金川二礦區(qū)深部礦體開采效應的研究.pdf

1、眾所周知，金川鎳礦的礦巖穩(wěn)定性差，地應力高，是國內外地下礦山開采難度最大的典型礦山之一。目前，金川二礦區(qū)1＃礦體已下降至850m中段進行采礦活動，開采深度近1000m，正式步入深井開采礦山行列。時至今日，人們對二礦區(qū)1拌礦體是適合采用兩步驟采礦模式還是連續(xù)采礦模式進行開采的基本問題，仍然爭論不休。無疑，進入深部采礦環(huán)境，礦山開采將面臨更為復雜的技術難題。在系統(tǒng)調研專業(yè)文獻的基礎上，作者結合金川二礦區(qū)工程實際，采用現(xiàn)場調查、室內模擬、數(shù)值

2、模擬與理論分析相結合的方法，對金川二礦區(qū)深部礦體的開采效應顯現(xiàn)，以及相應危害性開采效應的潛在抑制技術，進行了深入系統(tǒng)地研究。主要工作如下： 第一，采用三維非線性有限差分數(shù)值模擬方法，研究開采過程中地表變形問題，率先發(fā)現(xiàn)了采空區(qū)上方地表下沉與上升變形空間分布的時空演變過程與發(fā)展趨勢的規(guī)律，為地表移動變形預測提供了理論依據(jù)，還給出了地表變形重點監(jiān)測的區(qū)域范圍。 在發(fā)現(xiàn)地表下沉與上升變形現(xiàn)象的基礎上，首次將巖體蠕變理論應用于地

3、表變形規(guī)律方面的研究，定性地解釋了二礦區(qū)地表移動變形由一個下沉區(qū)域演變?yōu)閮蓚€變形區(qū)域，即一個下沉變形區(qū)域和一個上升變形區(qū)域的內在機理；提出了采空區(qū)底板礦體“巖柱”破壞模型；分析了構造應力型礦山地表移動角變緩和移動范圍擴大的原因，解釋了二礦區(qū)14行線回風井發(fā)生傾斜的原因。 還揭示了1000m臨時水平礦柱，以及深部剩余相關分段礦體回采，對地表變形空間分布規(guī)律產(chǎn)生的影響；不同開采模式回采深部礦體產(chǎn)生的地表變形效應規(guī)律基本相同，但變形量

4、的大小存在差別。 所有這些，為今后二礦區(qū)地表工程設施布置位置的確定，提供了理論指導。 第二，通過多中段開采條件下，臨時水平礦柱抑制采空區(qū)變形效應的研究，揭示了臨時水平礦柱從其形成、逐分段回采變薄直至最終消失全過程，在控制圍巖地壓活動方面所起作用的機制，以及臨時礦柱應力與變形分布的演變規(guī)律。 結論表明：臨時水平礦柱形成之初，在控制上下圍巖收斂變形方面，起到明顯的作用，但在礦柱與圍巖結合部位引起應力集中現(xiàn)象明顯；回采

5、水平礦柱，對采空區(qū)下盤圍巖變形產(chǎn)生相對較大影響，但不至引起災害性地壓活動的產(chǎn)生。 通過對兩步驟采礦模式、連續(xù)采礦模式下臨時水平礦柱的應力、位移等參數(shù)的動態(tài)分布變化，進行比較分析，發(fā)現(xiàn)：與連續(xù)采礦模式相比，兩步驟采礦下盤區(qū)礦柱的存在，對臨時水平礦柱的完整性、結構變形的平順性起到一定程度的破壞性影響，水平礦柱的回采將面臨更嚴峻的技術挑戰(zhàn)。 進一步地，基于多中段同時開采下水平礦柱的受力特征，采用突變理論的分析方法，建立了水平礦

6、柱的尖點突變模型，導出了水平礦柱失穩(wěn)的充要力學條件判據(jù)，得出了水平礦柱失穩(wěn)概率小的結論，并提出了水平礦柱回采的工程技術措施。 第三，對不同采礦模式(注：兩步驟采礦模式、連續(xù)采礦模式)開采深部礦體產(chǎn)生的開采效應進行了系統(tǒng)地對比研究，得出二礦區(qū)深部礦體更適合采用連續(xù)采礦模式進行回采的重要結論，為生產(chǎn)與技術決策提供了重要支撐。 采用三維數(shù)值模擬與理論分析結合的方法，研究了不同采礦模式下深部礦體回采，對下部待采礦體中的應力、位移

7、及破壞區(qū)分布等產(chǎn)生的影響，對采空區(qū)上下盤圍巖應力和收斂位移動態(tài)變化規(guī)律產(chǎn)生的影響，以及對上部原有采空區(qū)及圍巖的受力與變形狀態(tài)產(chǎn)生的影響；針對兩步驟采礦模式特有的盤區(qū)礦柱問題，研究了盤區(qū)礦柱的穩(wěn)定性及其回收技術難度情況，還對盤區(qū)礦柱回采引起的開采效應演變趨勢，進行了探索。 第四，應用力學模型對下向進路充填體結構(注：人工假項結構)危險截面和危險點的分布狀態(tài)進行了分析計算，發(fā)現(xiàn)了原有無筋充填體結構存在強度不足問題的內在原因，指出了提

8、高充填體結構強度和穩(wěn)定性新的技術途徑。 在下向進路充填體結構危險截面和危險點的分布狀態(tài)分析計算發(fā)現(xiàn)問題的基礎上，首次采用室內模擬實驗，研究了不同充填材料、充填體內部布筋與否等因素，對下向進路充填體結構抗折力學性能產(chǎn)生的影響。結果表明：高濃度砂漿材料制成的充填體抗折力學性能明顯比分級尾砂膏體材料制成的充填體差，充填體內部布置鋼筋可明顯提高充填體的抗折強度等重要結論。這為提高充填體強度和穩(wěn)定性提供了新的技術途徑。 第五，率先

9、提出了一種集成兩步驟采礦模式、連續(xù)采礦模式之技術優(yōu)勢的新采礦模式一中央盤區(qū)有序滯后下降的整體連續(xù)開采模式，數(shù)值模擬結果初步證明，應用提出的新模式開采深部礦體，在維護區(qū)域穩(wěn)定性與控制災害性地壓活動等方面，顯現(xiàn)出了良好的應用前景，為今后深部礦體開采的地壓活動控制提供了一條全新的研究方向。 中央盤區(qū)有序滯后下降的整體連續(xù)開采模式的核心技術為：深部礦體中部設置一個有序滯后回采盤區(qū)，在該盤區(qū)中配合采用割幫回采技術使其與兩翼盤區(qū)在回采時空銜

10、接方面有效過度，實現(xiàn)深部礦體整體連續(xù)開采的技術目標。數(shù)值模擬結果顯示：與兩步驟開采模式和連續(xù)開采模式相比，新采礦模式改善采空區(qū)圍巖變形的平順性指標、控制采空區(qū)圍巖收斂變形指標大小等方面，顯現(xiàn)出了良好的技術優(yōu)勢。 論文研究所獲得的上述主要成果，進一步豐富了復雜條件下深井采礦技術的內涵，為金川公司二礦區(qū)深部礦體開采科學決策，以避免災害性事故發(fā)生提供了重要的技術參考；對國內外高應力環(huán)境條件下深井采礦體開采過程地壓控制方面的研究，具有重