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。     

基于重整化群理论的采空区群稳定性分析

为分析地下矿山空区群的稳定性,根据重整化群理论,建立了地下矿山空区群一维重整化群模型,推导计算了空区群系统失稳的临界概率,并给出了一级原包内矿柱的失稳概率计算方法,将复杂的空区群系统稳定性分析问题转化为空区群内矿柱失稳概率与临界概率的比较问题。将模型运用于白山泉铁矿空区群I和空区群II的稳定分析,分析结果显示,空区群I和空区群II的矿柱失稳概率为0.162和0.195,均小于临界失稳概率0.206,说明空区群处于稳定状态。空区群II的矿柱失稳概率0.195接近于临界失稳概率,应加强对空区群II的监测。为了验证空区群一维重整化群模型的分析结果,采用FLAC3D数值模拟分析空区群的稳定性,分析结果显示,数值模拟分析结果与空区群一维重整化群模型的分析结果基本一致。     

废弃露天坑下复杂隐伏空区群综合探测及数字化建模

采用尾砂充填露天坑能够实现废弃露天坑地质灾害治理与尾矿综合利用的双重目的。针对废弃露天坑下隐伏空区群对露天转地下隔离矿柱安全稳定性影响大的问题，提出了废弃露天坑下复杂隐伏空区群综合探测及数字化建模技术。以大冶大红山矿为例，采用等值反磁通瞬变电磁法和微动地震法等综合物探方法，结合采空区现场调查成果，综合推断圈定了隐伏采空区20个，并通过布置钻孔验证了结果的准确性；采用GOCAD软件构建了露天坑地表与采空区综合地质体数字化模型，展现了采空区群空间赋存特性，测算出采空区体积共计55 350.64 m³,为露天坑隐伏空区群安全隐患治理与隔离矿柱的稳定性分析提供了支撑。     

空区群结构力学效应模拟分析

铜坑矿在不断的开采过程中,留下大量采空区未及时处理,形成了复杂的空区群,严重威胁矿山的安全生产。为探究空区群失稳破坏的规律,指导处理空区群重大安全隐患,选取了92#矿体的典型空区群,运用RFPA软件建立了典型空区群的数值模型,并进行了力学效应分析,得到了空区群失稳破坏的规律:拉破坏是顶板破坏的主要原因;空区间上下斜交的薄矿柱最易失稳破坏;空区群中距离其他空区较远的空区一定程度上相当于单个独立空区,不易失稳。     

采空区群稳定性影响因素敏感性分析及其应用

为研究采空区群稳定性各影响因素的主次,以某地下金矿为研究背景,依次推导出矿柱、顶板及采空区群安全系数计算公式,采用正交实验对采空区群稳定性影响因素进行极差分析,获取其敏感性顺序,据此确定采空区群稳定性主控因素,并研究其与安全系数之间的关系及相应的临界值。研究得出采空区群稳定性影响因素敏感性主次顺序为:采空区群顶部—地表距离>矿柱高度>中段数量>顶板厚度>中段矿柱数量>矿柱宽度>顶板纵深>采空区跨度。矿柱宽度是采空区群矿柱失稳的主控因素,矿柱安全系数随矿柱宽度的增加近似呈线性增长,相应的临界宽度为8.4 m;顶板厚度是采空区群顶板失稳的主控因素,顶板安全系数随顶板厚度的增加呈幂函数形式递增且速率逐渐变大,相应的临界厚度为8.7 m;采空区群顶部—地表距离是整个采空区群失稳的主控因素,采空区群安全系数随群顶部—地表距离的增加近似均匀递减,相应的临界距离为124 m。     

缓倾斜薄矿体开采空区群精确数字化及稳定性分析

为分析缓倾斜薄矿体回采形成的大量空区的稳定性,根据空区位置和开采现状,采用激 光 3D 扫描进 行空区数字化,建立精确的空区群三维形态模型和数值计算模型。对建立的空区群数值模型进 行计算,按照下行 式和前进式的回采顺序逐步模拟形成空区群,得到了次生应力平衡之后的最大主应力云图、最 小主应力云图、位移 云图。数值模拟结果表明矿柱尺寸对采空区群的稳定性影响很大,矿柱靠近顶板的位置为应力 集中部位,给空区 群模型留设合理尺寸的矿柱时,顶板和矿柱内的位移趋于定值,处于稳定状态。按照现有空区 群内留设 10 m×6 m 间柱的情况下,经过数值模拟分析,空区群表现为稳定状态。     

