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多层叠跨采空区稳定性分析文献综述

 2020-04-14 16:22:43  

1.目的及意义

1.1研究目的及意义

由于爆破、开挖作业后围岩应力状态发生变化,导致采空区极易产生破坏。一方面采空区的变形、破坏、坍塌威胁到井下作业的人员安全;另一方面会导致地表沉降,造成环境破坏与财产损失,难以治理。故对于采空区稳定性的分析具有十分重要的意义。

上横山矿区共圈定12个缓倾斜薄-中厚矿体,空间上呈错落分布。这导致矿石采出后的采空区为叠落采空区,应力分布状态较单层或多层(重叠)采空区更为复杂。而目前国内外对于采空区稳定性的研究主要集中在单层或多层采空区,而叠落采空区几乎未有涉及。

若能够分析出上横山矿区叠跨采空区的的稳定性特征及破坏形式,就能较为精准地提出保护建议,为安全生产提供保障,为同类型矿山生产提供指导。

1.2研究现状

采空区顶板作为采空区相对薄弱的部分[1],许多学者对于采空区顶板进行了大量研究,如池秀文等基于弹性理论将采空区顶板分别简成弹性薄板模型[2]与简支梁模型[3],前者推导出挠度与应力方程,总结出应力分布规律与破断特征;后者推导出顶板最大拉应力与其上方岩层厚度之间的关系式,据此得顶板岩层与其相邻的矿层厚度比对顶板稳定性的影响。针对矿柱,左国义等利用FLAC3D分析模拟了某钨矿的采场矿柱稳定性[4]。罗斌玉等在Mohr-Coulomb准则下提出倾斜矿柱稳定性的安全系数法也适用于上横山矿体开采时对于矿柱的指导设计。

而对于双层或多层采空区的稳定性,除岩石力学性质外,还与采空区厚跨比、隔离顶板厚度、矿柱重叠率、采空区倾角等因素相关。付建新等基于弹塑性理论将双层采空区简化为简支梁模型,分析了采空区重叠率对隔离顶柱稳定性的影响规律[5]。秦文静等利用ANSYS模拟分析了不同矿柱重叠率下采空区的最佳安全隔层厚度及受力状态[6]

针对上横山矿的采矿方法,许多学者也提出了一些方案。如林坤峰根据上横山含钒页岩矿的赋存条件,提出大盘区机械化分层充填沿倾向后退式开采和盘区房柱法为较为合适的两种采矿方法[7]。胡倩等提出缓倾斜多层矿床矿层倾角小于30°,岩石移动角一般大于矿层倾角,只能采用由上到下的开采顺序,一般采用房柱法、分层充填法、长壁式崩落法等[8]。这些研究对于采空区稳定性具有普遍参考意义,但对于具有一定特殊性的多层叠跨采空区稳定性研究还有不足。


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2. 研究的基本内容与方案

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2、基本内容和技术方案

2.1基本内容

以江西省彭泽县上横山矿区上横山矿段钒矿为背景,采用现场调研、模型试验和数值模拟方法,根据多层叠跨采空区实际形态,建立上下空区矿柱、上空区顶柱的稳定性模型,推导上下空区矿柱和上空区顶柱的极限平衡方程,研究叠跨空区保护矿柱极限平衡应力状态和失稳模式;根据多层矿开采影响范围与叠跨空区的空间位置关系,研究已有叠跨空区对邻近待采矿体应力环境和结构特征的影响,揭示多扰次生应力作用下的叠跨空区围岩累积破坏机理。

2.2技术方案

针对上述研究内容,本课题拟采用理论推导和数值模拟相结合的研究方法,围绕含钒页岩多层叠跨采空区稳定性展开研究。

首先利用材料力学和弹塑性力学理论,在岩梁模型基础上,研究多层矿采场顶板的应力与上覆矿岩厚度比的定量关系;同时,简化五种开采工况采场顶板边界条件,即为简支、固支和自由三种边界条件,运用弹性薄板理论,在克希霍夫假设条件下,利用最小势能原理及里兹法,推导不同边界条件下的采场顶板弯曲挠度方程和应力状态方程,分析采用不同开采工况的采场顶板破断机理。

其次根据上横山钒矿赋存条件、采空区实际形态、采场围岩力学性质等建立叠跨采空区网格模型进行数值模拟。基于矿山地质剖面图,利用Surpac进行实体建模,再转化为网格模型导入FLAC3D中,根据岩石力学性质,对网格模型赋值。设置不同开采方案,在库伦摩尔准则下运算,最终得出应力、位移云图,并绘制相关曲线。分别分析采空区矿柱、顶板等的应力状态,结合两者研究采空区失稳模式。开采方案包括:

