不同水平充填纵向采空区群的爆破动力响应衰减规律

以爆破荷载下不同水平充填的纵向采空区群动力响应为研究对象,考虑充填体与围岩的摩擦阻力作用,按充填采空区群的层数不同分为3种工况建立动力响应模型,分析各层中围岩、顶板和充填体的位移、速度响应衰减规律。计算结果表明:在爆炸应力波作用下,充填采空区群内各部位的振动具有一定滞后性;同一工况下,与位于同一层的围岩和顶板相比,充填体的振动频率衰减最快;各工况下,速度和位移的初始响应频率和幅值相近,但层数越多的充填采空区群的动力响应衰减速率越快,恢复至平衡状态所需时间也越短。将动力模型计算结果与数值模拟结果和现场监测数据进行对比,三者速度响应的幅值、频率接近,并具有相似的衰减规律,验证了动力响应模型的可靠性。     

基于实测的复杂采空区稳定性分析

结合某铁矿采空区的实际情况,采用空区三维激光探测系统对采空区进行了探测,准确掌握了采空区的三维形态和空间位置,为采空区稳定性数值模拟分析奠定了基础.并运用3DMine软件建立采空区三维模型和矿区地学三维模型,提出采用数据转换的耦合模式将3DMine与Flac3D耦合构建数值计算模型进行数值模拟计算,根据模拟计算结果对采空区的围岩稳定性进行了分析,结果表明,矿体被开挖以后,由于围岩应力重分布,空区顶板及侧壁围岩处于较明显的拉应力状态,空区围岩位移以顶板Z向位移为主,矿柱侧向位移不明显,但空区围岩的塑性分布范围较广,主要集中在空区的顶板及底板,而矿柱顶部的塑性分布将会导致矿柱塑性变形失稳,对所测采空区的稳定性产生很大的影响.     

露天开采下伏采空区顶板控制研究

以柿竹园多金属矿490矿区为工程背景,采用数理分析方法,推导出露天开采下伏采空区稳定的顶板极限厚度公式,并用FLAC3D软件及现场数据对公式结果进行验证。结果表明:采空区顶板竖直方向主要受剪切应力影响,水平方向主要受侧向围岩拉、压应力影响;随着露天采剥作业的进行,采空区主要竖向应变方向由散体沉降导致的向下位移发展成为由散体内部向临空面方向;当开挖超过顶板极限厚度,顶板自身强度无法继续抗衡两侧围岩产生的应力,应力应变变化速率迅速增大,顶板失稳;通过与现场数据进行比较,证明数理分析得出的顶板极限厚度公式是合理的。     

采空区群蠕变突变三维力学模型构建及稳定性精确预测

针对双向分层条式充填采矿法空区群特点,系统地构建顶板和矿柱为一体的三维空间力学模型,引入弹性力学和结构力学相关理论,推导出3种边界条件下顶板中心下沉挠度的曲线方程。综合运用突变和蠕变理论,从能量转化角度阐明采空区群突变机理,建立采空区群系统突变失稳计算流程,导出采空区群顶板蠕变微分方程,实现对采空区群突变失稳规律和稳定时限的精确预测,通过实例计算和数值模拟分析,验证其有效性。此外,全面分析影响采空区群稳定性的主控因子,并得出影响因子的影响程度。通过调节影响因子参数,可预测控制采空区群稳定性,选择最佳充填时机,优化采场结构参数。研究结果表明:采空区群系统稳定性与矿柱支撑面积率、矿柱峰值抗压强度、矿柱弹性模量呈正相关,与顶板均布荷载呈负相关;当顶板-矿柱系统处在固支模式时,采场参数对系统稳定性影响最显著;当采场参数足够大时,固支模型和简支模型对系统稳定性影响差距不明显。     

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.     

湘西金矿极不稳固顶板的稳定性控制研究

作者运用边界单元法分析了湘西金矿充填料矿体二次回采采场围岩中的应力，确定了采场顶板中拉应力区和免压拱的位置，首次提出了利用免压拱控制采场顶板稳定性的观点；以此为基础设计和实施了回采前采用长锚索预控顶，回采时采用锚杆、金属网和喷浆护顶，回采后采用尾砂胶结充填采空区的联合控顶方案．试验结果表明，这种控顶方案是非常有效的，可在同类极不稳固顶板的稳定性控制中推广应用．     

