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。     

基于离散元的倾斜薄矿体开采对上部隔水层稳定性的影响

本文以某铅锌矿倾斜薄矿体开采对上部隔水层的稳定性为研究对象,在现场调研和室内岩石力学实验的基础上,采用离散单元法2D-block,在完全空场和预留矿柱两种情况下对上部隔水层的稳定性进行了探讨。结果表明:在完全空场条件下,矿体开采至300m时上盘围岩最大垮落范围约为74m,顶板破坏范围已超过隔水层14m,会影响到隔水层的稳定性;当预留6m顶底柱、3m点柱情况下,回采至300m水平后不会影响到隔水层的稳定性。表明开采过程中预留顶底柱和点柱对于抑制顶板冒落和保护隔水层的稳定性非常重要。研究成果为矿区隔水层的保护提供理论依据。     

水砂—胶结充填隔离矿柱稳定性及宽度研究

某嗣后充填矿山前期水砂充填泌水效果不佳,充填体富水,随着水砂充填区域增大,开采过程中顶板及上盘稳定性变差,为改善开采安全状态,改用胶结充填,水砂充填区与胶结充填区之间的隔离矿柱是保证未来采矿安全的关键。构建了侧壁承压倾斜矿柱理论分析模型,并采用FLAC^3D数值模拟软件对10～15 m宽度水砂—胶结充填隔离矿柱和不同水砂充填体静水压力梯度进行了研究。研究表明:(1)开采扰动会使隔离矿柱内形成应力集中,且未凝固的水砂充填体会进一步增加矿柱内最大主应力;(2)矿柱内部应力重分布及水砂充填体水平压力使得矿柱水平变形增加,逐步产生破坏形成塑性区,10～13 m的隔离矿柱不足以保障充填体含水工况下的采场稳定性;(3)考虑到爆破扰动的影响,在现有富水充填情况下,建议隔离矿柱宽度为15 m;(4)隔离矿柱宽度15 m时,随着静水压力梯度增加,矿柱内部最大主应力和水平变形会有所增长,但塑性区未发生明显增加,15 m宽的隔离矿柱可以保障后续开采安全。     

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。     

基于充填体拱效应的水平矿柱安全厚度研究

充填体下矿体开采时,考虑充填体拱效应,有利于提高矿山资源回采率。利用BELAEM模型计算拱效应下充填体垂直应力,构建弹性梁力学模型并结合极限抗拉强度准则推导出水平矿柱预留安全厚度表达式。以某金属矿山3个不同采空区跨度为例,计算水平矿柱安全厚度。利用FLAC3D建立数值模型对矿体进行开挖模拟,通过对水平矿柱最大主应力及最大位移分析,验证了水平矿柱预留厚度满足安全生产需求。现场工程150 d监测结果表明,监测点附近位移变化最大值低于极限位移,水平矿柱趋于稳定。     

开采扰动下水平矿柱稳定性数值分析研究

采用数值模拟计算的方法分析了某矿山-290 m水平矿柱在开采扰动过程中的力学效应显现规律。研究结果表明,上部中段采场胶结充填及硐室开挖后,应力向水平矿柱转移;下部中段开采后,水平矿柱整体处于高度应力集中状态,大部分区域都能从开采过程中的拉剪破坏恢复到弹性工作状态。综合分析结果表明,水平矿柱在开采扰动过程中整体稳定性良好。     

深部开采过程中隔离矿柱承载机理及厚度优化

深部开采是未来矿产资源开采的必然趋势。深部开采过程中高地应力极易诱发岩爆、大变形、大体 积塌方等工程灾害。浅部开采形成了大量采空区、甚至地表塌陷等严重影响着深部资源安全开采。以某铅锌矿浅 部开采存在大量采空区、地表已经出现塌陷以及深部存在大量矿体为背景，提出在采空区下方预留原岩隔离矿柱 来隔离浅部与深部开采，保证深部采矿方法转换，实现深部资源安全开采。借助理论分析、数值模拟，开展原岩矿 柱厚度计算，结果表明 25 m 厚的原岩隔离矿柱满足安全需求。通过相似材料物理仿真实验和利用梯度加载的方 式，实现原岩隔离矿柱作用机制分析，揭示了原岩隔离矿柱承载作用。研究成果可以为类似矿山深部矿体安全高 效开采提供有益的借鉴。     

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。     

爆破动载下高阶段充填体稳定性研究

充填体不产生大规模破坏是高阶段矿柱成功回采的关键。为了指导矿柱爆破设计、降低爆破对充填体的破坏效应, 试验研究了充填体动静力学特性, 分析了爆炸应力波在充填体界面的传播规律, 计算了爆破动载下高阶段矿柱不同开采高度充填体动静应力。对爆破动载下充填体稳定性进行了系统研究。     

