深部矿体开采对隔离矿柱及回填体的稳定性影响研

根据某矿山开采实际, 利用PFC^2D建立了崩落法和充填法开采深部矿体的数值模型, 分析了2种方法回采深部矿体对上部隔离矿柱及回填体稳定性的影响。结果表明, 崩落法回采时, 上部隔离矿柱发生了破坏, 上盘地表出现拉应力集中, 塌陷区回填体和围岩发生较大沉降;隔离矿柱破坏前, 回填体和围岩的应力和位移变化不大;隔离矿柱破坏后, 上下盘地表的水平拉应力随开采深度增加逐渐增大, 且隔离矿柱的水平应力发生显著跌落。充填法回采时, 隔离矿柱未出现整体破坏, 上下盘地表未出现明显塌陷, 上下盘地表和回填体的水平应力变化不大, 但塌陷废石和隔离矿柱的水平应力随矿体开采深度增加而增加。研究结果可为矿山塌陷区和采空区治理以及深部资源安全开采提供科学依据。     

高应力区陡倾矿体开采引起岩移变形的数值模拟

采用数值模拟的方法,就金川二矿区高构造应力下充填开采引起的地表变形规律、围岩位移场展开研究。结果表明：构造应力下充填开采引起的地表变形的形态和范围、变形中心位置和量值均在发生有规律性的变化,矿体上盘的地表变形量明显大于矿体下盘的地表变形量;围岩变形形式由初期的顶板下沉和底臌变成后期的两帮内挤;上盘围岩的位移量大于下盘围岩位移量。研究结果对于研究构造应力下的陡倾矿体开采引起的地表及围岩变形规律有指导意义。     

程潮铁矿矿柱开采地表变形规律及选厂稳定性研究

在国内外矿山浅部矿产资源日益枯竭的严峻形势下,使用合理的采矿方案安全回收开采前期所预留的矿柱成为越来越多矿山解决当前资源危机的主要途径。以程潮铁矿矿柱开采为研究对象,在分析地表移动变形监测数据的基础上,通过数值模拟分析了4种矿柱开采方案对地表重要工业场地及构筑物选厂所在地表稳定性的影响。研究表明:采用无底柱分段崩落法开采-360 m水平以上部分预留矿柱对地表及选厂稳定性影响较小,但采用无底柱分段崩落法开采-360 m~-430 m水平矿柱将导致地表变形量及选厂所在地表沉降急剧增加,并接近地表一级构筑物要求的变形极限;从最大化回收矿石资源、保证地表及重要建筑物安全的角度考虑,建议采用崩落法回收-360 m水平以上矿柱,采用充填法开采-360 m~-430 m范围矿柱,并适当提高充填体强度,加强管理,以尽可能减少矿柱开采对于地表及重要建筑物的影响。     

“三下”开采井筒保安矿柱优化及地表变形模拟分析

为解决河北某矿山"三下"开采中保安矿柱压矿严重和地表变形的实际问题,运用FLAC~(3D)数值模拟及辅助建模、图形处理软件,模拟了不同保安矿柱厚度下井筒围岩的应力应变及地表的位移变形程度,研究结果发现:相比应力应变及位移,以塑性区大小作为井筒失稳判定标准的敏感性更高;当采用充填法开采急倾斜中厚矿体时,井下关键工程必须布置在矿体30m以外甚至更远,且当此类中小型矿床埋深大于500m时,充填开采对地表影响较小。     

硬岩矿床组合型井筒保安矿柱圈定与压覆资源回采技术

为合理留设硬岩矿床充填开采时的井筒保安矿柱尺寸,考虑硬质围岩的岩体质量等级和自身抗变形、抗破坏能力,在常规岩层移动角圈定方法的基础上提出了组合型井筒保安矿柱留设方案。以山东某铁矿东主井压覆资源开采为研究背景,通过现场调查与岩石力学试验开展了工程地质分区与岩体质量等级评价,根据分级结果将-250 m水平以上的Ⅱ～Ⅳ级围岩按岩层移动角圈定台体状井筒保安矿柱,-250 m水平以下Ⅱ级硬质围岩按极限距离80 m圈定圆柱形保安矿柱,同时设计了两种井筒压覆资源开采方案,即浅孔留矿法嗣后充填开采与上向水平分层充填开采。研究表明:上向水平分层充填开采对应的井筒内壁变形量为浅孔留矿法嗣后充填开采的80%,但两种开采方案引起的井筒变形均未超过安全标准。所提出的上向水平分层充填开采方案与组合型井筒保安矿柱留设法在该矿山得到了成功应用,回收矿量约400万t,可为其他类似矿山的井筒压覆资源开采提供借鉴。     

