对称协同开采人工矿柱失稳的突变理论分析

根据材料力学理论,建立顶板-人工矿柱协同作用力学模型;通过分析组合结构的变形协调机制,推导人工矿柱压缩量关系式;基于突变理论,构建人工矿柱突发失稳的尖点突变模型,导出失稳的充要条件力学判据表达式。研究结果表明:人工矿柱突发失稳与刚度比k、介质均匀性系数m具有密切相关性;改变人工矿柱的力学参数和几何参数,可在一定程度上调控顶板的稳定性,这可为采空区应力环境再造和人工矿柱的科学设计提供基本力学依据。     

沉积型铝土矿采空区矿柱-顶板支撑系统滑移突变失稳分析

基于沉积型铝土矿采空区失稳多为沿结构弱面滑移剪切破坏的特征，借助能量耗散理论和突变理论，构建矿柱-顶板支撑系统滑移突变失稳模型，研究受结构弱面影响的系统失稳机制，分析各内控因素对采空区稳定性的影响.结果表明:采空区突发滑移失稳是由支撑系统的内控因素和外控因素协同作用的结果.外控因素既定条件下，各内控因素敏感度由大到小依次为:采空区跨度b，矿柱宽度a，软弱带厚度B，结构弱面倾角θ，矿柱屈服区宽度c.软弱带厚度B和结构弱面倾角θ的敏感度略小于采空区跨度和矿柱宽度的敏感度，在实际工程中，应密切关注结构弱面因素的影响.晨光铝土矿工程实例验证了计算结果的可靠性.研究成果可为此类矿山采场参数设计提供依据.     

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.     

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.     

采空区群残采充填方案稳定性分析

为研究残采条件下的采空区群失稳响应控制,借助采空区群动力响应模型与类框架结构模型,从动力响应及应力响应这2个方面分析采空区群失稳控制效果。以某大型金属矿山4个中段12个单元采空区组成的采空区群为例,研究残矿回采工程中完全充填(方案I)与不完全充填(方案II)下采空区群的失稳响应控制。研究结果表明:方案I经充填处理后,拉应力分布范围整体上移,主要集聚在1 570 m中段顶板处,1 420 m中段底板处拉应力集聚现象基本消除;方案II经充填处理后,其拉应力集聚被缓解,保持在稳定范围之内;方案I经充填处理后,采空区群各中段顶板位移及速度响应大幅度下降,达到较好的充填效果;方案II经充填处理后,采空区群各中段顶板位移及速度响应也明显降低,且其降幅与方案I的降幅基本持平;空区群采用方案II充填后,所形成新的采空区群系统具有较强稳定性,考虑到时间成本及资金等情况,采取方案II对关键空区进行初步充填处理更具有可行性。     

考虑摩擦效应的薄层状岩体矿柱稳定性可靠度分析

为了更真实描述薄层状岩体顶板—矿柱系统的力学行为,提出了考虑岩层界面间摩擦效应的假定。基于提出的假定模型,得到了依据虚功原理建立的以位移为基本未知量的功能函数;借助FLAC~(3D)软件对简化的采场系统进行模拟,在线性假定范围内对比摩擦效应对模型各岩层力学行为的影响,并分析讨论摩擦效应对采场稳定性的影响;提取模拟结果中的位移数据,采用蒙特卡洛可靠度分析方法,计算有摩擦和无摩擦两种模型在不同埋深下最优的矿柱宽度。结果表明:界面摩擦效应对顶板—矿柱系统稳定性存在着不可忽视的影响;在存在摩擦效应的状况下,当矿房跨度为9 m时,50、100、150、200、300 m埋深下最优矿柱宽度为3、4、6、7、9 m,无摩擦模型偏于保守。     

