车辆荷载作用下露天矿采空区顶板安全厚度研究

采空区的存在对露天矿的安全生产构成极大威胁,而顶板是决定空区稳定性的重要因素。针对弓长岭露天矿已探明采空区进行了顶板安全厚度分析。建立了车辆荷载作用下的采空区顶板的力学模型,推导了顶板的振动方程,获得了其安全厚度计算式。结合弓长岭露天矿采空区实际情况,分析了车速、车质量、顶板厚度和跨度对顶板岩梁动态响应的影响规律,计算了不同顶板抗拉强度、跨度组合和不同车质量时的顶板最小安全厚度值,并据此分析了安全厚度的变化规律,对该矿区的安全生产具有重要意义。结果表明：顶板岩梁中的动弯矩与车速、车质量以及顶板跨度近似呈线性关系,且随顶板厚度增加而减小,顶板厚度越小,动弯矩减小幅度越大;顶板最小安全厚度随其抗拉强度增大而减小,随其跨度、车质量的增大而增大。     

采空区顶板破坏机理研究及安全厚度确定

采空区是造成我国矿山灾害事故的重要原因,其顶板安全厚度的确定是一直未能得到很好解决的难题。首先基于薄板理论提出采空区顶板厚度计算新方法,揭示空区顶板安全厚度与顶板几何尺寸及矿石力学特性指标的关系。在得到理论解的基础上,从力学角度分析顶板破坏原因和过程,采用ABAQUS有限元分析软件建立采空区顶板的数值力学分析模型并进行模拟,分析采空区顶板破坏过程和各因素的影响规律。通过数值模拟对采空区顶板进行应力、应变及顶板位移的塑性分析,得到不同顶板厚度、不同采空区跨度等对应力场、位移场的影响规律和采空区顶板安全厚度与采空区跨度的回归曲线及方程。最后通过理论解与数值模拟的比较确定齐大山某空区的顶板安全厚度。     

铁矿山采空区顶板安全厚度数值模拟

介绍了当前空区顶板安全厚度的研究现状,以齐大山铁矿为背景,利用FLAC3D和RFPA软件分别对地下隐伏采空区在载荷作用下的顶板稳定性进行分析,模拟了载荷作用下的顶板安全厚度与跨度之间的关系。计算结果显示:齐大山铁矿顶板的安全厚度与地下空区的跨度近似呈线性关系,实际工程中应以顶板最小厚度1.3倍的安全系数考虑。为推断齐大山铁矿顶板矿柱的安全性提供了理论指导。     

多因素耦合下的采空区上覆岩层安全厚度分析

为了研究露天矿多因素耦合下的采空区上覆岩层安全厚度变化规律,针对河曲露天矿已探明采空区进行了顶板安全厚度分析;建立采空区及周边岩体的数值模型,分析不同跨度的采空区在震动载荷因素和双采空区叠加影响下顶板沉降位移变化规律。结果表明:采空区上覆岩层安全厚度随采空区跨度的增加而增大,且采空区跨度达到60 m时,上部岩层发生严重破坏;考虑震动荷载时,随着采空区跨度的增大,震动荷载的影响越为明显;双采空区产生叠加影响的采空区间距范围为40 m以内。综合采空区上覆岩层安全厚度的理论分析与数值模拟结果,给出河曲露天矿开采范围内的采空区处置方案。     

联合采矿法回采挂帮矿时采空区的临界冒落跨度研究

露天转地下过渡期挂帮矿开采方法有多种,其中联合开采是解决过渡期产量平衡的有效方法。使用联合采矿法会形成非连续的采空区,这些采空区将影响矿山的安全生产,因此,需要研究安全合理的空区处理方法,诱导冒落法是近几年兴起的一种新型空区处理方法,采用诱导冒落法时需要提前确定采空区的临界冒落跨度和散体垫层的安全厚度,文章结合某铁矿挂帮矿体的实际情况,首先利用解析法计算出空区的临界冒落跨度和散体垫层安全厚度,然后通过数值模拟对矿柱回采过程中空区顶板围岩的位移、应力进行分析,补充验证了采空区的临界冒落跨度,并证明了采用此方案处理采空区的可行性,对矿山的生产施工具有一定的指导意义。     

地下开采转露天复采复杂采空区顶板厚度的研究

为研究地下采空区顶板厚度对后期露天开采的影响,以紫金山金铜矿地下开采转露天复采为研究背景,运用5种经典理论计算公式对单一采空区顶板厚度进行计算,得出了顶板厚度的优化值; 并结合FLAC^3D有限元软件分析了多个采空区相连时所需的顶板安全厚度,提出了最优的采空区矿房跨度取值。结果表明,采矿量相同时,采空区矿房跨度越小,顶板越稳定,最小安全顶板厚度越薄; 为提高开采效率及安全等级,可适当减小采空区的矿房跨度。     

