无轨开采下采场结构参数及稳定性数值模拟

云南某矿山矿体赋存条件复杂，矿岩破碎、松软，加之后期转型采用无轨设备开采，导致采场巷道断面增大，原有的采矿工艺和采场参数已不再适用。为保证开采过程的安全，找出适合矿山生产的合理采场结构参数，研究采用3D-σ有限元模拟软件建立采场三维模型，设计不同跨度直接顶板的留点柱、留连续矿柱采场结构形式，对不同采场结构形式下矿岩的应力、安全率、塑性区进行模拟分析。结果表明：采用留点柱的采场形式时，采场内点柱尺寸不应小于2 m,矿房跨度控制在4 m为宜；采用留连续矿柱的采场形式时，采场结构参数建议留4 m宽连续矿柱，矿房跨度为5 m,采用C20混凝土进行进路式充填回采。结合采场模拟分析及矿山实际生产现状，建议采用留连续矿柱的开采方案。后续现场试验证明，该方案不仅能够保证采场结构的稳定性，达到矿山安全开采的目的，而且能有效降低矿石的损失贫化，提高矿山的经济效益。     

崩落法转充填法采场隔离矿柱合理厚度研究

对于由崩落法开采向充填法开采转变的矿山,受崩落法开采的采动影响,其工程地质条件会变得相对复杂,围岩完整性及其稳定性相对较差,开采技术条件相对复杂。为确保矿山下步生产作业的安全,必须要在崩落法采场与充填法采场之间留设隔离矿柱。本文结合矿山实际工程地质条件,创新地采用了以考虑采空区顶板垮塌冲击动载荷的弹性小薄板理论为代表的多种理论分析方法确定了崩落法转充填法采场之间水平隔离矿柱的尺寸,采用结合矿山围岩移动参数和Bieniawski矿柱强度理论的方式计算了崩落法转充填法采场之间隔离间柱的尺寸,与此同时,采用Phase2二维数值模拟的方式对隔离间柱的尺寸合理性进行了验证,最终实现了矿山崩落法转充填法的顺利转型,在保证矿山下步安全回采的基础上,提高了矿石回收率,为矿山创造了一定的经济效益。     

某矿山崩落法和充填法联合开采采场地压分析

某矿山采用无底柱分段崩落法和充填法联合开采。研究两种方法同时开采时采场地压的变化及采场稳定性问题,运用FLAC~(3D)数值模拟技术对该矿山采场地压的演化规律进行模拟研究并利用微震监测技术验证模拟结果。研究表明,该矿山上部矿体随着无底柱分段崩落法的进行,下部胶结充填体的稳定性得到显著提高,下部充填采场矿柱受力整体呈下降趋势,且无底柱分段崩落法开采结束后,下部充填采场矿柱的垂直应力下降了约35%。由此可见采用无底柱分段崩落法开采能有效缓解下部充填采场的地压,有利于提高采场的稳定性。     

阶段空场嗣后充填采场底部结构受开采扰动规律研究（增刊）

底部结构作为采场的薄弱环节,在阶段空场嗣后充填采矿中需要重点监测,结合某铁矿底部出矿结构巷道的工程实例,借助FLAC3D数值计算软件,分析了阶段空场嗣后充填全过程底部结构受开采扰动规律。开采扰动对阶段空场嗣后充填采场的底部结构稳定性的影响有时效性和阶段性。由于中间的矿柱起到了有效的隔离作用,相邻矿房的开采对底部结构位移的扰动影响程度较小。矿房回采完毕后,对采空区及时充填可有效控制采场的持续变形,同时为下一步矿柱的回采提供了安全保障。     

阶段空场嗣后充填采场底部结构受开采扰动规律研究

底部结构作为采场的薄弱环节,在阶段空场嗣后充填采矿中需要重点监测,结合某铁矿底部出矿结构巷道的工程实例,借助FLAC3D数值计算软件,分析了阶段空场嗣后充填全过程底部结构受开采扰动规律。开采扰动对阶段空场嗣后充填采场的底部结构稳定性的影响有时效性和阶段性。由于中间的矿柱起到了有效的隔离作用,相邻矿房的开采对底部结构位移的扰动影响程度较小。矿房回采完毕后,对采空区及时充填可有效控制采场的持续变形,同时为下一步矿柱的回采提供了安全保障。     

