多层缓倾斜薄-中厚矿床复杂采动采场结构稳定性研究

摘要

传统的逐层开采方式制约了多层缓倾斜薄-中厚矿床的安全、高效、经济开采，而多层条带开采能有效提高开采效率。条带矿柱作为缓倾斜空区顶板主要支撑体，其压缩破坏和强度特征，以及在复杂采动过程中的不同采场结构受力特征是多层条带开采时判别采场结构稳定性的关键科学问题。采用岩石力学试验、理论分析、数值模拟试验和物理相似模拟试验等研究手段，系统研究了多层缓倾斜薄-中厚矿床复杂采动采场结构稳定性问题。
　　(1)针对多层缓倾斜薄-中厚矿床“多层”和“中厚”的矿体赋存特征，分别开发了多层条带开采嗣后充填法和条带分层充填法。构建了基于区间数多心态排序的采矿方法评价模型，实现了在不同风险偏好条件下对采矿工程中区间数的排序。应用该模型对某典型多层缓倾斜薄-中厚矿床进行了采矿方法评价研究，确定了最优的多层条带开采嗣后充填法。
　　(2)采用单轴和三轴压缩试验，分析了层理面倾角对层状岩体压缩破坏形式及其强度特征的影响，以及不同层理面强度缓倾斜层状岩体的不同压缩破坏形式特征。基于PFC数值模拟，从细观层面揭示了折线型“斜台阶”状破断面、单剪切斜面及X型剪切斜面等三种不同层理面强度缓倾斜层状岩体不同压缩破坏形式的形成机理。重点关注了弱层理面缓倾斜层状岩体折线型“斜台阶”状的破坏形式，基于Mohr-Coulomb准则和断裂力学理论，推导出折线型“斜台阶”状破断面中的层理面间完整岩体破断角解析式，建立了缓倾斜层状岩体“斜台阶”状破坏判据。
　　(3)采用有效区域理论，分析了缓倾斜矿床多层条带开采的应力转移演化规律;并用数值模拟方法研究了单面和双面临空矿石矿柱的集中应力分布特征;基于能量平衡原理建立了空区顶板卸压高度计算式;构建了单面和双面临空充填体矿柱及复杂采动岩梁顶板的分布应力弹性力学求解模型。研究结果揭示了多层条带开采过程中复杂采场结构的受力特征。
　　(4)采用数值模拟和物理相似模拟试验方法，系统分析了动态开采过程中的空区顶板、矿石矿柱、充填体矿柱及上覆岩体的应力场和位移场变化规律，揭示了多层条带开采两步骤回采过程中非连续小卸压区域向连续大卸压区域转化过程。模拟试验研究结果与理论分析研究结果相吻合，印证了采用理论方法分析的复杂采动过程中各采场结构受力特征。
　　研究形成的多层缓倾斜薄-中厚矿床多层条带开采技术及其应用效果评价模型，建立的缓倾斜层状岩体压缩强度准则和缓倾斜层状岩体“斜台阶”状压缩破坏判据，以及多层条带开采过程中岩体应力演化及不同采场结构的受力特征，为多层缓倾斜薄-中厚矿床的安全高效协同开采提供了采场结构稳定性分析理论基础和设计依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究目标

1．3．3 拟解决的关键科学问题

1．3．4 研究技术路线

第2章 多层条带开采嗣后充填法及复杂采场结构特征

2．1 基于区间数多心态排序的采矿方法评价

2．1．1 某典型多层矿床开采技术条件及技术经济指标

2．1．2 基于专家经验统计的评价指标区间数权重

2．1．3 区间数多心态排序方法

2．1．4 多层缓倾斜薄-中厚矿床采矿方法评价

2．2 多层缓倾斜薄-中厚矿床多层条带开采技术

2．2．1 多层条带开采嗣后充填法

2．2．2 条带分层充填法

2．2．3 多层条带开采应用效果分析

2．3 多层条带开采的复杂采场结构

2．4 小结

第3章 层状岩体矿柱压缩破坏及强度特性研究

3．1 层理面倾角对层状岩体压缩破坏及强度特性的影响

3．1．1 层状岩体单轴压缩试验方案

3．1．2 层状岩体单轴压缩破坏形式

3．1．3 层状岩体单轴抗压强度特性

3．2 缓倾斜层状岩体压缩破坏及强度特性

3．2．1 缓倾斜层状岩体压缩试验

3．2．2 缓倾斜层状岩体压缩破坏形式

3．2．3 缓倾斜层状岩体压缩强度准则

3．3 缓倾斜层状岩体单轴压缩细观力学行为

3．3．1 微裂纹发育过程

3．3．2 细观颗粒位移特征

3．4 缓倾斜层状岩体折线型破断面形成机理

3．5 折线型破断面中的破断角分析

3．5．1 层理面间完整岩体破断角的几何求解

3．5．2 基于Mohr-Coulomb准则的层理面问完整岩体破断角计算

3．5．3 基于断裂力学的层理面间完整岩体破断角计算

3．5．4 破断角计算公式的效果验算

3．6 缓倾斜层状岩体“斜台阶"状压缩破坏判据

3．7 小结

第4章 多层条带开采的采场结构受力特征及力学模型研究

4．1 多层条带开采的岩体应力转移演化规律

4．1．1 条带矿房回采的岩体应力转移演化

4．1．2 条带矿柱回采的岩体应力转移演化

4．1．3 多层条带开采的岩体应力转移演化

4．2 矿石矿柱集中应力分析

4．2．1 条带矿柱应力集中演化机理

4．2．2 单面临空矿石矿柱集中应力分布特征

4．2．3 双面临空矿石矿柱集中应力分布特征

4．3 充填体矿柱力学模型及其弹性求解

4．3．1 单面临空充填体矿柱

4．3．2 双面临空充填体矿柱

4．4 缓倾斜空区顶板卸压区域高度计算

4．4．1 空区开挖的能量转移特征

4．4．2 空区储存的弹性应变能

4．4．3 卸压区域的弹性应变能

4．4．4 基于能量平衡的卸压区域高度计算

4．5 复杂采动岩梁顶板力学模型及其弹性求解

4．6 小结

第5章 多层条带开采的模拟试验研究

5．1 多层条带开采的数值模拟研究

5．1．1 矿岩体及充填体物理力学参数

5．1．2 数值计算模型及模拟方案

5．1．3 数值模拟结果分析

5．2 多层条带开采的物理相似模拟研究

5．2．1 物理相似模拟试验方案

5．2．2 物理相似模拟试验结果分析

5．3 模拟试验与力学模型求解结果对比分析

5．3．1 岩体应力转移演化规律分析

5．3．2 充填体矿柱受力分析

5．3．3 顶板卸压区域高度分析

5．4 小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

附录

致谢