崩落法转充填法采场隔离矿柱合理厚度研究

对于由崩落法开采向充填法开采转变的矿山,受崩落法开采的采动影响,其工程地质条件会变得相对复杂,围岩完整性及其稳定性相对较差,开采技术条件相对复杂。为确保矿山下步生产作业的安全,必须要在崩落法采场与充填法采场之间留设隔离矿柱。本文结合矿山实际工程地质条件,创新地采用了以考虑采空区顶板垮塌冲击动载荷的弹性小薄板理论为代表的多种理论分析方法确定了崩落法转充填法采场之间水平隔离矿柱的尺寸,采用结合矿山围岩移动参数和Bieniawski矿柱强度理论的方式计算了崩落法转充填法采场之间隔离间柱的尺寸,与此同时,采用Phase2二维数值模拟的方式对隔离间柱的尺寸合理性进行了验证,最终实现了矿山崩落法转充填法的顺利转型,在保证矿山下步安全回采的基础上,提高了矿石回收率,为矿山创造了一定的经济效益。     

空场法矿柱破坏规律及稳定性分析

为预测空场法采矿时矿柱破坏规律及失稳分析,运用断裂力学及突变理论建立了矿柱失稳的尖点突变模型.将开采厚度远小于采场跨度的空场法采场假定为无限大板上相隔一定间距的共线裂纹,采用断裂力学Ⅰ型裂纹模型,得出了矿柱破坏宽度的计算公式;基于突变理论以失稳阻抗因子和矿柱破坏发展因子为控制变量,矿柱应力强度比Fq为状态变量建立了矿柱失稳的尖点突变模型,研究表明:当Fq>1,矿柱会发生失稳;当Fq<1时,矿柱不会发生失稳.实例分析表明利用该模型对矿柱稳定性进行分析,其结果满足工程要求.     

采空区群失稳模型构建及隔离矿柱安全厚度研究

许多金属矿山存在采空区群安全隐患。基于CMS对某矿山的采空区群开展定期探测,形成动态监测机制,精确获取采空区群三维边界;研究构建空区群连锁式失稳模型：基于突变理论分析方法,构建了采空区顶板-隔离矿柱力学模型,提出隔离矿柱失稳的判据,计算合理的隔离矿柱安全厚度,阻断空区群连锁失稳过程。运用数值模拟验证了计算结果的合理性。研究表明通过精确控制隔离矿柱的安全厚度,可有效阻断空区群连锁失稳导致的工程灾害;计算结果为下一步资源回采方案提供了设计参考。     

张家洼铁矿崩落转充填采矿工艺及结构参数研究

随着绿色矿山理念的发展,崩落法矿山逐渐向充填法转型,隔离矿柱厚度和矿房参数对崩落转充填 后采场整体稳定性具有重要影响。针对张家洼铁矿无底柱分段崩落法转充填法问题,通过理论计算对隔离矿柱位 移进行求解获得保证下部充填采场稳定的隔离矿柱安全厚度。同时,利用 FLAC3D软件对不同矿房跨度和充填工 艺回采过程中的采场稳定性进行分析评价,确定最优采矿工艺和结构参数。研究表明：①12.5 m 厚隔离矿柱能够 满足过渡阶段采场稳定性;②15 m 矿房跨度顶板拉应力集中较大,且顶板位移显著增大,为了确保回采安全,优先 采用 10 m 矿房跨度,在顶板条件好的区域可以考虑采用 12 m 跨度;③采用 3 MPa、4 MPa 和 5 MPa 强度的人工假顶 均可保证下中段开采过程中采场稳定,因此可将 3 MPa 作为人工假顶的充填体强度标准;④阶段矿房内人工假顶 上部采用 1 MPa 充填体整体充填满足二步采充填体单侧揭露稳定要求,可降低原设计多次不同强度分层充填带来 的施工组织难度。     

矿柱失稳的突变分析

对顶板-矿柱围岩系统进行了简化,将矿柱近似为由弹性元件和塑性软化元件串联组成,建立了顶底板-矿柱系统的力学模型;基于突变理论建立了顶板-矿柱围岩系统失稳发生冲击地压的尖点突变模型,得出矿柱失稳的充要条件.分析了影响矿柱失稳的因素,可以为实际的生产设计提供参考.     

石膏矿隔离矿柱留设厚度数值模拟研究

隔离矿柱留设对采空区上部矿体的安全回采起着至关重要的作用.以某地下开采的石膏矿为工程实例,借助FLAC3D数值模拟软件建立了数值模型,在采用房柱法开采下部矿体,形成众多采空区的条件下,对采用无底柱分段崩落法回采上部矿体进行了数值模拟,分析了回采过程中隔离矿柱的应力、位移、塑性区发展变化情况,结果表明,隔离矿柱的最小厚度应为37 m.     

