金川二礦區(qū)深部礦體開采效應(yīng)的研究.pdf

1、眾所周知，金川鎳礦的礦巖穩(wěn)定性差，地應(yīng)力高，是國內(nèi)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(jìn)行采礦活動(dòng)，開采深度近1000m，正式步入深井開采礦山行列。時(shí)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(jìn)行開采的基本問題，仍然爭論不休。無疑，進(jìn)入深部采礦環(huán)境，礦山開采將面臨更為復(fù)雜的技術(shù)難題。在系統(tǒng)調(diào)研專業(yè)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，作者結(jié)合金川二礦區(qū)工程實(shí)際，采用現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)模擬、數(shù)值

2、模擬與理論分析相結(jié)合的方法，對金川二礦區(qū)深部礦體的開采效應(yīng)顯現(xiàn)，以及相應(yīng)危害性開采效應(yīng)的潛在抑制技術(shù)，進(jìn)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?jǐn)?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(shí)空演變過程與發(fā)展趨勢的規(guī)律，為地表移動(dòng)變形預(yù)測提供了理論依據(jù)，還給出了地表變形重點(diǎn)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(chǔ)上，首次將巖體蠕變理論應(yīng)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(dòng)變形由一個(gè)下沉區(qū)域演變?yōu)閮蓚€(gè)變形區(qū)域，即一個(gè)下沉變形區(qū)域和一個(gè)上升變形區(qū)域的內(nèi)在機(jī)理；提出了采空區(qū)底板礦體“巖柱”破壞模型；分析了構(gòu)造應(yīng)力型礦山地表移動(dòng)角變緩和移動(dòng)范圍擴(kuò)大的原因，解釋了二礦區(qū)14行線回風(fēng)井發(fā)生傾斜的原因。 還揭示了1000m臨時(shí)水平礦柱，以及深部剩余相關(guān)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(yīng)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(shè)施布置位置的確定，提供了理論指導(dǎo)。 第二，通過多中段開采條件下，臨時(shí)水平礦柱抑制采空區(qū)變形效應(yīng)的研究，揭示了臨時(shí)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(dòng)方面所起作用的機(jī)制，以及臨時(shí)礦柱應(yīng)力與變形分布的演變規(guī)律。 結(jié)論表明：臨時(shí)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(jié)合部位引起應(yīng)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(zāi)害性地壓活動(dòng)的產(chǎn)生。 通過對兩步驟采礦模式、連續(xù)采礦模式下臨時(shí)水平礦柱的應(yīng)力、位移等參數(shù)的動(dòng)態(tài)分布變化，進(jìn)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(shí)水平礦柱的完整性、結(jié)構(gòu)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(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。 進(jìn)一步地，基于多中段同時(shí)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(diǎn)突變模型，導(dǎo)出了水平礦柱失穩(wěn)的充要力學(xué)條件判據(jù)，得出了水平礦柱失穩(wěn)概率小的結(jié)論，并提出了水平礦柱回采的工程技術(shù)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(yīng)進(jìn)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(jìn)行回采的重要結(jié)論，為生產(chǎn)與技術(shù)決策提供了重要支撐。 采用三維數(shù)值模擬與理論分析結(jié)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(yīng)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(yīng)力和收斂位移動(dòng)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(shù)難度情況，還對盤區(qū)礦柱回采引起的開采效應(yīng)演變趨勢，進(jìn)行了探索。 第四，應(yīng)用力學(xué)模型對下向進(jìn)路充填體結(jié)構(gòu)(注：人工假項(xiàng)結(jié)構(gòu))危險(xiǎn)截面和危險(xiǎn)點(diǎn)的分布狀態(tài)進(jìn)行了分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了原有無筋充填體結(jié)構(gòu)存在強(qiáng)度不足問題的內(nèi)在原因，指出了提

8、高充填體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性新的技術(shù)途徑。 在下向進(jìn)路充填體結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面和危險(xiǎn)點(diǎn)的分布狀態(tài)分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)問題的基礎(chǔ)上，首次采用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，研究了不同充填材料、充填體內(nèi)部布筋與否等因素，對下向進(jìn)路充填體結(jié)構(gòu)抗折力學(xué)性能產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明：高濃度砂漿材料制成的充填體抗折力學(xué)性能明顯比分級尾砂膏體材料制成的充填體差，充填體內(nèi)部布置鋼筋可明顯提高充填體的抗折強(qiáng)度等重要結(jié)論。這為提高充填體強(qiáng)度和穩(wěn)定性提供了新的技術(shù)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(shù)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(jié)果初步證明，應(yīng)用提出的新模式開采深部礦體，在維護(hù)區(qū)域穩(wěn)定性與控制災(zāi)害性地壓活動(dòng)等方面，顯現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，為今后深部礦體開采的地壓活動(dòng)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(shù)為：深部礦體中部設(shè)置一個(gè)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(shù)使其與兩翼盤區(qū)在回采時(shí)空銜

10、接方面有效過度，實(shí)現(xiàn)深部礦體整體連續(xù)開采的技術(shù)目標(biāo)。數(shù)值模擬結(jié)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(biāo)、控制采空區(qū)圍巖收斂變形指標(biāo)大小等方面，顯現(xiàn)出了良好的技術(shù)優(yōu)勢。 論文研究所獲得的上述主要成果，進(jìn)一步豐富了復(fù)雜條件下深井采礦技術(shù)的內(nèi)涵，為金川公司二礦區(qū)深部礦體開采科學(xué)決策，以避免災(zāi)害性事故發(fā)生提供了重要的技術(shù)參考；對國內(nèi)外高應(yīng)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