The Numerical Simulation of Central Nanminghe Iron Mine Block＇s Mining Parameters Optimization

借助FLAC3D数值计算,建立了南洺河铁矿矿块回采过程三维数值模型,在不同岩体位置设立了应力应变监测点,分析了8 m和10m2种矿块结构参数条件下不同开采时期的岩体三维宏观力学特性,通过对比采区岩体力学特征、充填体力学特征以及岩体移动变形规律及破坏情况对矿块结构参数进行优化,确定是否留设永久矿柱.结果表明,围岩稳定状况在采用8 m宽采场结构参数时要明显优于10 m宽采场的结构参数,矿体回采时不预留3 m宽条形矿柱充填后顶板只是出现小幅度沉降,不会出现大规模冒落现象.     

南洺河铁矿中部矿段开采参数优化的数值模拟

借助FLAC3D数值计算，建立了南洺河铁矿矿块回采过程三维数值模型，在不同岩体位置设立了应力应变监测点，分析了8 m和10 m 2种矿块结构参数条件下不同开采时期的岩体三维宏观力学特性，通过对比采区岩体力学特征、充填体力学特征以及岩体移动变形规律及破坏情况对矿块结构参数进行优化，确定是否留设永久矿柱。结果表明，围岩稳定状况在采用8 m宽采场结构参数时要明显优于10 m宽采场的结构参数，矿体回采时不预留3 m宽条形矿柱充填后顶板只是出现小幅度沉降，不会出现大规模冒落现象。     

双断层构造段围岩体的力学行为研究

为了研究巷道断层处围岩体的力学行为,基于岩石力学的弹塑黏性理论,建立了过断层围岩体的物理模型,分析了不同物理参数对围岩体力学行为的影响;同时通过有限元模拟了围岩体周围应力场的分布。结果表明:断层段围岩体起始应变、起始应变率和稳定应变率均随围岩体应力增大而增加;当断层处围岩体应力小于断层滑移的极限应力时,岩体应变呈线性增长,应变率保持恒定,当其应力大于断层滑移极限应力时,应变率在起始阶段逐渐减小随后保持恒定,且完整岩体弹模的增加使得岩体初始应变减小,断层岩体弹模的增大减少了岩体达到稳定应变率的时间;此外发现围岩体第一和第二主应力的应力集中发生在断层两端,方向集中指向断层,而围岩体第三主应力的应力集中发生在断层和巷道的交叉处,方向集中指向巷道。     

金属矿山充填体与围岩体相互作用研究综述

尾矿库失稳和采空区地表沉陷是采矿生产过程的主要伴生灾害,充填采矿法的运用可同时解决上述难题。充填体以自流、泵送或混合输送至地下采场可确保采场围岩体稳定性。其中,充填体如何与围岩体相互作用以维持围岩体的稳定性,是实现充填采矿安全开采的核心问题。从充填体充入采场后受采场条件的影响其自身发生的硬化机理和如何维持围岩稳定性两方面入手,重点论述了当前在充填体与围岩体相互作用关系方面国内外研究现状及其产生的机理,分析了充填体作为自立型人工矿柱、充填体与矿柱组合系统对围岩体的承载能力特性,并对未来重点研究方向进行了总结和展望。研究表明:研究充填体充入采场后与围岩体的相互作用过程,需充分理解充填体充入采场后所体现出的多场环境影响下的材料力学行为;分析充填体的稳定性及其功能,需要探究其力学性质的多元信息表征方法,这是实现对充填体失稳灾害可靠性预警的前提和基础;充填体充入采场后可对围岩体产生局部和区域支护作用,充填体与围岩体的相互作用关系可间接通过充填体的应力分布特征、变形特征反演围岩体的活动信息,充填体可有效控制围岩体的冒顶片帮及其岩爆灾害;通过监测充填体内部应力等信息,实现对岩体活动信息的反演和预测是未来需要研究的重点,地下采场动力扰动特性对充填体内部应力演化的影响、充填体与矿柱组合系统的稳定性和承载特性需要进一步研究,最终实现对深地充填开采方案的改进和优化,为深地矿产资源安全高效开采保驾护航。     