下穿壁式采空区隧道施工力学及变形规律研究

以巴准铁路敖包沟隧道为依托,基于MIDAS-GTS软件,采用摩尔-库伦弹塑性模型,对壁式采空区开采过程和隧道下穿采空区施工过程中围岩应力分布和变形分布进行数值模拟,探讨二者相互影响。研究表明隧道下穿壁式采空区时,煤层开采使采空区底板下一倍开采长度范围内围岩垂直方向出现拉应力区;隧道开挖应力释放使隧道拱顶围岩拉应力区向上发展与底板拉应力区贯通,易造成隧道拱顶上部岩体受施工扰动而破坏;隧道下穿壁式采空区施工引起采空区底板与顶板竖向位移增大,造成三倍开采长度范围内地表沉降;并且隧道拱顶受采空区底板变形的影响是引起失稳的主要原因。     

基于尖点突变理论的水平矿柱稳定性研究

龙首矿岩体复杂破碎,为研究其贫矿体大面积开采过程中预留的30m厚水平矿柱能否保证地表及井下采场结构的稳定,基于尖点突变理论对水平矿柱稳定性进行了分析,并利用SURPAC、ANSYS以及FLAC3D等三维数值模拟软件对矿柱稳定性进行了研究。通过GPS地表监测,验证了理论计算与数值模拟结果的可靠度。结果表明:矿柱失稳与否,与岩体强度无关,其中水平应力和矿柱长度越大,越不利于矿柱的稳定,贫矿开采过程中只要做到及时充填采空区,提高充填接顶率,预留30m厚的水平保安矿柱不会发生突变失稳破坏;水平保安矿柱的塑性区分布及其最大主应力变化都在可控的范围内,其中矿柱最大主应力变化较小,由贫矿开采前的24.56MPa增大至27.25MPa,说明贫矿开采并没有对保安矿柱产生过大的应力集中,在预留厚度为30m的情况下,保安矿柱能够保证稳定;采空区充填后,由于充填体的支撑作用,水平保安矿柱能够充分发挥其承载能力,保持地表及井下岩体的稳定,可以保证矿山安全生产。     

复杂空区群条件下矿柱安全回收技术研究

为了最大限度回收某铁锌多金属矿复杂空区群条件下的矿柱资源,以该矿区三中段以上矿体为研究对象,根据矿柱开采技术条件,结合矿区采空区实体模型,制定了充填法处理采空区和空场嗣后充填法回收矿柱的技术方案,并利用FLAC3D软件对矿柱回收过程中应力应变和地表沉降进行模拟分析。结果表明：矿柱回收过程中,岩体应力发生转移,围岩和充填体受压,顶板受拉。同时,为减少矿柱回收过程中的地表沉降,提出以不回收一中段矿柱为主,在关键部位预留少量原岩矿柱为辅的保护措施,以保证覆岩及地表的稳定性。     

空场嗣后充填采矿法对围岩及地表的影响规律研究

空场嗣后充填采矿法对围岩及地表的影响,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,围岩及地表的应力应变显现规律。结果表明,顶板拉应力值的大小不仅仅跟采场跨度有关,与矿柱尺寸、充填体是否接顶及沉降率密切相关。从整体位移可以看出,不同计算方案,地表或多或少都会出现沉降变形,位移最大位置出现在矿体开挖上部。同一计算方案不同位置位移量存在关系:矿房位移矿柱位移地表位移。在上下盘断层位置处,均出现明显的位移阻隔现象。矿房尺寸相同的条件,位移量随着矿柱尺寸的增大而减小。矿房尺寸大于一定值时,矿体的开采将会对地表产生影响,存在一定安全隐患。     

尾砂胶结物充填采空区围岩稳定性数值模拟

矿柱的安全回采及采空区处理直接关系到矿山的可持续发展与人员的安全。以内蒙古某矿区铁锌多金属矿山工程地质为依据,采用超声波测试技术,探测多次爆破下回采巷道围岩损伤累计增长规律,通过尾砂胶结物充填技术,以FLAC3D模拟巷道围岩在外界荷载作用下的受力情况,主要是应力、应变及变形位移量的分析,对矿山安全回采方面具有较为重要的理论意义和工程应用价值。     

