露天转地下开采境界顶柱稳定性分析及采矿技术研究

论文摘要

目前,我国大部分矿山将面临由露天转入地下开采。由露天转入地下开采会遇到许多技术问题,尤其是转入地下开采后其地下首层采用空场法的矿山则有更多的技术难题,如：境界顶柱稳定性、防突涌突冒、过渡期产量衔接、地下开拓方案、采矿方法、露天边坡稳定性、过渡层管理与开采、矿柱回收及空区处理、覆盖岩层形成等等,所有这些技术问题,都必须在露天转入地下之前或者在其过程中经认真分析、研究论证、做出可行性方案。境界顶柱稳定性及防突涌突冒问题是露天转入地下开采的关键技术和安全问题。境界顶柱不稳定、突涌或突冒的发生,都会给地下开采工作造成严重影响及灾害事故。本文即以唐钢石人沟铁矿境界顶柱稳定性及防突涌防突冒这一关键技术、现场实际安全问题为主要论题进行分析研究,建立一套分析研究方法和手段,制定可行方案指导矿山生产实践。露天转地下开采的矿山,如果采矿区域内存在着断层、破碎带,会给地下开采带来安全问题,因地下开采的扰动和采空区的形成会使断层、破碎带产生大的错动位移、塌方或大量冒落现象。因此,矿区内有断层、破碎带的矿山在对该区域开采之前,必须预先研究安全采矿方案。本文针对唐钢石人沟铁矿断层、破碎带影响下的采矿技术进行了分析和研究,制定出了一套安全可靠、技术可行、经济合理的采矿技术方案。唐钢石人沟铁矿露天转地下开采是我国由露天转入地下开采较早的矿山。该矿的露天转地下开采遇到的技术问题多、问题复杂及难度大,且有些问题是其他类似矿山同样会遇到,具有代表性、典型性,因此针对石人沟铁矿露天转地下开采关键问题的研究对类似矿山具有示范意义。本文研究课题已列入了“十一五”国家科技支撑计划中。境界顶柱稳定性、突涌防突冒、断层、破碎带影响下采矿技术问题都可归结为围岩稳定及变形破坏问题。关于围岩稳定问题研究方法较多,所考虑的影响因素不同,各具特点。而本文所研究的问题具有因素多、问题复杂、技术难度大的特点,因此,有必要综合各类研究方法,各取所长,相互补充。本文的研究综合采用了现场物理力学性能测试与监测分析、工程类比分析、极限平衡解析、二维数值模拟和三维数值模拟等方法,研究确定了境界顶柱稳定性方案、防突涌涌突冒措施及断层下采矿方案,主要研究工作可以总结为以下几个方面：(1)研究确定了石人沟铁矿岩石(体)结构特性及物理力学性质；(2)研究确定了石人沟铁矿不同开采条件下顶柱厚度方案并制定出防突涌防突冒措施；(3)研究确定了受大断层、大破碎带影响,易引起围岩变形破坏和易诱发境界顶柱冒落和突涌危害的部位；(4)对石人沟铁矿露天转地下开采区域进行了稳定性分区；(5)指导矿山按研究方案实施地下开采,进行现场跟踪调查和监测,在采矿过程中对方案及时调整,使研究更切合实际,注重应用。(6)对断层、破碎带影响下的矿体制定出了安全高效的采矿技术方案。本文研究、分析、总结出的解决露天转地下开采关键问题的研究方法,为我国露天转地下开采矿山提出了一套科学的研究思路,形成的围岩稳定性分析及研究理论有利于补充岩体力学理论。提出的岩石破裂过程分析系统及分析方法,能够分析得到露天转地下开采围岩失稳机理的渐进动态破坏过程,为露天转地下围岩失稳机理研究提供了新的动态可视化的分析手段。本文的研究成果应用于石人沟铁矿露天转地下开采的生产实践,3年来的采矿生产实践,验证了本文分析研究结果,有效地指导了矿山采矿安全,生产中未发生境界顶柱失稳及突涌突冒等安全事故,尽最大限度地回收了矿山资源,为矿山创造了显著的经济效益。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 露天转地下开采境界顶柱稳定性研究的目的及意义