某铜矿露天转地下隔离矿柱的确定研究

露天转地下隔离矿柱的确定是露天转地下开采经常面临的重要问题，对于金属矿山地下安全生产极其重要。根据某铜矿的采矿工艺、开采深度以及工程地质条件，采用理论计算和FLAC3D有限差分法数值软件对不同厚度的隔离矿柱进行了模拟分析。结果表明，当隔离矿柱厚度为 20 m时，地下开挖导致的顶板变形较小且趋于平稳。20 m是该矿山隔离矿柱厚度的最优值，能够满足安全生产要求。该分析结果为露天转地下安全高效回采提供了理论依据和技术指导。     

开挖扰动下矿柱损伤破裂失稳细观机制研究

为揭示开挖扰动下矿柱损伤破裂失稳的细观机制, 以盘龙铅锌矿采场间柱破裂为原型, 运用PFC^2D对其破坏机理进行反演分析, 建立基于声发射累计数的尖点突变失稳判别模型。研究结果表明:采空区上方形成压力拱, 拱内岩体自重转移到附近围岩和矿柱, 产生应力集中; 矿柱受压逐渐产生损伤, 其损伤破裂失稳演化过程分为3个阶段:弹性阶段、屈服阶段、失效阶段; 矿柱内部以拉裂纹为主, 细观破坏形式主要为拉伸破坏, 宏观表现为剪切滑移破坏。经验证, 基于声发射累计数的尖点突变模型能够有效判别矿柱失稳状态。     

基于尖点突变模型的矿柱失稳机理研究

采用突变理论建立了金矿矿柱失稳的一个尖点突变模型，并据此对矿柱失稳破坏发生机理进行了分析．基于定态曲面方程和分支曲线方程，分别求得矿柱应力强度比Fq和临界破坏宽度rp1．研究表明：当Fq〉1或rpz〉rp1时，矿柱会发生失稳；当Fq〈1或rpz〈rp1时，矿柱不会发生失稳；而在控制平面尖点曲线内右分支曲线附近，矿柱破坏宽度rpz微小的增量，就可能导致矿柱由不失稳状态突变为失稳状态．实例分析表明：该模型用于描述矿柱应力强度比的发展规律是恰当的，用其进行矿柱失稳预测也是较准确的．     

非对称布置人工矿柱失稳的突变理论分析

人工矿柱置换矿石矿柱是当前矿柱资源回采的基本模式之一,开展非对称布置人工矿柱突发失稳的力学条件分析具有重要普适意义。根据材料力学理论,建立了"非对称布置人工矿柱-顶板"结构系统力学模型,推导出人工矿柱的压缩量表达式;基于突变理论,在考虑顶板对人工矿柱小偏压作用的基础上,构建了非对称布置人工矿柱突发失稳的尖点突变模型,推导了人工矿柱失稳的充要条件力学判据表达式。分析表明:非对称布置人工矿柱-顶板结构系统失稳与系统刚度比k、介质均匀性系数m相关;改变人工矿柱的参数,可影响人工矿柱对于顶板的调控作用,非对称布置人工矿柱施工应满足最小宽度尺寸。广西某矿实例研究结果表明:在特定人工矿柱非对称布置条件下,该矿应留设21m宽的人工矿柱支撑顶板。研究成果可为矿柱资源回采过程中的人工矿柱设计提供理论依据。     

条带式Wongawilli开采煤柱系统突变失稳机理及工程稳定性研究

对于条带式Wongawilli新型减沉开采技术,煤柱失稳直接导致地表沉陷,影响建(构)筑物的安全,采用突变理论和损伤本构方程,建立了采硐间狭窄煤柱和条带煤柱失稳的尖点突变模型。计算分析了条带式Wongawilli开采煤柱系统工程稳定性及突变影响参数,得出了窄煤柱与条带煤柱的突跳压缩量计算公式,通过工程实例计算与数值模拟验证了结果的合理性。研究结果表明:采硐狭窄煤柱满足突变失稳的必要条件,其所受载荷、屈服刚度和峰值载荷压缩量决定着突变的发生;当采高在2~6 m变化时,采留宽度比需控制在0.16~0.75,才可保证系统不产生突变失稳。条带煤柱保持稳定则要求其核区率大于17%,在弹塑性区宽度比小于0.21的情况下,条带煤柱可能发生突变失稳。     

