破碎围岩条件下采场留存矿柱稳定性分析

采用岩体分级方法(RMR法)、Q系统和地质强度(GSI)指标对矿岩进行了工程地质评价,并通过扩展后的Hoek--Brown节理强度准则进行岩体力学参数确定.根据白羊矿段矿柱布置形式,推导出矿柱荷载公式,并确定了矿柱强度计算参数.针对井下矿柱主要破坏形式分别进行失稳机理分析.将正交设计法引入采场结构参数优化分析中,对各开采方案进行了三维数值模拟.运用正交极差分析法对矿柱稳定性影响因素敏感度进行评价.实践结果表明:采场高度控制在3.5～4.5 m,矿房宽度取值不大于5 m,矿柱直径不小于3.5 m留存矿柱稳定性基本能得到保障.     

崩落法转阶段嗣后充填法采场稳定性分析

借助修正后的RMR方法对和睦山铁矿工程岩体进行了分级.分别采用厚跨比法、结构力学梁理论以及普氏拱理论对矿柱进行了研究,获得了嗣后采场破坏模型以及采场失稳演化过程.分析了采场尺寸、矿岩坚固性系数、抗拉强度以及内摩擦角对崩落法转阶段嗣后充填法采场稳定性的影响.通过极限平衡法建立了阶段嗣后充填法矿柱安全系数方程.研究结果表明:矿岩的坚固性系数和抗拉强度对顶板临界厚度影响明显;矿岩的内聚力对矿柱的安全系数影响最为显著.最后将上述结果应用到和睦山铁矿嗣后采场稳定性分析中,得到了块矿地带的采场顶板临界厚度和矿柱安全系数,并从理论角度分析19~#矿房跨塌的原因.     

浅部采场地压的试验研究

本文根据龙头锰矿李家背矿段试验采场室内模拟试验结果,和现场试采了一个采场(上部),三个矿房(下部)的初步观察,分析研究了覆岩厚度六十余米时,开采缓倾斜(8°～12°)矿层采场围岩移动的特点和矿柱承压的性态。试验研究表明,采场顶板岩层的稳固性土要受岩层层面、节理、裂隙的制约;全面法采场中留下的不规则矿柱,承压大,且随顶板暴露面积和时间的增加而增加;在开采多层近距矿层时,上下对齐地留设矿柱,利于回采作业的安全。     

条带法开采控制地表沉陷的新探讨

本文以相似材料物理模拟、有限元数值模拟和力学分析为手段;对条带法开采控制地表沉陷进行了深入的研究.揭示了条带法开采顶板岩层的破坏过程、破坏形态、破坏范围及整个覆岩体的移动与变形规律,特别是对波浪状下沉在覆岩中的传播机理和传播高度进行了较深入的探讨.给出了覆岩中波浪状下沉传播高度与条带采留宽度尺寸之间的关系和条带法开采地表下沉系数的表达式.划分出了条采覆岩破坏的三个影响带.在此基础上,提出了控制地表沉陷条带来留宽度设计所遵循的三个原则:即地表允许变形原则,煤柱稳定性原则和回采率原则.根据这三个原则,得出了条带采留宽度合理尺寸新的确定方法.所得结论对条带开采设计具有指导意义.     

深部回采矿柱稳定性影响因素分析及其应用

为研究深部回采过程中矿柱稳定性影响因素的敏感程度,在保证矿柱安全的前提下,科学设计合理的矿柱宽度至关重要。以黑良山磷矿为研究背景,分析深部回采矿柱承载机理、失稳形式和主要影响因素,运用普氏理论和BIENIAWSKI矿柱强度公式推导方形矿柱的安全系数计算公式。设计基于正交试验的极差分析法对矿柱稳定性影响因素的敏感性进行分析,并研究矿柱安全系数与主要影响因素之间的关系。结合黑良山磷矿工程实例,计算深部开采中矿柱的合理宽度。研究结果表明:对矿柱稳定性影响最显著的因素为矿柱宽度、矿房宽度和矿柱抗压强度;矿柱安全系数随矿柱宽度的增加呈幂函数递增,随矿房宽度的增加呈负指数递减,随矿柱抗压强度的增加呈线性函数递增;验证了所计算的深部开采中矿柱宽度的合理性,可为深部开采中矿柱合理宽度设计提供依据。     

