基于ANSYS的二步采场分段开挖过程模拟及稳定性分析

 为确保高应力大阶段二步采场高效安全回采,采用ANSYS对二步采场分段开挖过程进行稳定性分析,得到了各分段采场顶板和充填体的应力分布规律。结果表明,采场顶板处产生的最大拉应力(0.21～0.36MPa)大于矿体的抗拉强度值(0.17MPa);充填体距离采场顶板1m位置处有最大压力(0.90～2.00MPa),接近其抗压强度值(2.00MPa);随着开采分段向上推进,采场顶板的拉应力和充填体内的压应力均有降低趋势。针对数值模拟中二步采场存在的安全隐患,提出采用预护顶中深孔下向凿岩分段充填法回采二步矿房,预护顶采用预应力树脂锚杆+钢带(金属网)+喷浆联合支护方式,并根据数值模拟中获得的松动圈半径确定了支护参数。将支护方案应用到工程试验,试验采场安全效果较好。     

基于协同回采的深部厚大矿体分段充填采矿法

针对预控顶分段充填法在深部开采存在的预控顶巷道掘进工序繁杂、顶板易受爆破震动影响等缺点，本文提出垂直孔与水平孔协同回采的机械化分段充填采矿法(协同回采分段充填法)。该方法通过改变顶板支护工序的顺序，将预控顶变为后压顶，能够有效地解决顶板围岩稳定性问题。进而对协同回采分段充填法进行优化研究：一方面，通过 SURPAC 到ANSYS的模型转换技术，进行采场稳定性数值分析，获得最佳的结构参数；另一方面，通过分区出矿分区支护的方式，解决两帮支护不到位和出矿效率低的问题。将该方法应用于新城金矿V#矿体开采，结果显示顶板岩移量显著减小，且各项经济技术指标均得到改善，实现了高应力条件下厚大矿体的安全高效开采。     

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.     

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。     

平行四边形采场结构上行分段充填法的数值模拟

在分析分段充填法的应用现状及存在问题的基础上,以鲁中冶金矿业集团公司莱新铁矿为背景,综合考虑采场矿岩冒落特征,尽可能提高回采效率和爆破效果,避免采准巷道布置在充填体内等因素,提出了平行四边形采场结构的上行分段充填采矿方法,应用2D-σ有限元程序对其进行了数值模拟研究.研究结果表明:该方法在回采过程中不出现拉应力和较大应力集中,围岩应力周边分布均匀;回采后除下部充填体出现局部塑性区外,两边围岩及顶板不出现塑性区,说明莱新铁矿在破碎的厚大矿体中采用该方案是可行的.对比分析不同分段高度下围岩应力和塑性区分布,并考虑工艺要求,确定分段高度为10 m;考虑对相邻矿房回采的影响,提出充填体强度应在1 MP...     

基于ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟厚大矿体开采方案与采场稳定性研究

针对淮南某厚大铁矿-500 m中段采场回采,应用FLAC3D建模并进行开挖模拟.对不同开采方案中采场稳定性进行研究分析表明:采场开挖后,在采场四周角落处应力集中最大,易产生剪切破坏,在顶板中央发生位移变形最大,采场顶板容易垮塌;采场长宽为30 m×30 m时,采用两矿房或三矿房同时回采,采场保持稳定,最大应力集中系数为1.5,矿岩自身强度满足自稳要求;采场长宽为40 m×40 m,三矿房同时回采时,由于采空区暴露面积过大,集中系数达1.7,顶板受拉且充填体受压发生剪切破坏,矿岩不足以维持自稳状态.在大规模开采条件下,最终选定采场参数30 m×30 m三矿房同时回采为矿山开采方案.     