基于FLAC3D的谦比希铜矿盘区保安矿柱稳定性分析

井下开采时,每隔一定距离经常留设一定厚度的保安矿柱与围岩共同作用来支撑上覆岩层维持采场结构稳定,实现矿体安全回采.谦比希铜矿东南矿体采用预切顶空场嗣后充填法条带式开采,分两步骤回采,盘区间留设25 m厚的保安矿柱.为分析盘区间留设的保安矿柱稳定性,同时为后期优化开采提供借鉴,本文运用FLAC3D数值模拟软件,分别模拟2...     

破碎围岩条件下预留矿柱开采对充填体稳定性的影响

为研究预留矿柱开采对其上部充填体稳定性的影响,结合某金矿矿岩赋存条件,采用考虑封闭系数的矿柱开采经验公式,提出开采尺寸为180 m×15 m×20 m（走向长度×高度×宽度）的矿柱开采方案。利用MAP3D软件对590~605 m水平间矿柱开采进行数值分析,结果表明：在一般原岩应力情况下,矿柱完全开采后上部充填体仍保持稳定;在较差原岩应力情况下,矿柱完全开采后上部充填体受压作用明显,可能发生失稳破坏。应用极限平衡方程对矿柱开采经验公式进行修正,提出通过减小采场跨度及加强支护的方式,降低对充填体单轴抗压强度的要求,能保证预留矿柱的安全回采和上部充填体的稳定。研究结果可为其他类似矿山提供设计思路。     

基于协同理念的地下采场稳定性分析及结构参数优化

针对某大型露天-地下联合开采铜矿山的开采现状,将协同理论引入地下采场的稳定性分析,主要考虑了地下采场中矿房、矿柱以及充填体假柱在结构尺寸上的协同作用,对原有采场结构参数进行了改进。为保证改进后地下采场在巷道掘进及矿房回采过程中的稳定,对3个充填方案下掘进巷道和回采采场的稳定性进行了数值模拟。结果表明：对于不同的充填方案,在待开挖矿体中掘进较大尺寸的巷道,其巷道基本稳定;回采过程中,其采场的稳定性与充填体刚度相关,充填体的刚度高低结合,采场应变、位移较理想。底部块石胶结、上部尾砂胶结充填是地下采场的首选方案;采用的大采矿横巷9 m扩底采场结构方案,回采过程中,采场顶板的稳定性提高了,同时出矿巷道的变形较小、保持稳定,该改进采场结构参数具有明显的优势。     

充填站下覆矿体开采地表移动规律研究

地下开采引发的地表移动是影响地表稳定的重要因素。为确保山东某大型地下铁矿山开采过程中地表充填站的安全,设计了充填站位置下方4种不同尺寸的保安矿柱方案。结合《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》,采用三维建模软件及有限差分法软件联合模拟计算,优化分析研究的结果表明,40 m×75 m保安矿柱对充填站安全稳定性影响最大,危险性较高,建议合理的充填站保安矿柱尺寸不小于50 m×85 m,从而既保障矿山生产安全,又提高矿山资源回采率和经济效益。     

某空场法开采矿山残矿回收安全模拟分析

某矿山采用空场法开采,采场之间及中段之间留设2~5 m不等的顶底柱,为了最大程度回收这些矿柱,对采空区进行一定程度的充填,借助三维有限元软件对充填30,40,50和60 m4种充填方案进行对比分析,结果显示,4种方案的最大拉应力分别为1.624,1.604,1.359及1.014MPa,最小安全率分别为1.03、1.06、1.197、1.286,说明充填高度为30,40 m时,最大拉应力已经非常接近矿体的抗拉强度,最小安全率小于最低要求1.1;充填体高度控制在50 m以上时,不会对间柱、顶柱造成大的冲击,对其稳定性影响较小。结果为矿柱安全回收提供了理论指导。     

