采空区稳定性分析及安全性判定

为掌握某矿山井下采空区的安全性状况,在前期现场空区探测的基础上,建立了空区赋存地质模型,对采空区的稳定性进行了分析,得到了矿体开挖后采空区周边围岩中的应力、位移分布情况,并结合容许极限位移量破坏判据对采空区的安全性进行了判定。结果表明:矿山现有的80个空区中,有39个空区存在破坏现象,甚至出现大规模的破坏诱发地表塌陷范围的继续扩大。     

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。     

金属矿山开采过程上覆岩层应力与变形特征

采用数值分析方法, 研究了动态开采过程中金属矿山采空区覆岩在拉应力、垂直应力作用下的位移及变形破坏特征。研究发现拉应力对覆岩造成的破坏较其它应力显著, 是覆岩垮落的主导因素。分析覆岩内部垂直应力发现: 开采初期覆岩内部压应力显著, 随着开采进行, 在采空区的正上方, 压应力逐渐向拉应力过渡; 垂直应力呈“凹”形分布在采空区两端部, 其形状和应力值随采空区的增大而增大。随着工作面的推进, 覆岩下沉范围和下沉量均逐渐增大; 下沉曲线的最大下沉点, 向工作面推进方向逐渐移动; 下沉曲线的光滑程度体现了监测点在覆岩所属区域是弹性区、塑性区还是垮落区。研究结果可为矿山围岩支护提供一定参考依据。     

复杂采空区稳定性数值模拟分析

为研究复杂采空区的稳定性,在前期现场调查、现场原岩应力测定、室内力学试验及岩体力学参数工程处理的研究基础上,应用现代仿真技术与计算机数值模拟技术,采用FLAC3D方法对龙桥铁矿空区形成过程及采空区稳定性进行模拟计算和预测分析,研究表明:采空区形成后,空区四周各角隅处首先达到极限剪切破坏状态,随着采空区的增大,角隅处破坏区域逐步延深扩大,顶板中央拉应力分布逐渐明显,最终变为拉应力破坏;采场周边围岩位移最大,往外距离开挖边界越远,围岩位移就越小,且采场上盘围岩位移比下盘围岩要大得多,围岩移动方向均指向采空区;在采场顶板以上形成围岩移动位移等值拱;采空区顶顶中央点下沉量最大,向空区侧面急剧降低,空区以外点的下沉量变化较小,且距空区越远下沉量越小;采空区一半高度的水平断面上围岩以垂直向下位移为主.     

采动条件下的金属矿山上覆岩体破坏区域及应力行为研究

确定采动条件下金属矿山上覆岩体破坏区域与应力行为,以某金属矿为背景,采用RFPA计算程序对该矿山在开采过程中上覆岩体破坏特征及力学行为进行研究,同时结合声发射技术对采动条件下覆岩的破坏区域及应力分布范围进行深入分析,提出采动条件下的金属矿山覆岩破坏的“三区”概念及应力分布划分原则。研究表明：金属矿上覆岩随着采动影响可以划分为垮落区、塑性区、弹性区三个区域;并对各区域的应力行为特征进行分析归纳,上覆岩体应力分布分别呈现拉应力-拉应力区、拉应力-压应力区、压应力-压应力区、剪应力-压应力四个区域;其中拉应力-拉应力区和拉-压力区主要分布在采空区靠近悬空面上方和下方区域,压应力-压应力区主要分布于开采工作面正上方,剪应力-压应力主要分布于采空区周边围岩。该研究结果可为金属矿山三带的圈定和采取有效支护措施控制采空区围岩稳定提供理论依据。     

某铅锌矿井下采空区稳定性分析及处理措施研究

以某铅锌矿井下采空区为研究背景,建立了采空区与围岩的三维模型,通过理论分析与数值模拟方法,分析了采空区周边围岩的变形与应力分布情况,得到了采空区周边围岩的竖向位移与应力集中分布特征及塑性损伤特征,并提出了相应的空区处理措施,为矿山未来采空区稳定性评估与处理提供了参考。     

