岩石力学数值模拟方法用于采矿工程的技术经济探讨与教学实践

结合采矿工程特点以及岩石力学数值模拟方法的发展现状,分别从技术、经济与人才培养三个方面对数值模拟方法在采矿工程中的应用问题展开探讨。采矿工程在力学背景、工程稳定性要求及价值目标等方面均有别于其他岩石工程,这对其选择何种方法解决生产过程中遇到的岩石力学问题有显著影响,突出表现为成本的敏感性。由于模型误差、参数选择误差和监测数据反演误差等系统性误差的客观存在性,这导致数值模拟方法在预测岩石力学问题的精确度(可靠性)方面存在着发展的"上限"。而采矿工程中的岩石力学问题对计算及预测精确度的需求存在"下限",因此,只要保证数值模拟方法预测的精确度"上限"达到采矿工程需要的"下限"即是其成功的应用。岩石力学数值模拟方法预测的精确度与成本投入之间存在一定的正相关关系,机会成本及决策风险控制因素对矿山企业应用岩石力学数值模拟方法的效果有重要影响。此外,高等院校在采矿工程人才培养方面加强岩石力学教育,为矿山企业输送具有较高岩石力学素质的采矿工程师,将是引领矿业技术进步的重要组成部分。     

岩石力学在采矿工程中的研究现状和趋势

从力学分支和学科联合的角度介绍了岩石力学在采矿工程中应用情况,并针对目前采矿工程中各个具体研究领域中涉及到的岩石力学理论和手段做了分析,最后指出了岩石力学在采矿工程应用中的发展趋势。     

嵩县黄金矿山的岩石力学问题研究

随着嵩县黄金矿山开采深度的加深 ,开采过程中的岩石力学问题越来越突出 ,严重制约了黄金矿山的发展。黄金矿山应重视和加强岩石力学问题研究 ,本文就嵩县黄金矿山几个突出的岩石力学问题进行分析 ,并提出一些综合治理的控制措施。     

裂隙水压力作用下锚杆加固岩石边坡稳定性分析

裂隙中的渗流是岩石边坡失稳的重要因素之一。渗流对岩石裂隙存在静水压力和动水力,特别是暴雨会引起裂隙中的渗流压力迅速增大,造成滑坡等地质灾害。锚杆作为岩土工程的重要支护手段,被广泛应用于岩土加固工程中。基于岩土塑性极限平衡理论,从塑性功角度首先探讨了岩土边坡能量安全系数的取值,进而对岩体裂隙中存在静水压力和动水力情况下,锚杆加固岩体边坡的稳定性进行了研究,建立了相应的计算方法和公式。结合工程算例,重点分析了渗透压力作用对岩体边坡稳定性的影响以及锚杆的加固作用。分析表明,渗透压力对岩体边坡稳定性的影响是不可忽略的。     

深井开采岩体破坏机理吸工程控制方法综述

深井开采在我国今后矿山开采中所占的比例将逐步加大,其岩石力学和地压活动规律的研究对深井矿山的建设具有重要意义。本文简要介绍了深井井岩石力学与地压显现的特点,以及国内外在深井开采岩体破坏机理和工程控制方法方面的主要研究成果。     

建筑荷载作用下采空区顶板岩梁稳定性分析

为了给煤矿塌陷区土地的治理利用提供理论依据,对建筑荷载作用下采空区顶板岩梁的稳定性进行了分析研究。采空区顶板岩梁突变失稳过程是比较典型的偏离平衡态的非线性过程,将浅部开采老采空断裂的顶板岩梁概化为三铰拱式力学结构模型。通过力学分析,建立了顶板岩梁力学系统的总势能方程,利用突变理论,构建了采空区顶板岩梁失稳的尖点突变模型,获得了采空区顶板岩梁突变失稳的条件,并通过工程算例进行了分析和验证。研究结果表明,煤矿塌陷区地基的稳定性不仅与采动岩体受地面建筑荷载的影响程度有关,也与老采空区顶板岩层的稳定性有关。采空区顶板岩梁在地表建筑荷载扰动下,若满足稳定的条件,则顶板岩梁回转后仍然处于稳定平衡状态。否则,采空区顶板岩梁将发生突变失稳。     

