厚大铁矿体崩落法开采围岩移动规律研究

以程潮铁矿西区崩落法开采为工程背景,基于近8年的GPS监测数据、现场地表破坏情况及相似材料模拟实验,对矿区围岩的塌陷及移动规律进行了分析。研究表明,井下开采引起的地表移动具有延时性、移动角发展具有跳跃性等规律,开采引起的围岩移动分为采空区覆岩塌陷阶段及周边围岩向采空区的倾倒破坏阶段。第1阶段垂直应力起到了主导作用,表现为有规律的桶形垮落,第2阶段水平构造应力起主导作用,可采用悬臂梁的力学结构进行表述。根据围岩移动机理的分析,将程潮铁矿围岩移动分成垂直陷落区、倾倒滑移区、倾倒区、变形区、变形累积区、未扰动区等6个区域。本文的研究成果可为类似金属矿山崩落法开采的地表移动规律预测提供了理论依据。     

金属矿山崩落法开采顶板围岩崩落机理与塌陷规律

以湖北程潮铁矿西区开采为工程背景,首先结合2个钻孔实时监测的顶板围岩崩落曲线、矿体赋存条件、地层结构和钻孔岩芯资料,揭示顶板围岩崩落过程的基本特点和机理。其次建立了103个沉降点和55个水平位移点的地表塌陷监测系统,通过对15个月观测资料,特别是对沉降量、沉降速率和水平位移量与时间曲线的关系,以及沉降漏斗发展过程剖面图分析,总结出西区地表变形的量值特征和一般规律。初步揭示了金属矿山无底柱分段崩落法开采过程中,顶板围岩崩落机理和地表沉陷的基本规律。     

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。     

崩落法开采岩体冒落及岩移机理

为研究倾斜厚矿体开采岩体冒落及岩移机理,以某铁矿崩落法开采为工程背景,通过现场监测对开采过程中顶板覆岩冒落及岩移特征进行了研究,并采用数值模拟分析了节理影响下覆岩断裂破坏、应力演化及损伤发展特性,对岩体冒落及岩移机理进行了探讨。研究结果表明:岩体冒落表现为缓慢—快速交替的拱形冒落特征,岩体冒落的剧烈程度与冒落发展正相关;地表水平变形以波浪形变化为主,上盘侧最大水平变形值为下盘的1.4～1.9倍,运输道路附近的最大沉降值约为32.5 mm,沉降中心在采矿后期以非对称形式向上盘偏移,沉降率逐渐下降。岩体冒落是拉伸与剪切裂纹沿着节理与完整岩桥相互贯通所致,分为滑移破坏区与倾倒破坏区,应力拱周期性演化是导致冒落进程变化的主要原因;地表沉降特征受节理与开采跨度的共同影响,断裂角发生偏转并以上盘破坏为主,是导致地表沉降中心偏移的主要原因。在未来采矿过程中,塌陷坑上盘有发生大规模沉降及塌陷的风险,研究提出的塌陷坑废石充填岩移控制措施,可实现对运输道路的有效维护。     

程潮铁矿联合开采隔离矿柱合理厚度研究

程潮铁矿矿体随开采水平下降而逐渐西移, 导致选厂下保安矿柱的矿量逐渐增加。为了保护地表选厂同时尽可能回收矿石资源, 程潮铁矿采用充填法回收保安矿柱和无底柱分段崩落法开采塌陷坑下矿体联合开采回收-430~-500 m阶段矿体。为了防止两种采矿方法交界处的采矿活动相互影响, 采用数值模拟方法, 选取15 m、20 m和25 m厚度的隔离矿柱分别建立了联合开采数值模型模拟开采, 得到联合开采后地表沉降以及充填采场的安全系数, 并对其进行比较。结果表明, 隔离矿柱厚度为20 m时, 选厂地表监测点的沉降值较小, 充填采场安全系数较高, 能够满足选厂和充填采场安全性要求, 同时矿柱压矿量少, 经济效益较优。研究结果能够为矿山的实际生产提供一定的指导。     

