金川二矿区地下采场和采准工程力学稳定性研究

摘要

金川镍矿规模巨大，在国民经济建设中处于战略地位。在金川二矿区，近年来深部的双中段回采形成了水平矿柱和保安矿柱。地压显现明显，巷道工程变形破坏严重，支护困难，特别是1178分段的巷道，变形量大，速度快。面对越来越严峻的采矿形势，急需开展对矿区地下工程的力学研究和稳定性评价。 本论文以金川公司委托给兰州大学的重大科技攻关项目“金川二矿区1150中段水平矿柱回采前后应力场分布规律及安全评估﹡”为依托，在调研矿区地应力场测量数据、区域地质构造背景、主要活动断裂的分布、矿岩和围岩力学性质、二矿区采矿过程和未来采矿计划、采准工程建设与布置、以及地下巷道和支护变形破坏状况的基础上，应用弹塑性力学和岩石力学的基本理论，借助于有限元模拟，研究了采矿过程中围岩、水平矿柱和保安矿柱的受力状态及其相互作用，评价了1150中段水平矿柱上盘围岩中巷道工程的稳定性，对矿区下一步的回采安排提供了建议。成果已被矿区采用，成为保证安全生产和持续发展的重要决策依据之一。主要成果包括以下几方面： 1、建立了真三维有限元模型，将金川矿山力学稳定性分析的有限元模拟精确到了逐年模拟开采的水平。 2、利用ANSYS软件结合自编程序代码，准确模拟了矿区保持竖向梯度的原岩三维地应力场。 3、利用三维有限元计算，结合弹塑性力学原理，对水平矿柱、保安矿柱的稳定性和采矿安全性进行了分析评价，认为水平矿柱、保安矿柱2004年已开始进入塑性变形阶段，可在适当时候回采。 4、用有限元模拟了矿区提供的多个回采预案，认为调整已进入塑性状态的水平矿柱之上各盘区的回采顺序不能明显改变水平矿柱、保安矿柱和工程布置区的受力状态，建议二矿区不必改变现有采矿方案。 5、揭示了断层和岩体节理面的产状、地应力场局域性变化规律和巷道走向等对巷道稳定性的影响。 6、发现了采空区与巷道间相互影响的临界距离现象，提出了考虑孔间耦合作用的巷道设计理念。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1金川二矿区开采中遇到的问题及引发的思考

1.2研究的目的及意义

1.3围岩稳定性与地下工程

1.4金川矿区的研究现状

1.4.1金川矿区的地应力场

1.4.2金川矿区的工程地质条件

1.4.3金川二矿区地下工程稳定性的研究

1.4.4矿区的巷道与支护工程

1.5研究思路与技术路线

1.6论文的主要内容与创新

第二章金川二矿区工程概况与工程地质条件

2.1金川二矿区简介

2.1.1矿区系统工程概况

2.1.2矿区开采情况

2.1.3巷道与支护情况

2.2二矿区工程地质条件

2.2.1区域构造地质环境

2.2.2矿区的断裂构造情况

2.2.3矿区的工程地质岩组

2.2.4矿区岩石力学性质参数

第三章矿体应力状态的三维数值模拟

3.1 ANSYS软件简介

3.2计算模型

3.2.1有限元模型假设

3.2.2矿体的几何方位和坐标系的选取

3.2.3计算参数与破坏准则

3.3三维有限元模型的几何范围

3.4单元选取与网格划分

3.5地应力和初始应力场

3.6保持梯度的3D初始应力场的有限元模拟

第四章调整开采方案对矿柱及巷道的影响

4.1各方案简介

4.2各个方案模拟结果

4.3数据提取方法

4.4各方案结果比较

4.4.1采用的剪切滑移破坏判断准则

4.4.2第一方案对上盘工程布置区的影响

4.4.3第二方案对上盘工程布置区的影响

4.4.4第三方案对上盘工程布置区的影响

4.4.5第四方案对上盘工程布置区的影响

4.5各方案水平矿柱和保安矿柱的应力状态分析

4.5.1水平矿柱2004年的应力状态

4.5.2保安矿柱2004年的应力状态

第五章矿区应力场与地下工程稳定性的关系

5.1二矿区地下工程稳定性现状

5.2地应力与地下工程稳定性的关系

5.3完整岩石的地下工程稳定性

5.4结构面发育时的地下工程稳定性

第六章1178巷道破坏原因探讨

6.1 1178分段工程概况

6.2 1178巷道变形破坏特征

6.3变形破坏原因初步分析

6.4开采区的塑性范围对1178巷道的影响

6.4.1 DP材料模型简介

6.4.2开采区的二维模型

6.4.3结果分析

6.5水平矿柱上的应力集中对1178巷道稳定性的影响

6.6矿柱形态对1178巷道稳定性的影响

第七章考虑孔间耦合效应的巷道设计

7.1对模拟方案的验证

7.1.1开单孔情况模拟结果与经典解析解的比较

7.1.2开等大双孔情况模拟结果与经典解析解的比较

7.2开不等大双孔情况

7.3对金川矿区1178巷道破坏原因的解释

7.4考虑孔间耦合效应的巷道设计理念的提出

第八章结语

参考文献

致谢

攻读博士学位期间参加的科研工作及发表的论文