空场法开采围岩变形相似模拟与数值模拟

缓倾斜矿体采用空场法进行开采时,采空区围岩将会发生较大变形甚至垮落,从而导致地表沉降等一系列地质灾害发生.因此,有必要在矿体开采前进行上覆围岩变形规律研究.首先通过相似理论构建室内相似模型,得到矿体开挖过程中围岩的变形规律及顶板垮落高度;其次通过FLAC~(3D)数值模拟计算得到围岩的应力应变分布情况,预测出顶板可能发生冒落的区域.研究结果表明,室内相似模拟试验上覆岩层移动变形规律与数值模拟计算结果表现出很好的一致性,两者起到了相互印证的作用,对矿山安全开采有一定的指导意义.     

基于FLAC3D对某铜矿深部开采地压活动规律研究

介绍了地压活动规律对矿山深部开采的重要影响,通过应用FLAC~(3D)软件对某铜矿59#矿体开采过程中的两种工况进行数值模拟计算研究,发现59#矿体在开采至十五中段时,对围岩扰动较小,不会出现顶板大面积冒落的情况;开采对3#采空区稳定性影响最大,对2#采空区稳定性影响最小;废石充填对维护空区稳定有一定作用,但作用不大;随着59#矿体开采深度的不断增加,其对断层的影响程度也逐渐增加;废石充填对断层稳定性影响较小。从而得出随着开采深度的增加,对围岩扰动越来越大,围岩稳定性降低,顶板发生突然冒落的可能性较大,一旦顶板发生突然冒落,井下会出现较大响声和振动,但由于该铜矿采用崩落法开采,采场上部有大量冒落覆岩,顶板突然冒落不会形成冲击地压。     

缓倾斜厚大矿体崩落法开采隐伏空区顶板冒落过程及机理研究

以程潮铁矿西区开采为工程背景,对无底柱分段崩落法开采过程中,隐伏采空区顶板的冒落过程及破坏形式进行了深入的研究。首先,通过钻孔闭合回路,对顶板冒落过程进行了实时监测,并结合井下开采过程对采空区顶板冒落过程进行了时空分析。然后,基于室内相似材料试验模拟,对隐伏空区顶板变形规律及破坏形式进行了研究,绘制了围岩变形矢量图。研究表明,程潮铁矿隐伏采空区顶板的冒落经历了缓慢冒落(冒落停止)→突然冒落→缓慢冒落(冒落停止)→突然冒落的过程,并与岩石质量及关键层密切相关。冒落带上方岩层往往发生"简支梁"型破坏,顶板发生拉破坏,而拱脚及两侧发生压剪破坏。本文的研究成果,初步揭示了缓倾斜厚大矿体崩落法开采过程中,隐伏采空区顶板的冒落机理,对崩落法开采矿山的安全生产有重要的工程意义。     

某硅灰石矿开采顶板围岩稳定性数值模拟分析

以某硅灰石矿区8线和47线Ⅳ矿体为研究对象,利用FLAC3D数值模拟软件分别建立地质模型,模拟Ⅳ矿体在不同埋深条件下开采时,其顶板的围岩应力、垂向位移变化特征,进而分析顶板在不同开采深度下的围岩稳定性。模拟结果显示:在相同的采厚、采宽等地质条件下,与浅部矿体开采相比,深部矿体开采时:(1)采空区顶板应力的释放更大,顶板围岩的承载力较差;(2)顶板下沉较大,弯曲变形更为严重,并会出现明显的冒落带。模拟结果表明深部矿产开采顶板围岩稳定性更差,易发生垮塌事故。研究成果为深部矿产开采顶板围岩支护及灾害预防提供理论参考。     

大红山铁矿深部开采F2断层对岩层移动控制研究

以大红山铁矿深部开采过程中F2断层对岩层移动控制的规律为研究对象,通过现场岩体结构面调查、岩石力学实验及岩体质量分级等工作确定宏观岩体力学参数后,采用理论计算以及数值模拟方法对深部开采引发的岩层移动规律进行分析,并圈定了相对合理的地表陷落范围及移动范围。结果表明：深部矿体采用崩落法进行开采后,F2断层对岩层移动具有割断作用,有利于边坡稳定,采空区上覆岩层冒落形成的散体充填采空区有显著抑制围岩变形的效果,在生产过程中积极采取废石充填塌陷区的措施后,由地下开采引发的岩层移动对上部露天采场边坡影响较小。     

