金属矿山复杂采空区围岩破坏及岩层移动机制研究

以武钢资源集团金山店铁矿东区为依托工程,厘清矿区工程地质条件和矿体开采情况;通过地压显现调查和微震破裂监测开展复杂采空区围岩破坏空间特征分析;结合三维数值模拟、围岩破裂监测和巷道破坏调查结果阐明矿区上下盘围岩破坏机制,提出基于岩体塑性破坏的围岩破坏角不连续变形分析指标,并与陷落角指标进行对比验证,揭示金属矿山复杂采空区引起的平面和剖面方向上岩层移动规律。研究结果表明：围岩破坏和巷道地压显现围绕采空区分布,在平面上半月形采空区凸出形状对两翼围岩破坏具有放大效应,在剖面上分段运输巷道破坏具有高程滞后发生的特点;采空区围岩破坏最初以顶部岩体垮塌冒落为主,随着采矿推进发展为断层滑移控制的筒状冒落破坏,最后扩展成为岩体结构控制的贯通滑移破坏,上盘围岩呈现倾倒–滑移破坏特征,下盘围岩呈现追踪断层和结构面的剪切–滑移破坏特征;不同勘探线剖面的上盘和下盘围岩破坏角和陷落角的数值及变化规律较为一致,均随采矿进程近似呈现先减小后趋于稳定的变化规律;上盘采空区(FeI)为条带状展布,趋于稳定的破坏角在不同勘探线位置近似一致,且主控优势结构面倾角越大,其稳定破坏角越小;下盘采空区(FeII)呈半月形平面形状展...     

基于监测数据的陡倾结构金属矿山下盘岩层移动机制研究

为了解决陡倾结构金属矿山地下采矿引起的地压显现、地表塌陷和建构筑物损坏等问题,以金山店东区下盘为研究背景,首先根据地下、地表现场破坏调查与监测数据得出岩层移动基本规律,然后结合地质条件,通过理论分析研究岩层移动机制。地下采空区附近靠近F1断层处巷道出现地压现象,原因是采矿引起的F1断层滑移。地表变形从开采至今经历了3次加速阶段,加速变形点与采矿进度、陡倾结构引起的地表塌陷与地下巷道破坏的时间吻合。陡倾结构岩体的变形破坏是由深部逐渐传递到地表,导致地表移动和建构筑物开裂。下盘采空区附近围岩分析模型简化为悬臂梁模型,得到围岩破坏的机制为开采诱发F1断层滑移引起陡倾结构岩柱弯曲倾倒破坏,各柱体破坏贯通并沿着破坏面滑移。陡倾结构面是引起下盘岩层大规模移动的主要原因,这种特殊的岩层移动机制导致监测所得的移动角明显小于设计的移动角。     

双系煤层孤岛结构对工作面矿压显现影响研究

为了确定大同矿区侏罗系煤层群开采形成的孤岛覆岩结构对石炭二叠系工作面开采矿压显现的影响,以同忻矿8104、8106工作面为研究对象,通过理论分析确定侏罗系煤层群开采孤岛覆岩结构的形成条件,构建FLAC^3D数值模型,分析孤岛覆岩结构对石炭系煤层应力控制及矿压显现特征,并结合微震监测数据进行了合理验证。研究表明:当侏罗系煤层遗留煤柱宽度≥22.3 m时可形成孤岛覆岩结构,煤柱宽度为80 m时,孤岛覆岩结构对石炭系煤层工作面影响达到峰值;数值模拟说明8106工作面及5105巷道受到孤岛覆岩结构影响,其矿压显现强度及范围明显增大,围岩应力最大增至40 MPa;微震监测显示8104工作面推进孤岛覆岩结构过程中,个别微震事件能量级别达到了10⁶ J,具备了诱发冲击地压发生能量条件。     