基于GTS－FLAC3D的采场结构参数优化分析

为确保某铁矿分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法的安全生产,采用FLAC3D对采场结构参数进行模拟分析研究,共设计9种采场模型,根据开挖后采场顶板及围岩应力重新分布、塑性区变化规律确定盘区矿柱尺寸及采场宽度的合理范围。研究结果表明:采场稳定性的主要影响参数为采场宽度,盘区矿柱的大小主要影响盘区开采整体稳定性;采场宽度和盘区矿柱宽度均应保证15 m以上。研究结论可为矿山开采设计中采场结构参数的设计提供参考。     

基于FLAC3D的上向水平分层充填法采场稳定性分析

小东沟金矿厚大矿体采用上向水平分层充填采矿法开采,合理的采场结构参数直接关系到采场稳定性和矿体开采效率。设计3种采场结构参数,建立FLAC3D数值模型进行计算。模拟结果表明,矿房开采过程中各方案最大主应力、垂直方向位移和塑性区体积均较小,开采矿柱时应力、位移和塑性区体积值均急剧增加。矿房跨度过大易导致矿柱开采过程中采场稳定性降低,增加安全隐患。最优采场结构参数为矿房宽6m,矿柱宽5m。模拟结果为小东沟金矿采场结构参数的确定提供了理论支撑。     

沙漠特厚风砂层下某铁矿水平隔离矿柱厚度的确定

某铁矿山围岩不稳固、矿体赋存在沙漠特厚风砂层下。由于风砂粒度细、流动性好,应用崩落法开采贫化率和损失率很高。为保证下部矿体安全高效开采,提出了在风砂层与矿体的接触面以下留设水平隔离矿柱的方案。研究采用经验公式和FLAC3D数值模拟相结合确定了水平隔离矿柱的合理厚度。结果表明,在采用隔一采一的无间柱分段空场嗣后充填法分条开采跨度为10 m的矿房时,留设的20 m隔离矿柱是稳定的。     

残留矿柱回采与空区稳定性的有限元模拟研究

采用有限元数值方法，对某金矿残留矿柱回采及采空区稳定性进行了分析研究。结果表明：Ⅳ－4矿脉采空区充填后对维护夹壁稳定性有重要作用，上部中段比下部中段矿柱加采稳定性好，460m及其以下中段底柱回采前需采取充填或加大顶柱高度措施，采场底柱留中间采两端的回采方案稳定性最好。     

某铀矿山分区开采隔离矿柱留设尺寸研究

通过对某铀矿山上下分区同时开采需留设水平隔离矿柱尺寸的影响参数进行分析,应用FLAC3D和正交试验得出分区开采时隔离矿柱留设尺寸与影响参数之间的关系式,用以推测其他铀矿床留设隔离矿柱的安全尺寸。与其他经验公式计算结果的对比表明,正交试验法的计算结果可靠程度高,可以为其他铀矿山分区开采时隔离矿柱留设提供一定的指导。     

矿柱稳定性影响因素分析及合理尺寸设计

在回采埋藏较浅的矿床时,往往需要留设永久矿柱来保证地表构筑物的稳定性,在保证矿柱安全的前提下,科学合理地设计矿柱宽度至关重要。本文以某铁矿为研究背景,运用Hoek-Brown强度准则与矿柱面积承载理论推导出了采用充填法的矿山的矿柱安全系数表达式,设计了正交方差试验来分析影响矿柱稳定性因素的敏感性,并研究了矿柱安全系数与各主要影响因素间的定量关系,结果表明:对矿柱稳定性影响最显著的因素为开采深度、充填体水平应力、矿房宽度、矿柱宽度,矿柱安全系数分别与之呈指数递减、指数递增、多项式递减与多项式递增的关系。根据该铁矿开采技术条件,计算出矿房宽度40m时,矿柱合理宽度为9m,并用数值模拟验证了其开采合理性。     

