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金川二矿区1150中段沿脉巷道支护体系的破坏过程及力学机制

陈晓辉  
【摘要】: 金川镍矿矿床规模巨大,矿石储量丰富,在国民经济建设中处于战略地位,国家对金川矿山的重视程度在全国独一无二。金川矿区岩体破碎、地应力大、矿体形状变化大,对矿山基建巷道开挖带来严峻挑战。近年来,随着开采深度的逐年增加,巷道的稳定性问题越来越严重,特别是在回采1178分段时,巷道变形量大、变形快,以至不能给二次支护留出足够的时间,严重影响了施工质量与开采进度。 本文针对矿区出现的上述生产难题,结合《金川二矿区1150中段水平矿柱回采前后应力场分布规律及安全评估》课题,将岩石力学及地下工程理论与工程实践相结合,以金川二矿18行线剖面为研究对象,运用现场调查、理论分析、计算机模拟等多种研究方法,对复杂地质水文条件、高地应力环境、特殊采矿方法等共同作用下沿脉巷道的破坏机理,以及1178标高巷道的破坏比其他标高巷道更为严重的现象,进行了研究并获得以下重要认识: 二矿区在应用大面积不留矿柱回填采矿工艺时,开拓出不同标高的两个采矿平面,其间为水平矿柱,矿体上盘围岩中从上到下依次分布着各标高沿脉巷道。有限元模拟研究表明,水平矿柱的“抵顶”作用是造成1178标高巷道破坏比其他标高更为严重的主要原因。在水平矿柱的屈服破坏来临之前,逐渐变薄的水平矿柱的应力集中程度将越来越高,导致“抵顶”作用越来越强烈,相应地1178巷道的破坏也趋于恶化,但当水平矿柱破坏之后,“抵顶”作用会逐渐弱化,巷道破坏也会相应减轻。受抵顶作用的巷道破坏形式可概括为:先从钢筋混凝土支护的拱顶、拱肩、底角获得突破,随着这些特殊部位的破裂,钢筋混凝土支护内所储藏的能量及地应力使得破裂继续扩展,最终导致整个钢筋混凝土支护的失效,引起巷道周围局部应力场重分布,结果锚杆支护上的有效应力显著增加并超越了其承载强度,于是锚杆在该应力状态下迅速走向破坏并最终失效。随着钢筋混凝土支护和锚杆支护的次第破坏,巷道的联合支护体系彻底崩溃,失去支护维持的巷道围岩将发生剧烈的变形和破碎,出现有害的松动和塌落,并很快充塞巷道的整个有效截面。所以需要加强联合支护体系中各种支护类型破坏次序的研究,为支护体系的优化设计与施工提供新思路。该论述在作者查阅的有关金川矿山的文献中尚无类似报道,对矿区采准工程的设计与施工具有参考价值和指导意义。


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