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三山岛金矿节理岩体变形破坏机理及滨海开采突水防治

颜丙乾  
【摘要】:随着我国经济社会的快速发展,国家基础工程建设得以广泛实施,在地铁、隧道、水利水电、矿业等重大项目建设中大量涉及岩体开挖过程中的围岩稳定性及突水涌水灾害等工程问题。三山岛金矿是滨海邻水开采的硬岩金属矿山,矿山主要导水构造裂隙为三山岛—三元F3断裂带,研究邻水水压条件下的含断层岩体变形破坏机理及导水渗流演化机制,实现矿山开采围岩失稳及突水涌水灾害超前预警及超前支护对于保障矿山安全高效开采具有重要的现实意义。本文围绕含节理、断层破碎带的矿山滨海邻水开采过程中的节理稳定性及突水涌水问题,以三山岛金矿西山矿区-915中段为工程背景,采用现场调研、力学解析、室内试验、理论推导及数值模拟等方法,深入研究了节理岩体围岩变形破坏规律及顶板突水涌水机理,探讨了断层破碎带附近提高节理岩体稳定性及顶板突水涌水防治措施,主要内容如下:(1)利用测线法对三山岛金矿西山矿区-915中段进行巷道围岩现场调查和测量分析,结果表明该区域的围岩混合花岗岩组节理发育,属于破碎、极破碎岩体,稳定性较差。经过节理产状分析得出该中段节理优势结构面产状为295°∠85°,节理粗糙度大部分为一般粗糙(GR),节理张开度集中在0.25~2.5mm。(2)根据水压作用下不同节理倾角、不同节理贯通率、不同节理类型的节理岩体试件的三轴压缩试验,得出节理数量和节理贯通率对节理岩体力学性能的弱化作用较强,而节理倾角则对节理岩体试件力学参数变化起控制性作用。通过分析不同试件试验过程中的声发射特征与试件强度变化的关系,得出当试件达到峰值应力之前出现声发射能量在较大值范围内变化,在试件达到峰值应力前出现能量突增现象。因此,可将节理岩体试件变形破坏前的声发射能量大幅度突变作为试件变形破坏的先兆信息。(3)通过分析节理岩体试件变形破坏过程中的能量转化过程与应力变化的关系,得出节理岩体试件能量演化规律及损伤破坏能量机制。通过分析节理岩体试件变形破坏过程中的能量转化过程和能量耗散过程与应力变化的关系,得出可将弹性能耗比的变化率在试件达到峰值附近的突变作为试件发生强度失效的判据。根据断裂力学理论得到了水压条件下节理尖端的应力强度因子,考虑节理岩体试件的节理损伤、载荷损伤及水压对损伤的影响,建立了节理岩体损伤本构模型,推导强度失效的应力强度因子判据。而水压促进了节理岩体试件的损伤演化过程,加速了节理岩体试件发生强度失效。(4)通过对水压作用下节理岩体变形破坏时,节理尖端的裂隙演化过程分析及节理岩体试件破坏模式图和节理间未贯通区域破坏模式分析,得出节理岩体试件强度失效机理。节理倾角对主裂隙的扩展方向有着明显的导向作用,同时是节理岩体试件变形破坏类型的主控因素。通过试件破坏过程中的水流量变化监测,可以得出不同节理倾角、不同节理类型的试件强度变化与水流量的变化关系,分析得出节理岩体试件渗透系数演化规律。由于节理倾角对试件的裂隙萌生、演化的影响较大,水压对试件的强度产生弱化作用主要是通过试件内部裂隙产生的导水通道,因此节理岩体试件的渗透系数与节理倾角有很大的关联性。通过对比分析不同节理充填物的节理岩体试件的破坏模式,可以得出注入水泥浆不仅提高了试件整体性,而且有效控制节理岩体试件由于节理倾角产生的剪切裂纹,有效控制了节理岩体试件的剪切破坏。(5)基于COMSOL公司(瑞典)研发的多物理场数值模拟(COMSOL Multiphysics)软件平台,以三山岛金矿F3断层带岩体为研究对象,建立含断层岩体的巷道掘进模型。在巷道掘进工作面向断层打钻孔进行注浆加固,分析研究断层破碎带注浆加固后的渗流及应力分布,可以很好地验证注浆加固对于提高围岩整体性,阻碍导水通道的有效性。而经过研究得出,对于断层破碎带附近的节理围岩,需要在注浆加固的基础上采用局部加强锚喷支护措施,有效防治突水涌水事故的发生。(6)以三山岛金矿西山矿区-915中段巷道节理岩体为研究对象,使用三维有限差分软件FLAC3D建立了反应现场开采及井巷布设等工程的三维巷道模型,对比分析了含节理岩体巷道开挖围岩未支护、锚网喷支护及锚杆+U型钢支护对围岩变形及应力分布的影响规律,得出不同支护方案的支护效果。提出注浆加固+局部加强锚网喷支护方法,对比分析了锚网喷支护和注浆加固+局部加强锚网喷支护方案的支护效果,深入分析了不同节理倾角对巷道围岩稳定性及巷道支护效果的影响,得出注浆加固+局部加强锚网喷支护对于提高支护效果作用明显,巷道围岩最大水平位移及最大垂直位移分别降低了 49.64%和59.75%。因此,对于破碎程度较高的节理岩体巷道围岩,建议采用“注浆加固+局部加强锚网喷支护”方案,不仅提高工作效率而且可以有效保障矿山安全高效开采。


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