构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制研究

 冲击地压是煤矿开采中因采动或动载诱发煤岩体变形能剧烈释放,并伴随地下采掘空间煤岩体突然、急剧和猛烈破坏的现象。随着煤矿开采深度和开采强度的持续增加,地下开采面临的构造地质条件日趋复杂,我国越来越多的煤矿开始出现冲击地压现象,破坏性冲击地压频繁发生且日益严重。冲击地压的孕育和显现是构造特征和地层特征在采掘动态平衡过程中能量稳定态积聚及非稳定态释放的结果,是煤岩体性质、地质特征和开采技术条件的综合反映,同时该问题具有明显的时空演化特征。 义马矿区是冲击地压的高发矿区,且冲击地压多发生在回采巷道,巷道冲击地压的本质是巷道围岩在高应力作用下的突然失稳、变形和破坏。向斜构造应力、断层构造应力、上覆巨厚砾岩局部离层断裂垮落造成巷道的非均匀应力和开采扰动是义马矿区回采巷道冲击地压发生的主要影响因素。运用现场调研、相似模拟试验、数值计算和现场工业性试验相结合的方法,深入研究构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制及防治技术。主要工作与创新点如下： (1) 针对义马矿区11个典型工作面发生的89次冲击事件进行统计分析,得出了义马矿区冲击地压以回采巷道冲击地压为主,冲击引起的回采巷道变形破坏以底鼓为主。 (2) 设计了具有义马矿区向斜、断层和巨厚砾岩地质特征的相似模拟试验,并采用数字散斑全位移场监测、应力场监测和能量场监测,研究了采动影响下距工作面不同距离和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性及失稳变形破坏特点,并分析了巨厚砾岩离层断裂时巷道围岩变化规律和断层滑移活化时巷道围岩变化规律。 (3) 建立了具有向斜、断层和巨厚砾岩特征的数值模型,研究了采动影响向斜作用下巷道围岩冲击特性(巷道围岩的应力场、能量场、位移场和塑性区(三场一区)是巷道围岩冲击特性的表现形式),对比分析了向斜轴部和翼部回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响断层作用下巷道围岩冲击特性,对比分析了断层下盘和上盘回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响巨厚砾岩作用下回采巷道围岩冲击特性,从不同砾岩厚度条件下对比分析回采巷道围岩冲击特性;研究了采动影响构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击特性,对同时间不同地点距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性、同地点不同时间距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性分别进行详细分析。 (4) 提出了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制、义马矿区回采巷道冲击地压综合防治体系和具体防治措施,并对回采巷道强力柔性支护体系、U型钢联合支护体系和锚杆支护体系进行评价总结,依据应用实践得到的回采巷道冲击地压前兆规律,得出强力柔性支护体系在防冲巷道支护中对巷道围岩应力场、能量场和位移场的关键控制作用明显优于U型钢联合支护体系和锚杆支护体系,且可以很好地适应并控制巷道围岩变形,对构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压防治起到积极且显著的作用。     

丰山铜矿难采矿体地压显现机理及控制技术

阐述了丰山铜矿难采矿体的地压分布规律，分析了巷道失稳破坏的机理，根据地压显现机理，建立了与围岩变形，破坏相适应的地压复合控制技术，应用监测技术平价了地压控制效果，安全采用了难采矿体。     