长壁矸石充填开采上覆岩层移动特征模拟实验

长壁矸石充填工作面采空区由于被充填材料占据,上覆岩层移动特征将不同于垮落法管理顶板,采用相似模拟和数值计算模拟工作面回采和矸石充填过程。通过改变支架初撑力和工作阻力、充填材料的夯实力,模拟不同充填率情况下上覆岩层应力变化和岩层移动特征,结合现场实测结果认识长壁矸石充填开采上覆岩层移动规律。研究发现：支架工作阻力对充填效果影响显著,充填支架高初撑力和工作阻力可以限定顶板的变形,保证足够的时间使更多的充填材料充进采空区,进而减小缓慢下沉带高度,控制地表变形。采空区内充填材料限制直接顶的变形、下沉以及冒落,直接顶以断裂和冒落为主,冒落后整齐地排列在采空区矸石上。基本顶以弯曲下沉形式随直接顶移动,上覆岩层冒落高度显著降低。     

大型采空区顶板冒落危害预测

某矿31-1#矿体采空区暴露面积6000 m2,高度达65 m,在其下部有一定矿量需要进行回采,空区一旦冒落,将对下部作业人员和设备造成巨大的危害。通过对采空区稳定性、冒落形式进行现场调查,并结合现场实际,建立了采空区顶板冒落危害预测模型,对空区顶板围岩大批量冒落和零星冒落进行了危害预测,并根据预测结果,提出了相应的预防措施。     

重复采动引发矿震的机理探讨及灾害控制

基于重复采动下巨厚岩层失稳仍引发大能量矿震的特点,通过分析重复开采中上覆岩层的冒落和移动规律,研究巨厚岩层关键块体的结构形态、在不同区域的受力情况以及断裂失稳特点,得出重复采动引发矿震的机理:一是采高增加造成采空区上方顶板"活化",导致原铰接平衡岩层结构发生滑落或剪切失稳,引发矿震;二是顶板岩层移动线外扩,导致边界区域岩层在平面和高度方向活动范围增加,造成高应力集中区巨厚岩层大范围失稳,引发强烈矿震。依据矿震诱发冲击机理,通过优化工作面开采设计、降低对危险区域的扰动和优化巷道围岩结构强度,有效地保证了被解放层采场的作业安全,实现了"有震、无灾"的控制目标。     

大采高采场上覆岩层运动规律的研究

应用"关键层"理论对宫地矿大采高采场上覆岩层结构进行了计算分析,确定了工作面覆岩层的主关键层和亚关键层,应用三维离散单元法软件3DEC建立应变模型对不同采高情况下覆岩层运动规律进行了研究。研究结果表明,随着工作面采高的增加,覆岩层的冒落空间、顶板离层量及碎胀系数增加,顶板断裂线明显前移。上述分析结果为大采高综采面围岩控制提供依据。     

红泥坡铜矿采场覆岩变形破坏规律试验研究

为探讨红泥坡铜矿采场上覆岩层变形破坏、岩层冒落演化规律,采用相似模拟试验开展了相关研究。研究结果显示:在空场条件下,当开采至第三分段时,采场直接顶板发生冒落,冒落高度达8～10m,上覆岩层位移0.1～0.3m,若继续开采,采空区冒落高度达29m左右,上覆岩层最大位移达到0.6m;当矿体开采第一分段时,上覆岩层应力状态变化已发展至近地表覆盖层的局部区域,开采第二分段时,地下采动作用对近地表覆盖层应力场的影响范围逐渐增大且覆盖层呈现出不均匀的变形状态,若继续开采,上覆岩层应力场将受到明显影响,研究结果对矿山生产规划及岩层控制具有理论指导意义。     

残留矿柱回采及监测点布置的研究*

采用有限差程序FLAC^3D对天马山黄金矿残留矿柱进行回采模拟,对矿柱进行不断的模拟开挖,直至顶板岩层发生破坏。当顶板发生破坏时,其位移发生突变,计算不收敛。因此,将监测点位移是否突变、计算是否收敛作为顶板破坏的判据。依据回采过程中围岩应力和位移的变化规律,将布设现场监测器与数值模拟的结果相结合,能够对监测点的布置进行有效优化和为预报采空区突然塌陷提供理论判据,从而提高现场监测的针对性和准确性。得出结论：①破坏首先从采空区顶板开始,该区域是围岩位移最敏感处,可作为位移突变判据的监测点,是多点位移计布置的优选位置。②矿柱回采结束后,位于采动影响范围顶部的岩层引导着应力向采空区端部区域转移,随着采空区暴露面积的增加,其端部的支承应力随之增大,但当采空区顶板岩层发生破坏时,空区顶板应力向支承压力区转移的路径发生阻断,破坏后的采空区顶部岩体重力不再向其端部传递,支承压力区的压力出现下降的趋势,表现为应力反弹现象,这种现象为现场应力监测进行采空区突然塌陷预报时提供了理论判据,因此,在采空区端部区域布置应力传感器优于其它位置。     