交错式充填对采空区上覆岩层的影响

针对充填开采成本较高、条带开采煤炭采出率较低等问题,根据某矿的地质资料,运用FLAC3D软件模拟交错式充填法和垮落法开采过程中上覆岩层的应力分布、垂直位移变化情况.结果表明：当采高为1 m、煤层距地表178.8 m时,垮落法开采的采空区中部出现0～4.1 MPa的拉应力;交错式充填的采空区上部压应力为2.0 ～3.0 MPa,采空区充填区域压应力为3.0 ～4.0 MPa,应力均小于原岩应力.垮落法采空区中部上覆岩层位移最大,向两侧逐渐减小;交错式充填采空区上覆岩层的位移较小,最大下沉量为0.006 m.在降低充填成本的情况下,交错式充填法能够有效控制采空区上覆岩层应力分布和下沉量,为“三下”采煤提供理论依据.     

双层空区开挖顶板稳定性的FLAC3D数值分析

利用FLAC3D软件建立双层空区数值计算模型,根据厚度折减理论分析开挖后空区的安全顶板厚度和应力、变形、塑性区的分布情况,得到:安全顶板厚度与空区跨度之间符合线性关系;当跨度较小时,上部空区处于压应力状态,下部空区处于拉应力状态,最大拉应力随跨度的增大而增大:当系统达到临界状态时,上、下空区顶板的竖直位移最大,上空区的大位移区域面积明显大于下空区的大位移区域面积;空区对整体位移存在一定影响,如水平方向对整体位移的影响范围大致为跨度的1.5倍,且两空区之间存在相互作用,在大位移区域两空区显示出相互接近的趋势;当跨度较小时,上部空区项板主要发生剪切破坏,下部空区两侧帮发生拉剪破坏,随着跨度的增大,此范围破坏形式转变为冲切破坏,整体塑性区面积明显增大,下部空区顶板塑性区逐渐发展,并延伸至上空区.     

群空区稳定性聚类分级及处治对策

为对群空区进行稳定性分级及综合处理研究,在前期空区探测的基础上,基于三维数值模拟程序M1DAS/GTS与FLAC 3D耦合对采空区的稳定性进行模拟分析,综合考虑顶板最大位移、最大主应力、最小主应力等3个因素对群空区进行聚类分级,并在此基础上提出群空区的综合处治对策.结果表明:运用模糊聚类分析方法,实现最大顶板位移、最大...     

急倾斜厚煤层采空区稳定性分析及注浆治理效果评价

以某急倾斜厚煤层采空区为对象.首先,通过数值模拟软件进行空区形成模拟,分析最大主应力与竖向位移特征,结合实测数据评价模拟的符合性.结果表明:空区上覆岩层偏向下山煤柱处、上山煤柱偏向下伏岩层处、上覆岩层与上山煤柱交汇处随着集中应力的减小而初期破坏减弱;空区下伏岩层偏向上山煤柱处、下山煤柱与下伏岩层交汇处、下山煤柱偏向上覆岩层处随着应力的增大而初期破坏增强;地表模拟与实际沉降量高度吻合,可以反映空区围岩实际情况.其次,进行空区煤柱失稳模拟,分析并评价围岩的稳定性.表明空区场地最大剩余沉降量为0.3～0.9 m,能破环建筑地基,空区围岩处于失稳状态.最后,模拟空区注浆充填治理,结合现场监测数据评价治理效果.表明现场与模拟监测点最终竖向位移差值在-2.3～8 mm范围,两者基本一致,注浆治理效果显著.可见注浆充填法能有效治理当地类似急倾斜厚煤层采空区失稳问题.     

充填体下隔离中段采场结构参数优化

充填体下隔离中段大直径深孔采矿的难点,主要是充填体强度较低及充填质量分布不均匀,无法保证应力集中状态下采场顶板和上部充填体的稳定性,实现矿山资源的安全回收.采用FLAC3D有限差分程序,模拟计算了阿舍勒铜矿充填体条件下450 m中段4种采场跨度下的3种回采方式,从位移、最大主应力和最小主应力3个方面对采场顶板和上部充填体的稳定性进行了对比分析研究.结果表明,采场跨度12m时,充填体顶板稳定性良好;当采场跨度14 m时,充填体顶板沉降及矿柱主应力明显增大,处于极限平衡状态;当采场跨度15 m时,采场顶板的主应力急剧降低,最大垂直位移急剧增加,采场已失稳.因此,为保证450 m隔离中段矿柱的顺利回采,一、二步骤的采场跨度不宜超过12 m.     