基于界壁效应的石膏矿采空区群坍塌防控技术

针对山东某石膏矿采空区坍塌灾害,从有效阻断采空 区大面积连锁式坍塌效应着手,基于系统观点和界壳理论, 设计了采空区坍塌的梯级防控技术,加固单元内矿柱形成一 级界壁结构,加固单元间隔离矿柱形成二级界壁结构,加固 多单元间隔离矿柱形成三级界壁结构。并详细设计了单元 内矿柱的锚杆加固技术,单元间隔离矿柱的锚杆 砌墙加固 技术;设计锚索切顶技术形成弱面效应,有效阻断顶板破断 运动趋势的传递效应。实测采空区上覆地表最大沉降量为 5.1cm,整体应用效果良好。     

残采间柱条件下空区群顶板失稳的QR法分析

提出基于类框架结构模型QR法的残采间柱条件下空区群顶板失稳分析方法,通过构建采空区群类框架结构受力分析模型,建立采空区群内节点位移函数表达式,采用改进后的QR法计算单元空区关键部位的应力和位移幅值,结合应力和位移失稳判据,研究残采间柱条件下采空区群顶板的稳定性。某金矿1570m中段间柱采动前后采空区群顶板对比计算表明,间柱回采前,各顶板均处于稳定状态;间柱回采后,仅回采中段顶板最大竖向位移与最大拉应力均大于允许阀值,该顶板处于不稳定状态,有失稳风险。现场回采工程结束后,1570 m中段顶板严重失稳,上部覆岩汇入,空区与地表贯通,验证了该方法的可靠性。     

基于FLAC~(3D)的空区下矿体回采隔离保安矿柱厚度研究

以某地下矿山为工程背景,通过FLAC~(3D)数值建模,讨论不同隔离矿柱厚度下开采矿体对空区的影响,并将结果与现场监测数据进行了对比分析。研究结果表明:隔离矿柱的设置确实能够有效控制围岩变形和空区破坏,保证空区下矿体回采的安全进行;拉应力破坏是围岩破坏的主要形式;考虑到围岩自承能力以及矿量的损失,隔离矿柱厚度确定为15m左右。隔离保安矿柱的尺寸确定对类似矿山的空区治理及开采具有参考意义。     

房柱法开采大面积采空区群的稳定性分析

为了得到房柱法开采大面积采空区群的稳定性变化规律,利用空区激光探测系统(CMS)对采空区进行精密探测,运用3Dmine与FLAC~(3D)耦合建立数值计算模型,分析了采空区围岩应力、位移、塑性区大小及分布状况。研究结果表明,采场中部部分矿柱中垂直应力最大为106 MPa,明显高于边界矿柱;采场周围矿柱中垂直应力相对较小,顶板跨度越大,下沉量越大,表明大部分矿柱仍具有一定的支撑能力;位于空区群边界的试验采场内矿柱中部垂直应力最大为46MPa,顶底部垂直应力相对较小;采场顶板存在微量下沉,最大下沉量为14.23mm,底板略微鼓起,最大鼓起量为6.5mm,表明顶底板均较为安全。     

基于应力增量理论的矿柱回采安全性评价

矿柱是支撑空区稳定性的主要单元,矿柱的回收必然会造成空区应力的重新分布,从而对其稳定性造成影响。基于应力增量理论,对某矿山矿柱回采过程中的安全性进行了理论分析,并根据矿柱的回收顺序建立了数值分析模型,计算得到了各矿柱开采前后的应力变化情况。计算结果表明,该矿山二、三采区一中段的间柱安全系数都大于1,即所有间柱在矿柱回采的过程中都处于安全状态。     

遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论及其应用展望

遗留煤柱群链式失稳会引发覆岩垮落、地表塌陷、动载矿压、瓦斯外逸或水体下泄等灾害。揭示遗留煤柱群链式失稳的核心机理是精准防控的基本前提。从链式失稳的源头出发,提出了遗留煤柱群的最弱失稳致灾模式,界定了关键柱的基本概念,分析了关键柱的主要特征,研发了关键柱判别的技术方法,揭示了关键柱局部失稳的诱灾机理,形成了遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论,并对其潜在的应用范围与领域进行了展望。研究结果表明:①遗留煤柱内在物理力学性质和外在环境因素等的差异性,导致采场遗留煤柱群呈现出最弱失稳致灾模式——遗留煤柱群体系中任一失稳致灾模式发生时,最弱失稳致灾模式必然已经发生,即遗留煤柱群体系发生链式失稳时,稳定性最弱的遗留煤柱必然发生了失稳。②关键柱是指采空区中最先可能发生局部失稳的遗留煤柱;“关键柱”之所以“关键”,是因为唯有采空区“关键柱”发生局部失稳,邻近区域稳定性稍强的遗留煤柱的失稳破坏才可能被活化,采场遗留煤柱群的链式失稳也才可能发生。③安全系数最小的遗留煤柱可以判别为煤柱群体系中的“关键柱”,在进行关键柱判别的时候需要遵循区域性、相对性、动态性和复合性等四大原则。④关键柱局部失稳的诱灾机理体现在:关键柱载荷的逐渐减小使得最邻近遗留煤柱承担的载荷线性增大,即关键柱的局部失稳会引发覆岩载荷向最邻近的遗留煤柱中转移与扩散,导致进一步的失稳破坏,并最终可能引发遗留煤柱群体系的“多米诺”链式失稳与破坏。⑤关键柱理论不仅可以应用于柱采区邻近煤层开采、强矿压控制、煤柱留设、充填开采、瓦斯抽采和水害防治等技术领域,还能推广应用于非煤矿山资源开采矿柱群的失稳防控等领域。遗留煤柱群链式失稳关键柱理论的提出有望促进我国煤炭资源绿色开采理论与技术的发展。     

传统矿柱安全系数计算公式优化研究

从矿柱强度、矿柱所受荷载等多方面对湖南省某铅锌矿采空区矿柱稳定性展开了深入研究,并采用基于面积承载理论及普氏理论对矿区1 365根矿柱的安全系数进行了计算与分析,结果表明,2种理论计算出的矿柱安全系数相差较大,且基于面积承载理论的矿柱安全系数计算公式过于保守。通过建立多种空区模型进行三维数值模拟计算与对比分析,并采用Matlab软件拟合出矿柱应力与矿柱间距、矿柱埋深之间的函数关系,最终得到适用于该铅锌矿的矿柱安全系数计算公式。研究结果可为其他类似矿山的矿柱设计、技术服务提供参考。     

双侧采空不规则煤柱稳定性分析

为确定某矿3303工作面不规则煤柱处于两侧采空状态时的稳定程度,通过数学模型对不规则煤柱最小安全尺寸及煤柱稳定性系数进行计算,在此基础上,以数值模拟对不规则煤柱两侧采空状态下的应力变化规律展开分析。结果表明:煤柱最小安全尺寸为31.2 m,大于3303工作面推进36.5 m范围内不规则煤柱尺寸;煤柱稳定性系数为1.14,根据煤柱稳定性判别指标判定煤柱为稳定状态;不规则煤柱应力随工作面推进距离增大呈上升趋势,最大应力值与理论计算煤柱承载强度最小值基本一致;综合评定双侧采空状态下,不规则煤柱能够保持稳定。     

开挖扰动下矿柱损伤破裂失稳细观机制研究

为揭示开挖扰动下矿柱损伤破裂失稳的细观机制, 以盘龙铅锌矿采场间柱破裂为原型, 运用PFC^2D对其破坏机理进行反演分析, 建立基于声发射累计数的尖点突变失稳判别模型。研究结果表明:采空区上方形成压力拱, 拱内岩体自重转移到附近围岩和矿柱, 产生应力集中; 矿柱受压逐渐产生损伤, 其损伤破裂失稳演化过程分为3个阶段:弹性阶段、屈服阶段、失效阶段; 矿柱内部以拉裂纹为主, 细观破坏形式主要为拉伸破坏, 宏观表现为剪切滑移破坏。经验证, 基于声发射累计数的尖点突变模型能够有效判别矿柱失稳状态。     

