倾斜厚大矿体崩落法开采顶板围岩冒落机理与演化规律研究

发布时间：2020-06-13 15:46

【摘要】：崩落法开采过程中往往引起上覆岩层的冒落从而形成隐伏采空区。崩落法采空区具有隐蔽性强、形态复杂、顶板不稳定等特点,其顶板围岩的冒落直接关系着上覆岩层及地表的移动规律。因此开展崩落法开采顶板围岩冒落机理与演化规律研究,具有重要的理论意义和工程价值。本文以夏甸金矿为工程背景,以揭示倾斜厚大矿体崩落法开采顶板冒落机理和演化规律为目标,综合采用室内力学实验、理论分析、数值模拟及现场探测等技术手段,围绕节理岩体等效参数确定、倾斜采空区顶板冒落机理与演化规律、高埋深隐伏采空区综合探测与验证等内容展开深入理论研究。(1)在现场工程地质调查及节理ShapeMetrix3D非接触扫描的基础上建立了夏甸金矿矿体纵剖面优势节理信息概化图,采用室内试验、数值模拟及理论分析的手段对夏甸金矿节理岩体力学参数及可崩性进行了研究。结果表明,夏甸金矿矿岩属于典型的硬脆性岩石,可崩性较好,崩落法采空区在一定时间内能够得到较好地冒落,其REV尺寸为高度25m,直径12.5m。(2)通过建立倾斜矿体随机节理模型,对倾斜厚大矿体崩落法开采顶板围岩冒落机理及影响因素进行了研究。结果表明,倾斜矿体崩落法开采时采空区顶板围岩具有“应力-冒落”双拱特征;冒落拱沿走向基本呈对称拱形,沿倾向呈非对称拱形特征,在倾向中上部较高,在倾向下部较低;冒落最大位移与矿体厚度呈二次多项式关系;矿体倾角越缓,顶板冒落范围越大,但最大冒落位移越小;节理组倾角为30°/60°时,围岩水平位移的偏移更大,对地表塌陷的影响最小,但影响范围最广;水平构造应力越大,围岩水平位移越大;上盘断层的存在,会影响顶板冒落的扩展路径,但使顶板的冒落会更加充分。(3)基于现场节理分布与参数建立夏甸金矿崩落法矿体的数值模型,通过模拟隐伏采空区冒落带最高点在-231.7m水平。构建隐伏采空区开采的物理相似模型,对顶板冒落过程进行了重演与验证,得到冒落带最高点为-246m。基于时滞非线性MGM(1,m|τ,γ)模型预测冒落带发展最高点为-236m水平。因此综合多种计算与试验模式,空区冒落至散体充满时最高点约为-230m～-250m左右,距离地表约350m～370m左右。(4)在理论研究的基础,结合夏甸金矿实际条件,提出了500m以深隐伏采空区综合探测验证方法,通过高密度电法与地表钻探技术探测未发现大规模空区,结合钻孔摄像长期监测与空区边界的探地雷达测试结果,证明隐伏采空区基本已被冒落散体密实充满,验证了数值模拟与理论计算的准确性。
【图文】：

石膏矿,平邑,采空区

波造成的人员伤亡和设备破坏，给矿山安全生产构成严重威胁，并造成环境恶化、逡逑矿产资源严重浪费。例如２０１５年１０月２２日山东黄金集团盛大铁矿８号采场发逡逑生地表塌陷，冲击井下，，淤埋巷道，造成８人遇难，见图１－１所示。２０１５年１２逡逑月２５日山东平邑石膏矿发生大面积采空区塌陷事故，引发４级地震，并造成１０逡逑余人死亡，引起地表建筑及农田大面积坍塌，如图１－２所示。逡逑图Ｍ盛大铁矿采空区坊塌引起地表塌陷逦图１－２平邑石膏矿采空区大面积坊塌逡逑国家安监总局于２０１４年６月１７日颁布第６７号令，明文规定，金属非金属逡逑地下矿山企业“必须加强顶板管理和采空区监测、治理”。国家安监总局于２０１５逡逑１逡逑

示意图,模型,示意图,节理裂隙

含不同倾角的软弱夹层的岩体在单轴和双轴压缩下进行了数值模巧，得到岩体变逡逑形的应力－应变曲线，为获取岩体力学参数提供了新的途径。逡逑如图１－３所示，采用ＤＦＮ技术建立的节理裂隙模型，内部各组节理空间分逡逑布与现场调查结果相同，可以认为是岩体内部节理裂隙分布的真实体现。且这种逡逑方法建模效率高，可有效弥补传统离散单元法的不足，因此本论文引入离散裂隙逡逑网格（ＤＦＮ）技术的优点，结合离散元技术建立真实反映节理裂隙分布特征的数值逡逑计算模型。逡逑＿逡逑图１－３三维ＤＦＮ模型示意图逡逑Ｓ逡逑
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD327.2

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