金川二矿区1150中段沿脉巷道支护体系的破坏过程及力学机制

摘要

金川镍矿矿床规模巨大，矿石储量丰富，在国民经济建设中处于战略地位，国家对金川矿山的重视程度在全国独一无二。金川矿区岩体破碎、地应力大、矿体形状变化大，对矿山基建巷道开挖带来严峻挑战。近年来，随着开采深度的逐年增加，巷道的稳定性问题越来越严重，特别是在回采1178分段时，巷道变形量大、变形快，以至不能给二次支护留出足够的时间，严重影响了施工质量与开采进度。 本文针对矿区出现的上述生产难题，结合《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》课题，将岩石力学及地下工程理论与工程实践相结合，以金川二矿18行线剖面为研究对象，运用现场调查、理论分析、计算机模拟等多种研究方法，对复杂地质水文条件、高地应力环境、特殊采矿方法等共同作用下沿脉巷道的破坏机理，以及1178标高巷道的破坏比其他标高巷道更为严重的现象，进行了研究并获得以下重要认识： 二矿区在应用大面积不留矿柱回填采矿工艺时，开拓出不同标高的两个采矿平面，其间为水平矿柱，矿体上盘围岩中从上到下依次分布着各标高沿脉巷道。有限元模拟研究表明，水平矿柱的“抵顶”作用是造成1178标高巷道破坏比其他标高更为严重的主要原因。在水平矿柱的屈服破坏来临之前，逐渐变薄的水平矿柱的应力集中程度将越来越高，导致“抵顶”作用越来越强烈，相应地1178巷道的破坏也趋于恶化，但当水平矿柱破坏之后，“抵顶”作用会逐渐弱化，巷道破坏也会相应减轻。受抵顶作用的巷道破坏形式可概括为：先从钢筋混凝土支护的拱顶、拱肩、底角获得突破，随着这些特殊部位的破裂，钢筋混凝土支护内所储藏的能量及地应力使得破裂继续扩展，最终导致整个钢筋混凝土支护的失效，引起巷道周围局部应力场重分布，结果锚杆支护上的有效应力显著增加并超越了其承载强度，于是锚杆在该应力状态下迅速走向破坏并最终失效。随着钢筋混凝土支护和锚杆支护的次第破坏，巷道的联合支护体系彻底崩溃，失去支护维持的巷道围岩将发生剧烈的变形和破碎，出现有害的松动和塌落，并很快充塞巷道的整个有效截面。所以需要加强联合支护体系中各种支护类型破坏次序的研究，为支护体系的优化设计与施工提供新思路。该论述在作者查阅的有关金川矿山的文献中尚无类似报道，对矿区采准工程的设计与施工具有参考价值和指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1岩石力学与地下工程

1.2金川矿区概述

1.3金川矿区岩石力学问题

1.4ADINA简介

1.5本文的主要内容

第二章金川矿区地应力及地质概况

2.1金川矿区地应力

2.1.1板块运动对地应力的影响

2.1.2区域构造对地应力的控制

2.1.3金川矿区的地应力水平

2.1.4小结

2.2金川矿区地质概况

2.2.1金川矿区的断层分布

2.2.2金川矿区的岩体强度

2.2.3小结

第三章几何模型

3.1矿体的几何方位

3.2坐标系统

3.3矿体的几何范围与外围岩体的几何范围

3.4矿体和岩体的网格划分

3.5材料常数

3.6边界条件

第四章金川矿区沿埋深方向巷道破坏的原因

4.1金川矿区沿埋深方向巷道破坏特点及对该现象的推测

4.2巷道在埋深方向上的破坏规律及其宏观控制因素

4.2.1各沿脉巷道支护层受力状态

4.2.2有限元强度折减法

第五章从支护受力论金川矿区沿埋深方向巷道破坏现象

5.1巷道支护的作用机理

5.1.1巷道支护分类

5.1.2巷道支护的作用机理

5.2金川矿区现行支护

5.2.1金川矿区现行支护概况

5.2.2 1198分段与1178m分段巷道支护概述

5.31198分段与1178分段巷道支护模拟结果分析

5.3.1锚杆支护上的应力分析

5.3.2钢筋混凝土支护上的应力分析

5.3.3钢筋混凝土支护失效之后矿区应力重分布的模拟结果分析

5.3.4结论

第六章结束语

6.1结论

6.2对金川矿区采准工程设计的建议

参考文献

致谢