大厂铜坑锡矿91号矿体地压监测及充填体稳定性评价

本文介绍鲷坑锡矿地压及充填体试验研究成果。叙述９１号矿体开采区域采场围岩应力──变形变化监测与分析结果；评估了该矿磨砂胶结充填料（体）的力学特性及其充填质量；应用有限元法模拟计算了岩体与充填体稳定性；在工程地质调研基础上，分析及预报开采区域采场岩体稳定性。     

充填体矿柱刚度对采动地压分布影响分析

为研究充填体变形特性对采动压力分布的影响规律,采用弹性地基梁理论和结构力学理论,构建了充填体矿柱采动地压分布力学模型,给出了充填体变形参数影响下的矿柱压力理论解析解,分析了不同刚度比对采动地压分布影响规律,并提出了基于充填体与围岩变形参数匹配的充填体力学设计方法。研究结果表明：充填体与围岩变形参数对充填采场采动压力分布影响显著;岩体与充填体弹模比小于1000时,围岩及充填体采动压力对弹模比的参数敏感度较高;在充填体参数设计时,应将岩体与充填体弹模比控制在1500以内,为类似充填开采矿山的充填体力学设计提供了有益参考。     

破碎围岩条件下预留矿柱开采对充填体稳定性的影响

为研究预留矿柱开采对其上部充填体稳定性的影响,结合某金矿矿岩赋存条件,采用考虑封闭系数的矿柱开采经验公式,提出开采尺寸为180 m×15 m×20 m（走向长度×高度×宽度）的矿柱开采方案。利用MAP3D软件对590~605 m水平间矿柱开采进行数值分析,结果表明：在一般原岩应力情况下,矿柱完全开采后上部充填体仍保持稳定;在较差原岩应力情况下,矿柱完全开采后上部充填体受压作用明显,可能发生失稳破坏。应用极限平衡方程对矿柱开采经验公式进行修正,提出通过减小采场跨度及加强支护的方式,降低对充填体单轴抗压强度的要求,能保证预留矿柱的安全回采和上部充填体的稳定。研究结果可为其他类似矿山提供设计思路。     

复杂地形下缓倾斜磷矿床条带充填分区协同开采技术

如何实现复杂地形下缓倾斜矿体安全高效开采是目前亟待解决的关键问题。以宜昌某磷矿为工程背景,根据地应力不均匀分布特征构建分区采场结构,基于“协同开采”理念,提出了与其相适应的条带充 填分区协同开采技术,实现了同一盘区回采与充填协同作业。运用物理相似模拟试验方法,研究了分区协同回采过程中顶板及围岩矿柱的受力变形特征及其变化规律,探讨了分区充填过程中采场矿柱的承载机制。结 果表明：采区之间相互干扰程度较弱,围岩应力转移程度受埋深和开采步骤的影响较大;随着开采与充填的协同进行,不同采区条带上方顶板受拉与受压交错性分布;分区协同回采过程中,围岩及充填体矿柱并未发 生明显破坏,其中一步骤充填体和围岩矿柱是采场内的主要承载体,二步骤充填体的承载作用相对较弱;盘区矿柱之间及隔离间柱发生了非对称性变形。为了进一步降低充填成本,在原有协同充填模式的基础上适当 降低二步骤充填体的力学强度,并通过数值模拟方法验证了优化后采场充填模式的可行性。条带充填分区协同开采技术有助于实现复杂地形下缓倾斜矿床安全、高效、经济开采。     

胶结充填体与矿柱相互作用双轴加载试验研究

矿柱与充填体之间的相互作用是矿柱和充填体优化和安全设计的重要问题。通过双轴加载试验研究了侧向应力和采场充填率等因素对矿柱与充填体相互作用的影响。结果表明：充填体接顶时，充填体能充分发挥自身强度并直接参与顶板支撑，此时矿柱-充填体支承系统可以充分发挥承载力；充填体不接顶时，在一定侧向应力作用下矿柱-充填体支撑力提高主要是两者界面摩擦力的提高，而充填体横向约束效应对于矿柱强度提高效应不明显；较高的充填率意味着在矿柱-充填体界面处产生更大接触面积，在一定侧向应力作用下会在界面产生更大的摩擦力，进而产生更大的系统承载能力。试验结果与新城金矿测试结果的对比证实了该项研究对于新城金矿二步采场的稳定性分析具有一定的指导意义。     

