复杂地质条件下矿山地下开采地表变形规律的研究

地质条件是矿山开采岩层移动的基础,复杂的地质条件常使得地表移动角、沉陷角预测不准,导致灾难性后果。以典型复杂地质矿山程潮铁矿东区为例,以多年地表变形监测结果为依据,对在其特殊地质条件下地表变形和岩层移动的机制进行了分析研究。结果表明,地下采矿是矿区岩体破坏的直接诱因,地下水产生的静水压力和动水压力强化了岩体的变形与破坏;矿区岩体中断层、节理等特殊地质结构是岩体破坏的基础;构造应力场的存在是围岩向采空区产生较大移动变形的主要影响因素;在采矿之初,地表塌陷主要是由地下水疏干引起的;地表大规模塌陷形成以后,地下采空区的扩大是引起地表塌陷的主要原因,但矿区特殊的地质条件对地表塌陷范围的扩展速度有重要影响。     

结构面对程潮铁矿西区地表变形的影响分析

以程潮铁矿西区为例,通过对现场结构面和裂缝分布特征的调查,以及结合地表变形监测数据的分析,揭示了矿区结构面对地表变形的影响。研究结果表明,在矿区较大的水平应力条件下,岩体结构面改变了地表拉伸变形分布和破坏形态,加剧了岩体变形,在ⅰ区(剖面Ⅲ以东区域),目前最外侧裂缝以内的岩体沿着NNW结构面发生倾倒滑移破坏,地表变形以快速变形为主,而最外侧裂缝以外的岩体沿着NNW结构面发生弯曲变形,地表变形以线性稳定增长为主,进入了倾倒破坏阶段,该区域的岩体主要发生水平位移;在ⅱ区(剖面Ⅲ以西区域),岩体在开采沉陷引起的南北向应力作用下,分离成平行的块体,地表变形以快速变形为主,在局部区域,产生的一部分平行块体在近东西向的应力作用下,沿着NNW结构面产生倾倒破坏。所得成果对类似金属矿山的地表征地及安全高效生产具有实际指导意义。     

急倾斜厚大金属矿山地下开挖岩移发生机理

文章以金川二矿区的岩体移动为例,对急倾斜厚大金属矿山的岩体移动这一重大工程难题进行了探讨。分析了急倾斜金属矿山开挖引起岩体移动的概化传递模式及其地表岩移显现特征。结合数值模拟及GPS监测分析结果,对厚大急倾斜金属矿山岩移发生机理进行研究。结果表明,急倾斜金属矿的厚度对地表岩移的显现特征具明显的影响。当对厚大矿体进行薄层开采时,较大幅度的岩体移动主要发生在采空区顶、底板,开采引起岩体移动的地表显现特征类似于水平矿体的开采;而当采空区的高度大于整个矿体的厚度时,采空区两侧的岩体位移逐渐增大到占主导地位。岩体移动的地表显现特征开始表现为急倾斜矿体开挖的岩体移动特征。     

崩落法开采引起的岩层移动时效性研究

崩落法开采的金属矿山往往会伴随着一系列的地质灾害现象。为保证矿区安全生产,开展崩落法开采引起的岩层移动的时效性研究具有重要意义。以程潮铁矿西区下盘为研究对象,通过将地表10多年GPS监测数据的整理分析,并与现场破坏调查结果和工程地质条件相结合,进而探究不同分区下岩层移动的时效行为。研究结果表明：岩层移动的时效行为与其破坏过程有着密切的关系,不同分区下的岩层移动的时效行为是不同的,可分为初始变形、渐进变形、加速变形和残余变形共4个阶段,分别对应着稳定状态、临界状态、失稳状态以及采矿结束后的蠕变状态;初始变形阶段对应着岩体的初始蠕变过程,渐进变形阶段反映了岩体抵抗自身变形的过程,加速变形阶段与深部破坏面的形成和强烈的应力释放有关;崩落碎石在采矿作业停止后失去了流动空间,在岩体变形挤压下会对围岩提供支撑力进而限制了岩层移动的进一步发展;残余变形时间由岩体的蠕变特性和崩落碎石的压密过程所控制,倾倒滑移区因需要经历一个额外的碎石压密过程而导致残余变形时间更长。     