安庆铜矿岩体稳定性的工程地质研究

矿床开采时岩体的自然平衡状态被破坏，形式和程度各异的工程地质问题会随之发生，影响矿山的安全生产，为查明安庆铜矿采区的工程地质条件，评价其岩体稳定性，在收集和事理原有资料的基础上，对１＾＃矿体回采区段的岩体工程地质条件进行了详细的调查。并应用有关力学理论和方法划分了工程地质岩组和岩体结构的类型，对岩体的稳定性进行了质量评估，系统地论证了采区的岩体工程地质条件。     

深部矿井开采问题与发展前景研究

通过分析深部矿井开采所面临的主要困难,指出深部岩体在高地应力、高地温、高岩溶水压的条件下,导致围岩的力学性质与浅部有很大的区别。提出了现在深井开采中所需解决的几个问题。如何正确认识由于开采深度增加所带来的问题,是解决实际问题的关键。     

基于虚拟现实技术的岩石力学数值计算与三维可视化

随着计算机技术的不断发展,虚拟现实技术与岩石力学数值模拟在采矿工程中均得到了广泛应用。一方面,作为一个综合展示平台,虚拟现实系统可以将矿山的生产进度、采矿方法、人员设备等信息综合集成处理并进行实时显示,但其缺乏围岩的应力场、位移场等安全性相关的数据资料;另一方面,岩石力学数值模拟方法虽然可以计算获得围岩的安全性信息,但是其后处理的显示功能偏弱。因此,虚拟现实技术与岩石力学数值模拟方法在功能与效果上各具优势、互补性强。以新城金矿为例,综合运用2种技术手段,并最终达到优势互补的效果。研究内容对有条件应用虚拟现实技术与岩石力学数值模拟技术的矿山有重要的借鉴意义。     

Analysis on damage and rheological characteristics of deep surrounding rock of shaft engineering

According to the characteristics of deep engineering surrounding rock main shaft of No.3 mining district in Jinchuan, electron microscope scanning and rock mechanics test were adopted to analyze the damage features of rock. The software of FLAC^3D and Burgers body (Kelvin-Maxwell model) were used to research on rheological theory, and rheological model was modified. The results indicate that the damage of rock mass is very serious, and the rheological characteristics also outstanding; rheological behavior of deep surrounding rocks of the shaft can be taken as superposition of transient and stable rheology; and there exist the most dangerous zone on 100 m higher than 1 063 m level, so it is necessity that works of monitor and corresponding reinforcement should strengthen.     

新城金矿滕家矿区深部巷道围岩破坏与数值分析

针对新城金矿滕家矿区深部巷道围岩进行现场工程地质调查、岩石力学实验，分别应用RMR、Q和GSI方法对巷道围岩进行岩体质量分级，确定其围岩体质量等级为III级，岩体质量差~一般。以岩体质量分级为基础，应用Hoek-brown准则和经验公式估算岩体力学参数。应用弹塑性力学解析巷道围岩塑性区破坏范围，并以此为基础应用Phase2对巷道围岩稳定性进行分析。结果表明：巷道顶板塑性破坏范围为0.598 m，两帮塑性破坏范围分别为0.84 m和0.695 m；巷道顶板位移为7.2 mm，两帮位移分别为7.6 mm和6.8 mm；从巷道围岩应力分析可以看出，深部巷道开挖产生的应力集中超过岩体强度，由此判断深部巷道围岩破坏主要是开挖扰动应力作用在节理化岩体上致使巷道围岩失稳破坏，本研究结果对该矿深部巷道围岩支护提供依据。     

