地下金屬礦山六邊形進(jìn)路充填開采圍巖穩(wěn)定性機(jī)理與控制方法研究.pdf

1、我國金屬礦山資源日漸枯竭，加快復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下礦山資源的勘探和開發(fā)已成為必然趨勢，復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下的開采將面臨前所未有的礦山地質(zhì)災(zāi)害，因此，研究復(fù)雜地質(zhì)條件下的新型采礦方法等成為重要的研究課題。本文以解決復(fù)雜大水礦床的鐵礦石地下開采為研究背景，運(yùn)用理論分析、室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的綜合研究方法，對(duì)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》的不合理性進(jìn)行分析并提出修改建議，并結(jié)合大量的室內(nèi)、現(xiàn)場測試及實(shí)驗(yàn)分析，研究確定了谷家臺(tái)鐵礦的圍巖級(jí)別和

2、相關(guān)物理力學(xué)參數(shù);并引入安全系數(shù)作為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)新型六邊形下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法對(duì)控制頂板變形、改善圍巖受力、減少對(duì)注漿帷幕的擾動(dòng)機(jī)理及規(guī)律、參數(shù)優(yōu)化等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出了合理的開采參數(shù);探討了滲流條件下的圍巖破壞機(jī)理，并據(jù)此確定了多水平、多礦塊的合理開采方案。通過現(xiàn)場注漿帷幕的變形及受力監(jiān)測分析，初步驗(yàn)證了理論分析的合理性及可行性。論文主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　(1)對(duì)國標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中存在的各種問題進(jìn)行了初步

3、探討，提出了相應(yīng)的修改建議，并應(yīng)用于萊蕪谷家臺(tái)鐵礦。針對(duì)定性判斷和定量指標(biāo)之間不一致的問題，對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修正;針對(duì)初始地應(yīng)力影響判斷公式物理意義并不明確的情況，建議將初始地應(yīng)力分為自重應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力兩部分分開考慮，地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的部分適用于原有判斷公式，自重應(yīng)力的影響通過不同埋深情況下的安全系數(shù)指標(biāo)來體現(xiàn)，進(jìn)而對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值進(jìn)行了修正;增加了具有嚴(yán)格力學(xué)意義的安全系數(shù)作為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的定量指標(biāo)，使圍巖

4、分級(jí)的表述更具科學(xué)性;建立巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值和巖體分級(jí)指數(shù)RMR值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，根據(jù)RMR值與巖體力學(xué)參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)公式，得到了基于BQ值的巖塊到巖體的物理力學(xué)參數(shù)折減方法。
　　(2)結(jié)合《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》的修改建議，通過現(xiàn)場點(diǎn)荷載試驗(yàn)、鉆孔波速測試、節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)，室內(nèi)三軸試驗(yàn)等手段，對(duì)谷家臺(tái)鐵礦不同區(qū)段的圍巖狀況進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，確定了不同區(qū)段圍巖的圍巖級(jí)別和相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，并試驗(yàn)確定了不同配比充填體的物理力學(xué)參數(shù)。

5、
　　(3)通過對(duì)注漿帷幕體試樣進(jìn)行瞬態(tài)滲透試驗(yàn)研究，揭示了其全應(yīng)力-應(yīng)變過程中的滲透特性。整個(gè)破壞過程分為三個(gè)階段，平靜期，試樣內(nèi)部微裂隙萌生;發(fā)展期，試樣內(nèi)微裂隙快速發(fā)育、延伸和貫通;完全滲透階段，試樣受壓破壞，大量裂隙形成貫通，出現(xiàn)斷裂面。應(yīng)變-滲透系數(shù)曲線的峰值滯后于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值，說明巖石破裂是透水的直接原因，且先于透水而發(fā)生。
　　(4)采用解析法對(duì)六邊形進(jìn)路回采圍巖應(yīng)力進(jìn)行求解，利用單位圓外域到一般形狀洞

6、孔外域的映射函數(shù)，近似求得六邊形洞孔外域的映射函數(shù)，考慮垂直方向受均布荷載γH，水平方向受均布荷載λγH、地面荷載為0時(shí)六邊形洞周圍巖應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)原巖應(yīng)力場（λ的大?。?duì)洞周圍巖應(yīng)力分布有很大影響，λ值小于0.2時(shí)，洞頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，隨著λ值增大，拉應(yīng)力逐漸消失，開始出現(xiàn)壓應(yīng)力并逐漸增大。利用有限元軟件ANSYS模擬了不同側(cè)壓力系數(shù)λ的情況，模擬結(jié)果與解析解基本吻合。
　　(5)結(jié)合傳統(tǒng)數(shù)值分析中圍巖應(yīng)變、變形及塑性區(qū)變化，引入安

7、全系數(shù)作為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，系統(tǒng)研究了埋深、圍巖參數(shù)、寬高比和橫截面積等條件對(duì)六邊形礦房圍巖穩(wěn)定性的影響，并與同等條件下矩形礦房的模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，分析了六邊形礦房在限制注漿帷幕頂板位移和控制洞周應(yīng)力轉(zhuǎn)移方面的優(yōu)越性，并優(yōu)化確定了合理的開挖礦房間距至少為礦房寬度的2倍，確定了不同礦石參數(shù)條件下合理的礦石間柱和礦塊尺寸，通過對(duì)整個(gè)礦塊開挖過程的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，認(rèn)為在間柱位置最容易發(fā)生失穩(wěn)。
　　(6)對(duì)多水平、多礦塊開采方案的合

8、理性進(jìn)行了研究。無滲流條件下，確定單一水平同時(shí)開采礦塊間距至少為一個(gè)礦塊+兩個(gè)間柱的寬度;兩水平、多礦塊同時(shí)開采的間距須大于兩個(gè)礦塊+三個(gè)間柱的寬度，且第二水平礦塊的頂板須為充填體才可保證安全開采;因?yàn)榈V體傾角僅為30°左右，第一和第三水平的礦塊已不在一個(gè)斷面內(nèi)，三水平、多礦塊的開采方案可參考兩水平的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。
　　(7)對(duì)無滲流條件下確定的開采方案進(jìn)行了滲流條件下的圍巖穩(wěn)定性驗(yàn)證，確定滲流條件下單一水平多礦塊開采間距至少要兩