1)设置不同矿柱密度。首先不设矿柱进行模拟,再根据现象逐级增加矿柱数量,绘制衡量矿柱密度与采空区稳定性的曲线,得出最优矿柱密度。

2)设置不同的矿柱重叠率。在最佳矿柱密度的基础上设置不同的重叠率,绘制衡量重叠率与采空区稳定性的曲线,分析不同重叠率下采空区稳定性特征,揭示矿柱重叠率对采空区稳定性的影响机理。

3)设置不同隔离顶柱厚度。结合矿层间距、矿房留设高度等因素,以0.5米为一个单位设置不同隔离顶柱厚度进行模拟。绘制衡量隔离顶柱厚度与采空区稳定性的曲线,得出最优隔离顶柱厚度。

4)不同开采方向。设置由两侧向中间开采、由一侧向另一侧开采、由中部向两侧开采三种工况。比对不同开采方向时采空区的稳定性特征,得出最优开采方向。

最后结合理论推导与数值模拟结果,揭示上横山含钒页岩矿多层叠跨采空区围岩的破坏机理,并给出合理预防和治理方案。


3. 参考文献

4、参考文献

[1] 赵延林,吴启红,王卫军,万文,赵伏军.基于突变理论的采空区重叠顶板稳定性强度折减法及应用[J].岩石力学与工程学报,2010,29(07):1424-1434.

[2] 池秀文,刘敏,宋华,杨剑锋,林晓悦,王沛.多层矿采场顶板破断的弹性薄板机理研究[J].矿业研究与开发,2013,33(04):62-65.

[3] 池秀文,刘敏.基于梁模型的采场顶板稳定性分析[J].中国矿业,2012,21(08):113-115.

[4] 左国义,刘洪兴,张吉勇.基于FLAC~(3D)数值模拟的某钨矿缓倾斜矿体采场矿柱稳定性研究[J].湖南有色金属,2016,32(06):1-5.

[5] 付建新,宋卫东,谭玉叶.双层采空区重叠率对隔离顶柱稳定性影响分析及其力学模型[J].采矿与安全工程学报,2018,35(01):58-63.

[6] 秦文静,王汉斌,禹敏.不同矿柱重叠率下采空区安全隔层厚度分析[J].煤矿安全,2015,46(01):202-205.

[7] 林坤峰. 缓倾斜多层含钒页岩矿床大盘区采矿方法研究[D].武汉科技大学,2013.

[8] 胡倩,叶义成,柯丽华,王其虎.多层矿床同阶段相邻矿层安全回采顺序分析[J].金属矿山,2015(07):11-15.

[9] 采空区群失稳模型构建及隔离矿柱安全厚度研究Research on GoafGroup Instability Modeling and the Safety Thickness of Isolate Pillar

[10] 谈晓明,郭金峰,侯大德.斗南锰矿缓倾斜多层矿体开采方法的研究[J].中国锰业,1998(01):13-16.

[11] 叶义成,施耀斌,王其虎,姚囝,鲁方,岳哲.上横山多层页岩矿床低强度相似材料试验模型研究[J].岩土力学,2014,35(S2):114-120.

[12] 张鹤生.一种新型的缓倾斜多层矿体采矿技术[J].科技创新与应用,2013(30):19.

[13] 郭金峰,谈晓明,侯大德.缓倾斜多层矿体开采工艺的试验研究[J].云南冶金,2000,29(04):13-15.

[14] 孟祥凯,周罗中,刘涛,等.多层复合矿体的两步中深孔联合采矿试验研究[J].采矿技术,2012,12(03):5-6.

[15] 叶义成,施耀斌,王其虎,等.缓倾斜多层矿床充填法开采围岩变形及回采顺序试验研究[J].采矿与安全工程学报,2015,32(03):407-413.

[16] A.G.Corkum, M.P. Board, Numerical analysis of longwall mining layout for aWyoming Trona mine, International Journal of Rock Mechanics and MiningSciences, 2016,(89):94-108.

[17] GuanwenCheng, Congxin Chen, Lianchong Li, Wanchen Zhu, Tianhong Yang, Feng Dai, BoRen,Numerical modelling of strata movement at footwall induced by undergroundmining,International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2018(108):142-156,

[18] T.Sherizadeh, Pinnaduwa H.S.W. Kulatilake,Assessment of roof stability in aroom and pillar coal mine in the U.S. using three-dimensional distinctelement method,Tunnelling and Underground Space Technology,2016(59):24-37.

[19] 陈育民《FLAC/FLAC3D基础与工程实例》(第二版).

[20] 张世雄主编.固体矿物资源开发工程[M].武汉:武汉理工大学出版社,2007.


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