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复杂采空区稳定性及近区开采安全性研究

彭欣  
【摘要】: 大宝山矿采空区体积大、数量多且形状复杂,严重威胁了矿区生产安全。为实现大宝山矿采空区近区安全开采,有必要研究采空区探测技术,对采空区群环境下的关键岩体结构(空区顶板和矿柱)稳定性进行分析,探讨采用何种强度的充填体处理采空区,如何实现采空区近区安全开采,并建立采空区近区开采的岩体稳定性安全预警系统。本文主要研究内容如下: 针对大宝山矿采空区特征,采用激发极化电法和激光探测技术对大宝山矿区采空区群进行地表宏观识别和地下精确成像,共计探测地下采空区体积180多万m~3,这些探测结果为采空区稳定性分析和空区充填处理提供了基础数据。 综合采用结构力学、鲁佩涅伊特法、荷载传递线交汇法、厚跨比法、长宽比梁板法、有限元数值模拟法等对采空区顶板安全性和合理厚度进行了分析,确定了采空区顶板的安全厚度。 利用数值方法分析了爆破震动等动载荷扰动下的空区矿柱动力响应特征,为认识空区矿柱的力学规律和破坏防护提供了理论依据。建立了塌陷区废石与围岩耦合作用力学模型,对大宝山矿区塌陷区域稳定性进行了研究。 通过对尾砂胶结充填体强度试验得出了不同配比的胶结充填体损伤破坏规律,首次采用突变理论研究了充填体与岩体的合理匹配,研究结果表明,大宝山矿采空区充填时,最低充填体强度确定为0.5MPa比较合理。 对塌陷区近区安全开采建立了力学分析模型,用可靠性理论研究了合理矿柱尺寸,根据研究结果并结合大宝山矿井下开拓情况,对于大宝山矿576采空区以北矿体的安全开采,开采中段高度在70m的条件下,矿柱宽度为12m比较合理。 采用极限平衡分析法,建立了胶结充填体力学计算模型,对于不同开采技术条件下充填体力学规律进行了深入研究。研究结果显示,大宝山矿采空区用配比1:10的充填体能满足近区安全开采技术要求,充填体暴露面积宜控制在3500m~2以内。 对大宝山矿岩石试件加载及破坏过程的声发射进行了试验,采用混沌理论研究了岩体声发射活动规律。研究结果表明,岩体破坏之前AE出现反常,声发射能率、大事件率急剧减少,混沌吸引子D值减小,岩体出现破坏的前兆特征。采用混沌与神经网络相结合的方法建立了大宝山矿采空区近区开采岩体稳定性智能预警系统。


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