程潮铁矿地下开采引起岩层移动机制初探

在对矿区地质条件、采矿情况以及监测资料分析的基础上,提出了悬臂梁的力学模型。该悬臂梁是由NWW向节理切割下盘的花岗岩岩体而产生。地下采矿引起的岩层移动分为两个阶段,筒状破坏延伸到地表之前为第1阶段;筒状破坏延伸到地表后,则进入第2阶段。筒状破坏延伸到地表使水平构造应力释放,悬臂梁受力发生变化,而发生弯曲折裂变形和破坏,从而形成了深部岩体破坏的4个区:破裂岩体区、破裂过渡带、变形区和未扰动岩体区。通过对矿区地表测点所测数据进行分析,结合上述岩层移动机制和裂缝产生过程,将变形区域划分为:变形累积区、裂缝产生区、裂缝扩展区和裂缝闭合区。随着采矿的进行,深部岩体4区将逐渐向下延伸,地表4区将逐渐向外扩展。     

陡倾矿体充填法开采引起地表移动的实例分析

监测表明,长期采用充填法开采的大型金属矿山也会发生显著的地表变形破坏现象。为了掌握金川镍矿地下开采引起的地表移动、变形和破坏规律,借助GPS技术作为地表移动的监测手段,建立了覆盖矿区地表的GPS监测网。持续的监测数据表明,金川矿区地表最大沉降量已达2400mm左右,以现场调查与地表长期监测数据为依据,给出了地表移动的范围与特征,分析了与岩体移动、变形和破坏现象发生相关的条件和规律,并提出了一些具有预测性的观点,为工程地质-岩石力学条件大致相同矿山的工程技术人员和研究人员提供了一个有借鉴意义的实例。     

地下采矿引起的程潮铁矿东区地表变形规律研究

金属矿山由于其矿体形态多变、地质条件复杂、多非充分采动、开采方法多样、构造应力显著及结构效应明显等特点,难以把握由地下采矿引起的地表变形和岩体的破坏形式。以程潮铁矿东区为例,依据近年（2010年3月至2015年9月）的地表变形实测数据,绘制出相应的监测成果图。结合三维激光扫描等新技术再现地表变形三维盆地,探究了地下开采影响下的地表变形规律和机制。对矿区上下盘地表变形规律等进行了比较分析,结果表明：程潮铁矿东区在采矿初期发生筒状冒落;变形传递到地表后,在采空区正上方形成大小不等的漏斗状塌坑群。上盘地表变形扩展与采矿推进度有较好的对应关系;水平应力是岩体变形的主动力,应力不断释放影响着地表变形特征。结构面倾向改变了上、下盘岩体的破坏形式,减缓和加速了上下盘岩体的破坏。同时,在坡体形态的影响下,地表变形在下坡方向总变形量增大和垂直变形增量更大。     

陡倾结构金属矿山采空区围岩破坏机制研究

在地下金属矿山开采中会造成采空区围岩变形破坏,影响地下采矿安全。采用现场调查、位移监测、微震监测,并结合理论分析等方法对金山店东区地下采空区的围岩破坏机制进行研究。考虑水平构造应力和崩落岩体的影响,基于极限平衡理论和能量法分别得到上下盘采空区围岩破坏机制,即倾倒滑移破坏和溃曲滑移破坏。上盘和下盘围岩在陡倾结构面的切割作用下,分别形成反倾结构和顺倾结构。在水平构造应力作用下,上盘陡倾结构岩体向采空区侧发生倾倒破坏,岩体变形破坏进而导致F4断层活化。随着采矿的深入,破坏的岩体数量和范围不断增加,形成一个深部滑动面,并穿过F4断层。下盘采空区围岩在水平构造应力作用下诱发了矿体边界处F1断层滑移,同时引起顺倾结构岩柱发生溃曲-滑移破坏,沿着节理面形成滑动面。     

