软岩地层地下铁矿开采岩体移动影响范围及变化趋势分析

 在我国官庄东矿北采区,采用分段崩落法进行回采,虽然矿区地表建筑物远离设计的地表移动影响范围,但仍受到影响。结合官庄东铁矿北采区进行分析,对深部开采引起的动态岩体移动变形问题进行具体计算,分析深部开采的岩体移动变形规律及特点,实际观测和理论分析均表明,深部开采工作面的覆岩破坏,具有整体移动变形均匀的特点;软岩地层深部铁矿开采引起的地表移动变形发展缓慢且周期较长。     

程潮铁矿塌陷区周边地表变形扩展规律研究

地下采矿引起的地表变形规律的分析,能为地表变形范围的圈定和矿山安全生产提供指导。以程潮铁矿西区为例,依据近11 a的监测成果,结合岩层移动机制,对塌陷发生以后地表变形与扩展规律进行分析,并根据所收集的水文地质与气象资料,探讨降雨对地表变形与岩层移动的影响。研究结果表明:塌陷发生以后,地表变形不断向外扩展,从塌陷后至2008年9月,地表变形以塌坑为中心,在上下盘均匀扩展;到2014年12月,地表变形以采空区为中心,下盘变形程度明显大于上盘;地表变形呈漏斗状,并随着时间的推移,沉降漏斗的深度和范围不断扩展。在SN方向上,沉降漏斗在北部扩展大于南部;在EW方向上,沉降漏斗中心不断向东移动;根据岩层移动机制,将深部岩体变形区域分为倾倒滑移区、倾倒拉裂区和弯曲变形区,不同区域测点变形曲线有不同特点;在倾倒滑移区,地表在出现加速变形阶段后变形一直保持较大速度增长,在倾倒拉裂区,地表变形特征为加速变形后又恢复稳定,弯曲变形区,地表变形保持较小速率稳定增长,采空区周边测点在地表发生再次塌陷前有明显的变形加速;地表变形与降雨量和降雨持续时间有关,在1 a中单月地表变形有2个峰值,分别在2~3和5~8月份。     

地下采矿引起地表滑移变形分析

基于概率积分法对地下采矿引起的岩体变形规律的描述,推导出岩体最大剪切变形和最大拉伸变形的分布曲线,阐述地表出现滑移破坏的原因。结合程潮铁矿地表变形监测成果,进一步说明地下采矿引起的地表滑移变形的条件及特征。最后,采用离散单元法模拟地下开采引起的岩体变形发展过程,阐述地表滑移后岩体的变形趋势。结果表明:在地下开采作用下,岩体中出现的最大剪切变形可使地表发生塌陷,最大拉伸变形可使岩体出现贯通地表的裂缝,在这2个因素共同作用下,地表出现滑移现象。滑移产生后,受影响的地表可分为滑移区和卸荷区,并出现浅部裂缝、深部裂缝和卸荷裂缝,其中,深部裂缝是滑移区和卸荷区的分界线。受地表滑移的影响,在继续开采时,地表在滑移区内的变形程度增大,但地表主要变形范围得到抑制。     

程潮铁矿西区不同采矿水平下的岩体变形规律分析

 金属矿山不同采矿水平下的岩体变形规律分析,能为矿山地表移动沉陷范围的圈定及安全生产决策提供依据。以湖北鄂州程潮铁矿西区为例,依据近8 a监测所得的地表及深部岩体变形成果,对不同采矿水平下的岩体变形规律进行分析。结果表明：开采－290,－307.5和－325水平时,顶板岩体进入初始冒落阶段;开采－342.5水平时,顶板岩体进入了大量冒落阶段,其崩落是间断发生的;开采－358水平时,地面沉降漏斗均匀扩展,岩层移动表现出很强的连续性;开采－375水平时,围岩进入快速向外扩展阶段,边界线、移动线得到了较大的扩展,下盘沉降漏斗在2010年1月之后变为不均匀扩展,岩层移动出现了突变性;开采－395水平时,围岩进入扩展放缓阶段,边界线、移动线基本未向外扩展,下盘沉陷坑区域变形仍旧非常剧烈,没有减缓的趋势。     

程潮铁矿西区采空区地表塌陷机制与变形规律初探

以程潮铁矿西区为例,依据地质调查分析与地表水平位移和垂直位移监测成果,结合采空区顶板崩落钻孔监测和崩落区高密度电法勘探等手段,分析程潮铁矿西区顶板崩落特征和在2006年采矿初期地表塌陷机制,探讨地面塌陷以后地表变形规律。研究结果表明:采空区顶板崩落呈间断的、不连续的特点,当顶板崩落传递到石膏岩时,石膏岩呈整体向下垮落的特点;石膏岩作为岩溶地下水隔水层的存在,对采矿初期地表塌陷起重要作用;电法探测的结果表明,采矿初期阶段地表塌陷不是由于顶板崩落传递到地表引起,塌陷的根本原因,是由于岩溶中的地下水迅速排泄引起的岩溶塌陷;这种塌陷机制作用下地表塌陷的位置有可能是在采空区正上方,也可能在采空区边缘;塌陷发生以后,地表变形呈漏斗状不断向外扩展,测点加速时间与地下采矿推进有很好的对应关系,表明地下采矿引起的岩层扰动已经传递到地表,地表变形受地下采矿的控制。     