大冶铁矿嗣后充填采场围岩变形机理研究

以相似材料模拟实验技术为主要研究手段,借助全站仪、应变计和数码相机等仪器监测了模型围岩的变形、应力以及破坏情况,研究了不同结构参数条件下分段空场嗣后充填采场的围岩变形与应力变化特征,以及发生破坏时的规律与特征。主要研究结果为：揭示了大冶铁矿合理的采场结构参数;采场顶板与矿柱所受应力分布为拉剪应力和压应力;顶板是采场稳定的关键因素,应保证充填体与顶板良好的接触关系,提高接顶率;采场内应力分布规律与回采方向相反,偏向于首采矿块。     

李官集铁矿采场动态地压监测及数值分析

针对李官集铁矿点柱式分层充填法的特点,按照矿山实际的开采和充填步骤,对采场中的间柱、点柱、充填体和上下盘围岩的应力变化进行动态监测和分析,并考虑矿体中优势结构面的影响,运用3DEC构建含有优势结构面的岩体模型,结合地压的实际监测变化量和数值模拟得到的地压值匹配,分析了点柱式分层充填法开采过程李官集铁矿的地压变化规律。结果显示：①开采初期,矿柱和围岩共同支撑上部载荷,随着开挖高度的增加,应力由点柱逐渐向围岩转移,上部载荷主要由围岩体支撑;②应力在上下盘岩体之间随开采向上交替变化：开挖层应力增加,回填层应力局部恢复,扰动层应力释放。在同一点柱间地压呈现分层转移规律,并随开挖进行循环往复。     

空场嗣后充填法充填体对围岩移动控制作用时空规律研究

以某铁矿-230~-290 m首采中段工程为研究对象,采用现场多点位移计监测及数值模拟相结合的方法,针对大直径深孔阶段空场嗣后充填法充填体对采场围岩移动控制作用的时空规律进行了研究,建立了上覆岩层移动控制的支承压力三维力学结构模型。研究结果表明,15 m宽度的采场结构只要在延滞期内及时充填,围岩的移动变形能够得到有效控制。矿体下盘成为支承上覆岩层的主要承载结构,胶结充填体支承上覆岩层的能力有限,但能够有效限制上覆岩层的移动变形,矿房和矿柱采场围岩最终变形量无差异性,覆岩最大下沉量39 mm,地压显现不明显。     

空场嗣后充填法充填体力学作用过程及控制效果分析

以某铁矿-230～-290m中段的实际工程为依托,采用数值模拟的方法,分析了大直径深孔阶段空场嗣后充填法中充填体力学作用过程及控制效果。研究结果表明,胶结充填体只有被挤压才能发挥出对围岩的支护抗力,胶结充填和废石充填能够有效控制覆岩移动变形,变形主要发生在矿柱回采阶段,地压总体显现不明显。     

大厂铜坑锡矿91号矿体地压监测及充填体稳定性评价

本文介绍鲷坑锡矿地压及充填体试验研究成果。叙述９１号矿体开采区域采场围岩应力──变形变化监测与分析结果；评估了该矿磨砂胶结充填料（体）的力学特性及其充填质量；应用有限元法模拟计算了岩体与充填体稳定性；在工程地质调研基础上，分析及预报开采区域采场岩体稳定性。     