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。     

夹沟矿不同跨度采空区顶板的稳定性分析研究

采空区是影响矿山安全生产的主要危险源之一。夹沟矿采空区的节理调查表明,结构面是夹沟矿采空区顶板稳定性的主控因素。数值分析结果表明:夹沟矿采空区的顶板是不稳定的,顶板岩体容易发生垮落事故。     

切顶卸压自动成巷的离散元数值模拟

切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术是一种经济有效的无煤柱开采新技术,目前,对此技术进行关键参数研究多采用基于连续力学理论的数值模拟方法,难以实现顶板离层与垮落等物理现象的模拟。采用三维离散元软件对浅埋深煤层切顶卸压自动成巷进行研究,较详细分析了不同切缝高度下采空区上覆顶板岩层应力场与变形移动规律。研究结果表明：离散元法可有效地模拟出上覆岩层的应力场演变过程、块体的位移及岩层跨落;不同顶板预裂切顶高度对顶板顺利切顶成巷有较大影响,切缝应有效切断采空区顶板与留巷顶板间的应力传递。研究结果对切顶卸压自动成巷技术应用过程中参数的研究与分析有一定借鉴意义。     

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。     

内蒙古某多金属矿2号矿体采空区处理方案探讨

内蒙古某多金属矿2号矿体采空区上盘和顶板暴露面积约10万m²,而且采空区形状不规则、分布范围广、重叠交错。根据采空区的现状和矿山现有的生产设施,通过对比分析,推荐采用强制崩落上盘围岩并诱导上盘逐渐崩落围岩充填采空区,在作业区上方形成一定安全厚度的缓冲垫层的处理方法。同时对缓冲垫层安全厚度的确定进行了研究,为类似矿山大型采空区处理提供了参考依据。     

多通道声发射监测系统在矿山安全开采中的应用

以多通道声发射监测系统在某矿山采空区顶板坍塌事故中的成功预报为例,对顶板坍塌事故发生前后一周的声发射事件的特征参数进行了统计分析,对监测到的声发射信号进行了分类,指出了岩体在不同受力阶段声发射波形的变化,总结了岩体失稳前的声发射前兆规律,对声发射在类似矿山及岩土工程监测中的应用有较好的参考价值。     

综放工作面上覆岩层变形破坏时空演化特征试验研究

采用相似模拟实验方法进行采空区工作面顶板垮落过程中上覆岩层变形破坏试验研究。以CCD相机构建实验图像数据采集系统,采用数字散斑相关方法对上覆岩层位移场和垮落角进行了分析,研究了上覆岩层垮落区域裂隙演化、位移演化及偏态特征。研究结果表明:工作面顶板垮落过程中上覆岩层垮落角角度随垮落区域形状不断变化,垮落高度逐渐减小直至平稳,垮落面积逐渐增大直至平稳;在竖直方向上,上覆岩层垮落带呈宽缓的W型沉降、裂隙带和弯曲下沉带呈V型沉降;在水平方向上,下部上覆岩层向两侧移动、上部岩层向中间移动,造成各岩层间发生摩擦滑动,并对两侧未开挖区域及煤柱产生弯矩作用;工作面顶板跨落后形成偏态,开切眼侧垮落角大于开采侧垮落角,并在开采侧形成岩移角,开切眼侧的下沉曲线较陡、工作面侧下沉曲线较缓。根据实际工程背景,计算了地表塌陷影响范围,为煤矿开采对上覆岩层影响范围和程度以及后续采空区治理等问题评估提供了必要依据。     

房柱法开采矿山采空区失稳模式及机理

房柱法开采矿山采空区稳定性状态是由矿柱和顶板两个基本要素共同决定的。介绍了矿柱和采空区顶板失稳的模式,根据矿山压力与岩层控制理论,分析了矿柱和采空区顶板破坏的力学机理,并对影响矿柱稳定性的因素进行了总结归纳。     

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。