采动覆岩破坏演化特征模型实验与分析

采动覆岩破坏演化特征研究对煤炭安全开采具有重要指导意义。以新疆哈密大南湖一矿1303工作面为研究对象,根据开采技术条件,构建采动覆岩破坏演化特征实验模型;分析覆岩运移特征与声发射监测信息,揭示了采动覆岩单次破裂及来压过程中多次破裂的能量耗散与演化特征,其历程分别为"释放-积聚-释放"与"裂隙扩展-破裂-垮落"。借助钻孔电视判定覆岩破坏演化高度,结果表明:工作面开挖后,覆岩破坏高度随模型开采持续增加,但受下方煤岩体碎胀效应影响,覆岩破坏高度增幅随来压次数增加而逐渐降低。工作面推进至246.4 m时,破裂岩块间形成稳定的挤压平衡结构,工作面达到充分采动状态,采动覆岩破坏高度峰值为96.0 m.相关研究成果为指导工程实践提供了定量依据。     

倾斜中厚矿体采场宽度优化

采用弹性力学分析得到顶板受力状态与采场宽度的关系,在计算所得采场安全开采最大宽度为12.1 m的基础上,结合矿山实际开采条件,提出采场结构参数初选方案;运用数值分析方法模拟获取不同结构参数下采场的力学响应特征;采用多目标决策理想点法综合考虑安全和经济两大因素,计算各方案评价指标集与理想解的向量相似度,得到各方案的优越度排序,最终实现采场结构参数的综合优化。研究结果表明:在开挖过程中,最大压(拉)应力与矿房宽度和矿柱宽度成正比,塑性区体积与矿房宽度成正比,安全率与矿房宽度成反比;矿房宽为12 m、矿柱宽为8 m的方案为综合考虑安全与经济因素的开采最佳结构参数方案。     

多煤层开采导水裂隙带发育与 覆岩破坏高度规律

为了进一步揭示多煤层开采过程中,采动裂隙带发育规律的影响因素与采空区水的变化特性,以公乌素煤矿为研究对象,分别研究了该矿区煤层的覆岩类型及其对覆岩破裂的影响,从理论和数值模拟的角度研究了多煤层开采对覆岩破坏高度的影响.研究结果表明:(1)煤层覆岩越坚硬,覆岩破裂带发育的高度较大,导水裂隙发育就越高,反之,则容易下沉,但不易产生开裂,最终表现为覆岩破坏高度降低;(2)煤层采动过程中,开采厚度、开采方法、工作面跨度、开采深度与导水裂隙带的高度变化呈正相关关系;(3)公乌素煤矿倾斜煤层回采的导水裂隙带的分布沿工作面的倾斜方向整体呈不对称“马鞍形”破坏特征,多煤层下行开采过程中,下部煤层开采可以有效地减小上覆岩层采动引起的应力集中现象,且采空区的卸压范围及高度也随之增加.相关研究成果可为同类型矿井安全开采提供参考依据.     

大汉石膏矿深部开采合理间柱宽度研究与应用

兰陵石膏集团大汉矿-520 m深部地压显现明显,爆破震动对巷道围岩损伤程度逐渐加重,出现变形增加、劈裂的现象,以原设计采场结构参数(采宽6 m,采高15 m,采长20 m,留设6 m间柱)进行开采难以满足安全生产的要求。在实测爆破震动波速的基础上,应用FLAC3D有限差分软件,对大汉石膏矿-580 m水平深部采场稳定性进行动力学分析。结果表明,在矿房尺寸不变的情况下,留设6 m、8 m间柱时,在静力及爆破震动影响下,间柱均出现较大范围的剪切破坏区域。严重影响采空区的稳定性;留设10 m间柱时,围岩无明显损伤区域。因此推荐合理间柱宽度为10 m,经过现场实验及位移监测,得到了较好的安全效果,对此类矿山深部安全开采具有一定的指导意义。     

