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.     

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.     

深部采场无底柱深孔后退式开采围岩力学响应特征

 运用Surpac 和FLAC^3D组合建模技术建立深部矿区三维数值分析模型,基于多元线性回归分析方法模拟反演出深部区域现存地应力场,采用模型重构方法获取了采场及周边的局部地应力分布规律.研究某采场利用无底柱深孔后退式采矿方法开采的围岩力学响应特征,结果表明:1)采场围岩的最大拉应力为0.40 MPa,最大水平位移为28.2 mm,出现在采场 Y 向中轴线附近南帮位置,最大垂直位移为27.43 mm,出现在 Y 向中轴线附近顶板位置,采场围岩发生了一定范围的塑性破坏;2)采场 Y 向中轴线附近位置顶板位移较大,应加强地压监测;采场东头由于受到爆破积累损伤的影响,在对东头侧向崩矿时,要适当调整孔网参数;采场南帮临近区域要增加预裂孔、减小单孔装药量及每段起爆药量,防止爆破超挖矿柱,影响整个盘区的稳定.     

地下开挖围岩应力响应的数值分析

为了研究顶板自然崩落规律的应力响应,采用数值计算方法建立三维矿体模型,对工程开挖情况进行模拟计算,分析开挖过程中围岩应力的变化情况.结果显示:当采场进行拉底开挖后,围岩应力发生重分布,最大主应力在空区四周附近集中分布;在空区的周围存在应力松弛的区域,随着开挖面积的不断扩大,空区周围的应力松弛区不断扩大,竖向应力的应力减小区扩展到采场的整个顶板,水平应力的小应力区出现在空区顶板中央,且对称分布;在拉底面积达到一定值后,在拉底顶板中心位置将出现大范围的拉应力区;破坏首先从拉底区上部中间开始,呈拱形向上发展.     

动力扰动下深部采空区围岩力学响应及充填作用效果

针对深部采空区承受高静载同时受到周边采场爆破地震波扰动的具体情况,为研究采场围岩的稳定性,应用应力波方法分析了采空区围岩受到侧崩时的动力响应及充填的支护效果,采用有限差分软件FLAC3D模拟了安徽省铜陵的冬瓜山铜矿典型采场受到周边开采爆破侧崩时的动力特征及全尾胶充填的支护效果。分析结果表明:爆炸地震波传播过程中,围岩应力场受到扰动,采空区自由面振动速度幅值约为围岩内部的2倍,围岩产生新的塑性变形,质点位移增加;对采场进行充填能够降低接触面振动速度,减少围岩塑性变形及质点位移,从而保护了采场间柱,提高采场围岩稳定性。     

油页岩采场围岩垂直应力时空演化规律试验研究

为研究油页岩采场围岩垂直应力的时空演化规律,以龙口某矿油页岩开采为原型,铺设了相似材料模拟试验模型,对油页岩采面回采过程中及开采后采场围岩中的垂直应力进行了连续监测,通过对垂直应力数据进行整理和分析,得到了采场围岩支承压力的峰值、影响范围及垂直应力的时空分布变化特征。结果表明,采空区冒落矸石可充分参与承载覆岩压力,并减小支承压力影响范围及压力峰值;开采过程中支承压力影响范围及峰值均先增大,随后减小,再增大;油页岩上层采后随时间推移,采空区底板的垂直应力不断升高,但采空区边界处底板的垂直应力增加不明显;两侧边界岩柱上的垂直应力在采后10 d内增幅较大,之后的30 d内增幅减小,采场围岩垂直应力在不同空间位置随时间的变化反映了采空区不同的压实程度。     

油页岩采场围岩垂直应力时空演化规律的试验研究

为研究油页岩采场围岩垂直应力的时空演化规律,以龙口某矿油页岩开采为原型,铺设了相似材料模拟试验模型,对油页岩采面回采过程中及开采后采场围岩中的垂直应力进行了连续监测,通过对垂直应力数据进行整理和分析,得到了采场围岩支承压力的峰值、影响范围及垂直应力的时空分布变化特征。结果表明,采空区冒落矸石可充分参与承载覆岩压力,并减小支承压力影响范围及压力峰值;开采过程中支承压力影响范围及峰值均先增大,随后减小,再增大;油页岩上层采后随时间推移,采空区底板的垂直应力不断升高,但采空区边界处底板的垂直应力增加不明显;两侧边界岩柱上的垂直应力在采后10 d内增幅较大,之后的30 d内增幅减小,采场围岩垂直应力在不同空间位置随时间的变化反映了采空区不同的压实程度。     