采动条件下的金属矿山上覆岩体破坏区域及其特征研究

确定采动条件下金属矿山上覆岩体破坏区域与应力行为,以某金属矿为背景,采用RFPA计算程序对该矿山在开采过程中上覆岩体破坏特征及力学行为进行研究,同时结合声发射技术对采动条件下覆岩的破坏区域及应力分布范围进行深入分析,提出采动条件下的金属矿山覆岩破坏的"三区"概念及应力分布划分原则。研究表明:金属矿上覆岩体随着采动影响可以划分为垮落区、塑性区、弹性区三个区域;并对各区域的成因及划分依据进行详细分析;为了进一步研究上覆岩体变形破坏区域和破坏形状特征,在采动条件下从采空区上覆岩体的位移矢量变化角度进行分析,得出随着开采的进行,上覆岩体破坏形状经历了水母状、圆拱形、桶状的大致破坏形态过程,这种形态与金属矿山地表塌陷现场较吻合。研究结果可为金属矿山三带的圈定和采取有效支护措施控制采空区围岩稳定提供理论依据。     

顶板崩落变形破坏过程的数值分析

采用数值方法建立三维计算模型,分11个步骤对采场开挖的全过程进行数值模拟,得到开挖后空区围岩的水平位移、竖向位移和塑性区分布情况,进而分析矿区顶板自然崩落规律的变形破坏情况。由于采场的开挖,导致岩体内部应力释放,围岩位移指向空区内部,水平位移最大处出现在采场采矿区的两侧边帮处,位移方向均指向采空区内部。随着开挖宽度的扩大,竖向位移呈圆弧曲线形式由采场顶板向岩体内部不断扩张。开挖过程中,空区顶板首先由剪切破坏导致岩体破裂下落,出现采场顶板冒落现象,采场采空区的顶板中央上部岩体随着顶板冒落不断往下变形,出现一定高度破坏区域的岩体。当采场开挖面积进一步扩大时,采场顶板上方的岩块将无法维持稳定状态,出现持续崩落现象。     

采空区影响下穿层巷道变形特征及支护技术研究北大核心

针对梁北矿在采空区下近距离掘进-550 m水平东翼开拓巷道围岩不易稳定的问题,采用数值模拟方法分析了相邻2个不同时间开采的工作面形成的采空区和煤柱对开拓巷道附近围岩的应力分布规律和变形特征;并基于多层次耦合承载结构的支护原理,给出了相应的变形控制对策和支护方案,在现场进行了应用。研究结果表明:随着工作面的推进,采空区底板岩层原岩应力恢复区由采空区中部向四周扩散,塑性破坏区呈“倒马鞍”状分布;穿层巷道受邻近未稳定采空区垮落岩层逐步压实扰动过程产生的应力和煤柱应力集中产生的影响,塑性破坏区呈非对称分布。基于巷道围岩破坏形成破碎区、塑性区和弹性区的分区特征,提出充分利用内外承载体形成多层次耦合承载结构的支护对策;采用“高强锚网索+浅深部围岩分次注浆+喷浆”多层次耦合控制技术,在现场取得了良好的应用效果。     