穿越多破裂面隧道节段衬砌地震损伤破坏振动台试验研究

依托我国西部高烈度地震区穿越大型活动断裂带隧道工程，开展穿越断层带多破裂面隧道振动台试验。根据测点加速度响应、动应变响应、位移响应和震后裂缝形态，研究隧道节段式衬砌结构和围岩在强度递增地震波激励下的能量、损伤变化特征，基于希尔伯特–黄变换(HHT)，从Hilbert边际谱和瞬时能量谱角度讨论围岩和隧道结构的地震损伤发展。研究结果表明：(1)强震作用下模型土表面同震位移显著，根据破裂面两侧围岩同位错量可定义断层破碎带内的主、次破裂面。(2)断层下盘主破裂面附近隧道结构的损伤发展滞后于上盘，0.4 g地震作用下主破裂面附近隧道结构主频和边际谱峰值降幅最大达到了29.1%和87.1%，损伤发展程度远大于其他部位。(3)隧道结构以受拉开裂为主，0.2 g地震作用上盘主破裂面附近仰拱出现拉裂破坏，而拱腰在0.4 g地震作用产生拉裂破坏。(4)断层上盘围岩在0.5 g地震动下主频降幅达到34.7%，围岩损伤程度明显超过下盘和断层破碎带中部。(5)根据隧道结构破坏形态，仰拱是隧道抗震薄弱部位，出现了不同程度开裂，需要加强隧道仰拱的抗震与减震耦合设计；断层上盘交界面附近隧道结构地震损伤最为严重，断层破...     

穿采空区巷道围岩特性分析及稳定性控制

针对芦岭煤矿穿采空区巷道围岩工程环境特性问题,采用现场测试,钻孔窥视,数值模拟等方法,分析巷道在穿采空区不同区段围岩损伤区及矿压显现规律。研究结果表明,巷道穿采空区不同区段围岩具有明显分区特性,采空区上段巷道在逐渐靠近采空区时,损伤区范围逐渐扩大,完整性变差,围岩压力却较小;远离采空区下区段巷道围岩,裂隙发育程度较低,但是围岩压力表现更为明显。因此,结合巷道围岩的工程环境特点提出分区段控制技术方案,远离采空区卸压范围的围岩,主要采用锚杆、锚索加喷层的联合支护技术,改变浅层裂隙岩体的力学性能与围岩形成整体性结构,抵抗更大的围岩应力;采空区及附近围岩采用以U型钢为主体的刚性支护,防止裂隙岩体进一步碎胀扩容而产生的变形。现场支护表明,巷道顶底板及两帮位移量均小于30 mm,现场支护效果明显。     

无底柱分段崩落采矿法开采深埋软破缓倾斜矿体采场地压显现规律

针对小官庄铁矿西区的地质和采矿条件,分别采用采场地压的宏观调查、巷道变形收敛量测、三维弹塑性有限元分析和三维光弹性试验等手段,揭示了用无底柱分段崩落法开采小官庄铁矿西区深埋,软弱破碎围岩和缓倾斜矿体采场地压显现规律。采场地压的显现具有明显的分区分带特征,不同区带中的地压活动程度有很大差异,采场地爪显现具有动态特征。最后指出了影响采场地压显现的重要因素。在—260m水平开采中,采取了相应的措施,有效地控制了地压,获得了巨大成功。     

逆断层附近非均匀应力场声发射测试与巷道稳定性数值分析

由于断层带附近应力集中和围岩破碎严重给巷道断面布设和维护带来巨大安全隐患,需及时掌握断层附近地应力分布和围岩破裂形式及其对周边巷道稳定性影响。选取淮南某矿逆断层上、下盘进行试验,利用MTS试验系统配合声发射测试初始地应力场和岩石破裂方式,经ANSYS对比分析不同应力条件下逆断层附近巷道稳定性。经岩石力学试验发现,砂岩破坏后尺度较小、AE事件数较多,泥岩破坏后尺度较大、AE事件数较少。由地应力实测可知,逆断层附近以构造应力为主,上盘岩层挤压使得下盘总体受力偏大。开挖后巷道周边次生应力在一定范围内出现了应力跌落区,跌落区范围和围岩裂隙发育范围接近。同时,伴随着应力跌落的范围扩大、初始应力减小,岩层开始移动剧烈和围岩破裂范围扩大。由围岩塑性分布和岩层移动可知,调整后主应力有助于提高巷道稳定性。以上研究结果,以期为复杂埋藏环境下矿山巷道的布设和支护问题,提供一定的施工技术依据。     

