锡铁山铅锌矿采空区围岩稳定性突变理论分析

采空区失稳是生产矿山的重大安全隐患之一.应用突变理论对锡铁山铅锌矿采空区围岩、顶板失稳破坏进行了分析,并提出了预防采空区危害的措施.     

顶板-锚拉支架系统稳定性的突变理论分析

本文对裂纹顶板系统的稳定性运用突变理论分析，其失稳模式可归结为突变理论中的尖点突变模型，并由该模型的分叉集方程导得顶板大面积冒落的临界条件。对照分叉集方程的图形，从几何上分析系统参数变化对顶板稳定性的影响。形象地观察到顶板岩体的流变特性和裂纹顶板应力集中部位的局部破碎累积量是导致顶板冒落的主要因素。在文中图2所示锚拉支架的补强充分的条件下，由系统参数决定的控制点路径无法达到分叉集右分枝，顶板冒落的临界条件得不到满足，相应顶板处于稳定状态。     

顶板-锚拉支架系统稳定性的突变理论分析

对裂纹顶板系统的稳定性运用突变理论分析，其失稳模式可归结为突变理论中的尖点突变模型，并由该模型的分叉集方程导得顶板大面积冒落的临界条件。从几何上分析系统参数变化对顶板稳定性的影响，发现顶板岩体的流变特性和裂纹顶板应力集中部位的局部破碎累积量是导致顶板冒落的主要因素。锚拉支架的补强作用充分的条件下，由系统参数决定的控制点路径无法达到分叉集右分枝，顶板冒落的临界条件得不到满足，相应顶板处于稳定状态。     

基于突变理论的采空区顶板安全厚度多因素预测模型

确定采空区顶板安全厚度对保证矿山作业安全具有重要意义。本文采用有限差分软件FLAC3D,基于尖点突变理论和强度折减法研究西石门铁矿采空区顶板安全系数与其厚度的函数关系,建立了顶板安全厚度判断方法。在此基础上,通过单因素试验研究了采空区纵深、跨度、高度、顶板粘聚力与抗拉强度对采空区顶板安全厚度的影响,结果表明：纵深、跨度、顶板粘聚力、抗拉强度与顶板安全厚度之间分别呈现线性、非线性正相关、非线性负相关、非线性负相关的变化关系;高度对顶板安全厚度的影响非常小。并建立了综合考虑采空区纵深、跨度、顶板粘聚力与抗拉强度4种因素的采空区顶板安全厚度预测模型,为确定采空区顶板安全厚度提供了一种新的研究方法。模型预测结果与某硫铁矿瞬变电磁勘探结果相吻合,验证了预测模型方法的科学性和有效性。     

非线性强度准则下抗滑桩加固边坡稳定性极限分析研究

鉴于现有的极限平衡方法不能很好地反映非线性强度准则下抗滑桩加固边坡的作用原理,利用土压力理论提出简易的抗滑桩和边坡滑体的力学求解模型,结合力学平衡条件推导出抗滑桩的有效桩侧压力。采用瑞典法求得滑面应力计算公式,结合边坡安全稳定系数指标,提出了非线性强度准则下抗滑桩边坡加固的稳定性解决方案。工程案例验证结果表明,岩土体非线性时,需增加桩长,方能确定边坡的稳定性要求;布置于临近坡脚点位置有助于提高边坡稳定性,但需防止位于抗滑桩上方的边坡出现局部滑动体破坏情况。     

基于板壳理论的采空区顶板稳定性分析及应用

金厂河铅锌铜多金属矿主采区矿石资源消耗过快,D采区为主要补给矿块,铅锌品位低,充填掘进工程量多,充填难度大、成本高。针对金厂河铅锌矿D采区现存问题,运用弹性理论建立板壳结构力学分析模型,研究采空区顶板经历两次冒落而趋于稳定,计算分析不同方案下的采空区顶板的初始冒落高度分别为11～38 m、26～58 m、41～87 m,后续稳定冒落高度可达1.5～2.0倍采空区跨度。同时,依据采场参数和松散体特性,分析冒落67～100 m即可自然挤压冒落拱底板。为防治地表错裂塌陷,提出及时废石充填空区挤压临时矿柱,增强矿柱支撑能力和限制空区大范围冒落。以此设计空场法、留矿柱空场法和空场适时充填不同开采方案,通过空区顶板初始冒落高度、矿柱承载数值、回收矿量对比,推荐空场适时充填方案可保证D采区安全开采。     