大规模采场三维探测及回采指标可视化计算

针对我国金属矿山大规模采场回采指标难以准确获取的现状,综合运用空区激光探测系统(CMS)和大型矿床三维软件Surpac等数字化工具,结合凡口铅锌矿N3-4采场实际,研究一种新颖的大规模采场回采指标可视化计算方法.采用CMS探测三维采场空区,以宅区实测数据为基础运用Surpac构建采空区三维可视化模型,获取采场空区的三维形态和实际边界;运用采场设计资料,建立采场回采设计模型及矿岩边界模型,通过模犁间的布尔运算,计算出采场存留矿量、回采总体积、采下废石量、采下充填体最、采下纯矿石量、回采总量及回采贫化率等,从而有效地实现了大规模采场回采指标的可视化计算.研究结果表明:采用该方法计算获得的采场回采指标可靠,可用于矿山实际生产管理和同采质量评估.     

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。     

中厚煤层采场围岩破坏规律准动态数值模拟研究

以杨村煤矿8601综采面地质及开采条件为背景,采用大型非线性三维计算机数值模拟,对不同推进步距的采场围岩变形与破坏进行了准动态模拟研究。结果表明,随着工作面推进,煤层底板岩层具有采前应力升高、采后应力降低和恢复三个阶段,并每隔22m重复出现;受采动影响的岩层在采空区中间下沉值最大,向两侧逐渐减小;底板临界破坏深度为5m;应力集中系数为1.25。     

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.     

急倾斜煤层采空区输气管道变形模拟

为了探究急倾斜煤层开采形成的采空区对其上覆输气管道安全运行的影响,基于快速拉格朗日法对某煤层采空区进行数值模拟,探究了实际煤矿采空区的地质沉降和管道位移特征,研究了不同倾角、不同开采深度的急倾斜煤层对上覆输气管道变形的影响。结果表明:某煤矿区五个急倾斜煤层在开采100 m后,在煤层坡面上方形成最大深度1.54 m的塌陷,塌陷区内的土壤和岩石主要向煤层方向水平移动和垂直向下移动;靠近煤层采空区的管道,垂直方向位移大于水平方向位移,而远离煤层采空区管道,则水平位移较大;随着急倾斜煤层倾角减小和开采深度增大,管道向下的沉降量增大,并且发生最大沉降的位置逐渐向煤层方向靠近。     

三昌采石场复杂采空区群稳定性数值模拟研究

三昌采石场采空区具有规模大、数量多、空间关系复杂等特点,急需开展复杂采空区群稳定性课题的研究.在对采空区群及其开采环境现场调研的基础上,进行了现场点荷载试验与室内单轴抗拉、抗压强度实验,获得岩体力学参数.采用三维有限元方法对三昌采石场进行数值模拟,模拟结果表明:三昌采石场采空区稳定性偏低,部分空区顶板出现拉应力集中,有可能出现顶板冒落.根据分析结果,提出了相应安全对策,为矿山的安全生产起到指导作用.     

基于Hoek-Brown强度准则磷矿体开采稳定性分析

磷矿是保障精细磷化工生产和粮食供应的物质基础,而地下缓倾斜磷矿体的开采一直是个难题.该文以湖北兴山后坪矿段磷矿层地下开采为研究背景,采用有限差分软件FLAC3D,基于Hoek-Brown强度准则,对磷矿层的开采过程进行了数值模拟.首先进行单轴压缩模拟试验,求得各岩体的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比,模拟试验结果和室内试验结果基本一致.然后研究了磷矿层开采过程中采空区围岩的应力变化情况、上覆岩体的位移规律和矿柱屈服区分布情况,从而评价采空区的稳定性.最后,分析了在缓倾斜磷矿体中实施浅孔房柱法开采的的可行性.     

