锡基坑铅锌矿采空区稳定性分析及其治理方案优化

摘要

我国铅锌矿产分布广泛，但查明资源储量主要相对集中在几个省区，而广西作为铅锌矿的主要集中地之一，承担着铅锌矿开采供应的重任，然而随着铅锌矿资源的不断开采，遗留下的近地表采空区对地表基本农田构成了严重危害，同时对下部矿产的开采带来了安全隐患，合理且有效的治理采空区，防止地表塌陷同时保护下部矿产安全开采具有重要的现实意义。
　　本文根据锡基坑铅锌矿矿体储存条件及采空区实际情况，基于Bieniawski强度公式、核区强度理论共同验证了采空区矿柱的稳定性，同时，基于极限分析法、弹性力学小变形薄板理论法共同验证了采空区目标顶板的稳定性，结合3Dmine、Midas GTS NX建立矿山数值几何模型，采用FLAC3D重新演绎了采空区的形成过程，并对治理方案进行了优化。主要成果包括以下几个方面:
　　1.1号采空区中共有9个矿柱处于不稳定状态;2号采空区中只有1个矿柱处于不稳定状态;3号采空区共有4个矿柱处于不稳定状态;4号采空区矿柱均处于稳定状态;5号采空区中共有4个矿柱处于不稳定状态;6号采空区共有22个矿柱处于不稳定状态。
　　2.1、2、4、5及6号采空区的目标顶板均处于稳定状态;3号采空区因临近地表，共有6个目标顶板处于不稳定状态，分别为A3-1、A3-2、A3-4、A3-5、A3-6及A3-7顶板。
　　3.根据基于极限分析法以及弹性力学小变形薄板理论对不稳定矿柱垮塌导致顶板暴露面积扩大的目标顶板的分析结果，表明不稳定矿柱的连锁垮塌效应将进一步导致稳固顶板的垮塌，因此很有必要对不稳定矿柱实施加固支护等的治理工程，杜绝矿柱连锁垮塌引发的顶板垮塌。
　　4.数值模拟的最大主应力云图表明，各采空区顶板所受压应力与理论计算相符，各采空区中承受较大垂直应力的矿柱与理论计算指出的矿柱像似;数值模拟的最小主应力云图表明，3号采空区顶板绝大部分为拉应力状态，有较大几率出现拉伸破坏;数值模拟的塑性区分布图表明，1、2、4、5及6号采空区顶板绝大部分区域未出现塑性破坏，3号采空区顶板大部分出现拉伸破坏，小部分区域正处于拉伸破坏。
　　5.基于数值模拟分析对比治理方案一、二后，得出如下结论:无论是采用方案一或方案二对采空区进行治理后，整体能起到转移或减小采空区矿柱及顶板相应的最大主应力、剪应力及拉应力的效果，同时减小塑性破坏区的面积，而方案二较之方案一效果更加显著，因此拟将方案二作为采空区治理方案。
　　6、根据理论分析及数值模拟分析的论证结果，设计采用推荐的方案二进行采空区治理，经过进行优化设计并制定具体施工方案及施工进度计划后，表明此推荐方案具有可操作性强、经济便捷等优点。

目录

声明

摘要

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究综述

1．2．1 采空区探测技术

1．2．2 采空区稳定性分析评价技术

1．2．3 采空区治理技术

1．3 主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 本章小结

第二章 矿山地质概况与岩体力学参数

2．1 矿区地质概况

2．2．1 地层

2．2．2 构造

2．2．3 岩浆岩

2．2 矿产资源情况及矿体特征

2．2．1 矿产资源情况

2．2．2 矿体特征

2．3 矿区水文地质、工程地质及环境地质情况

2．3．1 矿区水文地质

2．3．2 矿区工程地质

2．3．3 矿区环境地质

2．4 开采工艺

2．5 岩石力学参数的确定

2．6 岩体力学参数的确定

2．6．1 室内试验结果的统计处理

2．6．2 基于RMR方法的岩体力学参数研究方法

2．6．3 岩体力学参数

2．7 本章小结

3．1 矿柱稳定性分析

3．1．1 矿柱稳定性影响因素

3．1．2 矿柱稳定性计算方法

3．1．3 矿柱稳定性计算

3．2 顶板稳定性分析

3．2．1 传统的采空区顶板安全厚度的分析方法

3．2．2 顶板稳定性计算

3．3 不稳定矿柱垮塌导致顶板暴露面积扩大的计算分析

3．3．1 不稳定矿柱连锁垮塌分析

3．3．2 矿柱连锁垮塌后的顶板稳定性计算

3．3．3 连锁垮塌效应小结

3．4 本章小结

第四章 数值模拟分析

4．1 数值模拟技术在采矿工程中的应用简介

4．2 建模软件简介

4．2．3 FLAC3D简介

4．3 建模方式及其分析

4．3．1 建模方式

4．3．2 几何模型与边界条件

4．3．3 本构模型与基本假设

4．4 数值模型计算分析

4．4．1 模拟计算步骤

4．4．2 数值模拟计算分析

4．5 采空区治理方案优化

4．5．1 采空区治理方式选择

4．5．2 采空区治理数值模拟分析

4．6 本章小结

第五章 采空区治理方案设计

5．1 采空区治理技术路线

5．1．1 采空区治理基本原则

5．1．2 采空区治理技术路线

5．2．1 采空区矿柱加固方式优化设计

5．2．2 采空区充填处理优化设计

5．2．3 中心矿柱支护与人工隔断采空区优化设计

5．2．4 采空区密闭封堵方式优化设计

5．3 采空区治理具体实施方案

5．3．1 具体施工方案

5．3．2 施工进度计划

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

附图