矿柱的突变失稳研究

针对矿柱失稳的不连续性、突变性,在建立顶板—矿柱力学模型的基础上,采用突变理论推导出矿柱突变失稳的充分必要条件,并研究了矿柱突变失稳的释放能量机理。结果表明:矿柱变形的突跳量,矿柱失稳前后的能量差均与外界干扰无关,只取决于顶板—矿柱系统的内部特性。本文的讨论为矿山合理的布置及优化顶板与矿柱的参数提供了参考。     

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.     

基于突变理论的崩落法转充填法隔离矿柱安全厚度计算

崩落法转充填法开采过程中,合理确定隔离矿柱厚度对保证过渡采场安全回采具有重要意义。通过构建隔离矿柱力学模型,分析隔离矿柱破坏特征,建立了隔离矿柱的系统总势能关系式;基于突变理论,推导出隔离矿柱失稳的尖点突变模型;根据尖点突变模型失稳的充分条件和必要条件,建立了隔离矿柱安全厚度的计算模型。将此计算模型应用于研究鄂东某铁矿无底柱分段崩落法转充填法隔离矿柱厚度,理论计算的隔离矿柱厚度取值范围为15.49～19.36m。在数值模拟验证和工程试验生产中,取隔离矿柱厚度为17.50m时,隔离矿柱处于稳定状态。理论分析和验证结果表明,突变理论可解释隔离矿柱失稳的非线性动力学特征,隔离矿柱安全厚度计算模型可为工程设计提供一定的理论依据和工程指导。     

基于尖点突变理论的水平矿柱稳定性分析

为了探明金川二矿区多中段开采时临时水平矿柱的稳定性,基于多中段同时开采下水平矿柱的受力特征,提出了水平矿柱的力学模型,在此基础上,采用突变理论的分析方法,通过对水平矿柱力学模型的分析,推导出了水平矿柱总势能表达式,建立了水平矿柱的尖点突变模型,最终导出了水平矿柱失稳的充要力学条件判据,获得了水平矿柱失稳概率小的结论,并提出了水平矿柱回采的工程技术措施。     

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。     

基于突变理论的矿柱失稳破坏研究

针对岩体变形破坏具有的突变性,结合材料力学理论,建立了岩梁-矿柱的尖点突变模型。利用该模型研究矿柱失稳破坏发生的机理,并得出系统发生失稳破坏的条件及发生失稳破坏时系统释放的能量。研究结果表明,岩梁-矿柱系统的稳定性取决于系统自身的力学-几何特性,与外界因素无关。最后,以某金矿为实例,利用系统失稳条件对其采场结构参数的选取合理性进行了分析判断。     

露天坑下矿柱回收的安全性分析

某铁矿三采区一中段位于2个民采露天坑底,矿房覆岩较薄,矿柱回收存在一定风险。在充分调查该区域生产现状的基础上,利用当量暴露面积法,确定该区域矿房极限跨度为160 m,提出“隔三采二”的矿柱回收总体方案,回收矿量19.6万t。在对采空区大面积垮塌冒落的连锁效应的“矿柱失稳-应力转移”力学机理进行分析的基础上,利用Wang Jin′an顶板-矿柱流变力学模型,将三采区一中段顶板-永久间柱系统简化为由4组等效的Buegers体制成的弹性薄板,建立了矿柱-顶板系统稳定性的动态分析方法,预测了采空区的存续时间。顶板位移监测表明矿柱回采实施过程中,矿柱回采整体处于稳定阶段。实践表明：利用当量暴露面积法和Wang Jin′an顶板-矿柱流变力学模型相结合的方法确定矿房极限跨度和采空区的存续时间,具有一定的参考价值。     

基于尖点突变理论的大团山矿床盘区顶板-矿柱稳定性分析

铜陵冬瓜山铜矿的大团山矿床-580m水平以上主要采用盘区回采的方式进行采矿。为安全高效回采大盘区之间经济效益相当可观的矿柱资源,需要对盘区矿柱回收方案的安全性进行论证。本文尝试将尖点突变模型与大团山矿床的具体条件相结合,研究盘区顶板-矿柱系统的稳定性,为大团山矿床的矿柱回采方案评价探索了实用的评估技术。     

基于尖点突变理论的大团山矿床盘区顶板-矿柱稳定性分析

铜陵冬瓜山铜矿的大团山矿床-580m水平以上主要采用盘区回采的方式进行采矿。为安全高效回采大盘区之间经济效益相当可观的矿柱资源,需要对盘区矿柱回收方案的安全性进行论证。本文尝试将尖点突变模型与大团山矿床的具体条件相结合,研究盘区顶板-矿柱系统的稳定性,为大团山矿床的矿柱回采方案评价探索了实用的评估技术。     

基于尖点突变理论的矿房间矿柱的稳定性分析

为了便于分析，对矿房矿柱系统进行了简化，简化后变为固支梁-矿柱力学系统，同时建立了它们的力学模型。根据力学系统的本构关系，确立了尖点突变理论模型。通过分析表明矿柱失稳只跟矿房矿柱自身的内部条件有关，而与外界的作用无关。同时还研究了矿柱突跳失稳的释能机制，研究表明，失稳所释放的能量也仅跟矿房矿柱系统自身有关。最终得出结论，合理优化矿房矿柱自身系统的力学-几何特性参数，破坏产生矿柱突变失稳的充要条件，是控制矿柱稳定性、保证安全生产的有效手段。     

机械化水平分层充填采矿法在新桥矿业公司的应用

新桥矿业有限公司采用凿岩台车、铲运机、顶板服务台车配套的机械化水平分层充填采矿法,两步骤回采,矿柱宽度10 m,矿房宽度12 m,最大控顶高度5 m,分层回采高度3.2 m.首先回采矿柱,胶结充填后,形成人工矿柱,在人工矿柱保护下,第二步回采矿房,进行非胶结充填.所采用的采准、切割及回采工艺合理,经济技术指标先进,可供类似条件矿山借鉴.     

