桦树沟矿区倾角缓化矿体回采方案优选

针对桦树沟矿区急倾斜厚大矿体倾角变缓后上盘三角区域矿体回采出矿效率低的问题,提出沿矿岩边界布置分段沿脉平巷方案,进行改善三角区域矿体崩落和放出条件的方案优选研究。根据专家现场经验和试验研究结果,确定了影响方案适应性的12个主要因素,分别为中深孔施工精度、中深孔施工适应性、对矿体条件适应性、生产效率、通风效果、放矿控制难度、井巷工程量、中深孔工程量、掘进工期、凿岩工期、掘进成本、凿岩成本。采用层次分析法,引入专家判别法确定影响因素的权重集。选用模糊综合评判法,对拟定的4个方案进行比选,确定沿矿岩边界布置分段沿脉平巷为较好的回采方案,实际平均回采率为85.83%。     

宜昌晒旗河磷矿条带充填法采场结构及回采顺序研究

复杂地形条件下矿体安全高效开采研究对于释放矿山资源产能有着重要意义。为解决目前房柱法开采对地表扰动程度大且矿柱难以回收等问题，基于条带充填开采技术，从采场结构及回采顺序两个方面对宜昌晒旗河磷矿展开了适应性研究，以期在提高矿石回收率的同时减少地表扰动。首先依据晒旗河高山河谷地形下地应力特征，在盘区内划分了高低应力采区，构建了分区采场结构，并引入极限强度理论得到条带矿柱的合理宽度；然后设计了高应力采区“隔一”、低应力采区“隔一采一”的条带回采顺序，运用FLAC3D数值软件优选出高、低应力采区间的回采顺序，研究矿体在开挖过程中围岩应力变化特征及地表变形特征。结果表明：①从低应力采区向高应力采区的回采顺序优势明显，可缓解高低应力采区的应力不均匀程度；②在整个回采及充填过程中，采场围岩较稳定，矿柱所受的垂直压应力均小于抗压强度；③高山河谷地形下地表沉降曲线演化特征为“U→V→U→W”，地表沉降得到了有效控制；④所设计的条带充填法与传统房柱法开采相比，矿石开采效率得到了大幅提升，可为晒旗河磷矿及类似高山河谷地形下矿床开采提供技术指导。     

基于响应面法的页岩相似材料配比试验研究

为高效选取页岩相似材料配比,使用水泥和石膏为胶结材料,河砂和重晶石粉为骨料配制页岩相似材料,采用响应面法进行试验设计及数据分析,以砂胶比(骨料质量/胶结材料质量)、水泥含量(水泥质量/胶结材料质量)、重晶石含量(重晶石粉质量/骨料质量)3个因素作为控制因素,以密度、单轴抗压强度和弹性模量作为目标响应,分别建立了相似材料密度、单轴抗压强度、弹性模量与各配比因素间的多元非线性回归模型。对因素进行了方差分析和响应面分析,研究表明,砂胶比、水泥含量、重晶石含量对相似材料密度、单轴抗压强度、弹性模量均有显著影响,且砂胶比和水泥含量对密度、单轴抗压强度、弹性模量有显著的交互影响,砂胶比和重晶石含量对密度有显著的交互影响,水泥含量和重晶石含量对单轴抗压强度、弹性模量有显著的交互影响。确定了用于页岩相似材料配比的经验方程,并进行了试验验证。研究证明,响应面法在相似材料配比试验应用中具有较好的适用性和有效性。     

基于能量法的露天开采下采空区顶板安全厚度研究

为了确定露天开采下采空区顶板安全厚度,基于力学理论,分析了露天开采下采空区顶板受力特性,建立其固支梁力学结构模型。根据能量守恒原理,推导了由顶板弯曲应变能、水平荷载做功和垂直均布荷载做功组成的采空区顶板结构总能量方程,获得了采空区顶板势能函数解析式。采用突变理论,建立了采空区顶板系统的尖点突变模型,获得了采空区顶板失稳判别式,推导出采空区顶板安全厚度计算模型。对某露天矿采空区顶板厚度进行了应用案例分析,理论计算出的最终采空区顶板临界厚度为11.34 m,与现场安全预警经验值12 m基本一致。表明所建立的采空区顶板安全厚度计算模型合理可行,可为露天开采下采空区顶板安全厚度设计提供一定的理论依据和工程指导。     

Mohr-Coulomb准则下倾斜矿柱稳定性的安全系数法

地下矿床开采中,矿柱的稳定是矿床安全高效开采的基础,是采场作业人员的安全保障。以弹性力学理论为基础,分析正应力和剪应力共同作用下倾斜矿柱的受力状态,应用图解法绘制出表征矿柱应力状态的应力圆。根据应力圆与Mohr-Coulomb强度包络线之间的关系,建立了考虑矿体倾角及矿柱受正、剪应力共同作用下矿柱的安全系数解析式。应用该安全系数解析式能很好评价任意倾角矿柱的稳定性,并分析了水平矿体时,以安全系数评价的矿柱稳定性与实际矿柱稳定状态吻合。最后分析了应力圆圆心所在直线斜率tanβ、矿体倾角θ等因素对倾斜矿柱稳定性的影响。研究表明:应力圆圆心所在直线斜率tanβ是矿体倾角θ及侧压系数λ的二元函数,对每个侧压系数λ,tanβ均能取得一次最大值,且侧压系数λ值不同,tanβ取得最大值亦不同;当侧压系数λ∈[0,1]时,tanβ取得最大值时对应的矿体倾角θ∈[45°,90°];当tanβ取得最大值时,矿柱的安全系数最小,矿柱最容易失稳;随矿体倾角的增大,矿体安全系数呈现先减小后增大的变化趋势。     

