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程潮铁矿东区地表及构筑物变形规律研究

柏威伟  
【摘要】: 金属矿山崩落法开采岩层移动规律的研究是目前国内外采矿界正在积极探索的研究课题。随着开采深度的增加,影响岩层移动的因素不断增多,采动岩层的变形破坏机制也变得更加复杂,常常导致采区地表移动超过设计范围,给矿山的安全生产带来隐患。因此,揭示复杂开采条件下崩落法回采岩层移动规律,是提高矿山开采设计的可靠性、避免产生矿山开采地质灾害的重要基础。 鉴于武钢程潮铁矿矿床复杂的工程地质条件,以及地表遍布众多的重要建(构)筑物遭受地下采动危害的特点,本文针对程潮铁矿东区东主井和西风井结构安全性及井区岩体稳定性问题,采用工程地质分析、现场高精度三维立体监测和数值模拟等多种手段和方法,对崩落法开采的典型矿山——程潮铁矿东区地表及重要构筑物(西风井和东主井)变形情况展开了专题研究。主要的研究成果如下: 1、分析了矿区地质条件、采矿活动对地表变形的影响规律:采空区的存在,特别是采空区的时空发展是影响地表变形趋势的最主要因素。区域地质构造、场地工程地质和水文地质条件等,具体到岩性、断层、主控结构面、原始地应力场都间接地影响到区域变形特征。 2、弄清了东区两重要生产设施——东主井和西风井变形破坏差异原因。东主井井区南缘为开采诱发坡体滑动,而北缘东主井所在区域则为滑体滑动后产生临空面,引起岩体沿结构面的倾倒拉裂,表层近五十米的风化破碎岩体进一步放大了地表变形。对西风井而言,地表风化层较薄,由于两采空区与西风井连线呈钝角分布,受东西区采矿活动的共同影响,朝向两采空区的水平拉伸作用在一定程度上相互抵消,位移水平向消减效应较为明显,一定程度上缓解了地表变形增长速度。 3、探讨了东区地表变形的机理:东区下盘岩体,是从岩溶裂隙含水带的地下水的疏干到变质岩体底部直立状矿体开采初期开始出现位移和错动的,溶洞群中的水体和充填物质向下流动形成的真空负压作用和此后空洞结构的逐渐破裂使下盘渐进式向南失稳,这是开矿初期下盘地表开裂的基本模式。随着采矿深度的加深,采空区变大和向南的缓倾斜,下盘和上盘的崩落空区加大,矿体顶部直立变质岩岩体破裂下陷加剧,促进了下盘岩体向南错动。从工程地质条件上看,上盘为倾倒破坏,下盘为平面剪切滑裂型破坏。地下采空区形成后,东西向构造应力场的调整引起结构面产生张裂和错动,破坏后的结构体主要在重力、水的作用下向采空区移动。 4、提出了崩落法开采岩层及地表移动的六个过程:(1)相对稳定阶段(2)间断崩落阶段:(3)连续崩落阶段(4)地表塌陷阶段(5)塌坑围岩卸荷变形阶段(6)地表变形渐近式发展阶段 5、采用离散元UDEC、有限差分FLAC3D程序分别开展了矿区开采的二维和三维数值模拟:分析了不同开采阶段的岩层应力分布、移动特征和破坏状态,以及地表的移动破坏范围,通过和监测结果对比论证了数值模拟手段应用的可行性。 6、在上述研究成果的基础上,根据矿区变形趋势,提出了相应的工程应对措施,对矿区安全生产具有一定的指导意义和参考价值:除了采取基础及结构加固、排水等措施,防止突发变形外,合理安排采矿进度,在井区两边进行周期性对称交互式开采,在一定程度上也能缓解区域内的变形破坏状况,进而延长两主井及其附属构筑物的使用寿命。同时可以开展一定量的地表回填,把现有地表塌陷区及时回填,减小地形落差,这样也可以缓解下盘岩体向采空区的变形。


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