程潮铁矿无底柱分段崩落法开采诱发地表变形规律

以采用无底柱分段崩落法的武钢程潮铁矿开采为工程背景,采用GPS测量和水准测量,建立了193个水平位移点和95个沉降点的地表塌陷监测系统,对塌陷区中心和周边地带进行为期12个月的地表变形监测,特别是对沉降量、沉降漏斗发展过程剖面图、矿区关键构筑物的变形、地表移动边界随时间及地下采空区的扩展关系分析,总结出该矿地表塌陷的特征和一般规律。     

地下金属矿山地表移动变形预测三维数值模拟研究

针对如何预测地下金属矿山开采引起地表移动规律的技术难题,以程潮铁矿西区为实例,采用FLAC软件对西区自-360m至-850 m水平的开采进行了系统的模拟研究,分析了不同开采阶段岩层的移动特征和破坏状态,预测出主要工业设施不同开采阶段地表的移动角和陷落角,并给出其破坏等级,为地表移动范围的设计提供了依据.     

程潮铁矿深部矿体合理回采顺序研究

程潮铁矿目前东区采用崩落法、西区采用充填法开采,由于西区地表选厂即将整体搬迁,西采区深部将改用无底柱崩落法采矿,开采深度也即将到达-500m水平。在采场上方同时存在崩落散体和充填法采场的条件下,研究了-500m水平采场采用无底柱分段崩落法采矿的回采顺序问题。由于矿体厚度较大、长度较长,回采顺序较多,通过对不同开采方案的数值模拟结果算出采场的围岩不稳定性系数,通过采场的稳定性情况对比分析,得出几种开采方案中方案一较优。     

程潮铁矿深部矿体分区开采方案优选研究

程潮铁矿一500 m中段矿体回采进入尾声﹐即将进入一570 m中段回采,针对一570 m中段矿体开采无法保证生产需求等问题,以程潮铁矿一57o m中段、一675 m中段矿体与围岩为研究对象,研究以不同开采方案开采矿体后对地表稳定性的影响﹐借助 MIDAS软件建立三维数值模型﹐并采用三维有限差分软件对不同开采方案下地表岩层移动进行仿真模拟分析与研究,基于数值模拟结果对采场应力分布进行分析,并提出稳定性建议。结果表明:程潮铁矿深部矿体开采对地表的影响主要在矿体正上方,地表沉降大小与距离塌陷坑的距离成反比,一570 m中段与一675 m中段的矿体以49线为分界设隔离矿柱,矿柱西侧充填东侧崩落开采时能达到地表稳定性与经济效益的动态平衡。     

程潮铁矿深部开采塌陷坑移动规律研究

程潮铁矿进入围岩性质复杂多变的深部开采环境,塌陷坑移动变化规律与浅部不尽相同,以致无法准确预测周边地表重要建筑物的稳定性。为保证新副井和塌陷区周边地表重要构筑物安全,基于室内相似模拟试验和数值模拟方法,对-500 m以下深部开采塌陷坑移动规律进行了研究,分析了塌陷坑移动角和远近地表围岩随开采深度的变化规律。研究表明：①-500 m以下矿体崩落开采造成的地表塌陷变形逐步往上盘转移,上盘移动角呈现增大趋势,地表移动范围未超出初期设计值;②开采初期下盘所受影响较大,随着开采推进,影响逐步减弱;③整个开采阶段,远近地表区域围岩应变表现出不同的变化规律;④至开采结束,地表新副井区域倾斜值达到0.017 mm/m,超出临界影响标准值,表明开采会对新副井带来一定程度的影响。依据不同开采阶段对新副井的影响程度,提出了新副井稳定性控制措施,研究结果对于程潮铁矿深部安全开采工程有一定的指导意义。     