层状倾斜矿体矿柱稳定性特征及矿房参数优化

湖北某磷矿开采过程中矿柱浅层岩体剥落破坏特征突出,严重影响了矿柱稳定性及采场围岩安全。采用极限强度理论和数值模拟方法,结合层状矿体倾斜赋存条件,研究了矿柱埋深、矿柱尺寸、矿柱间距等因素对矿柱安全系数和稳定性的影响规律,并给出了该矿房柱法开采的指导参数。研究表明：①对于埋深变化显著的层状倾斜磷矿床而言,当采深小于500 m时,选取5 m×5 m矿柱、9 m矿柱间距的采场布置参数,可保证矿柱和矿房顶板安全,当采深超过500 m后需进行参数优化。②矿柱尺寸是决定矿柱稳定性的主要因素,却是控制矿房顶板下沉的次要因素。当采用9 m矿柱间距时,将矿柱尺寸设计为6 m×6 m可有效减小矿柱变形量。③矿柱间距是决定矿房顶板围岩稳定性和矿柱变形程度的主要因素。工程实践表明,开采深度达到500 m后,采用5 m×5 m的矿柱尺寸,并且将矿柱间距减小至7 m,可显著减小矿柱和矿房围岩变形,有效降低矿柱荷载,使其处于稳定状态。     

硬岩矿床组合型井筒保安矿柱圈定与压覆资源回采技术

为合理留设硬岩矿床充填开采时的井筒保安矿柱尺寸,考虑硬质围岩的岩体质量等级和自身抗变形、抗破坏能力,在常规岩层移动角圈定方法的基础上提出了组合型井筒保安矿柱留设方案。以山东某铁矿东主井压覆资源开采为研究背景,通过现场调查与岩石力学试验开展了工程地质分区与岩体质量等级评价,根据分级结果将-250 m水平以上的Ⅱ～Ⅳ级围岩按岩层移动角圈定台体状井筒保安矿柱,-250 m水平以下Ⅱ级硬质围岩按极限距离80 m圈定圆柱形保安矿柱,同时设计了两种井筒压覆资源开采方案,即浅孔留矿法嗣后充填开采与上向水平分层充填开采。研究表明:上向水平分层充填开采对应的井筒内壁变形量为浅孔留矿法嗣后充填开采的80%,但两种开采方案引起的井筒变形均未超过安全标准。所提出的上向水平分层充填开采方案与组合型井筒保安矿柱留设法在该矿山得到了成功应用,回收矿量约400万t,可为其他类似矿山的井筒压覆资源开采提供借鉴。     

水砂—胶结充填隔离矿柱稳定性及宽度研究

某嗣后充填矿山前期水砂充填泌水效果不佳,充填体富水,随着水砂充填区域增大,开采过程中顶板及上盘稳定性变差,为改善开采安全状态,改用胶结充填,水砂充填区与胶结充填区之间的隔离矿柱是保证未来采矿安全的关键。构建了侧壁承压倾斜矿柱理论分析模型,并采用FLAC^3D数值模拟软件对10～15 m宽度水砂—胶结充填隔离矿柱和不同水砂充填体静水压力梯度进行了研究。研究表明:(1)开采扰动会使隔离矿柱内形成应力集中,且未凝固的水砂充填体会进一步增加矿柱内最大主应力;(2)矿柱内部应力重分布及水砂充填体水平压力使得矿柱水平变形增加,逐步产生破坏形成塑性区,10～13 m的隔离矿柱不足以保障充填体含水工况下的采场稳定性;(3)考虑到爆破扰动的影响,在现有富水充填情况下,建议隔离矿柱宽度为15 m;(4)隔离矿柱宽度15 m时,随着静水压力梯度增加,矿柱内部最大主应力和水平变形会有所增长,但塑性区未发生明显增加,15 m宽的隔离矿柱可以保障后续开采安全。     

上向进路充填采矿法最佳充填接顶率研究

为解决白象山铁矿在上向进路充填采矿过程中充填接顶效果不理想的问题,对该矿山的充填接顶率进行了研究。运用MIDAS/GTS有限元软件模拟分析二步进路采场开采时,一步进路采场不同充填接顶率胶结矿柱受力状况,并对胶结矿柱安全稳定性进行评价,对不同充填接顶率进行分析,从而确定最佳充填接顶率。当二步进路采场开采时,一步进路采场80%充填接顶率胶结矿柱抗拉安全系数为2.03,抗压安全系数为1.28,综合安全系数为1.6,为该矿上向进路充填法的最佳充填接顶率。该研究为其他矿山科学提高充填接顶率提供了一种全新的指导方向。