高地应力金属矿山开采及支护方案的数值模拟

论文摘要

本世纪我国越来越多的金属矿山进入深部开采,深部开采中巷道与采场维护理论与浅部有明显区别。在深部开采中要着重分析高地应力巷道围岩变形破坏机理及采场应力重布机理,从而找到切实可行的高地应力巷道围岩变形控制方案及更合理的开采方案。本文首先阐述了国内外急倾斜薄矿脉开采方法,巷道支护理论的发展,锚杆支护技术的研究历史及现状,岩石的力学性质,生产因素对矿山压力的影响,接着以山东省金洲矿业集团公司金青项矿区Ⅱ号矿体为工程背景,以ANSYS有限元软件为分析工具,建立3D有限元分析模型,在塑性分析中采用ANSYS提供的Druker-Prager准则,针对-535m中段的片帮和岩柱剥落现象,在原单进路采矿方案的前提下,提出双进路环形巷道采矿方案,并对两种方案下放矿过程进行模拟,还提出在各采矿中段保留隔离矿柱的采矿方案,以-535m中段和-585m中段之间为例对有无隔离矿柱情况放矿过程进行模拟,并将各种方案下出矿穿脉与采场局部应力场和应变场随放矿过程的变化进行对比,可以直观分析各种方案的优劣。本文还分析了深部巷道开挖及支护过程,比较了无支护、锚杆支护、预应力锚杆支护、锚杆衬砌联合支护和预应力锚杆衬砌联合支护情况下围岩应力、塑性区的变化情况,分析巷道局部,拱顶及两帮随进尺开挖的应力场及塑性区,考虑各种支护方案对其应力场及塑性区的影响情况,探讨了深部巷道支护的必要性和有效性,以便指导实际施工中根据实际情况使用合理的支护方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外急倾斜薄矿脉开采方法
• 1.2.1 国外急倾斜薄矿脉开采方法
• 1.2.2 国内急倾斜薄矿脉开采方法
• 1.3 软岩巷道支护理论的国内外发展情况
• 1.3.1 软岩巷道支护理论的国外发展情况
• 1.3.2 软岩巷道支护理论的国内发展情况
• 1.4 锚杆支护技术国内外研究历史及现状
• 1.4.1 国外锚杆支护理论研究发展概况
• 1.4.2 国内锚杆支护理论研究发展概况
• 1.5 本文主要工作
• 第2章 矿山岩石力学基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 岩石的组构特征
• 2.3 岩石的基本物理性质
• 2.4 岩石的强度
• 2.4.1 单轴抗压强度
• 2.4.2 单轴抗拉强度
• 2.4.3 抗剪强度
• 2.4.4 三轴抗压强度
• 2.5 岩石的变形性质及破坏形式
• 2.5.1 岩石的变形性质
• 2.5.2 岩石的破坏形式
• 2.6 岩石强度准则
• 2.6.1 莫尔-库伦（Mohr-Coulomb）强度准则
• 2.6.2 Tresca屈服准则
• 2.6.3 Mises屈服准则
• 2.6.4 德鲁克-普拉格（Druker-Prager）准则
• 2.7 生产因素对矿山压力的影响
• 第3章 采场结构优化的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 采场底部结构出矿进路参数优化
• 3.3 采场底部结构出矿进路参数优化分析
• 3.3.1 模型的建立
• 3.3.2 施加边界条件和载荷
• 3.3.3 参数的确定
• 3.3.4 计算方法步骤
• 3.3.5 弹性情况下两种采矿方法比较
• 3.4 双进路环形巷道采矿方法放矿过程中的塑性分析
• 3.5 隔离矿柱采矿方法的有限元模拟
• 3.6 本章小结
• 第4章 巷道支护设计的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 基本模型建立与求解
• 4.2.1 模型建立及参数选择
• 4.2.2 计算方法
• 4.3 计算结果及分析
• 4.3.1 初始地应力下整体应力分析
• 4.3.2 开挖过程引起的地应力重新分布
• 4.3.3 开挖完成后无支护与各种支护方案下整体结果分析
• 4.3.4 巷道拱顶及两帮沿进尺开挖方向支护效果分析
• 4.3.5 巷道拱顶及两帮沿锚杆长度方向支护效果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