采动过程中底板岩层变形破坏与损伤机理分析

底板岩层在采动过程中的变形破坏取决于底板的应力场和原生缺陷分布。为了研究底板岩层破坏的细观机理,描述底板岩层的裂隙演化,在分析煤层底板应力环境的基础上,基于岩石工程破坏准则,采用连续介质损伤力学和几何损伤理论的研究方法将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)破坏准则,建立了煤层底板脆性裂隙岩体介质在孔隙水压力作用下受采动影响的脆性动力损伤发展和孔隙率演变模型。并应用该模型对谢桥矿8#煤层开采过程中的底板变形破坏特征和裂隙水的迁移活动规律进行了脆性动力损伤分析。该损伤力学模型可用于煤层底板稳定性分析。     

潘谢矿区采动岩体裂隙发育高度的研究

在分析淮南潘谢矿区覆岩工程地质岩组特征的基础上，建立了采动岩体力学计算模型，分析了巨厚松散强含水层下煤层在不同采高条件下采动岩体裂隙的演化规律，得出在不同采厚时采动裂隙发育高度最大74m．利用最小二乘法原理对采动岩体裂隙发育高度的实测数据进行拟合计算，得出潘谢矿区垮落带、导水断裂带高度的理论计算式．     

露天转地下开采诱发高边坡滑移机制研究

露天转地下开采过程中边坡稳定问题是矿山安全生产的关键技术和核心难题之一。以工程实例为基础,应用离散元数值模拟,选取合适的力学参数,运用3DEC、Matlab等软件系统,分析了地下开采对高大边坡稳定性的影响机制、滑移特点和后续变形发展趋势。研究结果表明：受露天与地下开采两者的复合采动作用的影响,滑移变形产生了叠加作用,地表的下沉曲线形成多个大小不同的下沉盆地,导致不同区域边坡岩体变形破坏程度也不同。根据数值模拟结果可知：地下采区的不同开采阶段诱发的移动角大小不同,开采厚度不同,上覆岩体的破坏程度也不同。所以,露天转地下开采中,边坡稳定性主要受到采空区处理方式和开采厚度等多重因素的影响;在边坡稳定性评价时,需要结合具体开采情况进行分析和评价。     

基于强度折减法的大型露天矿东端帮稳定性分析

拟建大型露天镍钴矿区,东西长1 670m,采深一般在300m以上,最高边坡高度超过600m。根据边坡不同位置的边坡高度、工程地质岩组分布特征、各岩组岩石质量等级、边坡面倾向与各岩体优势结构面的关系、边坡岩体完整程度等多项指标将边坡分为五个区。为研究该大型露天矿高陡边坡稳定性与开挖坡角及地下水位的关系,本文在考虑地下水位以上的岩土体饱和度变化的前提下,结合夏日哈木镍钴矿区高陡边坡实际工况,通过有限元软件ABAQUS和抗剪强度折减法模拟计算得到不同开采坡角的边坡稳定系数与地下水位的关系,从而确定出同一水位下的最小开采坡角,以及不同开采坡角下的最高地下水位。最终对本研究结果的分析得到开采坡角及地下水位对高陡边坡稳定性的重要性,并对该露天矿东端帮开挖提出了一系列建议,该研究对该露天矿的其他区域以及周围相似工程的开挖具有重要的借鉴意义。     