基于VRML的采空区信息管理系统的开发

 针对矿山企业因采空区数量逐渐增多而难以对其进行有效管理的现实问题,提出了一种基于网络的采空区信息管理系统设计与开发方法。以采空区信息获取为基础,运用采空区精密探测系统(CMS)、矿业软件Surpac、数字化软件QVOL和三维模型编辑器Vrmlpad准确获取采空区的二维和三维信息,开发基于B/S模式的采空区信息管理系统。系统实现了用户管理,采空区二维信息增加、删除、修改、查询和打印,通过IE等浏览器查看采空区三维模型,三维形态信息网络传输与管理,可以满足现阶段矿山企业各部门远程对采空区信息进行管理的要求,为矿山采空区安全监管提供了一种新的技术手段。     

高铁隧道穿越采空区段围岩变形受力规律分析

为研究高铁隧道过采空区段的围岩变形规律,本文以太焦高铁皇后岭隧道典型过采空区段工程为背景,通过对典型断面进行隧道围岩变形和拱架内力的持续监测,对比分析不同施工阶段下高铁隧道围岩变形受力规律。分析结果表明：上台阶开挖时是围岩变形发生的主要阶段,隧道最大沉降变形发生于拱顶,占总变形比值的50%以上,且隧道距离采空区底板距离越近,围岩受开挖和采空区扰动影响越大;钢拱架受力为全环压应力,整体分布呈现“上大下小”、“不均匀对称”的特点,受力最大位置出现在拱顶和右拱肩位置,并且拱架受力随着掌子面的远离,其轴力变化速率呈现出逐步减少的趋势。结合位移和应力监测数据分析结果,采空区对隧道的影响高度约为25.7m。研究成果可为类似隧道过采空区工程的设计、施工提供借鉴和参考。     

近距离采空区下大断面巷道顶板稳定分析

近距离采空区下大断面巷道顶板受煤层开采和巷道掘进两次采掘扰动,为研究两次扰动对巷道顶板稳定性的影响,以任楼煤矿Ⅱ8224切眼巷道为工程背景,利用理论分析、数值模拟及现场实测的方法,对采空区卸荷影响深度和巷道采掘扰动特征进行分析。结果表明：采空区卸荷影响深度的理论计算结果、数值模拟计算结果与钻取岩芯分析结果三者一致,受卸荷影响范围内的岩层会向上隆起;采空区下大断面巷道顶板的下沉时间为14d,最大下沉速度仅为15 mm/d。得出结论：采空区卸荷对煤层底板的扰动破坏影响深度为5.2 m;受采空区卸荷影响,巷道顶板下沉时间、下沉速度和下沉量较小。     

深部矿井倾斜煤层采空区下回采巷道布置的数值模拟

为减少深部矿井倾斜煤层采空区下回采巷道的变形量和卧底量,降低回采巷道的返修率,以某矿为例,分析采空区下布置回采巷道的矿压显现规律及回采巷道位置参数,并采用FLAC^3D快速拉格朗日差分分析法进行数值模拟计算。结果表明：两层煤联合开采的下层位煤层回采巷道,应布置在上层位煤层已经稳定的采空区下;回采巷道与上层位煤体边缘之间的水平距离可通过取其在下层位煤层应力降低区域与下层位煤层小变形区域的取值范围的交集获得。该研究为采空区下回采巷道的位置选择提供了可靠的理论依据。     

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。     

急倾斜煤层采空区结构特征GPR探测

急倾斜煤岩体结构和地质缺陷具有隐蔽性。历史性无序开采形成的采空区分布的不规则性严重影响安全开采。以神新小红沟煤矿急倾斜煤层开采区域空区分布规律预测与参数确定为目标。通过理论分析、GPR地面与地下立体联合探测,分析了+522水平B3和B6开采扰动范围内采空区结构特征。+522水平距五一煤矿巷道垂直距离约为35.0～35.5 m.B3巷1 214～1 232m范围内空区覆岩破坏严重,多处出现破碎区。空区下部近似椭圆,上部似半椭球体结构,且空区已联通。1 232～1 250 m范围空区及覆岩破坏严重,局部区域积水量大,为现场开采设计与灾害防治提供科学依据。