了极大的危害,采空区顶板安全厚度的确定是露天生产的重要安全保障。为了研究卢安夏铜矿露天开采下采空区顶板安全厚度,通过对矿山原有采矿技术条件和地质资料的分析及现场实地测量和调查并结合钻孔探测等手段,确定了露天矿下采空区的分布情况。以此分析地下采空区与露天境界空间关系并对露天边坡危险区进行区划,利用理论计算和数值模拟手段对最危险区域的采空区顶板安全厚度进行研究。结果表明:在最危险区域范围内,对不同采空区范围,不同位置的采空区进行模拟结果分析,露天开采的采空区隔离层安全厚度为16m(2个台阶高度),采空区对露天开采的影响较小。