地下金屬礦山六邊形進路充填開采圍巖穩(wěn)定性機理與控制方法研究.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)災害，因此，研究復雜地質(zhì)條件下的新型采礦方法等成為重要的研究課題。本文以解決復雜大水礦床的鐵礦石地下開采為研究背景，運用理論分析、室內(nèi)及現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測相結合的綜合研究方法，對《工程巖體分級標準》的不合理性進行分析并提出修改建議，并結合大量的室內(nèi)、現(xiàn)場測試及實驗分析，研究確定了谷家臺鐵礦的圍巖級別和

2、相關物理力學參數(shù);并引入安全系數(shù)作為穩(wěn)定性評價指標對新型六邊形下向進路膠結充填采礦法對控制頂板變形、改善圍巖受力、減少對注漿帷幕的擾動機理及規(guī)律、參數(shù)優(yōu)化等進行了系統(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)對國標《工程巖體分級標準》中存在的各種問題進行了初步

3、探討，提出了相應的修改建議，并應用于萊蕪谷家臺鐵礦。針對定性判斷和定量指標之間不一致的問題，對巖體基本質(zhì)量指標BQ值評分標準進行了修正;針對初始地應力影響判斷公式物理意義并不明確的情況，建議將初始地應力分為自重應力和地質(zhì)構造應力兩部分分開考慮，地質(zhì)構造應力的部分適用于原有判斷公式，自重應力的影響通過不同埋深情況下的安全系數(shù)指標來體現(xiàn)，進而對巖體基本質(zhì)量指標BQ值進行了修正;增加了具有嚴格力學意義的安全系數(shù)作為穩(wěn)定性評價的定量指標，使圍巖

4、分級的表述更具科學性;建立巖體基本質(zhì)量指標BQ值和巖體分級指數(shù)RMR值之間的數(shù)學關系，根據(jù)RMR值與巖體力學參數(shù)之間的經(jīng)驗公式，得到了基于BQ值的巖塊到巖體的物理力學參數(shù)折減方法。
　　(2)結合《工程巖體分級標準》的修改建議，通過現(xiàn)場點荷載試驗、鉆孔波速測試、節(jié)理裂隙統(tǒng)計，室內(nèi)三軸試驗等手段，對谷家臺鐵礦不同區(qū)段的圍巖狀況進行了綜合評價，確定了不同區(qū)段圍巖的圍巖級別和相應的物理力學參數(shù)，并試驗確定了不同配比充填體的物理力學參數(shù)。

5、
　　(3)通過對注漿帷幕體試樣進行瞬態(tài)滲透試驗研究，揭示了其全應力-應變過程中的滲透特性。整個破壞過程分為三個階段，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。應變-滲透系數(shù)曲線的峰值滯后于應力-應變曲線的峰值，說明巖石破裂是透水的直接原因，且先于透水而發(fā)生。
　　(4)采用解析法對六邊形進路回采圍巖應力進行求解，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時六邊形洞周圍巖應力分布，發(fā)現(xiàn)原巖應力場（λ的大?。Χ粗車鷰r應力分布有很大影響，λ值小于0.2時，洞頂出現(xiàn)拉應力，隨著λ值增大，拉應力逐漸消失，開始出現(xiàn)壓應力并逐漸增大。利用有限元軟件ANSYS模擬了不同側壓力系數(shù)λ的情況，模擬結果與解析解基本吻合。
　　(5)結合傳統(tǒng)數(shù)值分析中圍巖應變、變形及塑性區(qū)變化，引入安

7、全系數(shù)作為穩(wěn)定性評價指標，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果進行了比較，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力轉移方面的優(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，通過對整個礦塊開挖過程的圍巖穩(wěn)定性進行分析，認為在間柱位置最容易發(fā)生失穩(wěn)。
　　(6)對多水平、多礦塊開采方案的合

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