基于尖点突变理论的大跨度巷道顶板稳定性分析

基于尖点突变理论并结合巷顶板组合梁力学模型,建立了大跨度巷道顶板系统的失稳判据。顶板失稳判据表明:巷顶板失稳的临界状态取决巷道宽度、巷顶板垂直应力及水平应力的组合。当顶板侧压大于5MPa时,随巷宽的增大,引起顶板失稳的顶压由大变小;当侧压小于5MPa时,不论巷宽如何,顶板在失稳时所能承受的顶压基本相同。对于跨度大于5m的巷道,随着侧压的增大,能引起顶板失稳的顶压先增大后减小。在顶压一定的情况下,大跨度巷道顶板在侧压较小或较大时都可能失稳。     

充填体荷载作用下采空区顶板稳定性研究

在金属矿山的回采过程中,充填体下采空区顶板结构普遍存在于利用充填体进行回采的矿山。确定合理厚度在矿山开采过程始末具有重要的安全意义和经济价值。本文合理简化顶板力学模型,运用突变理论分析方法,依据尖点突变模型失稳的充要条件,从而得出充填体荷载作用下采空区顶板厚度的计算式。结合矿山实例,对其合理性进行验证。研究表明:将尖点突变模型运用到顶板结构稳定性分析及顶板厚度设计中是合理可行的。     

坚硬顶板下煤柱岩爆的尖点突变理论分析

用尖点突变模型对坚硬顶板下煤柱岩爆非稳定机制的讨论，给出了岩爆发生准则，岩爆时的顶板突跳和能量释放量，讨论了影响岩爆的因素及影响程度。并以此为基础讨论了岩爆发生的前兆规律与过程，提出了可临测的前兆信息。这种既研究准则、又研究前兆与过程的方法，是防治岩爆的更为实际和有效的途径。     

某复杂采空区顶板稳定性数值分析

采用C-ALS空区探测技术,获得空区空间数据,同时,借助Surpac构建空区实体模型及块体模型。将模型质心导出,经Excle处理后,借助FLAC3D构建空区力学模型,进行计算。最后利用Surfer对计算结果进行处理,绘制出顶板沉降三维线框图,直观形象地反映顶板沉降后的形态,沉降变化规律,应力分布等。并结合位移、应力等值线图,对空区顶板进行稳定性分析,获得相关结论,即空区正上方沉降量最大,并形成碗状;无论水平方向还是垂直方向,距空区越远,则该点沉降量越小;顶板沿垂直方向,距空区越远,则该点所受应力越小;目前,该空区顶板整体上稳定性较好。     

基于突变理论的人工假顶设计与安全性分析

伽师铜矿矿体为急倾斜中厚破碎矿体,针对其开采难度大、安全性差的难题,提出了考虑膏体充填的人工假顶高效构筑方案,并且基于突变理论对人工假顶的稳定性进行了分析。该方案在伽师铜矿进行了人工假顶工业试验,人工假顶各项指标满足需求。通过人工假顶现场实施与应用,其稳定性得到验证,并且人工假顶在矿体回采中起到了很好的作用与效果。     

基于尖点突变模型巷道层状围岩失稳机制及判据研究

巷道顶部围岩受力系统是高度非线性的复杂大系统,尤其是层状围岩的突变失稳问题更是目前实际工程中的难点和科学研究的重点。在基于层状围岩稳定性地质力学模型和势能函数的基础上,建立了弯折失稳破坏的尖点突变模型,注重研究系统状态发生突变时外界的控制条件,主要阐述非线性系统从连续渐变状态走向系统性质的突变,并据此分析了层状围岩突变失稳破坏过程中的能量转化发生机理。基于定态曲面方程和分支曲线方程,推导得出系统失稳的充要力学条件,建立了符合实际的岩体破坏分析方法和失稳判据,揭示围岩的稳定性主要由外力(P,q),岩体的弹性模量(E),容重(γ_c),层间极限剪应力(p_t)以及几何形态(l,h)控制,并提出了防护建议。结合矿区巷道围岩实例,运用尖点突变失稳判据预测分析结果与实际情况相符合。     

Stability analysis for main roof of roadway driving along next goaf

Focusing on the stability of surrounding rock around the roadway driving along next goaf with a narrow coal pillar, a mechanics model of the triangle block structure of main roof above the roadway is established, and the sliding stability coefficient K1 and the rotation sta-bility coefficient K2 are proposed to describe the stability of the triangle block structure quanti-tatively. The structure can keep a self stability before and after the roadway excavation, at the stage of mining-induced effect, the stability of the structure is lowered, and the structure may become instability with decreasing the coal strength, increasing the mining height ofworking face and the mining depth.     