程潮铁矿西区开采塌陷对选矿厂的影响及保护措施

程潮铁矿东区现生产的选矿厂位于西区的西端，由于西区矿体埋藏深，开采引起的岩移塌陷关系到现选厂的利用。文中介绍随机介质理论用于预计地下开采不同深度引起地表移动变形范围，依不同的范围研究保安矿柱的圈定，从中选择有利于选矿厂的保护方案。     

程潮铁矿西区开采塌陷对选矿厂的影响及保护措施

程潮铁矿东区现生产的选矿厂位于西区的西端，由于西区矿体埋藏深，开采引起的岩移塌陷关系到现选厂的利用。文中介绍随机介质理论用于预计地下开采不同深度引起地表移动变形范围，依不同的范围研究保安矿柱的圈定，从中选择有利于选矿厂的保护方案。     

大规模深部开采诱发上覆岩体变形规律研究

为深入研究金属矿山岩层移动及地表变形规律，针对大红山铁矿大规模深部崩落法回采岩层冒落及地表变形的特点，分析了深部开采对岩层及地表变形的影响和时空关系。通过矿山现场长期观测及实验室相似模拟试验，揭示了岩层冒落移动变形、地表塌陷过程和“三带”规律，认为金属矿山采用崩落法大规模深部开采后在地表形成了一个以裂隙为引导的塌陷区，明显存在崩落带和裂隙带，弯曲变形带不明显，但其岩层变形过程仍具有“三带”破坏特征。上覆岩层冒落依次经历了三个过程，即首先呈现正三角拱状冒落，向上发展并发育到地表，再形成小范围塌陷，后期以该小范围塌陷点为中心向四周扩张，呈现倒三角的敞开式发育。在上述分析的基础上，进一步分析了矿山深部巷道围岩变形特性及造成破坏的原因，提出了防治上覆岩层冒落的围岩抗变形措施。     

程潮铁矿西区运输巷道变形规律研究

依据程潮铁矿西区的地表水平位移、沉降位移和运输巷道关键测点的变形监测成果,对运输巷道区域地表变形规律及变形机理进行了分析研究。结果表明:运输巷道目前位于倾倒区,深部岩体变形处于弯曲变形阶段,变形趋势为向采空区的整体倾倒,该区域变形不大,以稳定变形为主;随着采矿工作在深度和平面上的拓展,深部岩体有可能形成弯曲折断面,进入倾倒滑移区,地表变形以快速为主。其成果对程潮铁矿西区运输巷道的安全运营及类似工程具有重要的指导意义。     

大规模深部开采诱发上覆岩体变形规律研究

为深入研究金属矿山岩层移动及地表变形规律，针对大红山铁矿大规模深部崩落法回采岩层冒落及地表变形的特点，分析了深部开采对岩层及地表变形的影响和时空关系。通过矿山现场长期观测及实验室相似模拟试验，揭示了岩层冒落移动变形、地表塌陷过程和“三带”规律，认为金属矿山采用崩落法大规模深部开采后在地表形成了一个以裂隙为引导的塌陷区，明显存在崩落带和裂隙带，弯曲变形带不明显，但其岩层变形过程仍具有“三带”破坏特征。上覆岩层冒落依次经历了三个过程，即首先呈现正三角拱状冒落，向上发展并发育到地表，再形成小范围塌陷，后期以该小范围塌陷点为中心向四周扩张，呈现倒三角的敞开式发育。在上述分析的基础上，进一步分析了矿山深部巷道围岩变形特性及造成破坏的原因，提出了防治上覆岩层冒落的围岩抗变形措施。     

