地质结构影响下的金属矿山地压显现机制初探

以金山店铁矿东区为工程研究背景,采用地质调查、位移监测、数值模拟及理论分析方法,开展地质结构影响下的金属矿山地压显现机制研究。研究结果表明,随采矿进深,岩体结构面对采空区围岩地压显现的范围具有明显控制作用,在陡倾优势结构面作用下,采空区上盘围岩形成反倾岩壁,下盘围岩形成顺倾岩壁,上盘地压显现范围远大于下盘;地压显现特征差异明显,结构面主控区的巷道以断面整体偏转变形为来压特征,断层控制的巷道以顶板垂直垮落为主、来压更为剧烈;地压显现的空间错动效应是结构面产状和局部断层滑移综合作用的结果,表现为开采阶段巷道稳定、而已采及深部未采矿体的阶段运输巷道发生大面积连续垮塌冒落。     

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...     

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。     

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。     

陡倾岩层隧道开挖力学特性研究

陡倾岩层隧道由于层状结构的存在,在开挖过程中,围岩的破坏机理与方式、围岩与结构的变形、受力等特征明显不同于其它岩体隧道。本文在陡倾岩层隧道开挖破坏机理探讨的基础上,通过三维数值模拟,对不同陡倾角条件下围岩与结构的变形、受力特征进行了计算,分析了隧道开挖力学特性与倾角的关系,提出了陡倾岩层隧道设计施工建议。计算结果表明:倾角越大,隧道发生顺层滑移破坏的概率越大,地表沉降、拱顶位移、围岩主应力随倾角的增大而增大,但拱脚位移、围岩剪应力、喷射混凝土内力与倾角并非一致性关系。     

平缓反倾采动滑坡形成的地质力学模式研究——以贵州省马达岭滑坡为例

 马达岭滑坡是典型的采矿诱发型滑坡,自然斜坡为平缓反倾层状结构。以马达岭滑坡为原型,采用物理模拟方法,研究两层开采条件下采动斜坡的变形过程,并分析该类斜坡变形破坏的地质力学模式。研究表明：煤层开采后采空区边界上覆岩体产生应力集中,导致采动裂隙首先产生于该部位,以陡倾竖向倾倒式裂隙为主,裂隙向采空区中部扩展并逐渐形成离层裂隙和剪切裂隙;变形稳定后采空区上覆岩层弯曲,在地表形成沉陷区;受采空区上覆岩层沉陷的推挤作用,外侧坡体沿煤层向坡外滑移,导致坡体下部隆起。该类斜坡变形破坏的地质力学模式可以分为：弯曲–拉裂(“表生”改造阶段)、塑流–拉裂、蠕滑–拉裂3个阶段。     

金属矿山地下开采引起岩体变形规律浅析

 地下金属矿山开采往往会引起周围岩体的不连续变形,地表变形监测与深部岩体变形监测是了解岩体变形的最直接、最有效的方法,也能为评价地表构筑物安全性提供依据。以金山店铁矿东区为例,依据近六年的监测数据,对矿体周围岩体变形规律进行了分析,并阐述了岩体变形程度与趋势。结果表明：在地下开采影响下,金山店铁矿东区采空区上方岩体发生冒落式塌陷;塌陷坑周边岩体在卸荷作用和采矿作用共同影响下发生拉裂、滑移;距离采空区较远的区域,地表呈现连续变形特征。根据不同的变形特征可以把岩体分为垂直冒落区、拉伸滑移区、变形移动区、微变区和未扰动区五个区域。其中,垂直冒落区和拉伸滑移区为不连续变形区,微变区和未扰动区为连续变形区,变形移动区为变形过渡区,位于不同区域的构筑物存在不同程度的破坏。在采矿作用下,变形移动区会逐渐向拉伸滑移区转变,从而使地表变形程度和范围逐步扩大。     

采空区对铁路隧道工程结构影响分析

随着我国高速铁路建设的发展,越来越多的新建铁路工程位于矿产地下采空区附近,矿区开采后形成的采空区对铁路隧道工程安全性影响已日益成为亟需解决的工程问题。针对采空区引起地表塌陷危及隧道安全的问题,结合张吉怀铁路隧道工程情况,通过理论分析类比法,并采用Flac3D有限元软件进行数值计算,综合分析了杜夜锰矿地下采空区引起的地面变形影响范围以及铁路隧道变形情况。结果表明,杜夜锰矿开采后的采空区引起的围岩变形主要集中在矿体上方以矿体底部按岩石移动角作斜线包含的区域,区域外围岩变形迅速变小;采空后引起张吉怀铁路隧道变形影响距离保守估算取221m;杜夜锰矿采空区引起的隧道变形在允许范围内。     