运用非线性Mohr-Coulomb破坏准则分析尾矿坝稳定性

为了获得尾矿坝上限安全系数,采用切线法将非线性Mohr-Coulomb破坏准则与极限分析上限法相结合,基于尾矿坝对数螺旋破坏模式,建立了基于极限分析上限定理的尾矿坝非线性安全系数上限分析模型。以某尾矿坝为工程背景,求解得到了不同非线性系数和抗拉强度下的安全系数。结果表明,尾矿坝的安全系数随着非线性系数和抗拉强度的增大,呈递减趋势。在满足尾矿坝设计安全的前提下,运用尾矿坝上限非线性安全系数数学模型,反演设计参数,根据反演结果可优化设计方案。     

尖点突变理论在顶板突水规律研究中的应用

以大佛寺煤矿工程为背景,运用关键层理论与尖点突变理论分析了采场顶板透水的发生机理,认为基岩关键层突发性破断失稳是顶板突水的诱因。通过建立基岩关键层破断力学模型,得到了表征断裂过程的势函数,定性解释了顶板突水机理,定量得到了基岩关键层极限跨距及顶板突水的充分必要条件。最后与固体相似模拟实验结果对比分析,说明应用突变理论分析顶板突水机理是可行的。     

基于上限理论的深部巷道顶板锚杆预紧力简化设计方法

以深部直墙半圆拱巷道为例,基于非线性Hoek-Brown强度准则,考虑顶板围岩应力与锚杆支护作用,构造出顶板围岩破裂机制,利用极限分析上限法,提出了巷道开挖初期顶板锚杆预紧力的简化设计方法,给出了相应工程建议措施,并通过现场应用实例验证了高强预紧力支护对顶板围岩的控制效果。研究结果表明:巷道开挖初期,锚杆支护构件只有施加足够预紧力,才可有效限制顶板围岩下沉破坏;随岩体强度参数增大,锚杆所需预紧力不断减小,而随锚杆布设间距与围岩应力增大,锚杆所需预紧力不断增加;在软弱或松散破碎围岩中,可通过采用高强、高韧性锚固支护构件并施加高预紧力或注浆加固等方式来获得较理想围岩控制效果。     

用电磁辐射法监测预报矿山采空区顶板稳定性

对坚硬煤岩层的电磁辐射特性进行了实验研究,对煤矿回采过程中煤岩体电磁辐射变化规律进行了监测分析,在此基础上提出了电磁辐射监测预报顶板稳定性的技术方法,并在煤矿进行了试验应用.研究结果表明：在矿山采掘过程中,伴随顶板活动会产生明显的电磁辐射信号,顶板垮落前电磁辐射有异常反映,表现为异常增大或呈现增长趋势,用电磁辐射法监测预报顶板垮落是可行的, 且具有快捷、方便、准确率高的优点.     

充填体荷载作用下金属矿山采空区顶板稳定性分析

针对如何提高研究区深部矿体采矿活动安全性的问题,通过理论计算方法和数值模拟计算法对采空区顶板的稳定性进行了分析。结果表明,厚跨比理论、载荷传递交汇线理论和结构力学梁理论求得的采空区顶板安全厚度基本一致,具有较好的线性变化关系,获得采空区顶板安全距离为10.0～18.0 m(采空区跨度为20 m);通过数值模拟极端后,确定了研究区顶板的临界破坏厚度为12.5 m,最终确定了采空区顶板的安全厚度为15 m。此时,采空区的水平方向最大的位移量可达28.2 mm,垂直方向上最大下沉量可达368 mm;采空区开挖后的最小主应力为-1.42 MPa,最大主应力为-6.7 MPa。