基于正交试验的空场嗣后充填采矿法采场参数的确定

采场参数直接影响矿山采场安全性以及经济效益,以云南某矿山为例,利用正交试验设计方法,研究不同矿房、矿柱尺寸,以及充填体不同沉降率时,围岩塑性区显现规律。得出以下结论:影响位移量的主次顺序为矿房尺寸矿柱尺寸充填体沉降率,其最佳组合为A1B4C1,随着矿房尺寸的逐渐增大,位移量呈上升趋势,且上升幅度较大,随着矿柱尺寸的增大,位移量逐渐减少;影响塑性区体积大小的主次顺序为矿房尺寸充填体沉降率矿柱尺寸,其最佳组合为A1C1B4,塑性区体积随着矿房尺寸的增大而逐渐增大,随着充填体沉降率的增大而逐渐减小。最终选取矿柱6m,矿房跨度35m的采场结构参数。     

充填体包裹下矿岩点柱强度力学性能研究

为探究充填体与其包裹下矿岩点柱的相互作用,揭示不同充填体作用下点柱强度力学性能及影响因素,考虑岩体的应变软化特征,采用FLAC~(3D)软件进行了充填体包裹作用下点柱的单轴压缩模拟实验。研究了不同充填体力学参数和充填率(即充填体宏观结构)条件下点柱峰值强度和残余强度的演化特征。研究结果表明:充填体力学参数和充填率对点柱峰值强度无显著强化影响;充填体弹性模量和充填率对点柱残余强度有显著强化效应;点柱残余强度随充填体内聚力增加而呈现出先增加后保持相对稳定状态;充填体泊松比和内摩擦角对点柱峰值强度和残余强度均无显著影响。研究结果可为空区残留点柱回采采场结构参数与充填体强度设计提供参考依据。     

下向分层进路充填采矿法中预留阶段顶柱力学行为分析

基于下向分层进路充填采矿法,针对下分层开采或回采过程中遇到开挖进路帮部一侧为胶结充填体、另一侧为矿体的情况,将胶结充填体假设为弹簧支撑件,把采场预留顶柱简化为平面问题的“固定端超静定悬臂梁”力学模型,并将半逆解法引入预留顶柱力学分析中,推导出均布荷载下“固定端超静定悬臂梁”应力分量,揭示了顶柱稳定性的主要影响应力为水平拉应力σ_x和剪应力τ_xy。理论分析表明:影响σ_x和τ_xy分布变化的主要因素,既包括采场结构参数顶柱厚度和跨度,也包括了充填参数充填体弹性模量。以某铁矿为例,采用控制变量法研究了顶柱在不同采场结构参数和充填参数条件下σ_x和τ_xy的变化规律,结果表明,当顶柱厚度不小于5 m、跨度选取5~7 m、胶结充填体强度1~3 MPa时可有效减小顶柱上部的水平拉应力和剪应力,避免了顶柱处于悬臂梁状态和顶柱下部出现较大拉应力。     

全尾砂胶结充填作用机理实验及数值模拟研究

采用钢筒实验,得到了岩柱被不同配比的全尾砂胶结充填料包围受压时的强度特征曲线,根据曲线特征将受压过程分为了三个阶段,充填体配比为1：6时,其单轴抗压强度增大了42.9%,表明充填体与围岩共同作用,可显著提高岩柱的抗压强度。以某铁矿采用充填法开采为例,采用FLAC数值模拟,当空场在充填30%~65%时,空场底板应力及矿柱的竖向应力集中区域均变小,充填体施压于围岩,对围岩起柔性支护的作用。研究结果表明,充填体对围岩的支护类型为被动支护,可有效限制围岩继续变形作用,使采场处于稳定状态。     

无煤柱开采巷道围岩稳定性分析

综合考虑沿空留巷围岩变形、采场覆岩运动规律及巷旁支护结构的特点,将沿空留巷顶板结构简化为采空区矸石、巷旁充填体及巷帮煤体共同作用的弹性力学模型,计算了该条件下的支护反力,利用控制变量的方法分析了影响支护反力的主要因素是充填体宽度和充填体弹性模量,得出了巷旁充填体压缩量计算公式。在此基础上,通过UDEC数值模拟方法,模拟了沿空留巷顶板关键岩块在弹性支撑条件下的应力状态,分别得出了充填体宽度及弹性模量与顶板下沉量的关系。综合以上分析,确定了赵官煤矿1705工作面沿空留巷巷道围岩控制方案。     