动力扰动对采空区稳定性影响的离散元分析

 采用离散元程序对地下采空区进行动力扰动数值计算,通过改变扰动应力波峰值的大小,考查动力扰动强度的变化对采空区稳定性的影响,对模型分别静力和动力状态下进行了计算。结果表明,采空区开挖后,最大位移量2.98mm;施加动载荷后,最大位移量增至5.0mm,增幅与动载荷应力大小呈正比;围岩位移、最大主应力、最小主应力分布受动载荷影响较大,围岩应力发生二次分布,塑形区明显增大。分析结果表明,邵东采空区基本稳定,但应加强顶板、底板支护。为了避免采空区在外力扰动下产生灾害,给出了建议。     

大倾角煤层长壁开采顶板结构时空演化特征

为了明确大倾角煤层走向长壁开采顶板结构时空演化规律,采用物理相似模拟、数值模拟、现场实测综合互馈的研究手段,对采空区矸石的非均匀充填特征、顶板结构空间展布形态、围岩主应力大小渐变与方向偏转的演化过程和支架工作阻力的区域性特征进行研究。结果表明：随着推进距离的不断增大,底板上矸石堆积范围增大,在支架后方采空区开始往复出现倒三角的临空面;在深部采空区,矸石堆砌与水平面之间夹角沿倾向下部至上部不断减小;顶板位移呈现出“增大-稳定”的演化趋势,峰值位置由工作面倾向中上部区域向倾向中部迁移;顶板应力传递拱壳呈典型的非对称分布特征,拱壳内部岩体受力状态由双向受压转为单、双向受拉,主应力方向由x轴正向转为负向;顶板变形破坏的非对称性使得工作面支架工作阻力呈现倾向中上部较大、离散程度高,倾向中下部较小、离散程度低的区域特征。研究结果可为大倾角煤层长壁采场顶板稳定性控制提供一定的参考与指导意义。     

基于采矿环境再造的再构空间结构稳定性分析

软破矿体高效安全开采是一个现代采矿技术难题.基于采矿施工过程力学、结构力学理论基础,提出了采矿环境再造的新采矿技术与理论,即利用钢筋混凝土实现采矿空间结构再构,并以再构空间环境开展采矿作业.以Ansys软件为工具,对采矿环境的空间再构的结构进行数值模拟试验,分析其应力、变形和混凝土的裂隙演化状态.在采空区未充填和充填两种模式下,再构空间结构的最大垂直位移分别是0.30 m和0.14 m,而最大的拉应力达到3.8 MPa,最大压应力达到42.2 MPa.而采矿过程中,未充填的人工再构顶板结构混凝土中存在大量的二维裂隙,并且在顶板中心位置存在部分三维裂隙发育.结果表明,在进行采矿环境再构的构筑物,能够承受采动过程中的应力转移,但由于裂隙的存在,顶板需要采用合理的锚支补强和空区充填技术,强化再构顶板构筑物的安全稳定性.     

多煤层采空区对上部拟建建筑物稳定性影响

为研究多煤层采空区对上部拟建建筑物稳定性影响,利用概率积分法和数值模拟法,分析多煤层逐层开采完后并施加上部结构荷载后采空区覆岩的应力和位移变化特征。结果表明:当上部煤层开采后,在采空区工作面两端有围岩应力集中现象,当下部煤层开采后,上部煤层采空区两端应力进一步增大的趋势;上部煤层和下部煤层开采后最大沉降均发生于采空区顶板中部,自顶板至地表逐渐降低,地表沉降自中部向两侧逐渐降低,且呈对称关系;煤层开采应力释放后,采空底板处有轻微隆起;当上部荷载施加后,采空区地表水平、竖直位移量和应力比之前均有所增大,但采空区场地整体仍处于稳定状态。建议对拟建的建筑物采用柱下独立基础加联系梁以提高其整体刚度,严禁采用桩基础等易引起下部采空区活化的基础形式。通过与后期地表监测数据对比,显示数值模拟方法计算的地表下沉值预测结果与实际较为接近。表明在选用合理的地质力学参数的情况下,运用该方法进行多煤层采空区沉降预测是可行的,对类似的矿山问题的分析解决有一定的借鉴和指导意义。     

基于结构模态的纵向采空区群爆破动力响应

构建纵向采空区群离散多自由度动力响应模型,提出基于结构模态的空区群爆破动力响应分析方法.针对某金矿工程实例,对该方法进行检验分析.结果表明:该方法计算结果可直观反映采空区群内部岩体的位移与速度响应规律,揭示岩体爆破动力响应特性,与数值模拟结果趋于一致;受内部阻尼作用,岩体作减幅振动,振幅逐渐衰减至0;在爆破荷载施加位置,岩体响应强度最大,随着与爆破作用点之间距离增大,响应强度呈减弱趋势.结构模态分析方法可大幅缩短计算时间、提高计算效率,为岩体的动力响应研究提供了一种新方法.     