高含泥破碎矿体中基于预加固注浆的采场支撑体系优化

为解决汤丹铜矿4号矿体含泥量高、矿石回收率低及回采安全性差等问题,优选MP364化学树脂对其进行采前预加固注浆;首先,通过理论分析与现场注浆试验确定合理的注浆参数,并根据室内力学试验确定注浆后矿岩的力学参数;然后,对采场支撑体系进行研究并以矿柱宽度B与矿房宽度W为因素,基于正交设计确定9种采场结构参数;接着,分析不同方案的矿柱安全系数,并利用ANSYS与FLAC 3D等软件对地表岩移等指标进行数值模拟;最后,基于安全性考虑确定最佳的采场结构参数。研究结果表明:按推荐的注浆及采场结构参数开采的效果较好,放矿过程中矿石含泥量大大降低,矿石回收率与炮孔成孔率分别比矿山原有方案提高4.7%与20%,且注浆至今无发生空区垮塌或变形等情况。     

基于空区结构效应的残矿开采作业环境安全辨识与协同利用

针对西部某矿山目前开采现状和大量遗留残矿的采空区结构特征,在采空区作业环境安全评价的基础上,提出协同利用空区空间的残矿开采模式,即采空区的空间直接利用作为采准过程的补偿空间和切割空间、加固处置协同利用的补偿空间、密闭封存安全保护、散体充填密闭处理和胶结充填应力环境再造等,并以R3空区作为实例提出空区协同利用的采矿方法和出矿等生产工艺.应用未确知测度理论,利用采空区结构效应的空区跨度(X1)、空区暴露面积(X2)、空区高度(X3)、空区埋深(X4)、矿柱尺寸布置(X5)5个参数,对西部某矿群空区下的残矿开采作业环境进行安全辨识和分级.研究结果表明:该方法对采空区群下残矿开采作业环境的安全评价简单可行,通过采空区的结构效应获得了残矿开采作业环境的安全分级辨识.     

挂帮矿充填法开采对高陡边坡及采场围岩稳定性的影响

以大冶铁矿高陡边坡下2#挂帮矿回采为工程背景,首先采用GEO--SLOPE软件对挂帮矿开采中边坡稳定性进行了分析;然后通过现场监测及模型相似实验相结合的手段,研究矿柱及围岩的应力及位移变化规律,探讨了挂帮矿充填法开采对采场围岩稳定性的影响.研究表明挂帮矿所在露天初始边坡经过扩帮及内部开采后,安全系数平均值由1.274下降至1.005,边坡稳定性较差;目前空区采场矿柱及围岩稳定性较好,但必须对现有采空区进行充填,改变空区及矿柱应力集中状态,才能进行矿柱及顶底板矿石回采.     

放顶煤开采覆岩破坏高度的统计分析

由于采场覆岩破坏高度及破坏程度是上行开采研究的最重要内容,因此,在对我国放顶煤开采典型覆岩工程地质条件分析的基础上,本文对放顶煤开采覆岩破坏高度进行现场实测统计分析,找出放顶煤开采覆岩破坏高度受地质因素的影响规律,从而为放顶煤条件下上行开采研究提供科学依据.     

平顶山十矿上行开采导水裂隙带高度确定

为确定平顶山十矿近距离上行开采条件下覆岩垮落带及导水裂隙带高度.运用相似模拟、数值计算、理论分析以及现场钻孔窥视等诸多方法进行综合对比分析.结果表明:综合确定的导水裂隙带发育高度为28.8~32.7 m,与实测值误差为4.14%~8.28%,理论计算应选取大采深无渗流场计算公式;相似模拟—数值计算—大采深无渗流场公式计算的综合方法针对平顶山矿区预计导水裂隙带高度的准确性较好.建议在下一步深部开采中使用该方法估算导水裂隙带高度,研究结果对具有类似条件的矿井导水裂隙带预测具有一定借鉴意义.     

硬岩矿柱纵向劈裂失稳的弱场控制

为了研究硬岩矿柱稳定性,运用弱场控制思想分析硬岩矿柱纵向劈裂失稳机理,结合传递矩阵法推导了考虑劈裂岩板间侧向作用力的矿柱临界荷载表达式。研究结果表明,硬岩矿柱劈裂形成的岩板长细比较大,其岩板不是通长(贯通矿柱两端)的,而是截断的,截断岩板厚度与高度取决于矿柱初始弱场的位置;考虑劈裂岩板间侧向作用力影响时,矿柱临界承载为矿柱抗压强度峰值的23%左右,不考虑岩板侧向力作用情况,而只从岩石峰值强度角度研究矿柱稳定性风险很大;在矿柱劈裂失稳研究中,应针对局部稳定性弱场的最薄弱岩板进行屈曲分析,并给出不同约束条件下断裂岩板的临界荷载表达式。     

