高地应力破碎围岩巷道变形破坏特征及支护方式研究

巷道支护一直是阻碍矿山安全、高效开采的难题,特别是在深部高地应力区,如何通过合适的支护手段控制巷道的变形,已成为国内外学者们特别关注的工程问题。针对金川二矿区高地应力破碎围岩这一特殊的地质条件,采用现场调查与数值模拟计算相结合的方法,对研究区巷道变形破坏特征和8种不同支护方式效果进行了研究。结果表明:(1)研究区巷道的变形破坏模式可划分为6种,分别为偏压变形、顶板下沉、顶板开裂、底鼓、边墙开裂和片帮,其中片帮是最常见的一种破坏模式;(2)研究区巷道的变形破坏具有3个特征,分别为最大主应力主导性、大变形和显著的时间效应;(3)在支护方式中增加U钢支架、补充底部支护、增大锚杆长度及减小锚杆间排距几种方法均能不同程度地改善支护效果。其中,增加U钢支架和底部喷锚网支护效果最显著,可以减小约70%的巷道变形量和塑性区;增大锚杆长度能更好地控制巷道的变形和整体稳定性,但优化效果不显著;减小锚杆间排距有利于巷道各部位变形和塑性区的控制,密集的锚杆布置能够有效改善围岩的完整性,且降低锚杆排距的支护效果更好。该项研究成果为金川矿区以及具有相似地质条件的地下工程支护问题提供了借鉴。     

金川矿区深部巷道支护效果评价及参数优化研究

巷道支护问题一直是矿业工程中的难题,特别是在深部软岩巷道中,能否提供持久、有效的支护直接影响着矿山的安全生产和可持续发展。“双层网锚喷+U型钢拱架”联合支护是目前金川矿区在深部巷道支护中较常用的支护方案,为了解该方案的支护效果,在二矿区814 m分斜坡道上设立试验段,采用现场监测与数值模拟计算相结合的方法,对该试验段巷道的支护效果进行评价,并针对支护的薄弱部分提出改进措施。研究结果表明：（1）在当前支护条件下,巷道顶板和两帮围岩得到了较好的控制,但底鼓问题严重,最大位移可达110 cm;（2）针对当前支护方案的薄弱环节,提出增加锚杆长度、提高锚杆强度和增加底板支护等补强措施;（3）设计了一组参数优化方案,并对其支护效果进行了数值模拟分析,认为该优化支护方案能够有效地控制巷道围岩变形,并弥补原支护方案的缺陷。     

高分段大间距结构合理崩矿步距研究

根据大红山铁矿高分段大间距无底柱分段崩落采矿法的结构参数,结合物理模拟实验和现场工业实验,研究了放出椭球体的排列规律,以回贫差作为目标函数建立数学模型,并运用matlab求解出最优崩矿步距。工业试验表明,所求最优崩矿步距与实际情况非常接近,说明用这种方法确定的最优崩矿步距是可靠的,对生产实际具有指导作用。     

金川矿山巷道支护工艺优化试验研究

对矿山巷道支护工艺优化试验进行了分析研究,从稳定性、锚固剂在支护体各时间段强度、施工进度及成本方面进行对比,指出了进行双层喷锚网改单层喷锚网的工艺优化后,由于采取加密树脂锚杆的支护形式,能够简化施工工序、使得巷道施工组织更加合理;能够抑制围岩的变形,从而提高整个矿山的建设速度.     

金川二矿区1#矿体上盘贫矿开采对14行回风井的稳定性影响研究

为探究矿体开采过程对竖井井筒稳定性的影响,选取金川二矿区1#矿体上盘贫矿为研究对象,在分析影响井筒围岩稳定性的主要影响因素和变形破坏机理的基础上,建立金川二矿区1#矿体有限元数值模型,采用数值模拟方法对1#矿体上盘贫矿的实际采充过程进行计算,得到了上盘贫矿开采过程中14行回风井井筒在水平、竖直方向位移和应力分布的情况,根据数值模拟结果推测出井筒最容易发生变形破坏的关键位置,并通过与现场地表监测数据对比分析,验证了数值模拟计算结果的可靠性。此研究可为地下矿山在开采扰动范围内竖井井筒稳定性的判定及返修支护提供有益探索。     

深部高应力复杂环境特大型水平矿柱开采方案优化研究

针对金川二矿区1000m中段厚60m的特大型水平矿柱开采面临的矿岩稳固性差,地压显现剧烈,上、下充填体贯通等不利条件,初选出两种连续回采方案,即:方案一,1000m与850m双中段单"V"型开采;方案二,1000 m双"V"型与850m单"V"型开采。利用有限差分软件FLAC~(3D)对初选的两种方案进行数值模拟,从连续回采过程中矿岩和充填体稳定性两方面对两种方案进行了对比分析。综合分析结果表明,方案二对水平矿柱的开采扰动相对较小,矿柱的整体稳定性较好。     