接触带巷道围岩剪应力分布的接触角效应

接触带巷道围岩剪应力大小及其分布特征是影响巷道安全稳定的关键因素之一,揭示不同接触角的巷道围岩剪应力变化规律是接触带巷道稳定性研究的重要内容。利用三维光弹应力冻结试验,根据光弹材料性质,采用3 000kN的荷载对光弹模型加载,定量表征15°、30°、45°、60°和75°接触角的巷道围岩的剪应力分布状况。以铁矿和石灰岩接触带为工程背景,进行试验研究,结果表明,接触角越大剪应力集中位置越靠近顶底板中央;当接触角在15°～75°范围内变化时,随着接触角的增大巷道顶底部的剪应力总体变化趋势是先减小后增大,在接触角为30°时取到最小值。研究得到的不同接触角巷道围岩应力分布规律对接触带巷道的稳定性控制具有指导意义。     

基于突变理论的崩落法转充填法隔离矿柱安全厚度计算

崩落法转充填法开采过程中,合理确定隔离矿柱厚度对保证过渡采场安全回采具有重要意义。通过构建隔离矿柱力学模型,分析隔离矿柱破坏特征,建立了隔离矿柱的系统总势能关系式;基于突变理论,推导出隔离矿柱失稳的尖点突变模型;根据尖点突变模型失稳的充分条件和必要条件,建立了隔离矿柱安全厚度的计算模型。将此计算模型应用于研究鄂东某铁矿无底柱分段崩落法转充填法隔离矿柱厚度,理论计算的隔离矿柱厚度取值范围为15.49～19.36m。在数值模拟验证和工程试验生产中,取隔离矿柱厚度为17.50m时,隔离矿柱处于稳定状态。理论分析和验证结果表明,突变理论可解释隔离矿柱失稳的非线性动力学特征,隔离矿柱安全厚度计算模型可为工程设计提供一定的理论依据和工程指导。     

基于正态白化权函数的灰评估岩爆预测模型

准确预测岩爆等级是保证地下工程安全的重要内容之一。统计国内外400多起典型岩爆案例,选取岩石单轴抗压强度与抗拉强度比σc/σt、切向应力与岩石单轴抗压强度比σ/σc、弹性变形能指数WET和岩石完整性系数Kv等4个岩爆评价指标数据进行分析,得出同一等级岩爆的指标值呈现正态分布,并依据岩爆烈度分级标准,提出了一种正态白化权函数代替传统三角白化权函数;分别运用专家调查法与熵权法得到岩爆评价指标的主、客观权重,并引入基于理想点的组合赋权法,将组合得到的综合权重与正态白化权函数结合构成岩爆预测的灰评估模型;选取国内外20组典型岩爆工程实例对模型进行检验,结果表明:建立的正态白化权函数灰色评估模型与传统的三角白化权函数灰色聚类法、未确知测度法相比,其判别结果与实际情况更加吻合,预测精度更高;将模型应用于宜昌苏家坡磷矿的实际工程中,预测结果与实际相同。因此,研究方法既为灰色聚类法理论提供了新的思路,又为岩爆准确预测提供了一条可行的方法。     

缓倾斜薄——中厚矿床浅孔落矿对围岩爆破损伤的数值模拟研究

浅孔落矿爆破损伤直接影响到回采的损失贫化率和采场安全。采用ANSYS/LS-DYNA三维非线性动力有限元软件,研究矿山回采浅孔爆破落矿时炮眼沿矿体走向和垂直矿体走向布置的2种爆破方案。模拟研究浅孔落矿不同时刻围岩的有效应力云图和矿柱、顶板不同位置监测点的有效应力时程曲线,并引入爆破荷载下岩石Von Mises屈服准则,分析了顶板、矿柱的损伤范围和破坏范围。研究结果表明:在控制装药量和炮孔数量一定的情况下,当炮孔沿矿体走向方向布置时,爆炸动荷载对矿柱的损伤范围在距离矿房侧帮5 m,爆炸动荷载对矿柱的破坏范围在距离矿房侧帮2~3 m。当炮孔垂直矿体走向方向布置时,爆炸动荷载对矿柱的损伤范围在距离矿房侧帮4~5 m,爆炸动荷载不会对矿柱产生破坏作用;两种爆破方式对顶板的损伤范围在1~1.5 m,对顶板不会产生破坏作用。爆破数值模拟能在时间和空间上反映爆炸应力特征,为寻求最优的爆破施工方案提供了可靠的依据。     

大直径深孔阶段空场嗣后充填法隔离矿柱合理间距研究

基于安徽某铜矿大直径深孔阶段空场嗣后充填法开采技术条件,根据矿柱安全系数公式计算出隔离矿柱合理宽度为20 m左右,运用材料力学简支梁平衡理论分析计算了隔离矿柱合理间距为60～65 m。以理论计算值为依据 ,数值模拟中采用3种方案分析不同隔离矿柱间距参数下矿岩的应力和位移变化规律。研究结果表明:当隔离矿柱宽度为20 m时,矿体开挖后在采场顶底板表现为拉应力状态,在隔离矿柱处表现为压应力状态,且应力和位移随着隔离矿柱间距的增大而增大,尤其是当隔离矿柱间距为70 m时,采场应力和位移明显增大,矿柱剪切破坏的程度加大,且顶板安全率小于1,因此间距为65 m时是较为合理的,计算结果符合矿山实际。