程潮铁矿充填体下部崩落采场稳定性分析

程潮铁矿西区计划将矿柱回收采场由充填法转为崩落法开采,原充填采场结构复杂,造成其下方围岩应力分布不均,不利于开挖采准巷道的稳定性,故需对巷道开挖前后的围岩应力分布特征进行研究。采用室内相似模拟试验和数值模拟相结合的方法,分析了采准巷道开挖前后的围岩应力分布规律及巷道稳定性。研究表明：①由于原充填采场矿房矿柱采用间隔布置形式,导致其下方围岩应力分布紊乱,采准巷道开挖后局部存在拉应力,且应力集中现象明显;②充填采场下方围岩压应力达到崩落体下方的2倍,巷道开挖面临较高且不均匀的应力分布环境,可采取锚杆联系链技术进行支护,目前该支护方法在现场试验中已达到预期效果。研究结果对于程潮铁矿下一步开拓工程施工有一定的指导意义。     

安庆铜矿深部特大型采场充填体稳定性研究

为论证安庆铜矿深部特大型矿柱开采过程中充填体的自立高度、可暴露面积,开展了安庆铜矿深部采场充填体稳定性研究,在充填体现场调查、充填体力学性质的现场测试和室内实验的基础上,采用3种理论计算方法分析了充填体的稳定性,为特大型矿柱回采方案设计提供了依据。     

充填体变形特性分析及材料配比优选

当地下矿山采用胶结充填开采方法时,充填体的强度是影响其在地下矿产开采过程中是否稳定的直接因素,并且关系到采场围岩的稳定性和充填成本,而合理的充填材料配比是关键。本文在室内充填试验的基础上,利用数值模拟手段对四种灰砂比的充填体进行充填开采仿真模拟,分析了胶结充填体的变形特性,结果表明充填体的失稳主要从与下盘围岩接触的底部开始发生破坏,然后沿充填体与下盘的接触面向上、以及在与底板接触面处沿充填体倾向方向这两个方向逐渐发生变形破坏;对采场中的位移、应力和塑性区等围岩力学响应特征进行了对比分析,结果表明,当灰砂比为1∶8时,充填体能够维护采场稳定并且充填材料成本较低。研究结果对矿山充填工程具有一定的指导意义。     

下向进路式采场充填体顶板力学模型及稳定性分析

在应用下向充填采矿法的矿山中,回采工作直接在充 填体顶板下进行,研究充填体顶板的安全性和稳定性具有重 要意义.以甘肃某镍矿为工业背景,引入薄板模型和尖点突 变理论,构建了采场充填体顶板的力学模型,分析了充填体 顶板发生突变失稳的临界条件,确定了采场充填体顶板的安 全厚度,并进行反演推算得出该矿山目前所能承载的充填体 最大厚度.研究结论表明:影响充填体顶板稳定性的核心因 素是顶板厚度,某镍矿现有的采场结构参数能够满足持续下 向充填开采矿体的顶板厚度安全需求.研究方法为探究采 场充填体顶板稳定性问题提供了新的思路.     

大规模充填体下保安矿柱规划及矿体回采顺序研究

针对某金属矿长期处于大规模充填体下开采的现状,对-300 m各盘区回采期间的稳定性进行了数值模拟,分析不同方案的采场开采过程中顶板应力、位移等指标的变化规律,并综合分析比较了各方案的回采安全性与经济效益。分析结果表明：将E101采场作为永久性连续盘区时,回采至中期采场顶板处产生1.14 MPa的最大拉应力和75 mm的最大位移;开采后期采场顶板处产生2.30 MPa的最大拉应力和92 mm的最大位移;开采后期采场顶板的抗拉安全系数为1.53;整个顶板岩体稳定性较好,确定将E101作为盘区永久矿柱。根据盘区永久矿柱的位置,提出了4种盘区回采顺序,分析比较不同开采方案的顶板、直接顶板、矿壁及充填体稳定性,确定了从矿体中央连续永久盘区矿柱E101采场向两侧分盘区开采的回采顺序。     