基于3DMine-Rhino-FLAC3D的多采空区对竖井的稳定性影响分析

矿山不断的深入开采,会遗留下大量采空区,采空区的失稳破坏势必会对位于移动带内的竖井稳定性造成影响,竖井的变形破坏不仅影响矿山正常生产,还将给人们的生命,财产和国家造成重大损失。随着高性能计算机和数值模拟技术的普及,为复杂采空区及竖井的稳定性研究提供了新的解决思路。为了解内蒙古某金矿竖井的稳定情况,在“三维网格堆砌法”的基础上提出了3DMine-Rhino-FLAC_^3D耦合建模的新思路,能够更加精准的反应地表、矿体和采空区的实际情况,提高计算的准确性。对竖井周围的应力、位移、塑性区等方面进行了分析,并提出两种可行的治理措施。1.发现该竖井在658m中段的变形量最大,最大位移量3.5cm左右；2.随着采深的不断加大,虽然在采空区周围的围岩应力有增大的趋势,但在开采过程中对竖井周围应力影响较小；3.通过开挖后主竖井周围围岩仍处于原岩应力状态,未出现剪切和拉伸破坏；4.对两种不同的治理方案治理后的采空区分析发现主竖井的变形速率明显减小,说明两种治理方案均能使井筒变形的到控制,有效提高竖井周围围岩的稳定性。     

新集二矿1煤组采场底板应力场分布及破坏特征研究

为了研究1煤组采场底板的应力场分布及变形破坏特征,基于新集二矿220108采煤工作面的实际工况,运用有限差分数值模拟软件FLAC构建二维数值模型,得到煤组采场底板应力场、位移及塑性破坏带的分布云图。结果表明:工作面开挖以后,在上覆岩层和下部承压水耦合作用下,底板形成一定范围的拉应力区,采空区两端产生剪应力集中区,底板发生底鼓变形,随着工作面的推进,拉应力区范围增大,剪应力集中区也不断向底板延伸,采空区底板垂直位移最大可达844.5 mm,可能会导致底板隔水层发生破坏;围岩的塑性破坏带最先出现在采空区两侧,随着工作面的推进,塑性破坏带范围逐渐增大并向底板扩展延伸,当工作面推进到100 m时,底板隔水层两端的塑性区相互融合,成为导水通道。     

近距离煤层回采巷道非对称破坏机理及其控制

近距离煤层开采时,上位煤层的遗留煤柱集中应力会对下位煤层邻近采空区的巷道掘进产生扰动影响。针对下峪口煤矿3#_下煤层回采巷道掘进时产生的非对称变形破坏及支护困难等问题,结合现场地质条件,采用力学分析、数值模拟和现场试验的方法,探究23306_下进风巷掘进期间产生的非对称变形机理,并提出合理的巷道支护参数及工艺,改善了巷道围岩条件。研究结果表明：上位煤层遗留煤柱及本煤层邻近采空区的存在导致巷道围岩主应力方向及大小发生变化,而非均匀的应力分布致使巷道围岩塑性区呈现蝶形破坏,巷道顶板水平应力变化幅度大、剪切应力大,造成巷道顶板极度破碎,顶板至上覆采空区间全为塑性区分布,顶板两侧应力及塑性区的差异性分布是造成巷道非对称变形的主要原因;数值模拟得到煤柱内X-Y,X-Z,Z-Z方向的应力受本煤层邻近采空区的影响较大,巷道两侧应力大小不等,致使巷道产生非对称变形;根据巷道围岩的受力状态、工作面地质条件及支护成本,优化了巷道支护参数,现场应用效果良好。     

用沙坝矿采场顶板稳定性模拟分析

贵州开磷矿业公司用沙坝矿主体为缓倾斜矿体,采用机械化盘区分段充填采矿法开采,通过研究采场跨度与顶板稳定性之间关系确保了作业人员安全和稳定生产.建立合理矿山开采力学模型后,对不同跨度采场在未支护方案下进行数值模拟分析表明,采场整体位移变化基本服从近对称分布;靠近开挖边界处围岩位移最大,距开挖边界越远,围岩位移越小,且移动方向均指向采空区;采场跨度在20m以内,采场顶板不发生破坏;当超过25m以上时,采场顶板出现较大拉应力,顶板开始发生破坏.     