采空区临界安全顶板预测的厚度折减法

借鉴强度折减法计算边坡安全系数的思路,提出采空区安全顶板预测的厚度折减法.不断调整顶板厚度,直到其达到临界破坏状态,此时对应的顶板厚度即为安全顶板厚度.当顶板达到临界状态时,其位移将发生突变,计算不收敛,因此,将静力平衡方程组是否有解、计算是否收敛作为顶板破坏的标准.采用同时考虑拉伸和剪切破坏的Mohr-Coulomb准则,对某一采空区顶板安全厚度进行预测,并对采空区周围的应力和变形进行分析,结果表明：当采空区跨度分别为4,7,10,15,20,25 m时,顶板安全厚度为2.1,5.2,9.2,12.3,16.6,22.9 m;采空区跨度较小时,塑性区范围较小,顶板主要破坏形式为冲切破坏;随着跨度的增大,塑性区面积增加,破坏形式转变为垮落;当顶板发生破坏时,计算的不平衡力无法收敛,位移不断发展,位移最大值区域位于采空区正上部.     

缓倾斜多层矿体叠跨空区顶板应力分析

在缓倾斜多层矿体的开采过程中,往往会形成大量的采空区,且采空区在空间上呈错落分布。此时,叠跨空区顶板的重叠率和稳定性是影响采场稳定的关键性因素。根据梁模型理论和叠加原理,建立叠跨空区顶板应力力学模型,分析不同空区重叠率下叠跨空区顶板的应力分布规律,得出叠跨空区顶板稳定极限状态。以上横山矿区钒矿段为例,分析叠跨空区顶板应力分布随空区重叠率变化的关系。结果表明,当空区重叠率逐渐降低,叠跨空区顶板内的最大主应力值逐渐减小,最大剪应力值逐渐增大;当V8矿体与V11矿体的空区重叠率减小至40%～48%时,叠跨空区顶板发生剪切破坏而失稳。     

基于梁模型的采空区顶板安全厚度计算

空区顶板厚度影响采空区地基承载力.梁理论是确定顶板安全厚度的主要力学模型之一,结合某一工程实例,探讨了考虑载荷作用范围的3种典型梁简支梁、悬臂梁和两端固定梁,得出了相应的顶板安全厚度.     

构造应力型矿山顶板覆岩移动冒落响应特征研究

为了分析自然崩落法在覆岩整体性较好的构造应力型矿山应用的可行性,以龙桥铁矿为工程背景,借助数值计算、现场监测手段,重点对顶板岩层移动冒落力学响应机理进行研究。结果表明:构造应力促使离空区一定距离的顶板覆岩形成明显的应力集中区,并随空区跨度增大沿顶板覆岩向地表方位移动,同时伴有应力集中和应力释放的现象,构造应力成为破坏顶板覆岩完整性的动力源,增加顶板覆岩自然冒落的机率;空区的形成,使得空区相邻顶板覆岩为拉应力区,且随空区跨度增大沿倾向和纵向方位扩展,拉应力值呈平稳增加趋势,当跨度趋近临界跨度时,顶板覆岩拉应力值增大明显,预示着空区顶板呈现移动冒落现象;空区跨度继续增大时,覆岩拉应力值在保持平稳波动外,顶板覆岩遭受拉伸剪切破坏的范围在扩大,顶板岩层也在持续冒落。     

充填体荷载作用下金属矿山采空区顶板稳定性分析

针对如何提高研究区深部矿体采矿活动安全性的问题,通过理论计算方法和数值模拟计算法对采空区顶板的稳定性进行了分析。结果表明,厚跨比理论、载荷传递交汇线理论和结构力学梁理论求得的采空区顶板安全厚度基本一致,具有较好的线性变化关系,获得采空区顶板安全距离为10.0～18.0 m(采空区跨度为20 m);通过数值模拟极端后,确定了研究区顶板的临界破坏厚度为12.5 m,最终确定了采空区顶板的安全厚度为15 m。此时,采空区的水平方向最大的位移量可达28.2 mm,垂直方向上最大下沉量可达368 mm;采空区开挖后的最小主应力为-1.42 MPa,最大主应力为-6.7 MPa。     

基于能量法的露天开采下采空区顶板安全厚度研究

为了确定露天开采下采空区顶板安全厚度,基于力学理论,分析了露天开采下采空区顶板受力特性,建立其固支梁力学结构模型。根据能量守恒原理,推导了由顶板弯曲应变能、水平荷载做功和垂直均布荷载做功组成的采空区顶板结构总能量方程,获得了采空区顶板势能函数解析式。采用突变理论,建立了采空区顶板系统的尖点突变模型,获得了采空区顶板失稳判别式,推导出采空区顶板安全厚度计算模型。对某露天矿采空区顶板厚度进行了应用案例分析,理论计算出的最终采空区顶板临界厚度为11.34 m,与现场安全预警经验值12 m基本一致。表明所建立的采空区顶板安全厚度计算模型合理可行,可为露天开采下采空区顶板安全厚度设计提供一定的理论依据和工程指导。     