全尾砂胶结充填作用机理实验及数值模拟研究

采用钢筒实验,得到了岩柱被不同配比的全尾砂胶结充填料包围受压时的强度特征曲线,根据曲线特征将受压过程分为了三个阶段,充填体配比为1：6时,其单轴抗压强度增大了42.9%,表明充填体与围岩共同作用,可显著提高岩柱的抗压强度。以某铁矿采用充填法开采为例,采用FLAC数值模拟,当空场在充填30%~65%时,空场底板应力及矿柱的竖向应力集中区域均变小,充填体施压于围岩,对围岩起柔性支护的作用。研究结果表明,充填体对围岩的支护类型为被动支护,可有效限制围岩继续变形作用,使采场处于稳定状态。     

充填体与岩体强度合理匹配下的采场结构参数优化

选取合理的充填配比和采场结构参数是采用阶段空场嗣后充填采矿法矿山实现安全回采和提高生产效率的有效措施。根据岩体开挖释放能量与充填体峰值变形能相近的原则,确定了符合中关铁矿的最佳充填配比为1∶6。在此充填配比下,针对中关铁矿的开采技术条件,对影响采场稳定性的矿房长度、矿房跨度和顶板厚度这3个因素进行了3因素3水平的正交试验设计,得到9种试验方案。运用FLAC3D对9种不同方案的采场结构参数进行模拟计算,分析对比了各方案矿房回采充填后采场顶板和充填体矿柱的应力及位移分布情况,研究了各因素对采场稳定性的影响顺序,进而对采场结构参数进行了优选。计算结果表明：矿房长度和矿房跨度是影响采场稳定性的重要因素,最优的结构参数为矿房长度50 m、矿房跨度18 m、顶板厚度8 m,该结构参数下能够保证采场的稳定性且能有效提高矿山生产能力。     

某铁矿充填采矿法协同支护充填体稳定性可视化分析

为有效控制某铁矿二分段充填采场稳定性,提出充填体围岩协同支护机制。在充填采矿法中地下采空区稳定性主要取决于充填体－围岩组合的相互作用机制。数值模型是了解采场损伤规模、损伤程度和类型、损伤位置和损伤发生时间较为适用的工具,为探索围岩与充填体在荷载作用下协同支护作用特征。通过研究不同灰砂比充填体充填采空区过程中与围岩及顶板之间的协同支护的力学特征规律,应用数值模拟方法对不同灰砂比与围岩之间的协同支护作用效果进行深入分析,同时分析矿房开采完成充填后,充填体与顶底柱及围岩的位移量变化、最大拉应力变化以及塑性区变化规律,最终优选出最佳灰砂比,为矿山的安全生产以及降低充填成本提供可靠依据。     

缓倾斜中厚磷矿床矿柱稳定性及采场结构优化

以云南磷化集团晋宁磷矿6号坑口东采区+2 150 m水平缓倾斜中厚磷矿床为研究对象,通过矿山压力平面应力相似模拟试验台,进行了房柱采矿法下矿柱稳定性及采场结构参数优化的相似模拟试验。基于试验结果,研究了沿矿体走向推进过程中采场顶板围岩与矿柱的应力、变形破断规律,同时对采场矿柱宏观失稳破坏模式和失稳机理进行了探讨分析,并对房柱法开采下采场结构参数进行了优化。结果表明：房柱法开采下采场围岩的变形破断具有明显的3个阶段特征,按照变形破坏程度,房柱法开采后,采场覆岩划分为垮落带、裂隙贯通带以及微裂隙松动带;矿体开挖结束后,对采场的个别矿柱进行回收,回采结束后矿柱会突然发生整体大规模的垮塌失稳破坏,呈现出明显的“多米诺骨牌效应”;同时建议采用矿房10 m,矿柱8 m的采场结构参数,以保证采矿安全。研究结果可为该采区深部矿体或类似条件的矿山开采提供理论和技术上的指导和建议。     