基于监测数据的分段崩落采矿法地表危险变形区边界确定方法研究

采用分段崩落法采矿往往会导致地表建/构筑物损坏而影响正常居住或使用。之前的研究已经表明水平拉伸变形是最重要的用来评估建筑物损坏的参数,为此提出一种基于监测的离散水平位移数据求取大主应变,从而确定地表危险变形区边界的方法。首先利用三维离散点插值并进行准确性评价从而选用合适的插值方法、位移坐标表达形式和参数获取地表离散水平位移场,之后基于连续介质力学位移–应变几何方程的中心差分格式可近似求得地表连续变形区内任意一点大主应变,并根据我国建筑物水平拉伸容许变形值确定地表危险变形区边界。以程潮铁矿西区作为案例的研究结果表明:将水平位移矢量μ表达为极坐标形式(T,θ)可提高使用普通克里金法和径向基函数法插值时连续变形区内水平位移的插值准确性;所求地表危险变形区边界上的水平应变符合一般采空区周围变形情况;同一开采水平不同区域典型剖面的移动角相差较大。上述结果验证了提出的水平地表主应变计算方法的可靠性,揭示了程潮铁矿西区的移动角应分4个区域分别进行设计。     

基于透明岩体的深部隧道围岩变形分析

鉴于当前实验条件,无法直接观测岩体内部的变形演变过程,难以满足对岩体内部全域的变形时间效应与空间特征分析的要求,以透明岩体实验新技术为出发点,对模型隧道周边围岩的内部变形过程进行全程二维数字照相量测,得到深部隧道围岩内部变形的时空演化规律。研究发现:隧道顶部、帮部及底部的岩体径向位移都大致与隧道埋深呈指数衰减关系;隧道拱顶、拱底、左腰和右腰处岩体的径向位移都与顶部荷载呈指数递增关系;随着顶部荷载的增加,隧道顶板岩体最终将沿着两侧拱腰斜方向一定范围内两条弧线而向隧道内发生整体性剪切滑动,导致隧道失稳破坏。研究结果揭示了深部隧道围岩变形破裂时空演化机理,为深部隧道事故防治提供了依据。     

官庄铁矿深埋破碎矿体开采岩体变形测试分析

 以大量实测资料为基础,分析官庄铁矿北区深埋破碎厚矿体开采引起的围岩变形和地表移动规律。实测结果表明,官庄铁矿北区地表下沉属于连续下沉,岩层破坏主要是缓慢型破坏。分析过程中,把几种实测分析方法和数值分析法有机结合在一起,形成岩体移动变形综合研究方法,对地下开采引起的岩体移动机制进行具体分析。分析中所采用的实测分析类方法包括蠕变试验分析、地表移动观测分析、围岩变形监测分析、原岩应力量测分析;数值分析类方法包括ANSYS和FLAC。结合官庄铁矿工程实例,通过具体测试分析,探讨深部开采岩体移动变形规律及特点,即深部开采覆岩移动变形具有均匀、整体压缩变形等特点,地表移动连续且周期较长。实践证明,所采用的综合研究方法是分析岩体移动和地表下沉机制的有效途径。     

青海拉陵高里河上游地区铁金多金属矿地质特征及找矿方向

拉陵高里河上游地区位于东昆仑伯喀里克—香日德印支期金、铅、锌、铜成矿带西段。研究认为,矿区成矿类型分别为构造蚀变岩型金矿床和矽卡岩型铁矿床,成矿时代为印支早期。矿区中已发现的金矿带在地表或深部具有较好的找矿空间,铁矿地表已初具规模,深部已有成矿事实。故下一步工作应针对含矿构造破碎带,采用探矿工程与化探工作相结合等手段开展矿区地表及深部找矿工作,寻找金矿体;而矽卡岩型铁多金属矿,应与物探相结合,加大深部勘查力度,扩大铁矿资源量,综合评价区内矿产资源,争取该矿区找矿的更大突破。     

公路隧道在矿区建设可行性决策

从近地表公路隧道受采动岩体变形影响入手，导出了隧道围岩的附加次生应力表达式；研究了老采已稳地层受隧道开挖扰动及相应的反作用；对公路隧道在矿区建设可行性进行决策，并辅以两个成功实例。     

大型金属矿体开采地应力场变化及其对采区岩体移动范围的影响分析

根据金属矿地下开采引起的地应力场变化对岩体移动变形范围影响的工程实际，采用现场实测和数值分析方法，对深埋破碎金属矿体开采引起的地应力场变化及其对地质环境影响并导致岩体移动变形范围不断扩大这一客观现象进行了具体计算分析。结果表明，矿体开采后，随着采深的增加地应力明显增大，岩体移动变形的影响范围也随之而增大。另一方面，地应力场变化，尤其是水平方向的构造应力场变化和影响是不可忽视的。     