采矿动态环境中巷道稳定的探索

金川矿山地下工程围岩的工程地质条件差，地压活动强烈，尤其是处于采矿动态环境中巷道的失德更为严重。本文以二矿区二期工程采准巷道为例，论述了巷道的采矿环境、围岩的工程地质特性和施工阶段的变形特征，总结了采矿期间巷道的变形特征。针对采矿动态环境中巷道变形破坏严重的问题，进行了分析探讨。     

含软弱夹层隧道围岩松动破坏模型试验与分析

软弱夹层对隧道围岩稳定起着决定性作用,其松动区、破坏区的形成机制及范围是制定合理支护措施的重要依据。以穿越断层带的高速公路隧道工程为背景,利用室内相似模型试验,对无支护条件下软弱夹层围岩松动区、破坏区的发展过程进行了研究。引入弹塑性损伤本构模型,对试验工况进行有限元数值模拟,与模型试验进行对比验证。研究表明:(1)隧道围岩松动区与破坏区具有相似的形成机制,受到软弱夹层的影响,围岩由下盘局部破坏开始扩展至上盘形成拱形为止;(2)隧道开挖后上盘围岩内的应力变化明显大于下盘围岩,根据周向应力增量大小,可以确定出围岩松动区的范围;(3)数值分析中采用损伤变量判别的围岩破坏区与模型试验吻合较好,具有理论可行性。     

75°倾角正断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验研究

 通过1∶50室内模型试验,开展75°倾角正断层黏滑错动影响下隧道的受力变形机制研究,并监测隧道顶部和底部的地层压力、隧道轴向和环向应变。结果表明,地层的永久变形和地层–结构的相互作用,导致围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘范围内为正,下盘范围内纵向弯矩为负;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D = 1.25 m,理论上该值略偏大。     

60°倾角正断层黏滑错动对山岭隧道影响的试验研究

通过1∶50室内模型试验,模拟了60°倾角正断层黏滑错动下,与之正交的隧道结构的受力变形破坏过程,并布置传感器监测了隧道顶部和底部的地层压力、隧道轴向的应变和隧道环向的应变。试验结果表明,地层的永久变形和地层-结构的相互作用,导致了围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘和剪切带范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘和剪切带隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘和剪切带范围内纵向弯矩为正,下盘范围内为负,隧道偏心受压;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D=0.3m,理论上该值略偏大;隧道衬砌破坏区域,在剪切带和下盘范围分别为0.75和1.5倍隧道宽度。     

断层上下盘开挖引起岩移的断层效应

受断层影响,在断层上盘开挖与下盘开挖时具有不同的岩移机理。采用理论和数值分析的方法分别对陡倾断层上下盘开挖这两种工程状态下的岩移机制进行了研究,结果表明:当陡倾断层位于开挖引起的岩体变形的拉张区时,不论是在断层上盘开挖还是下盘开挖,都会使垂直断层面产生附加张应力,使其抗剪强度减小,在自重体积力作用下总会表现出具有正断层方式的错动,在地表以断层陡坎或台阶状的地貌形态出现,向下到断层"活化"--错动段的下限,错距逐渐减少到零。     

采矿动态环境中巷道稳定的探索

金川矿山地下工程围岩的工程地质条件差，地压活动强烈，尤其是处于采矿动态环境中巷道的失稳更为严重。本文以二矿区二期工程采准巷道为例，论述了巷道的采矿环境，围碉的工程地质特性和施工阶段的变形特征，总结了采矿期间巷道的变形特征。针对采矿动态环境中巷道变形破坏严重的问题，进行了分析探讨。     

金川二矿区地下巷道变形监测分析及应用

金川矿山地下工程围岩的工程地质条件差，地压活动强烈，尤其是处于采矿动态环境中巷道的失稳更为严重。通过对二矿区地下巷道的长期变形监测，结合现场工程地质调查研究，综合分析了采准巷道的失稳主要受采动因素和岩体结构因素的影响。提出二次支护与巷道破坏后的重新支护宜强不宜弱的论点与地压控制措施，为后续采矿的顺利进行提供科学依据。     