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。     

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。     

某铀矿床竖向分区安全稳定性研究

通过对某矿床开采技术条件和矿体赋存特征分析研究,采用3DMine软件平台建立三维数字化矿体模型,确定上、下2个采区的最佳分界线标高为850 m,确定上部采区竖向开采范围为990~850 m,下部采区竖向开采范围为850~670 m。以矿床36号剖面勘探线为例,采用K.B.鲁别涅依他等人的公式对上、下采区间水平岩柱的临界厚度进行计算,得出上、下采区同时开采的安全间距为42 m。采用UDEC软件对矿床36号剖面水平岩柱稳定性进行数值模拟,水平岩柱在垂直方向上的最大位移为4.62 cm,对水平岩柱的整体稳定性没有影响。分区方案留设的水平岩柱可以保证上、下采区同时安全开采。     

大规模充填体下保安矿柱规划及矿体回采顺序研究

针对某金属矿长期处于大规模充填体下开采的现状,对-300 m各盘区回采期间的稳定性进行了数值模拟,分析不同方案的采场开采过程中顶板应力、位移等指标的变化规律,并综合分析比较了各方案的回采安全性与经济效益。分析结果表明：将E101采场作为永久性连续盘区时,回采至中期采场顶板处产生1.14 MPa的最大拉应力和75 mm的最大位移;开采后期采场顶板处产生2.30 MPa的最大拉应力和92 mm的最大位移;开采后期采场顶板的抗拉安全系数为1.53;整个顶板岩体稳定性较好,确定将E101作为盘区永久矿柱。根据盘区永久矿柱的位置,提出了4种盘区回采顺序,分析比较不同开采方案的顶板、直接顶板、矿壁及充填体稳定性,确定了从矿体中央连续永久盘区矿柱E101采场向两侧分盘区开采的回采顺序。     

磷块岩矿柱置换安全稳定性研究

通过岩梁理论分析及有限元计算，确定樟村坪磷矿人工矿柱置换过程中矿房的合理跨度。对比樟村坪磷矿矿石矿柱和C20混凝土的抗压强度，在覆盖岩层厚为120 m的情况下，根据面积承载力理论计算，C20混凝土人工矿柱尺寸大于5 m×5 m时可以使人工混凝土矿柱的安全系数值达到1.0，说明采用C20混凝土修砌人工矿柱置换原生矿石矿柱是可行的，能满足矿柱回采过程中的安全稳定性，并且能取得很大的经济效益。     

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。     

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。     

缓倾斜薄矿体矿柱回采采场围岩稳定性研究

为解决缓倾斜薄矿体矿柱安全高效回采这一难题,对采场围岩稳定性进行研究是非常必要的。以三山岛金矿平里店矿区为工程背景,在前期现场调查、室内力学试验及岩体力学参数工程处理的研究基础上,运用RMR分级法和Q系统分级法分别对缓倾斜薄矿体矿柱回采围岩质量进行分级研究,得出采场围岩稳定性一般;分析了缓倾斜薄矿体采空区顶板破坏机理,并基于Burgers体建立了缓倾斜薄矿体采空区流变力学模型,为采场支护提供了理论依据技术支持;设计了缓倾斜薄矿体矿柱回采采场围岩应力实时监测系统,得到了采场围岩应力变化规律,现场实践证明：监测系统精度高、运行稳定。     

西石门铁矿北区高应力破碎矿体崩落法开采技术

西石门铁矿北区新探矿体为缓倾斜破碎厚-中厚矿体,且地压显现严重,属于极度难采矿体。矿山采用无底柱分段崩落法开采,开采中存在设备运行不畅、采场结构不稳、巷道破坏严重等问题。为缓解高应力破碎条件带来的开采问题,从设备选型、采场结构参数确定、巷道布置方式及回采顺序、支护措施等方面对回采技术进行了改进。在确保设备运行顺畅的前提下,确定了软弱围岩条件下铲运设备需由1.5 m³增大至2 m³,巷道断面尺寸应由3 m×3 m增大至3.2 m×3.1 m;综合考虑巷道稳定性、矿体条件、凿岩能力、满足放出体发育等条件,确定了采场结构参数为分段高度13 m、进路间距12 m;以适应地压活动规律为原则确定了回采进路以垂直走向布置为佳,开采顺序为从已采矿体边界向上盘退采;分析了地压严重以及开挖后易短时间冒落的围岩支护要求,提出了超前锚杆+U型钢拱架的支护措施;根据散体流动参数确定了最小边孔角为50°,根据出矿口废石的出露位置将崩落步距调整为1.6 m。上述参数和支护措施在西石门铁矿北区高应力破碎矿体开采过程中得到了成功应用,增强了无底柱分段崩落法开采该类矿体的适用性。     

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。