深部岩体大变形规律:金川二矿巷道变形与破坏现场综合观测研究

针对深部高应力下硐室和巷道时效大变形问题,重点开展了金川二矿深部巷道大变形破坏调查、多手段原位综合观察、大变形灾害安全管理标准等方面研究工作。首先针对不同围岩支护类型下大变形巷道破坏问题,从破坏表现形式的角度总结提炼了金川二矿巷道10种典型变形破坏模式并阐明其形成机制;进而依托1 150 m水平大巷的大变形试验研究段,采用巷道表面的三维激光扫描测量、岩体内部开裂的钻孔摄像观测、围岩不同深度变形的位移计自动量测相结合的方式,揭示了深部巷道表面变形的空间非对称性、围岩内部浅层与深层变形的非均匀性、时效变形增长的跳跃递进性等不同于浅部岩体变形特点和破坏方式的新特征,表明了金川二矿碎裂围岩时效大变形本质是高应力下巷道开挖诱发表层围岩开裂,并在重分布应力驱动下围岩开裂深度逐步向深部转移进而导致巷道围岩自身承载性能逐步劣化的机制,从而表现出持续的时效大变形;最后提出基于功能失效和结构失稳原则的深部巷道大变形安全管理标准,并在现场反馈分析与应用实践基础上总结出了控制二矿深部巷道变形灾害的"双层喷锚网+锚注"和"喷锚网注+单筋砼"复合支护技术,充分利用喷网混凝土的表面柔性支撑与围压效应、锚杆对围岩内部的抑制开裂效应、水泥浆的充填并粘合开裂缝效应、钢筋混凝土的强刚性抗压和恢复围压效应等组合功能,从而形成一种"由表及里、表里结合"改善围岩受力状态、重构围岩承载圈的支护理念。     

U钢管混凝土支架支护技术在金川矿山的应用

为解决金川矿区深部软岩巷道支护问题,引入了钢管混凝土支架支护技术。以金川二矿区1 000 m试验巷道为原型,在充分分析巷道工程地质条件及原支护条件下围岩的变形特征后,设计安装了现场监测设备,并利用FLAC3D数值模拟软件对比分析了3种支护条件下的巷道围岩变形情况。研究结果表明：（1）无支护条件下开挖巷道,巷道围岩最大变形量可达400 mm,围岩的顶底和两帮位移较大,巷道围岩塑性区分布范围为一个长轴半径为15 m、短轴半径为9 m的椭圆;（2）“锚网喷+U型钢拱架”联合支护条件下,巷道围岩最大位移量约为35 mm,较大位移出现在两帮处,顶、底位移受到较好的控制,巷道围岩塑性区分布较无支护条件下小很多;（3）“锚网喷+钢管混凝土支架”联合支护条件下,巷道围岩最大位移量为28.5 mm,相比于U型钢支护条件下减小约20%,围岩发生位移和塑性变形的范围也相对减小,巷道围岩更稳定;（4）通过对比数值模拟计算与现场监测结果可知,2种方法所得结果变化趋势相似,皆表现为钢管混凝土支架顶拱处的变形较稳定,数值上较两帮小,左、右两帮变形值较大,说明在1 000 m巷道所处地质条件下,钢管混凝土支架能有效地控制巷道位移,减小塑性区,但两帮处变形相对严重,应给予重点关注。     

金川矿山巷道支护工艺优化试验研究

随着金川集团公司矿石需求总量的不断增加,金川矿山建设也开始全面提速,矿山工程建设面临工程量大、工期要求紧迫等问题,工程进度将成为矿山工程施工的最突出问题。文章对矿山巷道支护工艺优化试验进行分析研究,从稳定性、锚固剂在支护体各时间段强度、施工进度及成本方面进行对比,指出了进行双层喷锚网改单层喷锚网的工艺优化后,由于采取加密树脂锚杆的支护形式,能够简化施工工序、使得巷道施工组织更加的合理;能够抑制围岩的变形、有效的对围岩进行支护,从而提高了整个矿山的建设速度。     

二矿区充填系统扩能改造技术研究

按照金川集团公司“十一·五”发展规划及到2020年中长期发展规划,要满足二矿区未来的发展需求,二矿区充填系统必须满足井下5809m^3／d的采空区充填需求。但目前二矿区充填系统只能满足4000m^3／d的充填能力。文章分析了二矿区充填系统存在的问题,提出了切实可行的扩能技术改造方案。