覆岩离层注浆控制地表沉降技术的理论与实践

1　前　　言 地下采矿引起岩层移动和地表塌陷 ,造成地面建筑设施破坏。塌陷盆地大面积积水 ,可使农田绝产 ,有限耕地面积减少 ,人们赖以生存的环境恶化 ,采矿与环境保护之间的矛盾日趋尖锐。已有的旨在减少地表塌陷的开采方法 ,如局部开采法、限厚开采法和采空区水砂充填法 ,由于生产效率低 ,已经不能满足当前高产高效现代化矿井生产的需要。辽宁工程技术大学开采损害与控制工程研究中心与抚顺矿务局联合开发研制了覆岩离层注浆控制与减缓地表沉降的专利技术 ,是利用发电厂粉煤灰配成浆液通过地面钻孔高压注入地层中 ,达到了控制与减缓地表沉降的目的。该项技术不仅可以减少由采矿引起的地表塌陷危害 ,而且还解决了电厂粉     

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。     

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。     

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。     

采矿引起的倾倒滑移变形机理及其控制

倾倒变形边坡一般具有反倾边坡结构,其变形的过程和机理比较复杂,涉及的变形岩体范围较大、危害严重。通过岩体位移监测资料的跟踪分析、并对抚顺西露天矿典型高边坡倾倒滑移变形体进行了数值模拟试验,分析探讨了采矿活动作用下的倾倒滑移体变形机理及其对地面变形的影响。分析结果表明,采矿引起的倾倒滑移变形问题是在特定的地质构造和采矿工程条件下产生的,边坡体反倾段岩层变形在整个边坡的变形中起主导作用,地表地基变形主要由断层南侧倾倒滑移体的变形所致,并针对实际问题提出了变形整治方案。     

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。     

陡倾角沉积岩地层中大型地下厂房开挖围岩 变形失稳特征和反馈分析

 介绍彭水水电站地下主厂房洞室施工过程中高边墙围岩的变形破坏特征、相应的加固处理措施以及围岩监测成果等;在此基础上,开展主厂房围岩施工期的动态反馈分析。研究结果表明：对于陡倾角层状岩体中开挖的大型地下洞室群,围岩中分布的软弱结构面和岩层层面对上、下游边墙的变形与稳定起着控制性作用,陡倾角、顺向岩层组合的高边墙其变形失稳模式以典型的滑移破坏为主;而陡倾角、逆向岩层组合的高边墙则以沿层面的张裂、折断、倾倒变形后的坍塌破坏为主。通过开展施工期围岩监测反馈分析,为彭水水电站地下厂房的动态设计和信息化施工提供了重要依据。     

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。     

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。     

厚覆盖岩层条件下地下采矿的地表及围岩变形破坏特性模型试验研究

以某矿山为原型,通过地质力学模型试验,深入分析了厚覆盖层岩层条件下地下采矿引起的地表变形陷落特征和采空区围岩的变形和破坏特征,同时分析了地表变形陷落和围岩变形时间效应特征以及采空区围岩破坏机理。与相应的各种数值模拟结果(二维弹塑性有限元、三维弹塑性有限元、二维离散元等)进行了对比分析,发现物理模拟试验结果比各种数值模拟计算结果更接近于工程现场原位监测结果,试验得到了许多数值模拟无法得到的颇具启发性的全新认识。试验所得出的最优起采深度和一些新认识被有关方面所接受和采用。对工程实际具有重要的指导作用。     

采动作用下含深大岩溶结构面坡体裂隙扩展及变形破坏规律

中国西南高陡岩溶山区崩滑灾害频发,长期地下采矿活动是该区域崩滑灾害的重要诱因之一。采动作用下,坡体后缘深大结构面扩展演化控制着高陡岩溶坡体稳定性和失稳破坏模式。在野外地质调查基础上,结合室内物理模型试验和离散元数值模拟,揭示了地下开采扰动下覆岩裂隙扩展演化规律,阐明了深大结构面对边坡稳定性的控制作用,讨论了坡体变形的破坏模式。结果表明：地下开采扰动对斜坡体稳定性的影响主要表现在地下采动卸荷引起覆岩应力重分布、山体变形诱使裂隙扩展;地下采空后,斜坡体在二维剖面上形成类似“悬臂梁结构”,坡体原有深大结构面控制坡体稳定性;下行开采条件下,采空范围在断层之前,山体高度较小,在自重作用下“悬臂梁结构”岩层向断层及采空区方向协同变形,不会产生大量离层裂隙,煤层顶板仅发生断裂坍塌并充填采空区,采空至断层后,左侧山体已发生塌落,山体应力重分布,覆岩在自重作用下形成大量张拉裂隙,直接顶塌落高度与裂隙带高度也随采空区范围增加而增加。其变形破坏演化过程可概化为：地下开采卸荷–应力重分布→覆岩断裂下沉–裂隙扩展→坡体裂隙贯通–悬臂破坏→坡中变形挤出–岩桥剪断→坡体整体失稳破坏。     

程潮铁矿东区地下采矿引起地表沉降和岩层移动初探

以大量的现场实测资料为基础，分析了程潮铁矿东区地下采矿引起的地表沉降和岩层移动规律。东区现有地表下沉属于不连续下沉，岩层破坏主要是缓慢型破坏。当矿体开采深度与回采累计垂直高度的比值大于17时，岩层移动不会波及到地表：当矿体开采深度与回采累计垂直高度的比值小于17时，分三种情形考虑。