动力扰动作用下采空区公路稳定性

为研究动力扰动作用下采空区公路的稳定性,以辽宁凤城某采空区公路为研究对象,基于弹性板理论,建立了交通载荷和自重应力共同作用下的采空区顶板—煤柱突变力学模型,根据此模型分析了交通载荷对采空区公路安全稳定性的影响,并采用FLAC3D软件对地震和采动耦合作用下的采空区路基稳定性进行了数值模拟.研究结果表明:建立的力学模型能够准确地描述交通载荷和自重应力作用下的采空区顶板—煤柱的变形特征,在单一交通载荷作用下该采空区顶板未出现大面积冒落和采空区公路塌陷;在地震和采动耦合作用下,该公路出现了较大的下沉和水平移动,顶板失稳,采空区受到地震载荷作用下出现了"活化",诱发上覆岩层的移动和变形;公路将出现塌陷坑和拉伸裂缝,道路中心线出现了偏移,对道路安全影响较大.     

人工砼柱置换残留矿柱采场结构参数优化

为了安全经济地回收某矿山已充填采场中的残留矿柱,根据矿山特殊的地质条件和残矿资源赋存状况,提出人工砼柱置换残留矿柱的回采方案。运用三维有限元模拟软件MIDAS/GTS建立采矿模型,模拟采矿过程,分析在采矿作业扰动下不同结构参数采场顶板围岩、矿柱和人工砼柱的稳定性,结合经济因素对拟选的5组采场结构参数进行优化选择。研究结果表明,采场最大拉、压应力随人工砼柱尺寸的增大而减小;最大拉应力位于上盘围岩顶板中央,是影响采场整体稳定性的主要因素;模型4最大拉应力0.474 MPa,远小于其抗拉强度1.57 MPa,安全富裕系数大,经济合理。最终确定矿山置换残留矿柱的人工砼柱尺寸为3.5 m×3.5 m。     

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.     

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.     

深部高应力空区拱架效应与采场结构尺寸的相依性

基于采场顶板围岩破坏形式,构建空区顶板岩拱力学模型;利用无铰拱理论计算岩拱内力,选取深部采场跨度及矿柱宽度等因素作为相依性分析指标,推导采场跨度(l)及矿柱宽度(d)关于拱轴系数(m)及拱高(h)的数学表达式。以某深部高应力金属矿空区为研究对象,分析采空区拱架效应与其结构尺寸(采场跨度(l)及矿柱宽度(d))依存关系,并对顶板位移进行150 d监测。研究结果表明:当d一定时,l随着m减小而增大;当l一定时,d随着m增大而增大;当m=2,h=3 m,d=7 m时,矿柱合理间距为31 m;在150 d内,顶板最大位移变形在6 mm之内,未发生垮塌现象。该研究结果可为深部高应力条件下釆场结构尺寸设计提供依据。     

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%。     

岩体工程系统失稳的能量突变判断准则及其应用

在明确区分岩石材料的破坏与岩石工程系统失稳破坏不同含义的基础上，提出了在用有发元计算模拟地下岩石开挖工程和实际工程设计中，不应简单地将岩石材料的破坏与岩石工程系统的破坏用同样的破坏准则加以判断的观点，运用系统能量的原理，借助突变理论的方法，导出央体工程开挖系统失稳破坏的能量突变准则，并将其引入了有限元程序中，用以判断岩体工程系统失稳的可能性，通过对金川二矿区大面积无矿柱胶结充填采场稳定性的有限元模     

循环爆破累积损伤诱发似层状铝土矿采空区群失稳机制

为了研究循环爆破累计损伤作用下似层状铝土矿采空区群的失稳机制,借鉴结构力学理论方法,构建铝土矿采空区群结构模型,建立采空区群位移函数,引入爆破应力波作用损伤因子Dn,表征爆破荷载对岩体的损伤作用,利用数值模拟和现场监测数据验证计算结果的可靠性.研究结果表明:当相邻采场爆源与采空区之间的距离和炸药当量一定时,采空区间柱的...     