金属矿山采矿推进与地表变形关系研究

分析金属矿山地下采矿引起的地表变形规律,可为地表变形扩展范围的预测与矿山安全生产提供指导。以程潮铁矿为例,对地下采矿情况的调查以及地表GPS、水准和三维激光扫描数据分析,探讨采空区周界变化与移动线和陷落线对应关系,采矿推进与沉降漏斗扩展之间关系,采矿推进与采空区上方及周边测点的变形规律。其结果表明,从2006−2017年间,随着西区–325、–342.5、–358、–375.5、–393 m水平采空区向不断向东移动,西区移动线和陷落线的扩展主要集中在西区东北部,东部和东南部;沉降漏斗东部有新的漏斗中心发育,沉降漏斗曲线逐渐呈2个漏斗中心的特点。采空区正上方测点变形受地下采矿推进直接控制,当开采测点正下方的矿体时测点变形会明显加速,而采空区周边测点,变形加速则受多种因素影响,并基于监测结果,分析了采空区上覆岩体崩落,通过建立采空区周边岩体力学模型,解释了测点变形规律,所得成果可为其他类似金属矿山提供参考。     

结构面对程潮铁矿东区地表及岩体移动变形的影响研究

以程潮铁矿东区为例,通过现场结构面调查、地表及深部岩体变形监测,分析了该区地表及岩体移动变形与结构面的关系。结果表明：程潮铁矿东区地表及岩体移动变形主要受该区复杂的地质条件控制,特别是结构面的影响,变形方向和变形量值均与理论预期不同。NNE、NE向结构面的存在控制着岩体向采空区运动的侧向边界条件,同时导致变形方向的向西偏转,NWW向结构面的松动导致东主井区岩体向采空区的倾倒变形,地表变形在南北剖面上呈三级阶梯分布;西风井相对东西采空区的特殊位置以及NE向结构面的影响使其变形值小于预期,是该区相对安全的主要原因。     

高应力区露天转地下开采岩体移动规律

以金川龙首矿为例,基于2003―2008年长达12期的GPS实测数据,按照时空分布比较分析总体变形趋势,得出整个矿区的地表沉降特征、平面位移特征、行线（勘探线）随时间变化的沉降和平面位移特征。据此分析了以水平构造应力为主导的高应力区露天转地下开采引起岩体的变形规律,并与该矿闭坑之初的变形规律比较,通过理论分析的方法对产生差异的原因进行初步解释,并用数值模拟的方法加以验证,其研究结果对认识露天转地下开采引起的岩体移动、破坏特征,指导矿区安全生产有积极意义     

露天与地下联合开采引起岩层移动规律的模型试验研究

非法开采对矿山开采稳定性具有重要影响,以某铁矿为例,进行了二维物理相似模型试验研究,分析得出了在考虑和不考虑非法开采两种情况下的地表变形规律和矿体围岩移动规律。试验结果表明,从-270 m采至-550 m水平期间,地表沉降和围岩变形呈缓慢增加趋势,但当从-550 m水平继续向下开采时,由于矿体倾角变得平缓,地表沉降、深部围岩变形都急剧增加,非法开采会造成矿体上部岩体的应力重分布,虽没有明显增大地表的沉降范围,但增加了开采点附近的地表沉降量,而且大大增大了地表岩层的水平移动。     