• 1.2 露天转地下开采境界顶柱稳定性研究综述
• 1.2.1 露天转地下开采的特点
• 1.2.2 露天转地下开采过渡的采矿方法研究
• 1.2.3 露天转地下开采过渡期回采、开拓方案以及回采顺序研究
• 1.2.4 露天转地下开采过渡期安全问题研究
• 1.2.5 露天转地下开采境界顶柱厚度研究
• 1.3 本文研究思路及主要开展工作
• 1.4 小结
• 第二章 岩石（体）结构特性、物理力学参数性质测定
• 2.1 石人沟铁矿地质条件及采矿条件
• 2.1.1 地理交通位置、隶属关系及矿山现状
• 2.1.2 矿区及矿床地质特征
• 2.1.3 矿区水文地质
• 2.1.4 露天转地下主要采矿方案
• 2.1.5 矿柱名称介绍
• 2.1.6 矿山开采现状
• 2.2 石人沟铁矿岩体结构特征描述
• 2.3 石人沟铁矿岩体渗透特性
• 2.4 矿岩物理力学性质试验
• 2.5 岩体力学参数确定
• 2.6 岩体长期强度的确定
• 2.7 小结
• 第三章 境界顶柱可能的破坏模式和稳定性解析评价
• 3.1 石人沟铁矿采空区围岩压力分布特点和潜在破坏模式
• 3.2 境界顶柱稳定性的工程类比研究
• 3.3 摩尔-库仑极限平衡解析
• 3.4 小结
• 第四章 顶柱稳定性及破坏机制的二维模拟分析
• 4.1 应用FLAC2D的变形破坏分析
• 4.1.1 FLAC2D基本原理
• 4.1.2 计算模型及研究方案
• 4.1.3 计算结果分析
• 4.1.4 FLAC2D分析小结
• 4.2 应用RFPA2D的变形破坏分析
• 4.2.1 RFPA2D基本原理
• 4.2.2 计算模型及研究方案
• 4.2.3 计算结果分析
• 4.2.4 RFPA2D分析小结
• 4.3 考虑水弱化作用和长期强度的稳定性分析
• 4.3.1 分析结果
• 4.3.2 分析结论
• 4.4 小结
• 第五章 不同采矿方案情况下顶柱围岩三维稳定性分析
• 5.1 数值计算软件介绍-MSC.Patran和MSC.Nastran
• 5.1.1 MSC.Patran简介
• 5.1.2 MSC.Nastran简介
• 5.2 计算模型及方案
• 5.3 计算结果及分析
• 5.3.1 方案一研究结果
• 5.3.2 方案二研究结果
• 5.3.3 方案三研究结果
• 5.3.4 方案四研究结果
• 5.3.5 方案五研究结果
• 5.3.6 方案六研究结果
• 5.3.7 方案七研究结果
• 5.3.8 方案八研究结果
• 5.3.9 方案九研究结果
• 5.4 小结
• 第六章 境界顶柱稳定性监测与分区研究
• 6.1 各种分析结果的分析对比与境界顶柱厚度的确定
• 6.2 露天转地下稳定性分区研究
• 6.3 露天转地下稳定性分区的监测
• 第七章 含水破碎带及断层下采矿技术研究
• 7.1 研究背景
• 7.2 F18、F19断层区域地质条件概述
• 7.3 南区-60m中段F18-F19破碎及断层区域目前开采现状
• 7.4 存在的问题
• 7.5 F18-F19破碎断层区域稳定性分析力学参数确定
• 7.6 二维稳定性及破坏机制模拟分析
• 7.6.1 计算模型及方案
• 7.6.2 计算结果
• 7.6.3 考虑水弱化作用和长期强度时稳定性分析
• 7.7 三维背景应力场计算分析
• 7.7.1 计算模型及方案
• 7.7.2 计算结果及分析
• 7.8 矿石储量及可采出矿石量
• 7.9 建议采矿方案及支护方案
• 7.10 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介