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金川二矿区深部矿体开采效应的研究

江文武  
【摘要】: 众所周知,金川镍矿的矿岩稳定性差,地应力高,是国内外地下矿山开采难度最大的典型矿山之一。目前,金川二矿区1#矿体已下降至850m中段进行采矿活动,开采深度近1000m,正式步入深井开采矿山行列。时至今日,人们对二矿区1#矿体是适合采用两步骤采矿模式还是连续采矿模式进行开采的基本问题,仍然争论不休。无疑,进入深部采矿环境,矿山开采将面临更为复杂的技术难题。在系统调研专业文献的基础上,作者结合金川二矿区工程实际,采用现场调查、室内模拟、数值模拟与理论分析相结合的方法,对金川二矿区深部矿体的开采效应显现,以及相应危害性开采效应的潜在抑制技术,进行了深入系统地研究。主要工作如下: 第一,采用三维非线性有限差分数值模拟方法,研究开采过程中地表变形问题,率先发现了采空区上方地表下沉与上升变形空间分布的时空演变过程与发展趋势的规律,为地表移动变形预测提供了理论依据,还给出了地表变形重点监测的区域范围。 在发现地表下沉与上升变形现象的基础上,首次将岩体蠕变理论应用于地表变形规律方面的研究,定性地解释了二矿区地表移动变形由一个下沉区域演变为两个变形区域,即一个下沉变形区域和一个上升变形区域的内在机理;提出了采空区底板矿体“岩柱”破坏模型;分析了构造应力型矿山地表移动角变缓和移动范围扩大的原因,解释了二矿区14行线回风井发生倾斜的原因。 还揭示了1000m临时水平矿柱,以及深部剩余相关分段矿体回采,对地表变形空间分布规律产生的影响;不同开采模式回采深部矿体产生的地表变形效应规律基本相同,但变形量的大小存在差别。 所有这些,为今后二矿区地表工程设施布置位置的确定,提供了理论指导。 第二,通过多中段开采条件下,临时水平矿柱抑制采空区变形效应的研究,揭示了临时水平矿柱从其形成、逐分段回采变薄直至最终消失全过程,在控制围岩地压活动方面所起作用的机制,以及临时矿柱应力与变形分布的演变规律。 结论表明:临时水平矿柱形成之初,在控制上下围岩收敛变形方面,起到明显的作用,但在矿柱与围岩结合部位引起应力集中现象明显;回采水平矿柱,对采空区下盘围岩变形产生相对较大影响,但不至引起灾害性地压活动的产生。 通过对两步骤采矿模式、连续采矿模式下临时水平矿柱的应力、位移等参数的动态分布变化,进行比较分析,发现:与连续采矿模式相比,两步骤采矿下盘区矿柱的存在,对临时水平矿柱的完整性、结构变形的平顺性起到一定程度的破坏性影响,水平矿柱的回采将面临更严峻的技术挑战。 进一步地,基于多中段同时开采下水平矿柱的受力特征,采用突变理论的分析方法,建立了水平矿柱的尖点突变模型,导出了水平矿柱失稳的充要力学条件判据,得出了水平矿柱失稳概率小的结论,并提出了水平矿柱回采的工程技术措施。 第三,对不同采矿模式(注:两步骤采矿模式、连续采矿模式)开采深部矿体产生的开采效应进行了系统地对比研究,得出二矿区深部矿体更适合采用连续采矿模式进行回采的重要结论,为生产与技术决策提供了重要支撑。 采用三维数值模拟与理论分析结合的方法,研究了不同采矿模式下深部矿体回采,对下部待采矿体中的应力、位移及破坏区分布等产生的影响,对采空区上下盘围岩应力和收敛位移动态变化规律产生的影响,以及对上部原有采空区及围岩的受力与变形状态产生的影响;针对两步骤采矿模式特有的盘区矿柱问题,研究了盘区矿柱的稳定性及其回收技术难度情况,还对盘区矿柱回采引起的开采效应演变趋势,进行了探索。 第四,应用力学模型对下向进路充填体结构(注:人工假顶结构)危险截面和危险点的分布状态进行了分析计算,发现了原有无筋充填体结构存在强度不足问题的内在原因,指出了提高充填体结构强度和稳定性新的技术途径。 在下向进路充填体结构危险截面和危险点的分布状态分析计算发现问题的基础上,首次采用室内模拟实验,研究了不同充填材料、充填体内部布筋与否等因素,对下向进路充填体结构抗折力学性能产生的影响。结果表明:高浓度砂浆材料制成的充填体抗折力学性能明显比分级尾砂膏体材料制成的充填体差,充填体内部布置钢筋可明显提高充填体的抗折强度等重要结论。这为提高充填体强度和稳定性提供了新的技术途径。 第五,率先提出了一种集成两步骤采矿模式、连续采矿模式之技术优势的新采矿模式—中央盘区有序滞后下降的整体连续开采模式,数值模拟结果初步证明,应用提出的新模式开采深部矿体,在维护区域稳定性与控制灾害性地压活动等方面,显现出了良好的应用前景,为今后深部矿体开采的地压活动控制提供了一条全新的研究方向。 中央盘区有序滞后下降的整体连续开采模式的核心技术为:深部矿体中部设置一个有序滞后回采盘区,在该盘区中配合采用割帮回采技术使其与两翼盘区在回采时空衔接方面有效过度,实现深部矿体整体连续开采的技术目标。数值模拟结果显示:与两步骤开采模式和连续开采模式相比,新采矿模式改善采空区围岩变形的平顺性指标、控制采空区围岩收敛变形指标大小等方面,显现出了良好的技术优势。 论文研究所获得的上述主要成果,进一步丰富了复杂条件下深井采矿技术的内涵,为金川公司二矿区深部矿体开采科学决策,以避免灾害性事故发生提供了重要的技术参考;对国内外高应力环境条件下深井采矿体开采过程地压控制方面的研究,具有重要的理论意义和工程应用价值。


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