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。     

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。     

深部开采上覆岩层移动的现场监测分析

针对当前煤炭深部开采问题日益突出的现实，为了解深部开采上覆岩层移动规律，结合潘一矿开采实际，通过在13-1槽底板瓦斯抽排巷布置上、下钻孔，采用多点位移计对其上覆岩层移动进行了位移监测，分析了上覆岩层不同深度的位移、岩层弱化和破坏的范围，以及“三带”分布情况。结果表明，岩层沉降过程可分为3个阶段（初始期、活跃期和衰减期），岩层随开采进度的沉降曲线符合负指数函数关系；并根据沉降位移和离层情况给出了裂隙带与变形带分界线，推断岩层断裂与关键层的位置。研究结果为合理进行深部开采提供了依据。     

深部金属矿山崩落区沉降分析

金属矿山采用崩落法开采形成从开采阶段至地表的崩落区，崩落区岩体在地下开采扰动作用下累积 应变进而引起崩落区上方地表变形等问题，对矿山的安全生产构成极大威胁。以狮子山铜矿深部开采为背景，研 究深部金属矿山崩落区沉降对矿山的整体影响。利用 HyperMesh 软件构建狮子山矿崩落区数值模型，采用大型有 限元软件 LS-DYNA 计算崩落区围岩体在静力条件下形变及崩落区上方地表沉降。数值模拟结果表明，静力作用 下崩落区围岩体产生应力集中，应力集中程度随深度的增加而增加。根据地表沉降数值模拟结果，得到了狮子山 矿崩落区上方易于发生地表沉降位置并预测了沉降值范围。研究成果可为采用崩落法矿山预测崩落区围岩形变、 地表沉降及矿山安全生产提供参考。     

深部崩落法开采地表沉降特征数值模拟研究

随着矿山开采深度的增加,岩体所处的力学条件变得复杂,深部崩落法开采引起的地表沉陷规律不同于浅部。基于有限差分法和岩石力学理论,研究了崩落法开采过程中,上覆岩层的移动变形规律与应力场分布特征,研究结果可为深部矿体开采岩层移动角及地表沉陷范围的确定提供一定的借鉴。     

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。     

金属矿床开采地表破坏机理及防控方法

矿山的开采会使岩层发生连续的移动变形和非连续的开裂冒落,进而引起地表的下沉、塌陷等破坏。针对金属矿山开采时可能造成地表破坏的形式、成因及危害状况进行了分析,认为地表破坏的主要原因是地下开采时形成的采空区、开挖的巷道及其他地下工程所形成的地下硐室和空区,而矿区岩体中断层、节理等地质结构为岩体破坏提供了基础,爆破震动以及地下水的压力强化和发展了岩体的变形与破坏。在整理总结国内部分矿山企业控制和监测地表移动、沉降、塌陷的方法和工程实践基础上,从系统的角度提出了采空区处理、注浆减沉、塌陷区治理等综合减轻地面破坏的措施,指出地表塌陷破坏是复杂因素耦合作用的结果,需从工程类比、监控分析、数值计算等多方面进行预测预防。     

矿山岩层塌陷与控制

矿山大面积岩层移动与冒落是矿山的一大公害,因此,我国金属矿山应该认真地开展矿山岩层及地表移动观测工作,寻求金属矿山岩层移动规律,以此指导矿山生产,减少不必要的损失。本文总结了我国金属矿山岩层及地表移动的参数、塌落条件及其控制方法,供矿山设计与开发参考。     

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.     

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。     

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。     

崩落法引起的地表塌陷机制分析

以程潮铁矿西区为背景,分析崩落法开采引起的地表塌陷过程和特征,并结合现场监测数据,阐明顶板冒落导致地表塌陷的3个阶段,分析研究崩落开采采矿量与地表塌陷的定量关系。结果表明,程潮铁矿西区地表塌陷可分为初始冒落、渐进冒落和剪切冒落3个阶段,并且以渐进冒落为主。崩落法开采引起的岩体崩落能否到达地表导致塌陷,与开采深厚比和碎胀系数有关,当覆岩厚度与开采矿体的累计厚度之比小于临界值时,岩体移动会发展至地表,引起地表塌陷。     

凌宁矿上行开采可行性分析

上行开采的可行性主要取决于下矿层开采后,引起上覆岩层移动、变形和破坏是否破坏了上矿层整体性。根据下矿层开采后引起的上覆岩层冒落带、裂隙带及弯曲下沉带("三带")的赋存状态,如果上矿层位于冒落带范围之内,其整体性必然遭到严重破坏,在现有开采技术条件下不可能进行回采;如果上矿层位于裂隙带以上,虽然矿层受力生成裂隙,但仍能保持矿层的整体性,原则上是可采的。为了开采的可靠性和安全性,下层开采形成的冒落带顶部边界应与上层的底板具有一定的安全距离,防止"蹬碴"作业和采矿机械陷落等不安全生产状况发生。     

