基于大间距无底柱分段崩落法的巷道围岩力学行为研究

发布时间：2018-11-14 11:43

【摘要】：无底柱分段崩落法作为我国地下金属矿山的主要采矿方法之一,近年来随着放矿理论及无轨采掘设备的发展,其采场结构参数一直增大,但关于巷道变形、破坏机理及地压活动规律的研究不够深入。基于此,本文以北m:河铁矿为工程背景,开展基于大间距无底柱分段崩落法下的巷道围岩力学行为研究。该研究对于采场进路的安全评估、合理支护、地压管控等具有重要的理论与现实意义。现将本文主要研究工作与结论概述如下:(1)基于大间距无底柱分段崩落法的特点,建立复杂巷道断面的复变函数力学模型,对三心拱巷道周边围岩在弹性阶段的力学行为特征进行详细论述:在单向竖向荷载下,巷道的小拱区与底角区为两个主要的应力集中区,应力集中系数分别为1.5～3,3.5～8。大拱区以切向受拉为主,应力集中系数为-1～1.5。直墙与底板区域的应力集中系数则相对稳定,分别维持在2与-1左右。因此在巷道成形过程中,应避免底角区与小拱区的曲率过大,防止应力集中造成严重的挤压变形。应力集中系数与侧压力系数保持着严格的线性函数关系,通过掌握只与巷道几何形状相关的应力集中系数增长速率曲线,可获取任意侧压力系数下的应力集中系数曲线。由巷道周边围岩的力学分析可知,在设计采场结构参数时,为避免应力叠加效应,巷道间距的确定需着重考虑侧墙区域所对应的影响范围,分段高度的确定需着重考虑底角区与拱形区所对应的影响范围。(2)建立了无底柱分段崩落法采场巷道群的三维有限差分数值模型,通过计算分析,对三种结构参数的巷道群在采动前与采动过程中的力学行为进行分析。采动前的计算分析表明巷道边应力分布规律与解析解保持较高的一致性,结构参数越大,巷道大拱及底板区域的最大主应力集中程度越高,而直墙区域的应力集中程度则较低,这主要是分段高度不同所引起的侧压力系数不同。对同一种结构参数,分段深度水平的增加,将会提升侧压力系数,因此在生产效率有限的前提下,不易提前掘进三、四分段的回采进路。巷道群周边围岩的应力场以巷道间距为步长呈现周期性变化,周期内的应力分布规律在大结构参数下与解析解保持较高的一致性,而在小结构参数下,巷道间矿柱中部区域的竖向应力得到提升,水平应力发生衰减,易发生矿柱的失稳破坏。采动模拟表明,进路围岩随着远离回采工作面,可被划分为应力卸压区、应力承压区、应力稳定区这三个区域。因此上下分段的回采错动距离应远大于应力抬升区范围,这是为保证上分段水平巷道底板围岩的稳定性。同一分段水平的回采错动距离不易过大,这将降低相邻巷道围岩的似侧压力系数,提升侧墙区域的应力集中系数。此外,结构参数与回采错动距离存在交互作用,结构参数越小,相邻巷道围岩的应力场对回采错动距离的变化更为敏感,因此大结构参数,更有利于巷道群周边围岩在采动过程中的稳定性。(3)通过连续-离散耦合模拟与矩张量算法,在细观尺度层面,探讨巷道围岩变形与破坏失稳机理,以及矩震级分布特征。随着单向竖向荷载增加,巷道围岩先在应力集中区(底角区、拱脚区)出现局部破坏,顶底板出现张拉裂纹,此后两帮围岩以应力集中区的初始裂纹为起点,被切割成V型破坏区。在低围压条件下,围岩破坏程度得到抑制,但破坏模式基本未发生变化,爆炸源事件较多。随着围压升高,两帮围岩的V型破坏区消失,顶底板出现压剪破坏,向内爆炸源与剪切错动源事件共同表现。当侧压力系数超过1时,顶底板围岩分区破裂严重,形成V型破坏区,向内爆炸源事件数占主导地位。在单向竖向荷载下,当围岩损伤增加到一定程度,巷道围岩沿损伤边界孕育不同长度的裂纹带,此时顶板易发生冒顶、坍塌,两帮损伤区内的围岩出现劈裂破坏。当围岩损伤极其严重时,巷道周边围岩发生大面积垮塌、冒顶。高量级矩震级沿较为发育的裂纹带分布,而在破裂化区域内部体现较低量级的矩震级。矩震级分布还呈现辐射规律,量级在破裂区的核心区最大,向外逐级递减。岩体破坏尺度越大,出现高量级矩震级的概率越大,大尺度破坏往往发生在围岩破坏后的最后阶段,即当中小尺度的破坏区域贯通后,往往形成较大尺度的滑移断裂。(4)采动地压监测结果表明测力锚杆的受力可大致分为三个阶段:稳定阶段(25m以外)、承压阶段(8.5m～25m)、卸压阶段(1.7m～8.5m)。这对应于采动模拟的三个应力变化区域,表明该分布规律具有普遍性。因此对于围岩条件较差的区域,需提前加强支护,减少分段药量或多设分段,同时应加快回采进度,避免巷道围岩在来压峰值期形成大范围的破坏。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD322;TD853.362
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本文编号：2331059