基于岩体时变力学参数的深部矿段回采顺序优化

基于岩体力学的时变参数演化规律,设计高峰深部矿段5种可行的回采顺序方案。运用耦合建模技术构建深部矿段复合空区的三维有限元模型,再采用FLAC3D仿真技术,实现岩体时变力学参数下不同回采顺序的时空演化规律。研究结果表明:各种回采顺序下的局部岩体最大拉应力和压应力都达到岩体的抗拉和抗压强度,应及时处理采空区;随着回采推进,顶底板位移逐渐增大,在最后1步达到最大值,并且受不同工艺的影响,最大位移表现出差异性;顶板位移最大沉降分别为50.0,38.0,74.0,64.9和70.5 mm,底板最大垂直位移(底鼓)分别为68.6,34.9,47.6,45.8和46.4 mm;岩体的破坏主要表现为剪切和拉伸塑性破坏,其中方案3和方案4的剪切破坏体积比方案1,2和5的剪切破坏体积,方案5发生拉伸破坏体积最大,方案2的整体塑性区体积比方案1的稍大。综合采场的生产能力和形变应力及其塑性破坏特征分析,选择较优的方案2。     

空区贯通对大型地下采场开挖变形稳定性的影响

为分析某大型地下采场开挖稳定性,利用FLAC3D计算开挖过程中的变形和破坏情况,对比分析空区是否贯通2种方案下采场的应力-应变响应.研究结果表明:两者应力分布形式基本相同,且数值也大体相同.在空区以内2种方案得到的位移等值线云图的分布形式基本相同,但其位移有较大差别,大约为25 cm.在主采区和2采区贯通处,2种方案的位移形态有较大差别,方案1的位移趋势指向空区的拐角处,而方案2的位移趋势指向空区内部.各监测点位移曲线的分布形式基本相同,即先增大再减小的趋势.方案1的位移大于方案2的位移,是否开挖中部2采区520分段空区和中部2采区500分段空区对顶板沉降的影响较大.2种方案的塑性区分布基本相同,即沿着空区中央以弧状形式不断向外发展,但方案1空区顶板的破坏区域大于方案2空区顶板的破坏区域.     

水平爆破波作用下采空区顶板累积破坏效应分析

采空区上部进行爆破作业时,爆炸应力波产生的水平爆破波将会对采空区顶板及其围岩形成动力加载,采空区顶板及其围岩将会出现累积破坏。当这种累积破坏积累到一定程度时,将导致顶板突发性冒落和塌陷,对采空区上方作业人员和采掘设备构成潜在安全隐患。基于现场实测的水平爆破波速度时程曲线,构建FLAC3D三维数值计算模型,考虑在机械施工设备荷载的影响下对采空区顶板施加水平爆破荷载,揭示水平爆破波作用下的采空区顶板和采空区围岩损伤破坏区域的发展、应力集中程度变化情况,并通过监测点位移变化曲线,揭示了在水平爆破波反复作用下,采空区顶板及采空区围岩的动态变形响应特征和渐进位移累积效应。为保障类似工程的安全施工,提供了理论基础和技术依据。     

精准三维激光探测结合可视化建模的采空区稳定性分析

精准地掌握复杂采空区的三维形态及其空间的相对位移,是进一步开展空区稳定性可靠分析的前提。以中核赣州某铀矿区为背景,利用BLSS-PE矿用三维激光扫描和测量系统, 对该采空区进行三维探测分析并对三维探测所得数据信息进行数字化处理转换,应用DIMINE建立采空区的三维空间模型,经过数字化处理后实现了与FLAC^3D模型的无缝耦合,从而形成了三维数值运算模式。研究结果表明： 818-2#采场在开挖后最大主应力增加且最大值出现在采空区顶底板,最小应力基本保持不变,上下盘虽出现拉应力,但低于围岩抗拉强度; 818-2#采场最大水平位移和最大垂直位移均较小,且随着采场的逐步回采采空区围岩出现塑性区,但面积较小。因此,空区整体上呈稳定状态。研究成果为矿山地压管理和综合治理提供了有力的依据。