地下采矿引起地表塌陷离散元PFC2D数值模拟研究

采用离散元PFC^2D建立了地质剖面颗粒流模型，研究了矿体开采过程中上覆岩层裂缝形成与发展过程，揭示上覆岩层逐渐垮塌崩落的机理。结果表明，随着矿体的开采，裂隙不断向上发展，裂隙数增加。开采矿体后形成的采空区造成了上覆岩层的拉裂-剪裂破坏，岩层中不断有新生裂缝产生。上覆岩层主要以拉裂缝发展为主，在拉裂缝发展区域两端产生部分剪破坏裂缝，在空区两端已经出现向上发展的裂缝集聚，是空区顶板逐渐垮塌崩落的征兆。开采第3分层和第4分层矿体后，出现了局部顶板垮塌现象，且垮塌崩落逐渐发展为整个采空区顶板垮塌，最终垮塌崩落至地表，在地表初步形成一个小塌陷坑。塌陷坑发展过程依据裂隙数可细分为平稳发展时期、缓慢发展时期、快速发展时期和结束发展时期，揭示了井下矿体开采致使上覆岩层拉裂-空区两端剪裂-整体垮塌崩落的形成机理。     

大红山铁矿工程地质灾害综合防治措施研究

大红山铁矿是一座特大型的露天地下联合开采矿山。针对崩落法开采厚大缓倾斜深部矿体导致的上覆岩层与地表地质灾害,提出并实施了一整套相应的综合防治措施,包括上覆岩层微震监测系统、沉降变形实时自动监测报警系统,地表变形监测系统,以及主采区顶板硐室爆破强制落顶、地表塌陷范围警戒和塌陷坑回填治理措施等。通过综合防治,有效避免和消除了上覆岩层的工程与地表地质灾害,取得了安全生产的良好效果。     

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。     

大浞河铁矿矿体上覆岩层移动破坏分析

金属矿山崩落法地下开采导致顶板岩层移动破坏甚至地表塌陷等,进行上覆岩层分析对指导地表塌陷预防及治理有着实际意义。建立上覆岩层移动模型和关键层受力破坏模型,应用＂上三带＂理论和关键层强度理论对其分析,发现在1#勘探线以南具有较好的稳固性,以北稳固性差,从而划分出地表塌陷区域危险等级。     

某金属矿山充填法开采下覆岩塌陷失稳机理研究

矿山充填法开采过程中,采空区充填体与围岩、地表之间存在复杂的力学关系,在某些条件下,充填体无法承载上覆岩体,仍存在塌陷失稳的可能.以某金属矿山充填法开采下的覆岩塌陷失稳事故为研究背景,首先利用地表GPS岩移监测数据定量分析了事故发生前后的地表变形情况,总结充填体上覆岩体塌陷失稳特征及成因.然后引用断层活化及悬臂梁理论,分析充填法开采下的覆岩塌陷失稳机理.最后,利用数值模拟软件构建模型模拟分析,得到充填采矿法下覆岩位移场及应力场变化规律,验证了该金属矿山充填法开采覆岩塌陷失稳机理的合理性.     

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。     

特厚煤层重复开采覆岩与地表移动变形规律研究

为研究大同矿区特厚煤层重复开采覆岩与地表沉陷问题，以塔山煤矿8103和8104工作面的地质采矿条件为工程背景，沿倾向主断面建立了二维相似材料模型。反演分析了仅开采上覆侏罗系煤层时覆岩沉陷规律、两煤层重复开采时覆岩沉陷规律、离层发育规律、煤柱群垮塌规律以及地表塌陷规律，揭示了该地质采矿条件下覆岩与地表沉陷机理。研究结果表明：采用刀柱式采煤法开采侏罗系煤层，上覆岩层未发生显著的破坏和变形；在特厚煤层重复采动影响下，覆岩以一定的角度向上垮落和裂隙发育，当侏罗系煤层采空区受到下组煤开采扰动时，采空区中煤柱群受扰损伤，支撑能力降低，导致其上覆岩层沉陷加剧，在弯曲下沉带上方形成新的导水裂缝带，覆岩沉陷呈现“四带”发育特征。结合实测数据，分析了工作面沿倾向方向地表移动变形规律，基于Origin 8.0平台和概率积分法进行了二次开发，对倾向观测线上山方向实测下沉数据进行了拟合求参，获取了部分概率积分预测参数。研究结果可对大同矿区开采沉陷治理工程提供参考。