断层破碎带在渗流作用下应力特征及控制

采用瞬变电磁仪对回风巷穿越断层破碎带的现场水文情况进行探测,获取区域地下水在巷道两帮集聚导致低阻异常区存在的水文特征。建立了回风巷赋水断层三维流固耦合力学模型,模拟分析了断层破碎带在动压及渗流作用下的应力分布及变形特征。研究结果表明:孔隙水压力集中区和巷道两帮压应力集中区具有一致性,随着与断层距离的减小,双场集中区中区由两帮向顶角处转移;回风巷围岩变形失稳概括为3个阶段:即,两帮压密顶底板产生张拉裂隙阶段;地下水向巷道渗透及围岩软化阶段;围岩变形持续增大阶段。为控制回风巷进一步变形,提出了对两帮及底板进行注浆加固的方案。     

二里河铅锌矿采场结构参数及巷道布置研究

二里河铅锌矿目前正在准备开采埋深500~800 m的深部矿体,从已掘进的1 100 m中段探矿巷道地压显现来看,深部的采场结构参数及巷道布置位置需要优化。应用FLAC^3D正交数值模拟采场结构参数对采场稳定性的影响,建立多指标综合评价模型以便优选采场结构参数;应用FLAC^3D分析距矿体下盘边界不同距离的巷道围岩应力变化,借助监测巷道顶底板上某点的应力变化趋势优选巷道布置位置。研究结果表明:深部采场最佳结构参数为矿房走向长度40 m,间柱厚度10 m,顶柱厚度12 m,其中,顶柱厚度对采场稳定性的影响最显著,增大顶柱厚度是提高采场稳定性的最有效途径;下盘脉外运输巷道布置在距矿体下盘边界线12 m处最为合理;距巷道较近的本中段矿体开采是引起巷道地压显现的主要原因,矿柱回采会加速中段运输巷道的破坏。实践证明,深部采场结构参数及巷道布置的研究结论合理、可靠。     

大同矿区特厚煤层综放回采巷道强矿压显现机制及控制技术

为保证大同矿区特厚煤层开采过程中临空巷道超前支护段的稳定性与可用性,采用理论分析与现场实测相结合的方法,得到巷道超前支护段的强矿压显现机制。研究表明:侏罗系煤层采空区区段煤柱应力集中影响区深度仅50~70 m,不足以影响石炭系工作面回采巷道的强矿压显现;石炭系工作面临空巷超前支护段的强矿压显现,主要受工作面采动超前支承压力及相邻工作面采空区悬顶的双向高支承压力的影响,且当工作面过上覆煤层采空区边界煤柱后,侏罗系煤层顶板大结构被重新激活,再次运动失稳,加剧了临空巷道的强矿压显现。提出并实施巷道顶板水压致裂有效控制技术,对同忻矿8105工作面5105临空巷实施定向高压水力致裂,实现巷道围岩高应力的转移,大大降低了临空巷超前支护段的强矿压显现强度,取得良好的临空巷卸压效果,保证了特厚煤层综放工作面的正常生产。     

近距离采空区下大倾角厚煤层开采矿压显现规律研究

针对近距离煤层群采空区下综采工作面矿压显现规律的差异性,为预防大倾角工作面发生片帮、冒顶、压架等事故,需对多煤层开采支承压力分布、支架受力特征及控制进行深入的研究。以潘北矿5煤和4煤近距离大倾角煤层开采为背景,对工作面前方煤体塑性区范围进行较深入的理论分析,得到煤壁支承压力分布特征;并采用FLAC3D对12124工作面回采过程中围岩力学特征进行数值模拟,获得采空区下12124工作面前后方应力分布特征、应力峰值大小及位置;通过现场实测得到支架工作阻力分布特征、支架最大工作阻力及位置。研究结果揭示近距离采空区下大倾角厚煤层综采支承压力演化叠加机制,提出工作面矿压控制对策,取得良好的应用效果。