程潮铁矿两种采矿方法并存下地表变形规律研究

程潮铁矿拟采用充填法回收选厂下保安矿柱,同时在同阶段延续无底柱分段崩落法回采其余矿体的方法回收-500 m水平以上的矿体。采用室内模型相似材料试验对该方法对选厂区域地表的影响情况进行探究。结果表明距离塌陷坑边缘20～150 m范围的地表受到地下采矿活动影响较大,150 m以上范围则基本不受影响。并得到了选厂区域地表沉降情况以及近地表区域岩体应变与塌陷坑距离的一般规律。采用该方案回收-500 m以上矿体对保护选厂是可行的。     

崩落法深部开采岩移及地表塌陷规律分析研究

大红山铁矿为国内规模最大的地下开采矿山之一,其主采区无底柱分段崩落法结构参数为国内领先,大规模深部开采导致各采区之间应力较为复杂。针对大红山铁矿硐室爆破冒落上覆岩层后,崩落法深部开采引发的岩层移动及地表塌陷规律展开研究,总结地表塌陷区沉降及其裂缝的发展过程,系统分析了深部开采对地表沉降及开裂的影响,得出了岩移导致的陷落角。通过地表沉降及相关井下地压监测数据分析,得到了硐室爆破后,塌陷区地表及井下岩层趋于稳定的结论,表明崩落法上覆岩层冒落对于缓解深部开采高应力、保证足够覆盖岩层厚度、控制岩层移动具有重要作用。     

崩落法开采时复杂顶板的崩落过程分析

在分析崩落法开采中顶板围岩崩落的基本条件后,从岩体工程质量、初始地应环境、空区的形态与充填状态等方面分析了顶板崩落的影响因素.结合程潮铁矿顶板崩落过程的监测结果,分析了顶板岩体的崩落过程,得出了完整的顶板空区发展过程图.研究结果表明,软硬岩体交错分布,软弱不连续面的存在是引起顶板崩落呈间歇性、突发性地发展的原因.与层状顶板崩落过程类似,在组成复杂顶板的岩体中,存在稳定性好的关键结构体,顶板的崩落过程受关键结构体控制.     

崩落法开采岩移及塌陷规律相似材料模拟试验

基于平面相似原理,试验首次通过采用自主研制的可视化平面相似材料模拟平台,搭载先进的应力位移传感器及其采集设备,对崩落法开采上覆岩层移动及地表塌陷规律展开相似材料模拟研究,建立起大红山铁矿露天及井下崩落法开采平面相似模拟试验模型。通过试验,揭示出大红山铁矿井下崩落法开采上覆岩层冒落及其地表塌陷规律,首次发现由倒漏斗向正漏斗的敞开式塌陷,由应力传感器数据描绘出岩体内部应力转移规律,由位移传感器测定出本矿合理岩体移动角,该角度大于设计采用的岩体移动角,采用该岩体移动角重新划分二期可采矿体,通过模拟二期可采矿体,露天边坡未发生破坏,表明提高移动角具有可行性,对于指导矿山解放保安矿量具有重要意义。     

基于时滞非线性MGM模型的崩落法 开采冒落高度预测研究

崩落法开采引起的围岩冒落是一个复杂的过程,具有明显的时空属性。以夏甸金矿崩落法开采为工程背景首先基于时滞非线性MGM模型理论,建立了夏甸金矿崩落法开采围岩冒落高度预测模型,并确定了相关参数,计算结果显示,2015年崩落法开采结束后,围岩冒落带最高点为-241m,距离地表约364m。然后采用相似材料模拟的方法,对开采过程中围岩冒落演变过程进行了模拟,结果表明,围岩冒落呈现拱形上向冒落,随着覆盖层的不断增加流动,上盘断层大规模垮落后成为下分段矿体回采的覆盖层,反过来抑制了两侧围岩的冒落,冒落带最终形态呈现"头大尾小"的形态,冒落最高点为-246 m,最高点距地表372 m,与时滞非线性MGM模型计算结果基本相同,验证了该方法的可行性。本文为崩落法开采围岩冒落高度的预测提供了一种新的手段,对崩落法开采的围岩冒落规律研究及地表稳定性控制具有一定的理论和应用价值。