浅埋近距离煤层开采房式煤柱群动态失稳致灾机制

针对我国西部矿区浅埋近距离煤层房采煤柱下开采时易发生工作面压架、地表台阶塌陷以及矿震灾害的现象，采用物理模拟及数值模拟方法对下煤层工作面采动时上覆房采煤柱群的动态失稳过程及工作面压架机理开展研究。实测统计榆阳区部分矿井本煤层房式开采后，只有当房采煤柱的弹性核区比例大于31%时，房采煤柱才能处于长期稳定。下煤层采后的模拟结果表明:上覆房采煤柱的破坏形式及其失稳次序同其与下煤层工作面相对位置密切相关，房采煤柱依次从工作面开切眼位置、工作面位置、采空区中部位置发生破坏及失稳，且工作面开切眼和工作面位置处煤柱多发生顺向采空区的斜切破坏，而采空区中部煤柱则发生垂向压裂破坏。根据石圪台煤矿数值模拟结果显示，上部2-2煤层房采后煤柱支承应力峰值由原岩应力2.8 MPa增大至12 MPa，应力集中系数为4.28;当下部3-1煤层工作面采后，上覆2-2煤层房采煤柱的支承应力峰值增大至30 MPa，应力集中系数达10.71;下煤层工作面开切眼侧与工作面正上方的房采煤柱呈现垂向不均匀承载特征以及受水平拉伸变形影响，是导致边界处房采煤柱易出现对角斜切破坏模式的主因。两侧边界煤柱失稳后，其顶板岩层瞬间发生整体拉剪破断从而引发矿震，顶板多层岩层以“整体运动”的形式急剧快速下沉并撞击底板，将采空区中部上方的房采煤柱压垮压塌，同时巨大的冲击力进而导致上下煤层间的岩层发生全厚切落，造成下煤层工作面发生切顶压架。实验发现从上覆房采煤柱群首个煤柱发生破坏至整体失稳运动并达到稳定，历时仅约为0.45 s，其中，上下煤层之间的岩层发生全厚切落历时仅约为0.05 s。     

佛子矿104号矿体复杂多层采空区处理技术研究

佛子矿104号矿体经过多年浅孔留矿法开采,在矿体上部遗留了大量的采空区及矿柱;由于前期的无序处理,形成了复杂的空区赋存现状,对下部矿体的安全开采带来了严重威胁。为了科学地制定空区处理措施并回收矿柱,通过数值计算结合理论公式法对104矿柱稳定性进行对比分析,确定了各空区残留矿柱的安全系数;结合矿山现有技术条件,在综合考虑采空区安全处理及矿柱有效回采的基础上,提出了崩落充填相结合的处理方案;采用FLAC3D软件对拟定方案进行了数值模拟分析。计算结果表明：崩落充填相结合的处理方案通过强制崩落法与充填法相结合,使上部应力集中区围岩得到充分移动垮落,下部空区得到充实,达到崩柱放顶卸压、控制岩移的目的,能有效地消除空区隐患并回收矿柱,为矿山安全、经济、合理地处理采空区提供了指导。     

大理石地下开采顶板合理厚度研究

亿隆大理石石材矿山需在一定厚度的安全矿柱及风化层下进行地下石材开采,然而安全矿柱过厚会导致资源浪费,反之不能保证矿山生产安全。根据亿隆石材矿山的矿体特征,利用理论计算及FLAC3D软件分析了不同空区跨度下的安全矿柱合理厚度。经综合分析与研究,得到了不同空区跨度与顶板合理厚度的关系。基于亿隆石材矿山的最大开采跨度36m,同时考虑4.5m厚的风化层,推荐矿山留设28.5m厚的顶板合理厚度。     

唐山沟煤矿11号煤层采空区煤柱稳定性分析

为了确定唐山沟煤矿11号煤层采空区煤柱稳定性,分析了其采空区煤柱类型,选择了适合该矿煤柱类型的煤柱载荷与煤柱强度计算方法,对三类煤柱进行了计算分析,得出了采空区煤柱稳定可靠结论,并对安全开采8号煤层提出了建议.