回坡底煤矿回采巷道非对称底鼓机理及防治措施

以回坡底煤矿为工程背景，通过理论分析、数值模拟及现场实测研究了孤岛煤柱下回采巷道的非对称变形机理，提出了相应的底鼓防治措施。研究结果表明:孤岛煤柱下方岩体存在分区破坏特征且以剪切破坏为主，而采空区下方岩体以拉伸破坏为主，岩体破坏形态呈倒梯形；11-1021巷道位于剪切破坏和拉破坏岩体的交界处，导致巷道两侧围岩的破坏程度和破坏特征不同，从而巷道表现出非对称变形特征，1021巷道靠近煤柱侧围岩内应力较大，变形量较小，而靠近采空侧围岩的应力小，底鼓量大。基于巷道两侧围岩的应力和变形分布特征，提出了一种基于让抗结合的底鼓防治技术并进行现场验证，结果表明:当巷道不受采动影响时，经底鼓防治措施处理的区域底鼓量大幅减小，并且随时间增长底鼓速度趋于稳定；当巷道受采动影响时，经防治措施处理区域底鼓量减小近1/2，满足生产要求。     

宜昌晒旗河磷矿条带充填法采场结构及回采顺序研究

复杂地形条件下矿体安全高效开采研究对于释放矿山资源产能有着重要意义。为解决目前房柱法开采对地表扰动程度大且矿柱难以回收等问题，基于条带充填开采技术，从采场结构及回采顺序两个方面对宜昌晒旗河磷矿展开了适应性研究，以期在提高矿石回收率的同时减少地表扰动。首先依据晒旗河高山河谷地形下地应力特征，在盘区内划分了高低应力采区，构建了分区采场结构，并引入极限强度理论得到条带矿柱的合理宽度；然后设计了高应力采区“隔一”、低应力采区“隔一采一”的条带回采顺序，运用FLAC3D数值软件优选出高、低应力采区间的回采顺序，研究矿体在开挖过程中围岩应力变化特征及地表变形特征。结果表明：①从低应力采区向高应力采区的回采顺序优势明显，可缓解高低应力采区的应力不均匀程度；②在整个回采及充填过程中，采场围岩较稳定，矿柱所受的垂直压应力均小于抗压强度；③高山河谷地形下地表沉降曲线演化特征为“U→V→U→W”，地表沉降得到了有效控制；④所设计的条带充填法与传统房柱法开采相比，矿石开采效率得到了大幅提升，可为晒旗河磷矿及类似高山河谷地形下矿床开采提供技术指导。     

基于水平构造应力比圈定新城金矿竖井保安矿柱初探

在以往的竖井保安矿柱圈定过程中,岩层移动角是主要的考虑因素,地应力条件则通常不被重视。而对于水平构造应力显著的矿山,在回采扰动下竖井周边易形成应力集中区,不利于竖井稳定。新城金矿水平构造应力突出,为了在圈定竖井保安矿柱时考虑水平构造应力作用,建立了竖井周边采矿的概念模型,模拟在不同水平应力条件下开采对竖井围岩变形及应力的影响。研究表明:当采空区位于竖井的最大主应力方向上时,回采具有显著的卸压作用,可以减小水平构造应力对竖井的影响,变形场主要集中于采空区周边,且竖井围岩也向采空区挤压变形;在竖井的最小主应力方向回采矿体则会加剧竖井处的应力集中,竖井围岩呈现出整体向井筒内部加剧挤压变形的趋势。在此基础上,建立了新城金矿竖井与矿体的大尺度数值计算模型,对比分析了圆形保安矿柱方案与根据水平应力比圈定的椭圆形保安矿柱方案,结果表明:针对新城金矿的地应力及矿体条件,目前保留100 m的竖井保安矿柱为较优方案。     