神东矿区地表移动参数变化规律及影响机制

我国西部矿区普遍具有资源储量大、埋藏浅、覆岩结构简单等特点,采矿活动对地表影响明显。为研究神东矿区地表移动参数变化规律,首先基于大柳塔矿22201工作面实测数据分析其地表动态变形规律,再采用神东矿区18个工作面的实测数据,获得地表移动参数与地质采矿条件之间的对应关系,并分析地质采矿条件对地表移动参数的影响机理。研究表明:神东矿区煤层开采地表沉陷速度快、衰退期短,最大下沉速度达643.3 mm/d,活跃期下沉量占总下沉量的99.05%;下沉系数与松散层采深比呈先增大后减小的二次函数关系,水平移动系数、主要影响角正切分别与（采高×开采速度）/（宽深比×基岩厚度）、基岩厚度×开采速度/（采深×采高）呈先减小后增大的二次函数关系;边界角、裂缝角与松散层采深比呈正线性关系,移动角与基岩采深比成正比,与采高、开采速度成反比;基岩承载松散层荷载及松散层拱效应的变化是导致地表移动参数变化的根本原因。研究成果对西部矿区地表破坏控制与治理、矿井生产安全保障及生态环境修复具有工程实用价值。      

厚覆盖层矿山地下开采地表塌陷机制分析

随着矿山开采深度的不断增加,厚覆盖层成为部分深部地下矿山的主要特点。以物探调查、变形监测以及理论分析为手段,对某典型厚覆盖层金属矿山地下开采初期地表塌陷的成因与机制进行了分析。结果表明,厚覆盖层中存在的大面积采空区为地表塌陷变形提供了空间,采空区顶板厚度较小为地面塌陷的发展提供了条件,采空区的存在是地表塌陷的主要原因。地表出现塌陷以后,塌陷范围以塌坑为中心继续向外扩展,受覆盖层内采空区走向,断层和岩层分界面等地质缺陷影响,塌坑向西、向南与向北三个方向上的扩展较向东快得多。降雨会增大塌坑向外扩展的速度,因为地表水的下渗加快了塌坑周围岩土体向塌坑方向的移动和下沉。     

急倾斜煤层开采地表沉陷的渐近灰色预测

煤层开采所引起的地表沉陷是一种严重的矿区地质灾害。煤层的倾角、厚度等物理条件是地表沉陷的主要影响因素。在水平煤层或缓倾斜煤的开采过程中，由于地层倾角小，地表沉陷具有较完整的规律性，其预测效果也比较理想。但是，在急倾斜煤层的开采中，由于地层倾角较大，赋存条件和地质体物理力学性质的差异，增强了地表下沉的非线性特征，使地表沉陷具有不确定的表现规律。文章对重庆市南桐矿区东林矿的地表沉陷非线性特征进行了探讨，得到了东林煤矿地表下沉曲线的分形维数是1．07。在岩层移动这个系统当中，既含有已知的又含有未知的或非确定的信息，可以作为一个灰色系统来研究。岩层控制系统的状态、结构和边界条件难以精确描述，属本征性灰色系统。文章针对东林煤矿地表下沉曲线非线性较弱的性质，提出用一种基于GM(1，1)的渐近预测模型对东林煤矿42个月的地表下沉量时间序列进行探讨。结果表明，这种模型对急倾斜层开采地表沉陷的预测是一种行之有效的方法。通过对其他工程实例的应用分析，进一步证明这种渐近的灰色预测方法具有相对较高的精度，是一种比较实用的地表沉陷预测方法，具有广泛的工程实用空间。     

岩层及地表移动与冲击地压相关性研究

对岩层及地表移动规律的观测、室内试验和数值计算分析表明,采动覆岩层沉陷运动的不协调性造成裂隙带上部弯曲带岩体中产生大范围的离层空隙。随着工作面的推采,离层空隙周期性悬露垮断构成了上覆岩层及地表移动变形运动的不同特征。根据现场观测,砾岩层运动是矿井冲击地压发生的主要力源,地表下沉速度发生剧烈变化,冲击地压发生的频率较高,地表产生反弹时更为危险,且随着砾岩层的运动,冲击地压发生周期性变化。     

薄基岩条带开采覆岩与地表移动数值模拟研究

通过数值模拟模型，分析了薄基岩条件下条带开采引起的覆岩破坏机理、地表的下沉和水平变形等移动变形值，揭示了薄基岩条带综放开采引起的上覆岩土层的应力场、位移场及地表的移动变形规律，为薄基岩条件下条带开采覆岩与地表移动变形的工程地质机理的研究奠定了基础。