Image based modeling of rock fragmentation

In the mineral extraction industry, comminution modeling is not only interested in maximum rock strength, but also, or much more, in the energy required to induce rock fracture and, most significantly, into the effect of energy application on the produced rock fragments size distribution. An additional aspect of rock breakage, specific to the mineral extraction industry, is the modeling of liberation of particular mineral grains from the host rock matrix. These aspects of rock behavior make comminution modeling a unique field of rock mechanics.From a traditional engineering point of view (mining and civil), rock samples are considered to be homogenous. Although the mechanical properties of individual minerals can vary significantly, the properties of the minerals and of the mineral boundaries interact randomly enough to assume that in the size of rock samples mechanical properties can be considered homogenous. However, from a comminution point of view, heterogeneity caused by a difference in the properties of minerals are crucial and therefore rock material, even in the scale of a few centimeters, should be considered as heterogeneous. The comminution response of such rock will be influenced by the textural parameters of the rock as well as mechanical properties of constitutive mineral grains.Image based numerical modeling is a useful tool for investigation of the pattern and dynamics of the rock breakage process. Its usefulness rests on the fact that a difficult step of building a faithful model of rock texture and composition, as a pre-requisite for modeling of rock breakage, is removed. Numerical modeling based on the use of classified digital image of the rock surface, could be particularly effective in the mineral extraction industry, where one of the key objectives is liberation of specific minerals, by providing inside view of mechanisms that are responsible for liberation of valuable minerals embedded into specific ore matrix.     

孟家岗铁矿开采方案及地表铁路安全研究

根据孟家岗铁矿实际地质情况,有铁路、公路于矿区之间穿过,为最大限度地回收资源和保证上部公路的安全运行,确定了房柱法与胶结充填两种采矿方案。通过岩体宏观结构凋查分析、取样、室内岩石力学试验和工程类比,综合确定岩体及充填体力学参数;并采用有限元力学分析软件Comsol Multiphysics对2种不同的开采方案引起公路地表的沉降高度进行了数值计算,模拟计算结果表明:采用"尾砂+普通水泥+粉煤灰+水"配比方案进行胶结充填采矿法采矿时,5#、6#勘探线范围内铁路处的沉降值均小于30 mm,符合安全规程要求,不会影响地表铁路的正常运营,后期地表位移监测结果也较好地验证了尾砂胶结充填采矿方法的正确性。     

某矿地下开采对地表公路安全影响分析

某国有公路设计线路与某地下开采矿山相邻。为保证国道工程项目的顺利推进,对该公路与矿山开采的相互影响展开了研究和论证。以岩石力学、弹塑性力学、开采沉陷学等学科为理论依据,在参考相关研究报告及图纸资料等成果的基础上,详细分析了矿山老采空区稳定性及采空区引起岩层移动的影响范围。对采空区与公路的相互影响进行了数值模拟分析,然后对所获得的数据进行整理,对矿山已有空区及后续开采是否对公路工程造成安全影响做出评估。结果证明:矿山开采对公路不会造成危害,为该公路的建设提供了依据。     

红透山铜矿深部斜坡道围岩发生层裂破坏数值分析

本文围绕红透山矿红透山矿深部-707m水平13#采场斜坡道围岩层裂破坏,通过现场工程地质调查、岩石力学实验、围岩应力分析,对13#采场斜坡道的围岩质量进行分析及岩体力学参数估算;在此基础上,应用FLAC3D分析回采对斜坡道围岩层裂破坏影响,开采矿体围岩在切向应力作用下,岩体微裂纹沿切向应力方向扩展、贯通,形成平行于开挖边界的宏观裂缝;数值分析采动过程斜坡道围岩层裂发生力学机制及其围岩应力场变化规律,数值模拟结果表明,深部斜坡道围岩高应力、采动应力以及爆破震动共同作用造成岩体产生层裂破坏。     

某矿区工程稳定性分级方法及其在巷道支护中的应用

建立了某矿区工程稳定性分级的数值模型，据数值计算结果中的安全系数分级得出了该矿区-430 m水平的安全系数分级区域图；运用RMR分级和Q分级2种方法对该矿区-430 m水平进行分级，综合2种分级结果，得出了该水平的岩体分级区域图。将-430 m水平的安全系数分级区域图与该水平的综合岩体分级区域图叠加得出了该水平的工程稳定性分级，同时制定了相应工程稳定性分级下的巷道支护方法，为井下巷道的正确支护提供了依据。