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自然崩落法矿山底部结构失稳机理及防治措施研究

夏志远  
【摘要】:自然崩落采矿法作为一种大规模、低成本、高效率的地下采矿方法,在条件允许的情况下,是深地矿产资源大规模高效开采的首选方法,受到了国际采矿界越来越广泛的关注。自然崩落法矿山的底部结构承担着采场出矿任务,所有矿石都需经底部结构运出采场,保障底部结构安全稳定是自然崩落法成功运用的关键因素之一。由于自然崩落法开采的特殊性,底部结构服务年限长且处于复杂变化的高应力环境,导致底部结构维护难度大,失稳破坏风险高。因此,揭示自然崩落法矿山底部结构失稳发生和演变机理,并提出失稳防治措施,具有重要理论意义和工程价值。本文以国内典型自然崩落法矿山铜矿峪矿为工程背景,采用现场调研、室内试验、数值仿真模拟和力学理论分析等多种方法综合研究了自然崩落法矿山底部结构三种常见失稳类型的发生和演变机理,并针对失稳机理的不同分别提出了防治措施,主要研究内容和结论如下:1)开展了铜矿峪矿现场底部结构失稳特征调研与失稳时空演化过程分析,揭示了铜矿峪矿530中段底部结构失稳发生和演变的普遍规律,主要结论包括:底部结构失稳区域有相当大的比例发生在拉底推进线前方20~30m范围内;随着拉底推进,一些底部结构失稳区域修复后会呈现反复失稳;副层地压显现受主层开采影响严重,尤其是位于拉底推进线前方的底部结构易出现失稳;拉底过程中,在桃型矿柱尖部上方易形成残留矿柱,表现为局部出矿穿脉顶板地压显现强烈,附近聚矿沟呈现“少矿无矿”的现象。2)基于压力拱理论、薄板理论和散体应力拱理论对底部结构全生命周期受力过程进行力学解析,通过建立底部结构全生命周期受力数值仿真模型,研究了底部结构从巷道掘进开始到出矿结束的全生命周期应力和位移演化规律,揭示了铜矿峪矿底部结构全生命周期失稳机理,主要结论如下:拉底推进线前方底部结构受采场空间围岩压力拱作用易产生压应力集中,随着拉底面积增加,压应力集中程度逐渐增强,当达到底部结构岩体剪切破坏条件时,就会产生地压破坏现象;随着拉底推进,推进线前方的底部结构逐渐转移到拉底空间下方,此时底部结构压应力集中得到释放,但在高水平构造应力和垂直应力的共同作用下,底部结构发生向上的挠曲变形,出矿穿脉侧帮和桃型矿柱尖部逐渐呈现拉应力集中,随着拉底面积增加,拉应力集中程度逐渐增强,当超过底部结构抗拉强度时,再次产生地压破坏现象,所以底部结构会呈现反复失稳的地压现象;拉底后尽快促使上覆矿岩崩落,有助于释放拉底推进线前方出矿巷道集中的压应力,以及拉底空间下方桃型矿柱尖部和出矿巷道两帮的拉应力,从而降低底部结构失稳发生概率。3)构建了主副层联合开采底部结构受力数值仿真模型,研究了主层开采扰动下副层底部结构应力和位移演化特征和规律,揭示了副层底部结构失稳机理,主要结论如下:主层拉底推进和上覆矿岩崩落加剧了副层拉底推进线前方底部结构压应力集中,使其更易达到岩体剪切破坏条件,从而增大了副层推进线前方底部结构失稳发生概率;主层拉底推进和上覆矿岩崩落降低了副层拉底空间下方底部结构竖直向上挠曲变形和拉应力集中,使其不易超过岩体抗拉强度,降低了副层底部结构反复失稳概率。4)构建了拉底不良底部结构受力数值仿真模型,研究了残留矿柱扰动下底部结构应力和位移演化特征和规律,揭示了拉底不良诱发底部结构失稳机理,结果表明:残留矿柱下方桃型矿柱产生较高压应力集中,随着拉底面积增加桃型矿柱尖部压应力持续升高,如果达到岩体剪切破坏条件就会造成桃型矿柱失稳;残留矿柱下方出矿水平地压破坏易发生在出矿穿脉顶板,而正常拉底区域地压破坏易发生在出矿穿脉侧帮;随着拉底推进,残留矿柱下方底部结构呈现“上部受压,下部受拉”的应力分布状态;残留矿柱附近的上覆矿岩处于拉应力释放区域,不利于上覆矿岩的崩落,造成聚矿沟无破碎矿石出现。5)研究了铜矿峪矿微震监测系统布设方案,确定了 410中段和530中段的传感器位置坐标,经过定位精度的模拟分析,满足定位误差和系统灵敏度要求,可实现底部结构失稳监测预警任务。6)分别针对三种不同类型底部结构失稳的发生和演化机理,开展了防治措施研究,主要结论如下:提出了出矿巷道锚网索喷与底板混凝土反拱的联合支护新形式,有效地控制了出矿巷道围岩的松动变形,提高了底部结构的整体强度,增加了底部结构的稳定性;提出了主层后拉底与副层预拉底相结合的拉底方式,不但可保证主层快速投产,而且改善了副层底部结构应力状态;提出了适当增加桃型矿柱尖部上方拉底高度,将桃型矿柱两侧拉底巷道中间的拉底区域作为一个爆破单元同时爆破的措施,从而减小爆破夹制作用,避免残留矿柱的形成。


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