深井连续推进跟随充填采矿技术

针对我国缓倾斜薄矿脉开采中存在的问题,从提高采场生产能力和减少回采作业中安全事故的角度出发,提出了水压支柱护顶无间柱连续推进条带式跟随充填采矿新技术．工业试验结果表明,采用这种采矿新技术,在缓倾斜薄矿脉开采中能使采矿与充填连续进行,极大地提高了采场生产能力,试验采场的生产能力达850t／m,贫化率小于7％,损失率小于5％．此外,由于采用了先进的可缩性金属支柱,单个支柱的最大工作阻力可达200kN,改善了采场顶板岩层的受力状况．采用具有帷幕壁面全面滤水特点的帷幕隔离快速充填新技术,使进入充填空区内的料浆浓度能在25min内达到饱和浓度(78％～80％),60min内充填体对采场顶板提供初期支护,大大改善了采场的安全作业条件     

基于FLAC~(3D)数值模拟厚大矿体开采方案与采场稳定性研究

针对淮南某厚大铁矿-500 m中段采场回采,应用FLAC3D建模并进行开挖模拟.对不同开采方案中采场稳定性进行研究分析表明:采场开挖后,在采场四周角落处应力集中最大,易产生剪切破坏,在顶板中央发生位移变形最大,采场顶板容易垮塌;采场长宽为30 m×30 m时,采用两矿房或三矿房同时回采,采场保持稳定,最大应力集中系数为1.5,矿岩自身强度满足自稳要求;采场长宽为40 m×40 m,三矿房同时回采时,由于采空区暴露面积过大,集中系数达1.7,顶板受拉且充填体受压发生剪切破坏,矿岩不足以维持自稳状态.在大规模开采条件下,最终选定采场参数30 m×30 m三矿房同时回采为矿山开采方案.     

胶结充填对采场稳定性的影响

为了研究胶结充填对采场稳定性的影响,通过介绍充填体的作用机理,结合焦家金矿采矿生产实践,运用FLAC分析软件对采场进路回采顺序进行数值模拟计算,揭示了采场应力分布规律和采场破坏机理,同时分析了采场进路不同回采顺序对采场稳定性的影响,并据此提出了较优的回采顺序,为采矿生产提供了理论依据.     

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。     

充填体应力分布理论分析及数值模拟对比研究

考虑充填采场上下盘倾角不等,以及围岩与充填体交界面处由于剪切摩擦作用力会发生主应力方向的偏转,在土力学理论的基础上,引入考虑主应力方向发生偏转时的侧压力系数;同时考虑水平微分单元体的受力平衡,推导得出了充填体中的竖向应力解析表达式.研究表明:考虑主应力方向发生偏转时的侧压力系数随采场高度发生变化;当充填采场下盘倾角相同时,上盘倾角越大,由围岩与充填体交界面处摩擦力引起的主应力方向偏转程度越小,成拱效应越不显著;充填体与围岩交界面处的摩擦角对充填体内部的成拱效应影响较大,而充填体的内聚力对成拱效应影响相对较小.     

基于压力拱理论的矿块间回采顺序数值模拟

合理的回采顺序能够有效地改善岩体的应力分布状态,有助于保证采场的稳定性。为确定新桥矿-300m中段合理的矿块间回采顺序,根据矿山现有条件,提出3种矿块间回采顺序方案,即平行推进、"品"字形推进、倒"品"字形推进;通过Midas有限元软件对各方案进行数值模拟,综合考虑拉应力、压应力和位移3个因素,运用压力拱理论对模拟结果进行对比分析。结果表明:矿体开挖之后,会在采空区周围形成压力拱,且随着采空区的增加,压力拱的外边界向岩体深部移动;"品"字形回采过程中,中部采空区与两侧采空区在上部可以形成一个更大压力拱,承担其自身和上覆的岩土载荷,其最大拉应力为2.288MPa,最大压应力为23.24MPa,最大位移为55.71mm,均远小于其他2种方案,相比之下,该方案更加合理。经该矿山生产实践表明,"品"字形回采顺序已在矿山推广应用,取得良好的经济、社会效益。     

改进蒙特卡洛算法及其在高阶段充填采矿中的应用

用简便、经济、可靠的方法产生随机数是蒙特卡洛法应用的关键.用Logistic迭代方程产生随机数,不仅简单可靠,而且符合要求,改进了蒙特卡洛算法,为工程可靠性计算提供了一种新的方法.对高阶段充填体进行了力学分析,采用微元应力分析法,推导了分层充填力学计算公式.用改进蒙特卡洛算法分析了高阶段充填体稳定性,并应用于某铜矿5号采场高阶段充填设计.研究结果表明,充填体暴露高度越高,充填体内应力越大,充填体暴露长度越小,充填体向上下盘围岩转移应力的效果越显著,因此缩短采场长度有利于充填体稳定性和降低充填成.     