基于突变理论的两断层中间区域重叠顶底板稳定性分析

为了实时保障位于两断层中间区域矿体开采时采场内作业人员和设备的安全。根据采场顶板破坏特征，结合数值模拟分析结果，运用结构力学分析方法，将采场重叠顶底板简化为固支梁力学模型。基于尖点突变理论，构建采场重叠顶底板的尖点突变模型，在充分考虑断层作用下采场重叠顶底板两端所受拉应力的前提下给出了采场重叠顶底板的失稳判据，为实时判断采场重叠顶底板稳定性提供了一个简单及时有效的计算公式，并通过工程实例验证了计算公式的准确性。结果表明：特殊断层会加大顶板岩梁受到的拉应力与X方向位移，且在重叠顶底板厚度一定的情况下，顶板受到的拉应力与X方向位移越大，重叠顶底板越容易发生失稳。     

空区顶板安全厚度和临界跨度确定的数值模拟

为了确定空区上方顶板厚度和临界跨度之间的关系,本文以某露天铁矿采空区群为工程实例,通过现场取样测定的岩石力学参数为基础获得顶板岩体力学参数,采用K.B.鲁别涅依他公式法、厚跨比法、结构力学梁理论、平板梁理论法对其进行计算。同时,作者利用RFPA数值模拟方法对空区顶板的损伤及垮塌过程进行数值模拟,计算空区顶板发生初始损伤和失稳垮塌时顶板安全厚度与临界跨度之间的关系。K.B.鲁别涅依他公式法所得结果与RFPA计算的顶板发生初始损伤时的数值结果最为接近,两者的比值可认为是从数值模拟获得的安全系数。由此可见,由K.B.鲁别涅依他公式法计算的顶板临界厚度保留了很大的安全系数,基于RFPA的数值模拟可以计算该安全系数,具有更为广泛的适用性。     

基于CDEM的采空区稳定性及临界顶板厚度分析

地下隐伏采空区易导致地表塌陷等问题发生,采空区的顶板稳定性关乎到露天开采的安全,确定采空区临界顶板厚度对采空区安全评价具有重要意义。采空区临界顶板厚度的影响因素复杂,与采空区的几何参数及岩体物理力学参数等多种因素相关。通过量纲分析建立无量纲表达式,得到影响临界顶板厚度的无量纲参数。在此基础上,借助CDEM数值计算方法建立数值模型并进行计算分析。建立了二维采空区数值模型,通过改变采空区的几何参数及岩体物理力学参数,计算采空区顶板的安全系数,研究以上因素对采空区稳定性的影响规律,识别影响顶板安全系数的主要影响因素。建立了采空区二维模型和三维模型的计算模型,得到了无量纲表达式中无量纲临界高度与无量纲强度间的关系,采用指数函数进行拟合得到响应的关系表达式。研究表明：弹性模量、泊松比对临界顶板厚度影响不大,采空区高度对临界顶板厚度无影响;黏聚力对采空区安全系数影响最大,采空区跨度、岩体内摩擦角、岩体密度次之;采空区无量纲高度与无量纲强度之间存在指数衰减关系。     

露天开采下地下采空区顶板安全厚度的确定

目前国内有不少露天矿山在生产过程中面临着境界内地下采空区的严重威胁。以河南洛钼集团露天开采境界内采空区群为工程实例,根据结构力学和材料力学等理论,综合采用结构力学梁法、K B..鲁佩涅依特理论估算法等进行计算,并对计算结果和三维数值模拟分析结果进行比较,建立了采空区顶板最小安全厚度与采空区跨度之间的对应关系。这对指导露天矿的生产和维护作业人员及设备的安全具有十分重要的意义。     

基于突变理论的采空区顶板安全厚度多因素预测模型

确定采空区顶板安全厚度对保证矿山作业安全具有重要意义。本文采用有限差分软件FLAC3D,基于尖点突变理论和强度折减法研究西石门铁矿采空区顶板安全系数与其厚度的函数关系,建立了顶板安全厚度判断方法。在此基础上,通过单因素试验研究了采空区纵深、跨度、高度、顶板粘聚力与抗拉强度对采空区顶板安全厚度的影响,结果表明：纵深、跨度、顶板粘聚力、抗拉强度与顶板安全厚度之间分别呈现线性、非线性正相关、非线性负相关、非线性负相关的变化关系;高度对顶板安全厚度的影响非常小。并建立了综合考虑采空区纵深、跨度、顶板粘聚力与抗拉强度4种因素的采空区顶板安全厚度预测模型,为确定采空区顶板安全厚度提供了一种新的研究方法。模型预测结果与某硫铁矿瞬变电磁勘探结果相吻合,验证了预测模型方法的科学性和有效性。