某矿山Ⅲ号矿体采空区安全性评价

为保证某矿山Ⅲ号矿体+138m中段部分残留矿柱回采工作的顺利进行,需对采空区的安全性进行评价。通过对+138m中段采空区进行实地调查并取样试验,获得了采空区和矿柱的空间分布形态及矿岩力学参数。在此基础上,利用有限差分软件FLAC3D及经典力学理论对采空区顶板及采场预留间柱的稳定性进行分析。结果表明,+138m中段采空区总体上处于较稳定状态,除局部区域安全度略有不足之外,其他区域整体上安全度较高,因此在合理的回采方案下回收部分残留矿柱是安全可行的。     

综采面回采速度对基本顶初次断裂失稳的影响规律

工作面推进速度会影响顶板岩层的应力分布状态与断裂结构,进而影响顶板系统的稳定以及工作面矿压。首先,采用理论分析和现场实测的方法,分别建立了顶板力学模型和采场支架力学模型;其次,分析了推进速度对基本顶初次断裂极限跨距、三铰拱结构中临界滑落失稳系数和临界回转失稳系数的影响,揭示了推进速度对工作面支架阻力的影响规律;最后,结合神东矿区部分综采工作面来压步距和支架工作阻力,验证本模型的可靠性。研究结果表明：在仅考虑厚跨比影响下,当厚跨比为0.67时,固支梁最大位移的位置由两端顶部向中部底端转变;当厚跨比由0.67减少至0.50时,固支梁最大位移由2.04 mm迅速增加至3.29 mm,基本顶易发生断裂失稳;随着推进速度增加,临界滑落失稳系数呈对数降低,而基本顶初次断裂极限跨距和临界回转失稳系数均呈对数增加;滑落失稳对支架产生的附加静载随推进速度增加而减小,表明增加推进速度可有效减少滑落失稳对支架产生的附加静载,从而减少工作面初次来压时压架事故的发生概率。     

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.     

无底柱深孔后退式崩矿法采场结构参数优化

为实现某铅锌矿山无底柱深孔后退式崩矿法安全高效开采,开展采场结构参数优化研究.实测-650 m中段原岩应力,运用Surpac-FLAC3D模型生成技术构建数值分析模型,进而采用多元应力回归方法反演初始地应力场.通过弹性力学小薄板理论分析得到顶板稳定性随采场结构参数的变化关系,结合实际采准条件,提出采场结构参数初选方案.基于反演地应力场,进行初选方案开采数值分析,获得各方案力学响应指标.引入多目标理想点法决策,考虑安全和经济指标,计算方案评价指标集与理想解的向量近似度,优化确定该矿无底柱深孔后退式崩矿法采场结构参数为矿房采场宽10 m,矿柱采场宽8 m.     

矿柱形态对地下矿山采空区稳定性影响规律

地下矿山采用房柱法开采时采场点柱一般不进行回收,矿柱约占储量的20%～30%.为减少矿柱矿量,同时保证矿柱及采场的稳定性,利用三维建模软件Midas-GTS-NX及有限差分法软件FLAC~(3D)联合模拟计算,对矿柱形状进行模拟分析及对比研究,分析了相同围岩条件下不同形状的矿柱自身及采场顶板的稳定性.研究表明:方形和圆柱形矿柱稳定性较好,但圆柱形矿柱较方形矿柱回采率高,其余形状的矿柱在相同围岩条件下容易产生应力集中现象,稳定性较差.在实际生产中可考虑留设圆柱形点柱,既能保证采场稳定又可提高回采率.该研究为房柱法开采中的矿柱和采空区稳定性判定提供了参考依据.     

蜂窝状软粘土蠕变微观分析

为预测软粘土的蠕变变形特征,建立蜂窝状软粘土微结构蠕变失稳力学模型.借助材料力学中对蜂窝结构的研究成果,从微观结构稳定性的角度研究影响软土变形和蠕变的主要几何-力学因素,分析软粘土微结构的变形失稳.研究表明:微结构的变形失稳与其受力状态、几何形状与尺寸等因素密切相关;当竖向应力一定时,随着围压的增大,蠕变屈曲破坏时间变长;当微结构受到扰动时,其蠕变失稳状态也会发生变化,围压的增加会使得微结构的蠕变失稳受到抑制.