胶结充填体与围岩复合体的力学特性

为保证充填采场安全和矿石的连续高效开采,需要研究不同强度时期充填体与围岩相互作用规律及其对充填采场稳定性的影响。本文首先选用工业石蜡作为接触带材料模拟早期强度充填体,并考虑接触带区域应力环境的复杂性,模拟围岩与早强充填体接触区域的非均匀受力情况。为有效表征接触带区域破坏稳定情况,实现从定性分析到定量评价转变,在围岩和早强充填体的接触面放置PVC塑料薄片,结合显微成像、电镜扫描、声发射监测和应变值监测等手段,开展不同荷载作用下围岩与早强充填体相互作用室内试验研究,监测分析胶结充填体与围岩复合体的应变变化、裂纹扩展和变形演化及稳定破坏情况。试验结果表明：加载过程中,接触带区域的变形增长较快,应变值起伏变化较大,突变现象明显;加载之后,模拟接触带的石蜡存在三种不同情况的损伤特征,一是螺旋式损伤破坏,二是类平行式损伤破坏,三是交叉损伤破坏,而接触带附近的表壁监测点应变值呈现稳定递增趋势。研究结果揭示了充填体与围岩复合体在荷载作用下的力学特性,有利于指导早强充填体下采场的稳定性,也实现了表壁裂纹扩展和内部损伤破坏之间的同步表征。这为进一步研究充填体与围岩复合体在二维和三维荷载作用下的力学特性研究提供了研究思路。     

基于协同理念的地下采场稳定性分析及结构参数优化

针对某大型露天-地下联合开采铜矿山的开采现状,将协同理论引入地下采场的稳定性分析,主要考虑了地下采场中矿房、矿柱以及充填体假柱在结构尺寸上的协同作用,对原有采场结构参数进行了改进。为保证改进后地下采场在巷道掘进及矿房回采过程中的稳定,对3个充填方案下掘进巷道和回采采场的稳定性进行了数值模拟。结果表明：对于不同的充填方案,在待开挖矿体中掘进较大尺寸的巷道,其巷道基本稳定;回采过程中,其采场的稳定性与充填体刚度相关,充填体的刚度高低结合,采场应变、位移较理想。底部块石胶结、上部尾砂胶结充填是地下采场的首选方案;采用的大采矿横巷9 m扩底采场结构方案,回采过程中,采场顶板的稳定性提高了,同时出矿巷道的变形较小、保持稳定,该改进采场结构参数具有明显的优势。     

金属矿山阶段嗣后充填采场空区破坏机理

依据和睦山铁矿现场实测资料,证明金属矿山阶段嗣后采场围岩破坏具有明显的间歇性和突发性;对其破坏机理进行了数值模拟分析。结果表明：采场顶部围岩产生卸压圈,受拉伸作用,卸压圈内岩体自重应力通过应力拱传递到矿柱上,导致矿柱应力集中出现剪切滑移破坏;其变形破坏程度受顶板、矿柱围岩稳定性以及二次开采扰动的影响。基于普氏拱理论,以矿柱为研究对象,建立了阶段嗣后采场失稳演化模型,得到了矿柱破坏方式和采场失稳演化过程：矿柱稳定阶段、矿柱大形变阶段、部分矿柱失效以及矿柱整体失效。     

毛坪铅锌矿下向分层进路胶结充填采场结构参数优化

为探讨毛坪铅锌矿所采用的下向分层胶结充填采矿法采场结构参数的合理性,采用数值模拟手段对不同断面尺寸和不同埋藏深度的采场稳定性进行了计算,系统分析了充填体顶板及采场周边应力与塑性区等的变化规律。研究结果表明：随着进路跨度和采深的增加,进路四周拉应力值逐渐增大,当跨度超过5 m后,拉应力值已非常接近充填体抗拉强度;而当采深达到560 m时,拉应力范围几乎扩展到整个围岩,说明采场稳定性下降,存在拉破坏可能性。从本次计算情况看,在现有采深时（采深400~450 m）,进路最大跨度不宜超过5 m;而如果维持3.5 m的进路跨度持续向下开采,则适用的最大采深应在600 m左右,否则采场的稳定性难以得到有效保证。