复杂采空区充填开采对地面建筑的影响研究

矿山地下开采引起的围岩应力变化及地表变形影响着地面建筑物的安全。采用ABAQUS有限元软件对金属矿山充填开采引起的岩体变形及地表移动规律进行了研究。以矿山实际开采现状及实测数据为基础，建立了具有复杂空间结构的三维地层模型，利用子程序SIGINI编程施加地应力，采用修正Mohr-Coulomb模型模拟岩体，计算得出：由于围岩力学强度较高，开采引起顶板下沉量相对较小，充填对于控制底鼓具有一定抑制作用；预留矿柱主要承受较大竖向压应力，矿柱尺寸越小压缩量越大；地表充填站位于采空区边缘位置，水平及竖向位移相对较小，地表变形主要集中在采空区中部位置。研究成果可为矿山安全开采提供依据，为地面监测点的选择提供参考。     

条带开采垮落区注浆充填技术的理论研究

阐述了条带开采垮落区注浆充填技术的总体思路和基本原理,结合工业试验方案,应用PFC颗粒流程序进行了数值模拟试验,模拟了条带煤层采出、顶板垮落、注浆充填、充填体压实及上覆岩层下沉的整个动态发展过程;通过数值试验,揭示了条带垮落区充填体、煤柱与围岩三者之间相互作用的减沉力学机理,重点分析了垮落区充填体的承载作用、传载作用和对煤柱的侧限作用.研究结果表明,在此工业试验区域内,与条带开采相比,当充填量为19.5万m³时,条带开采垮落区注浆充填既可减小地面变形,提高煤柱稳定性,又可多采出煤炭24万m³.     

膏体置换煤柱充填体承载特性及工作面支护强度研究

以山东能源集团岱庄煤矿2351膏体充填置换条带煤柱工作面为例,对井下充填体承载特性及工作面支护强度进行了研究。在分析膏体充填开采顶板运动特征的基础上,建立了膏体充填开采顶板稳定性力学模型,推导出了膏体充填开采工作面支护强度力学关系式。结果表明:膏体的力学性质离散性较大,强度较高,弹性模量和泊松比偏低,在低围压下膏体即表现出典型的塑性强化特性。充填采场上覆岩层主要存在裂缝、离层和弯曲下沉,不存在垮落带。充填体上分布的垂直应力既不是大小相同的水平线,也不是类似于条带煤柱上的马鞍形分布,而呈现出波浪形分布,自充填完成至覆岩运动稳定,充填体受力未出现突变现象,是一个逐步增大并趋于稳定的过程。2351膏体充填工作面现选用的充填式液压支架虽可有效地控制顶板下沉,但未能发挥所选支架的效能,还可进行适当优化。     

充填体与岩体强度合理匹配下的采场结构参数优化

选取合理的充填配比和采场结构参数是采用阶段空场嗣后充填采矿法矿山实现安全回采和提高生产效率的有效措施。根据岩体开挖释放能量与充填体峰值变形能相近的原则,确定了符合中关铁矿的最佳充填配比为1∶6。在此充填配比下,针对中关铁矿的开采技术条件,对影响采场稳定性的矿房长度、矿房跨度和顶板厚度这3个因素进行了3因素3水平的正交试验设计,得到9种试验方案。运用FLAC3D对9种不同方案的采场结构参数进行模拟计算,分析对比了各方案矿房回采充填后采场顶板和充填体矿柱的应力及位移分布情况,研究了各因素对采场稳定性的影响顺序,进而对采场结构参数进行了优选。计算结果表明：矿房长度和矿房跨度是影响采场稳定性的重要因素,最优的结构参数为矿房长度50 m、矿房跨度18 m、顶板厚度8 m,该结构参数下能够保证采场的稳定性且能有效提高矿山生产能力。