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。     

动荷载作用下采空区顶板安全厚度确定方法及其工程应用

基于Reissner厚板理论,考虑施工机械的动荷载作用,概化了采空区顶板力学模型,推导了在集中简谐动荷载作用下采空区顶板的挠度方程和内力表达式,揭示了动荷载作用下采空区顶板应力和挠度随顶板厚跨比、动荷载振动频率变化的规律。以顶板岩层抗拉强度为控制条件,推导了采空区顶板安全厚度计算公式,并结合实际工程,进行了验证分析。     

基于K.B.鲁佩涅依特理论的露天坑下采空区算顶板安全厚度计算

对三道庄露天开采境界内采空区的顶板岩体进行了受力分析。采用K.B.鲁佩涅伊特理论计算方法及假设条件,建立了采空区顶板岩体力学模型。应用MATLAB数值模拟软件,建立了安全系数K=1.3时不同采空区跨度与顶板安全厚度之间的对应关系,对指导该矿露天开采的安全生产具有重要的意义。     

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。     

建筑荷载作用下采空区顶板岩梁稳定性分析

为了给煤矿塌陷区土地的治理利用提供理论依据,对建筑荷载作用下采空区顶板岩梁的稳定性进行了分析研究。采空区顶板岩梁突变失稳过程是比较典型的偏离平衡态的非线性过程,将浅部开采老采空断裂的顶板岩梁概化为三铰拱式力学结构模型。通过力学分析,建立了顶板岩梁力学系统的总势能方程,利用突变理论,构建了采空区顶板岩梁失稳的尖点突变模型,获得了采空区顶板岩梁突变失稳的条件,并通过工程算例进行了分析和验证。研究结果表明,煤矿塌陷区地基的稳定性不仅与采动岩体受地面建筑荷载的影响程度有关,也与老采空区顶板岩层的稳定性有关。采空区顶板岩梁在地表建筑荷载扰动下,若满足稳定的条件,则顶板岩梁回转后仍然处于稳定平衡状态。否则,采空区顶板岩梁将发生突变失稳。     

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。     

基于CDEM的采空区稳定性及临界顶板厚度分析

地下隐伏采空区易导致地表塌陷等问题发生,采空区的顶板稳定性关乎到露天开采的安全,确定采空区临界顶板厚度对采空区安全评价具有重要意义。采空区临界顶板厚度的影响因素复杂,与采空区的几何参数及岩体物理力学参数等多种因素相关。通过量纲分析建立无量纲表达式,得到影响临界顶板厚度的无量纲参数。在此基础上,借助CDEM数值计算方法建立数值模型并进行计算分析。建立了二维采空区数值模型,通过改变采空区的几何参数及岩体物理力学参数,计算采空区顶板的安全系数,研究以上因素对采空区稳定性的影响规律,识别影响顶板安全系数的主要影响因素。建立了采空区二维模型和三维模型的计算模型,得到了无量纲表达式中无量纲临界高度与无量纲强度间的关系,采用指数函数进行拟合得到响应的关系表达式。研究表明：弹性模量、泊松比对临界顶板厚度影响不大,采空区高度对临界顶板厚度无影响;黏聚力对采空区安全系数影响最大,采空区跨度、岩体内摩擦角、岩体密度次之;采空区无量纲高度与无量纲强度之间存在指数衰减关系。     

流变作用下露采岩质边坡和采空区的稳定性分析

针对井下开采转露天开采现状,分析了岩体材料蠕变力学特性对采空区和边坡稳定性的响应。采用改进的西原蠕变模型,对边坡安全系数的求解进行了推导,然后通过工程算例进行了数值计算,研究了采空区安全顶板的厚度和采空区边坡稳定性的影响。计算结果表明:蠕变效应下,采空区安全顶板的厚高比要比工程经验规定的值偏大,且采空区边坡垂直位移的变化对其稳定性有显著的影响,拉剪塑性区主要分布在边坡的中上部和深部采空区,并不是在矿体中,算例验证了该模型的计算是可靠的,为采空区边坡的稳定性分析提供了参考。     

基于突变理论和广义H-B强度准则的采空区顶板稳定性分析

为实现煤矿采空区塌陷区土地的治理利用,对煤矿采空区进行顶板稳定性的分析与研究。鉴于采空区顶板的失稳破坏是一个非线性的过程,分别从结构力学和岩体本构关系两个角度建立采空区顶板稳定性分析模型。首先将采空区顶板岩梁结构简化为力学三铰拱模型,然后进行力学分析,求出其力学结构系统的总势能,基于突变理论,建立其力学结构失稳破坏的尖点突变模型;其次构建基于极限平衡法的采空区顶板筒状塌落一般模型,考虑到实际工程的广泛应用,进而建立基于广义H-B强度准则的矩形采场顶板筒状塌落极限平衡分析模型。最后通过不同工程算例分别对2个模型进行了分析和验证,且二者计算结果均与工程实际情况一致,说明两种模型均适用采空区顶板稳定性的分析,为研究采空区稳定性提供一种新的途径。     