矿区区域性水平移动及其对竖井的影响

 在小官庄铁矿,尽管矿山主、副井井塔楼处于传统的“移动角”之外,但观测资料表明,塔楼虽然远离开采边界,却仍然受到移动变形的影响。鉴于此,分析了区域性水平移动及其对矿山竖井变形的影响,认为区域性水平移动对竖井的影响不仅与保护矿柱的大小有关,而且还与采区工程地质条件及岩层物理力学性质、水平应力场状况、采矿方法及水文地质条件等因素有关。     

高地应力硬岩矿山诱导致裂非爆连续开采初探——以开阳磷矿为例

 在阐述深部金属矿硬岩在高地应力作用下储能特征的基础上,分析随着金属矿山开采深度的不断增加,诱导致裂矿岩非爆连续开采方法实现的可能性。实现非爆连续开采硬岩矿山有2个必要条件：一是高效能采掘设备,二是有发育的岩体节理等结构。高地应力矿区岩体开挖卸载后,应力重分布会造成岩体强度的弱化,不稳定块体增加及地下水渗流条件改善,为机械开采提供了有利条件。通过对开阳磷矿深部磷矿体进行的地质调查和对深部磷矿体矿开展的高应力硬岩矿山非爆开采试验,进一步论证高应力诱导致裂硬岩的可行性。通过诱导工程和测试诱导巷道的松动圈范围,证明卸荷作用下岩体的节理、裂隙迅速扩展,诱导巷道的松动圈范围超出爆破松动区范围;松动圈内矿体可实现高效率机械化开采,从而实现硬岩矿山的非爆连续开采;比较独头掘进和开挖诱导巷道下多自由面掘进的效果,诱导致裂条件下开采效率得到显著提升,而且还改善了块度分布。     

深部开采水平应力场与地表远区移动分析

 官庄铁矿是我国东部地下矿之一,埋深500～1 000 m,采用无底柱分段崩落法回采。通过应力测量得知,矿区最大水平应力为垂直应力的1.14倍。针对北采区510～550 m水平开采引起的远区水平移动问题,在大量实测资料分析基础上,采用数值方法和随机介质理论对水平移动进行预测,同时对实测水平移动进行分析。通过分析发现,距当前采区边界500 m处的水平移动达到50 mm,而此处并未观测到垂直移动。分析结果表明,由于存在较高的水平应力,导致水平移动较大,而这种现象就是由于官庄铁矿区砂岩和泥岩地层中所存在的高水平应力场引起的。     

破裂岩石的力学性能及在深井软岩控制中的应用

在拟合破裂岩石强度和变形特征的基础上，运用FLAC3．3对巷道支护阻力与围岩位移量的关系进行了模拟，分析了不同岩性条件下，支护阻力对围岩位移量的控制程度，并同人工神经元网络的拟合结果进行了对比。提出了支护阻力对控制软岩巷道具有重要作用及敏感作用范围的观点。在铁法矿区进行了工程实践，有效地控制了深井软岩巷道。     

超千米深井巷道围岩变形特征与支护技术

为解决超千米深井巷道支护难题,以新汶矿区深井巷道为工程背景,分析深部矿井地应力、围岩强度与结构等地质力学参数分布特征,超千米深井巷道围岩、支护体变形及破坏状况。采用UDEC数值模拟软件,研究不同支护方式与参数下超千米深井岩巷围岩变形、破坏特征与支护作用。基于实测与数值模拟研究结果,确定新汶华丰矿-1180回风大巷采用全断面高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合支护加固方式。详细介绍-1180回风大巷支护井下试验,包括支护参数设计、支护材料、底板注浆锚索施工工艺及矿压监测结果。通过分析围岩位移、顶板离层及锚杆、锚索受力监测数据,评价回风大巷支护效果。井下试验表明:高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合加固技术,能够有效控制超千米深井岩巷大变形,保持围岩长期稳定。最后,针对井下试验中存在的问题,提出改进意见。     

深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统研制及应用

 研制的深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统主要包括模型箱、水平侧压力加载装置、竖向压力加载装置、测量装置及数据自动记录设备。模型试件尺寸为1 600 mm×800 mm×200 mm(长×高×宽)。试验系统中,水平侧压力和竖向压力通过闭路伺服加载装置实现。最大水平侧压力设计为300 kN,最大水平位移为100 mm。不考虑流–固耦合效应时,试验系统最大竖向压力为300 kN;考虑流–固耦合效应时,最大水压力为1.0 MPa。测量装置包括用于观测裂缝发生、发展和破坏的体式显微镜,以及基于数字图像分析位移的先进测量设备。在模型箱中根据工程需要按照一定的相似比构建试验模型。该系统可实现深部采矿时复杂应力、水压力及采动影响等联合作用下岩体的受力、变形和破坏过程,以及水的渗流、突变等宏细观运移规律的模拟和测试,进而从理论上分析不同应力场、水压力以及采矿活动本身对采场安全的影响。显然,该装置为深部开采中的岩石力学问题以及矿山突水机制与防治的试验研究与测试工作提供了新的、具有重要作用的平台。