复杂地形下缓倾斜磷矿床条带充填分区协同开采技术

如何实现复杂地形下缓倾斜矿体安全高效开采是目前亟待解决的关键问题。以宜昌某磷矿为工程背景，根据地应力不均匀分布特征构建分区采场结构，基于“协同开采”理念，提出了与其相适应的条带充 填分区协同开采技术，实现了同一盘区回采与充填协同作业。运用物理相似模拟试验方法，研究了分区协同回采过程中顶板及围岩矿柱的受力变形特征及其变化规律，探讨了分区充填过程中采场矿柱的承载机制。结 果表明：采区之间相互干扰程度较弱，围岩应力转移程度受埋深和开采步骤的影响较大；随着开采与充填的协同进行，不同采区条带上方顶板受拉与受压交错性分布；分区协同回采过程中，围岩及充填体矿柱并未发 生明显破坏，其中一步骤充填体和围岩矿柱是采场内的主要承载体，二步骤充填体的承载作用相对较弱；盘区矿柱之间及隔离间柱发生了非对称性变形。为了进一步降低充填成本，在原有协同充填模式的基础上适当 降低二步骤充填体的力学强度，并通过数值模拟方法验证了优化后采场充填模式的可行性。条带充填分区协同开采技术有助于实现复杂地形下缓倾斜矿床安全、高效、经济开采。     

采场和空区充填接顶技术研究

采场和采空区充填接顶是保护矿柱、减少围岩移动与地表下沉,最大限度回收资源的重要方法,它对控制地压活动,维护矿山安全生产有着重要作用。目前采空区充填接顶方法主要有四种,一是人工接顶、二是自流接顶、三是加压接顶、四是机械设备接顶,在国外地下开采矿山中自流接顶占70%。因此,通过对自流接顶技术的研究,实现充填体与岩层无缝连接,有效地控制井下地压活动有非常重要的意义。     

祁东矿巨厚坚硬顶板切顶无煤柱开采技术应用研究

为解决当前煤矿开采过程中存在煤炭采出率低、留煤柱开采引起应力集中、巷道围岩控制难等问题，以祁东煤矿7135工作面为工程背景，提出切顶沿空留巷技术。通过对巷道围岩运动特征和留巷技术原理的研究分析，确定切顶留巷关键技术参数，并在现场进行了工程应用。结果表明，采用高强预应力锚索补强顶板、垛式支架支撑顶板及可伸缩U型钢挡矸防护等联合支护体系，实体煤帮平均变形量达到166 mm，采空区帮平均变形量达到237 mm，顶板平均下沉量达到163 mm，平均底鼓量208 mm，留巷变形满足安全生产要求。     

同一铅垂面不同层位沿空掘巷矿压特征研究及应用

华丰煤矿采深超过1 km,煤层倾角32°。此矿采用传统留小煤柱进行沿空掘巷,巷道变形严重,影响安全生产;如采用沿空留巷的无煤柱开采技术,由于受千米埋深的高地应力影响,沿空留巷会产生大变形,并且围岩不稳定。为解决以上难题,提高煤炭回收率,采用错层位沿空掘巷方法。通过建立沿空掘巷基本顶的力学模型,分析推导巷道围岩冲击地压发生机理,据此采取煤层超前注水和危险区爆破卸压等防冲措施。     

野川煤矿3103回风巷口顶板淋水成因分析

为解决野川煤矿一采区3103回风巷口顶板淋水问题,对顶板充水条件进行分析,查明了顶板淋水来源于相邻矿井老空区积水的横向补给;运用ABAQUS对综放开采条件下的受力及变形破坏进行数值模拟,表明矿界煤柱存在塑性破坏区,但依然保存有弹性区;电法和微地震探查表明,煤柱宽度为17~20 m,存在失稳可能性;后采用钻探证实,两矿界煤柱宽度≥60 m,安全评估认为不存在失稳可能性,不会发生相邻矿井采空区积水导致的突水问题,后经开采验证,评估结论可靠。     

充填体矿柱刚度对采动地压分布影响分析

为研究充填体变形特性对采动压力分布的影响规律,采用弹性地基梁理论和结构力学理论,构建了充填体矿柱采动地压分布力学模型,给出了充填体变形参数影响下的矿柱压力理论解析解,分析了不同刚度比对采动地压分布影响规律,并提出了基于充填体与围岩变形参数匹配的充填体力学设计方法。研究结果表明：充填体与围岩变形参数对充填采场采动压力分布影响显著;岩体与充填体弹模比小于1000时,围岩及充填体采动压力对弹模比的参数敏感度较高;在充填体参数设计时,应将岩体与充填体弹模比控制在1500以内,为类似充填开采矿山的充填体力学设计提供了有益参考。