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。     

露天转地下开采境界顶柱安全厚度研究

境界顶柱是露天开采和地下开采有序进行的保证,其合理的厚度对露天转地下具有重要意义。为确定新桥矿露天转地下境界顶柱安全厚度,运用厚跨比法、荷载传递线交汇法和结构力学方法对境界顶柱安全厚度进行理论分析与计算,并用ANSYS对不同跨度和不同境界顶柱厚度进行数值模拟。通过对理论计算和数值模拟结果的分析,得到了不同采空区跨度下的境界顶柱安全厚度。根据分析结果可以有效地确定矿山的境界顶柱厚度,为露天转地下安全生产提供可靠的指导。根据矿山30 m的实际开采跨度,推荐新桥矿的境界顶柱安全厚度为24 m。     

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。     

露天矿采空区分析处理

地方小煤窑的乱采滥挖行为在很大程度上造成了当地煤炭资源的极大消耗和环境污染,同时采空区给露天开采留下了严重的安全隐患。根据露天矿开采中小煤窑采空区与工作台阶水平位置的不同,通过鲁佩涅伊特法计算出的顶板安全厚度作为分界点,提出采空区的3种不同状态及其相应的处理措施。以水泉矿为实例进行了分析研究,结果表明:其合理安全厚度为4#煤7 m,9#煤6 m,根据不同状态进行处理,保证露天开采安全、正常的进行。     

基于突变理论的两断层中间区域重叠顶底板稳定性分析

为了实时保障位于两断层中间区域矿体开采时采场内作业人员和设备的安全。根据采场顶板破坏特征，结合数值模拟分析结果，运用结构力学分析方法，将采场重叠顶底板简化为固支梁力学模型。基于尖点突变理论，构建采场重叠顶底板的尖点突变模型，在充分考虑断层作用下采场重叠顶底板两端所受拉应力的前提下给出了采场重叠顶底板的失稳判据，为实时判断采场重叠顶底板稳定性提供了一个简单及时有效的计算公式，并通过工程实例验证了计算公式的准确性。结果表明：特殊断层会加大顶板岩梁受到的拉应力与X方向位移，且在重叠顶底板厚度一定的情况下，顶板受到的拉应力与X方向位移越大，重叠顶底板越容易发生失稳。     

特厚煤层小窑采空区充填复采技术研究与应用

为了保证包含小窑采空区的工作面实现正常推进、安全回采。采取先充后采充填复采技术,先用无机材料对小窑采空区进行注浆充填处理,根据工作面与小窑采空区位置关系在小窑采空区内部形成一个截割层和关键承载层,使其能够在工作面通过小窑采空区时维护回采工作面顶板和煤壁区围岩的稳定,然后布置正规综放工作面进行回采。根据复采过程中小窑采空区关键承载层力学结构,基于重物低速冲击板结构力学模型,采用机理分析与理论计算等方法对小窑采空区注浆充填机理、小窑充填区域承载关键层的稳定性进行系统分析,得出维护采面顶板和煤壁区围岩稳定的关键承载层强度和厚度参数。采用分层注浆充填技术构筑一定厚度的关键承载层能够维护采面推过小窑采空区时顶板和煤壁区的稳定。     

基于多种评价方法的复杂采空区群稳定性评价与分级研究

某露天转地下开采的石灰岩矿山由于早期开采不规范,在矿井内形成了多个采空区,严重影响矿山的安全生产。为消除采空区潜在的事故隐患,根据对相应空区的三维激光扫描探测结果,获取了12个空区的空间结构参数,建立了矿山复杂采空区的三维数值模型;利用顶板厚跨比法、简支梁模型分析法、Mathews 图解方法及矿柱安全系数法等方法评价了复杂采空区的稳定性,并划分了各采空区的稳定性等级。研究结果表明：3号空区和6号空区稳定性的评价结果为较不稳定,其他采空区的稳定性相对较好;3号空区不稳定是因为采空区顶板暴露面积较大或跨度较大,6号空区不稳定是因为采空区顶板厚度较薄。     

基于RG井下电视系统的空区冒落监测

排山楼金矿露天转地下后,采用有底柱空场法开采露天境界外矿体,形成了大规模的连续采空区,对地表及井下安全生产埋下安全隐患。RG井下电视系统的空区顶板钻孔监测表明,空区顶板存在3~4段稳定性较好的岩层可作为冒落的控制层,利用钻孔冒落断面形状和350 m平硐观测冒落状况推测空区顶板冒落线形状,并根据冒落线形状提出了留设"L"型安全维稳矿柱、协调矿石回采和充填作业、爆破参数控制和调整排尾砂方向等维护顶板稳固性的技术措施,收到了较好的效果,也为从空区冒落投影线边缘向空区内部逐步渐进的充填处理技术的提出提供了依据。