地下采场破碎岩体稳定性评价与参数优化

以焦家金矿试验采场为工程依托,开展缓倾斜中厚破碎矿体采场稳定性分析.通过对焦家金矿-390m中段试验采场的工程地质调查、矿岩力学性质试验,获得了表征矿山岩体工程质量的多种指标;应用岩石质量Q分级和RMR分级系统,对试验采场岩体稳定性进行评价分析;基于修正的Mathews稳定图法和临界跨度设计法,对采场暴露面尺寸和最大跨度进行优化.分析认为,当回采进路跨度小于8m时即可保证采场的稳定性.将所得到的结果应用于现场工业试验,现场采用暴露面尺寸为75m×15m的进路进行回采,采用现场观测的手段进行回采过程的监测.结果表明,在回采过程中进路的顶板及围岩并未发生垮落及剥落现象,采场围岩稳定性良好.     

硬岩矿深部开采过渡区厚度优选与数值分析

针对某铁矿进入深部开采过程中采场出现的地压问题,优化并选取了合理的采场参数.考虑到矿体中存在软弱夹层,会对过渡区的稳定性造成影响,通过极限平衡法,决定采用8.5,10及12 m厚度的过渡区以备选用,运用大型数值分析软件FLAC 3D进行三维数值模拟,对其稳定性进行对比分析.结果表明,随着厚度的增加,过渡区中应力集中现象越来越小,在开挖过程中,顶板位移也随着厚度的增加而减小,仅12 m厚过渡区的塑性区没有贯通.所以留设12 m过渡区可保证采场的稳定,满足过渡期间安全生产的要求,为矿山的安全平稳过渡生产提供依据.     

某铜矿二次应力场的监测与分析

岩体的应力测量包括岩体初始地应力量测和洞室围岩应力量测,是现代岩体力学研究的重要组成部分,可为了解岩体稳定程度提供重要参数,为地下工程开挖提供设计参数.以某铜矿为例,首先测定原岩应力,矿区属中等级别的应力区;再采用光弹应力计监测岩体二次应力,结合观测数据,找出二次应力变化导致采场应力集中的部位,采取措施,使应力局部得到部分释放,再进行施工,以保证生产的安全进行,提高劳动生产率.     

岩溶水矿床开采的矿柱稳定性分析

谷家台铁矿是岩溶水矿床,在使用矿体顶板帷幕注浆防水的情况下,矿山采用点柱上向水平分层充填采矿法开采。针对矿柱稳定性问题,通过FLAC3D有限差分数值模拟方法,定量地计算和分析矿体开采过程中采场充填后不同开采步骤下采场点柱和间柱的应力、位移和塑性区的分布状况,模拟出它们随每步开采应力和应变的动态变化过程。根据模拟显示的间柱对上部矿体的支撑作用明显好于点柱结果,建议矿山在综合评价经济效益的基础上,可考虑每个矿房之间保留间柱,实现矿山的安全高效开采。     

二道沟金矿采场岩爆控制试验

二道沟金矿三条急倾斜极薄矿脉平行产出,应用浅孔留矿法与削壁充填法开采,随着采深增大,岩爆现象逐渐增加,严重影响采矿生产的正常进行.从调查分析岩爆采场入手,总结出二道沟金矿岩爆发生的三大必要条件,即岩体受高应力作用、应变能的高度积蓄与其突然释放,揭示出上盘楔形体的附加应力是引起高应力的主要原因,提出了卸压控制采场岩爆的技术方案,并在现场进行了工业试验,取得了显著的卸压效果,使岩爆采场得到了正常开采.