石膏矿矿柱失稳及顶板破坏过程力学分析

房柱损伤和顶板破坏是影响石膏矿房柱式开采安全的重要因素。基于突变理论并推导出矿柱的尖点突变方程,得出矿柱的失稳判据。通过对顶板变形和破坏特征分析,结合薄板理论,建立矿房顶板破坏力学模型。结果表明,在反复应力作用下矩形顶板的4条固支边会发生断裂破坏而成为简支边,重新构建四边简支矩形顶板的力学模型并对其进行力学分析,最终得出石膏矿矿房顶板"O-X"型破断的演化过程,揭示石膏矿矿柱顶板破坏演变规律。     

高承压含水层下矿体回采保安矿柱合理宽度留设应用研究

针对"三下"矿体回采难度大、安全要求高等特点,并结合矿山水文地质条件及开采现状,提出了"顶板预控、分区隔离、及时充填"的方案,并通过理论计算、数值模拟、工业性试验等手段对矿体强化开采时护顶矿柱厚度及隔离矿柱宽度进行了模拟和计算。现场工业性试验表明,"顶板预控、分区隔离、及时充填"方案能够有效控制采场顶板大面积垮落,确定西区护顶保安矿柱厚度为120m,东、西区连续隔离矿柱宽度为20m。     

深部大跨度采场盘区矿柱的失稳研究

盘区矿柱在深部开采过程中起到非常重要的支撑作用,在研究盘区矿柱失稳问题时,为保证回采作业安全,确定合理的盘区矿柱宽度具有重要意义。根据深部大跨度采场的岩梁—狭窄盘区矿柱建立了简化力学模型,利用能量突变分析法,导出盘区矿柱的失稳判据为:ΔΠ 0时,盘区矿柱处于失稳态;ΔΠ=0时,盘区矿柱处于失稳和稳定态的临界点;ΔΠ不存在时,盘区矿柱处于稳定态。将该判据应用于某铜矿,得到盘区矿柱的安全宽度为31 m。数值模拟及现场位移监测综合分析结果表明,盘区矿柱宽度为31 m时,满足深部开采的安全稳定性要求。     

采空区矿柱——顶板体系灾变的流变力学分析

为研究采空区顶板—矿柱体系的稳定性,并确定其稳定时间,采用Hooke-Kelvin-kelvin模型,运用薄板理论和流变力学理论,建立了采空区顶板—矿柱体系的流变力学模型。以此模型为基础,推导出了采空区顶板沉降的微分方程,并根据顶板边界的破坏条件,求解出了采空区顶板—矿柱体系的稳定时间,并将求解结果与现场实际监测数据进行对比分析,验证了该模型的合理性与可靠性。研究表明:矿柱的流变变形是采空区顶板—矿柱体系失稳的重要原因,该流变力学模型可运用于现场的采空区的稳定时间预测,也可用于指导采空区进行及时有效的支护、充填等工作。     

充填体荷载作用下采空区顶板稳定性研究

在金属矿山的回采过程中,充填体下采空区顶板结构普遍存在于利用充填体进行回采的矿山。确定合理厚度在矿山开采过程始末具有重要的安全意义和经济价值。本文合理简化顶板力学模型,运用突变理论分析方法,依据尖点突变模型失稳的充要条件,从而得出充填体荷载作用下采空区顶板厚度的计算式。结合矿山实例,对其合理性进行验证。研究表明:将尖点突变模型运用到顶板结构稳定性分析及顶板厚度设计中是合理可行的。     

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.     

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。     

煤柱-顶板系统失稳的突变理论模型研究

假设顶板岩层处于弹性工作状态情况下,建立了煤柱-顶板系统的力学模型。根据力学模型,应用突变理论建立了条带煤柱突变破坏失稳的尖点突变模型,导出了条带煤柱破坏失稳的主要条件表达式。分析表明,煤柱失稳与条带煤柱顶板的受破坏程度有关,煤层顶板受开采扰动的影响产生塑性区,塑性区越大,其弹性刚度kd越小,越易发生突变失稳。     

中段矿柱进路回采工艺及参数优化

针对厚大矿体阶段矿柱采用上向分层进路回采采场布置特点,应用岩石破裂过程分析方法,从分析上覆岩体、采矿点柱、间柱和阶段矿柱受力状态及力学关系着手,建立起进路回采工作面顶板力学状态数学模型,分别计算了进路沿走向和垂直走向两种布置方式对暴露顶板稳定性的影响,并计算出不同进路宽度时的最小护顶矿层厚度,计算结果为进路采矿采场采准布置及安全管理,提供了较好的理论依据。