某矿山多层采空区群稳定性的FLAC3D数值分析

为评价某矿山采空区群的稳定性,应用有限元FLAC3D软件对该矿体及复杂多层采空区群三维数值模型进行了模拟分析.选取相邻空间区间顶板厚度小于30 m和顶板跨度较大的空区群作为研究对象,对多层采空区的应力分布和塑性区(结构塑性强度破坏方面)以及采空区顶板中点位移监控(变形控制方面)进行了研究,并根据研究结果对矿体所有采空区进行了稳定性分类,为后续采空区治理提供了可靠的依据.     

基于FLAC3D的分级尾砂充填治理采空区的研究

为避免采空区垮落对地表的生产建筑造成危害。根据某铁矿Ⅰ号铜矿带浅部矿体的特点及矿山的生产现状,用分级尾砂高浓度胶结充填的方式进行采空区治理。并利用Fl AC3D软件对采空区充填前后上部围岩的应力、位移变化和塑性区等进行稳定性分析。模拟结果表明,进行分级尾砂胶结充填治理采空区能够有效减少采空区围岩位移量,改善应力重新分布情况,从而维护矿山生产安全。     

基于FLAC~(3D)的分级尾砂充填治理采空区研究

为避免采空区垮落对地表的生产建筑造成危害。根据某铁矿Ⅰ号铜矿带浅部矿体的特点及矿山的生产现状,用分级尾砂高浓度胶结充填的方式进行采空区治理。并利用Fl AC3D软件对采空区充填前后上部围岩的应力、位移变化和塑性区等进行稳定性分析。模拟结果表明,进行分级尾砂胶结充填治理采空区能够有效减少采空区围岩位移量,改善应力重新分布情况,从而维护矿山生产安全。     

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。     

软岩近距离煤层采动覆岩破坏特征模拟研究

为了研究软岩煤层组开采过程中围岩及地表的破坏移动规律,基于采动覆岩移动、裂隙分布规律及破坏机理,采用相似模拟研究方法,以依兰煤矿首采区工作面为工程原型,建立了地质力学模拟模型,分析研究了软岩煤层组的采动力学演化特性、顶板裂隙破断发展轨迹、地表移动变形规律和围岩塑性区分布范围.研究得出:依兰煤矿首采区上煤层采后覆岩破坏最大裂采比为7.5,多煤层覆岩综合裂采比为9.3,地表下沉系数为0.76,地表移动变形值达到Ⅳ级变形;揭示了覆岩纵向裂隙呈梯形分布于采空区两端,横向裂隙分布于顶板应力卸压区的特征;指出采空区围岩应力与空间位置有关,顶板应力变化幅度大于煤柱应力变化;分析得到"三软"覆岩移动变形速度较大,同时软岩煤岩层对采动围岩变形起到了缓冲作用,覆岩裂隙破坏范围在围岩中受到限制.     

软弱岩层巷道围岩控制的数值模拟分析研究

大倾角"三软"破碎带内巷道围岩失稳问题是矿山开采所面临的主要问题之一。以青海某金矿的软弱围岩巷道为背景进行有限元模拟,发现大倾角破碎带巷道开挖后应力重新分布,且应力变化范围较大,其中拱腰和低边墙出现应力集中,发生拉应力破坏。通过对应力集中区进行锚杆支护,有效地控制了围岩变形。     

深井回采过程矿柱与围岩破坏预测及可视化验证

针对某地下金属矿山深井"隔一采一"方式回采过程形成的单面临空矿柱,运用Midas/GTS软件建立数值模拟模型,通过数值模拟,揭示矿柱及围岩的应力、位移、塑性区的变化情况,对回采过程中矿柱及围岩可能出现的破坏区域进行分析和预测;采用空区三维激光探测技术和空区三维建模技术,快速而准确的获得采空区和矿柱三维形态,实现了对"隔一采一"方式回采过程单面临空矿柱及围岩破坏数值模拟结果的可视化验证.实践证明,上述方法为分析和预测类似深井矿山回采过程矿柱及围岩破坏位置预测开辟了新的途径,对指导矿山下一步爆破设计和安全高效开采具有重要的现实意义.