阶段嗣后胶结充填体矿柱强度模型研究与应用

利用滑楔体极限平衡理论,建立胶结充填体矿柱侧向滑移失稳模型,考虑采场结构参数、充填材料自身特性和充填体-矿岩(柱)接触面特性的影响,分别得出胶结充填体矿柱与矿壁和非胶结充填体矿柱接触时所需强度模型。以中关铁矿为工程分析实例,开展室内充填配比试验。研究结果表明:当胶结充填体矿柱后壁与矿壁和非胶结充填体矿柱接触时,胶结充填体矿柱所需强度随阶段高度的增加分别呈对数函数和线性函数增长;中关铁矿胶结充填体矿柱所需强度为0.78~0.82MPa,经典强度设计模型计算值偏小,需选取安全系数为1.5~3.0;推荐中关铁矿使用的充填配比为灰砂比1:10、料浆质量分数70%,抗压强度、泌水率、塌落度和流动度均能满足采矿作业需求,水泥用量与原推荐方案相比可降低45.7%。     

深井覆岩体结构形变分带（区）性研究

针对深井开采覆岩结构变形的特殊性,提出基于应力场转移的深井覆岩结构形变模型。采用三雄半解析数值计算和现场综合试验与勘测的方法,给出采动岩体沉陷移动的分带、分医特征及突变集中变形和阶段性滞缓移动现象的动态演化规律,为深井开采覆岩与地表移动变形灾害控制提供科学理论依据。     

TVLF探水雷达技术在复杂巨厚煤层探测中的应用

为探究复杂巨厚煤层覆岩破坏规律,以抚顺矿区老虎台矿55002工作面所在区域为试验对象,采用TVLF煤矿探水雷达,分别对55002工作面未开采区域与55002工作面已开采区域进行探测,确定55002工作面开采前后覆岩结构变化特征;采用微震监测方法对探测结果进行了验证.结果表明:TVLF探水雷达探测的55002工作面覆岩破坏高度为240 m,这一高度也是此区域油母页岩和绿色页岩的分界面.微震探测的55002工作面回采前6个月覆岩破坏高度为100 m,回采过程中覆岩破坏高度在100~250 m,回采结束后6个月覆岩破坏高度为250 m.探水雷达与微震监测结果一致.确定了覆岩演化过程及其基本特征,确定了55002工作面覆岩和结构变化的主要影响因素,建立了老虎台矿复杂巨厚煤层覆岩破坏高度与55002工作面采高之间的关系,为老虎台矿及类似条件矿井水害的预测及防治工作提供了参考.     

下保护层开采数值模拟与突水危险性评价

为了确定断层附近防隔水煤(岩)柱的合理宽度,解决煤炭安全生产问题,以山西省某矿下保护层开采为工程研究对象,用FLAC3D数值模拟软件进行了数值仿真计算,充分考虑了断层的产状和落差,再现了回采工作面在推进过程中的顶底板采动裂隙的发展情况,并结合经验公式法确定了隔水煤(岩)柱的合理宽度。同时还利用数值计算结果,对该矿六采区下保护层开采作了突水危险性评价。研究结果表明:断层不但是影响保护层开采底板扰动破坏程度的重要因素,也是确定防隔水煤(岩)柱宽度的关键所在。在对矿井突水危险性评价中,应该考虑采动对底板扰动破坏的影响。     

巨厚岩层采场关键工作面防冲-减震设计

为避免巨厚岩层运动诱发井下冲击和造成地面建(构)筑物震动损害,以山东某巨厚岩层矿井为研究背景,采用现场监测、理论分析和工程实践等手段,探讨兼顾地面建(构)筑物减震和井下防冲的关键工作面设计方法。研究结果表明:孤岛工作面两侧的采动程度不同,非充分采动区上覆高位悬顶巨厚砾岩及其底部孤岛煤岩柱形成不对称"Γ"型覆岩空间结构;巨厚岩层开采条件下存在一个关键工作面,以工作面整体稳定性和矿震引起地面建(构)筑物的震动损害作为主要评估指标可确定关键工作面及其防冲-减震开采优化方法;在开采设计中采用上述方法可最终确定合理的开采方案,并取得较好的实践效果。