高应力区陡倾矿体崩落开采岩移规律、变形机理与预测研究

发布时间：2020-09-04 17:23

【摘要】：在地下开采引起的岩体移动和变形问题的研究中,有关高应力区陡倾斜金属矿体崩落法开采引起的岩体移动规律和机理问题,是前人研究较少的一个重要的问题。对这一问题,至今国内外尚没有成熟的理论成果和便于应用的预计方法,极大地影响了矿山的安全生产。本文研究对象——狮子山铜矿,为典型的高应力区陡倾斜金属矿体崩落法开采,该矿山地应力较高,地质条件复杂,构造发育,矿岩破碎,开采难度极大,工程岩体稳定性问题非常突出。通过资料搜集、工程地质调查、现场岩移监测、理论分析、数值模拟及非线性算法等手段和方法,探讨了高应力区陡倾斜金属矿体开采岩体移动规律,变形、破坏机理与变形预测相关问题。(1)通过现场三维地应力实测,研究了矿区地应力场分布规律,结果表明：矿区以水平高构造应力场为主导,最大主应力方向为近NNW-SSE向。分别采用有限差分法FLAC3D和离散单元法3DEC对高水平构造应力的数值模拟反演方法进行了探讨,结果表明：基于初始应变能理论的初始地应力场的反演,即在位移边界条件下,计算域内所有单元体采用梯形应力分布初值设置,即设定初始弹性应变能状态,使满足或拟合应力随深度变化的实测值,模拟效果与实际吻合最好,是模拟水平高构造应力场的首选。并采用该方法,通过FLAC3D与3DEC对矿区的高地应力场进行了反演分析,反演结果与实际吻合较好,为后续高地应力条件下开采岩移的计算分析提供基础。(2)分析了断层面与断层带对岩体移动的屏障效应与发生机制,阐述了采动引起断层活化的滑动准则,并对采动影响下断层活化及其屏障效应的影响因素进行了分析,结果表明：随着开采区距断层距离的减小,断层上界埋深的增加,开采区尺寸的增大,断层越容易活化,断层活化后对位移场和应力场传播的阻隔作用越强烈；当断层切入空区中,断层倾角越大,断层越容易失稳活化,断层两侧岩移的差异性越大；断层破碎带的厚度越大,它所具有的屏障强度越高。在此基础上,研究了矿区深部持续采动诱发断层的活化规律与机理,矿区断层活化的本质是开挖卸荷引起的断层面上产生的附加张应力引起的,率先提出了主矿体下盘的雁列式陡倾角断层群的活化具有一定的“多米诺效应”。(3)开展了井下断层活化滑移和地表岩移的综合监测。针对井下断层活化错动的实际情况,设计了断层活化滑移的监测系统,并基于监测结果分析了F2，F3及F4断层的活化滑移规律,结果表明F2断层,F3断层正处于稳滑状态,F4断层还未发生活化,验证了断层活化的多米诺效应。通过地表GPS监测,研究了矿区崩落法开采引起的地表移动变形规律。研究发现,地表移动变形正在往上盘方向发展,且各测点地表沉降和水平移动速率正在急剧增加,地表沉陷正处于活跃发展期。(4)分析了自重应力场与构造应力场对陡倾矿体开采岩体移动规律的影响问题。对不同应力条件下,矿体倾角和矿体厚度对陡倾矿体岩移规律的影响进行了分析。在此基础上分别采用大变形有限差分法和离散单元法对矿区深部持续开采地表移动与覆岩冒落的规律与机理进行了分析,并提出了矿区陡倾矿体崩落法深部持续开采条件下地表沉陷与覆岩冒落动态演化过程可分为6个阶段,即①开采初始阶段；②覆岩初始冒落阶段；③覆岩大量冒落阶段；④地表塌陷阶段；⑤深部持续开采塌陷坑扩展放缓阶段；⑥开采结束地表沉陷衰减阶段。根据矿区实际开采情况、地表岩移监测结果以及地表岩移特征,可以得出,目前的地表岩移正处于第三阶段,即覆岩大量冒落阶段。预计未来深部17中段至18中段矿体回采过程中将会逐步向地表塌陷阶段转化。(5)分析了地表岩移灾害成因与危害性,通过地表岩移监测结果与地表地裂缝发展演化的分析,对地表岩移灾害的现状进行了评估；并通过数值分析,考虑实际地表地形,对地表岩移危害区域的发展演化过程进行了分析。根据现场断层滑移实测数据,建立了基于GM(1,1)模型的灰色系统预测模型,所建立的模型对于预测断层的滑移具有较高精度,在目前断层连续稳滑的状态下,可对未来一段时间内断层的滑移情况进行较好的预测。运用BP神经网络建立了金属矿崩落开采岩体移动角与移动范围预测的知识库模型,通过检验矿山移动角的预测,表明所建神经网络知识库模型具有较高的精度,并预测了狮子山矿区岩体移动角与移动范围。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD325;TD853.36
【图文】：

图２－１为狮子山铜逡逑矿位置图

工程地质与采矿概况逦．逦昆明理工大学呈网格状。逡逑易口断陷盆地的西侧，受东西向挤压作用力的影响，形成南北向发育。断裂主要由绿汁江大断裂和汤郎一易口大断裂组成。两断千米Ｗ上，是川滨南北向构造体系几大断层之一，也是本区主要的按方向可分为南北、北北东、北北西与东西向四组。南北向构造，侧，由一组紧密的背向斜与逆断层组成，是绿汁江大断裂伴生构众多的摺皱组与压性纵断层组成；北北西构造由一组压扭性断层布于易口矿区南部，由走向延伸较短的断层和擢皱组成。逡逑床赋存于北北东向构造组的狮子山背斜的轴部，矿床外围地处北的摺皱组发育部段，见图２－２。逡逑

井开拓方案，设计出矿能力为１０００邋ｔ／ｄ，邋Ｈ期工程基本回采结束。四期工程设计标高为逡逑１２３７ｍ？７８７ｍ（１６至２４中段），目前（２０１５．６）正在进行深部持续采矿工程１６中段矿体的逡逑回采和１７中段的开拓工程。图２－３为狮子山矿区１２３７ｍ标高（１５中段）平面示意图，图逡逑２－４为矿区４０号剖面工程剖面图。逡逑ｗｃｍｎｎ邋６５逦６０逦５５逦５０逦４５逦４０逦３５逦３０逦２５逦２０逦１５逦１０逡逑５０４６００逦５０４７００逦５０４８００逦５０４９００逦５０５０００逦５０５１００逦５０５２００逦５０５３００逡逑图２－３狮子山矿区１２３７ｍ标高（巧中段）平面示意图逡逑２０逡逑

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