程潮铁矿联合开采隔离矿柱合理厚度研究

程潮铁矿矿体随开采水平下降而逐渐西移, 导致选厂下保安矿柱的矿量逐渐增加。为了保护地表选厂同时尽可能回收矿石资源, 程潮铁矿采用充填法回收保安矿柱和无底柱分段崩落法开采塌陷坑下矿体联合开采回收-430~-500 m阶段矿体。为了防止两种采矿方法交界处的采矿活动相互影响, 采用数值模拟方法, 选取15 m、20 m和25 m厚度的隔离矿柱分别建立了联合开采数值模型模拟开采, 得到联合开采后地表沉降以及充填采场的安全系数, 并对其进行比较。结果表明, 隔离矿柱厚度为20 m时, 选厂地表监测点的沉降值较小, 充填采场安全系数较高, 能够满足选厂和充填采场安全性要求, 同时矿柱压矿量少, 经济效益较优。研究结果能够为矿山的实际生产提供一定的指导。     

红岭铅锌矿崩落法转充填法隔离顶柱厚度研究

为确定红岭铅锌矿崩落采矿法向充填采矿法转型过程中设置的隔离顶柱的合理厚度,采用理论推导和数值模拟相结合的方法,对隔离顶柱厚度分别为8 m、9 m、10 m和11 m的4种工况进行了深入研究,对比各方案的位移、应力和塑性区的分布。结果表明,隔离顶柱厚度为10 m时,采空区稳定性较好。     

基于能量法的露天开采下采空区顶板安全厚度研究

为了确定露天开采下采空区顶板安全厚度,基于力学理论,分析了露天开采下采空区顶板受力特性,建立其固支梁力学结构模型。根据能量守恒原理,推导了由顶板弯曲应变能、水平荷载做功和垂直均布荷载做功组成的采空区顶板结构总能量方程,获得了采空区顶板势能函数解析式。采用突变理论,建立了采空区顶板系统的尖点突变模型,获得了采空区顶板失稳判别式,推导出采空区顶板安全厚度计算模型。对某露天矿采空区顶板厚度进行了应用案例分析,理论计算出的最终采空区顶板临界厚度为11.34 m,与现场安全预警经验值12 m基本一致。表明所建立的采空区顶板安全厚度计算模型合理可行,可为露天开采下采空区顶板安全厚度设计提供一定的理论依据和工程指导。     

阶段嗣后充填采场护壁矿稳定性研究

针对红岭铅锌矿采用阶段空场嗣后充填采矿法中的采空区护壁矿厚度合理取值问题，通过理论计算研究护壁矿应力和挠度变化规律，并利用FLAC3D数值模拟分析方法，对不同工况下护壁矿厚度的稳定性进行研究，最终确定最优护壁矿厚度。研究表明：1）根据压杆变形理论和极限挠度计算，护壁矿最大挠度随着厚度的增大而减小，且护壁矿最优厚度为3 m；2）根据模拟分析可得，护壁矿厚度应当超过3 m，才能更好地保证护壁矿的安全稳定；3）护壁矿z向应力曲线呈倒“U”型分布，最大应力集中在护壁矿两端，与理论应力分布相似。本文研究为相似矿山护壁矿厚度选择提供一定的理论依据和分析方法。     

基于尖点突变模型的临时矿壁系统失稳机制及矿壁厚度优化

针对临时矿壁系统失稳这一无间柱连续开采面临的重要问题,基于临时矿壁结构的稳定性力学模型研究,应用尖点突变理论分析了矿壁结构失稳的力学机制,得到矿壁屈曲失稳的尖点突变方程,获得矿壁失稳破坏的充分条件和必要条件。在此基础上,推导出矿壁失稳的极限厚度值的计算方法及其影响因素,并提出减小矿壁厚度、提高矿壁稳定性的3种控制措施。以安徽凤凰山铜矿工程为实例,其矿壁厚度的理论计算值应大于5.061 m,并进行了工业验证,实际生产中适宜的厚度值为5.5 m。工业应用结果表明,将尖点突变模型运用到临时矿壁系统中进行稳定性分析和参数设计计算是合理可行的。     

基于应变软化模型的煤柱采动应力分布精细化数值模拟

以山西经坊煤业08综放工作面工程地质条件为背景,开展了工作面护巷煤柱采动应力的现场钻孔应力实测;同时,分别建立了基于摩尔-库伦(MC)本构模型以及应变软化(SS)本构模型的数值计算模型,精细研究了综放工作面煤柱采动应力空间分布及演化规律。现场钻孔应力监测及数值模拟结果表明：与传统的MC模型相比,基于SS模型的精细化数值模拟能够准确地获得综放工作面煤柱采动应力空时分布规律,其结果更接近于现场钻孔应力监测结果;基于SS模型的煤柱上的支承压力峰值位置滞后工作面40-50m,而基于MC模型煤柱采动应力峰值位置始终处于采空区中部,不能反映采空区顶板垮落破断对采动应力分布规律的影响;基于SS模型的煤柱上的侧向支承压力与工作面前方的超前支承压力分别相比基于MC模型的结果小43.3%与26.2%。研究成果对于指导综放工作面护巷煤柱尺寸留设以及巷道布置与支护设计具有一定的理论与工程指导意义。