辽阳文东石膏矿房柱式开采矿柱稳定性研究

摘要

我国石膏矿产资源丰富，储量可达576亿吨。由于石膏的应用领域广泛、经济价值高，所以石膏矿的开采规模不断增大。在我国，石膏矿主要以房柱式开采为主，主要是为了有效控制地下开采引起的地表移动、变形和破坏，保护地面建筑物及设施的安全，因此保证矿柱的稳定性是房柱式开采设计的技术关键。
　　本文以辽阳文东石膏矿为工程实例，对研究区域的地质开采条件、水文地质、工程地质特性等进行了深入的分析;通过室内实验的方法，对静水状态下石膏矿石的软化性能和溶蚀速度进行了深入的研究;采用极限平衡理论的研究方法，对房柱式开采的矿房和矿柱的合理尺寸进行了设计，并对矿柱的稳定性进行了深入的分析;运用FLAC3D数值模拟软件，对文东石膏矿不同矿房和矿柱尺寸条件下的房柱式开采进行了数值模拟研究。主要取得了以下成果:
　　(1)对辽阳文东石膏矿矿石在不同浸水时段的抗压强度和软化性能进行实验研究，获得石膏矿石的抗压强度和软化系数随浸水时间的变化规律:在浸水时间0h的石膏矿石的单轴抗压强度最大为90.7MPa;浸水时间在72h～1880h区间时，石膏矿石的单轴抗压强度是逐渐减小的，表明石膏矿石在水的作用下发生软化现象，且软化系数也随时间的增长而减小;在浸水时间1880h后，石膏矿石的单轴抗压强度逐渐稳定于78MPa，软化系数系数为0.86。
　　(2)对辽阳文东石膏矿矿石在不同浸水时段的蚀速度进行实验研究，获得石膏矿石的溶蚀速度规律:石膏试件受水的影响平均15天溶蚀的质量为0.8g，经过4个月，溶蚀的总质量平均为6.19g，溶蚀的速度为0.051g/d。因此，石膏试件完全被溶蚀需要26年，溶蚀速度较慢，对矿柱的稳定性影响较小。
　　(3)结合辽阳文东石膏矿地质与开采技术条件的分析，总结文东石膏矿房柱式开采矿柱的失稳的影响因素有矿柱强度、不良地质条件、高宽比、覆岩荷载、采场结构尺寸等;矿柱失稳的类型表现为沿滑动面破坏、拉剪破坏、压剪破坏和压张破坏。
　　(4)通过材料力学理论的岩梁假说，并结合辽阳文东石膏矿的实际生产情况，综合确定房柱式开采的矿房宽度为8m，矿柱宽度不小于4m。并基于极限平衡理论，对矿柱宽度为4m、6m、8m、10m、12m的开采方案条件下的矿柱稳定性进行了分析，结果表明“采8m、留6m”的开采方案，矿柱处于稳定状态。
　　(5)运用FLAC3D软件，对辽阳文东石膏房柱式开采进行了数值模拟研究，结果表明“采8m、留6m”的开采方案，矿柱处于稳定状态，并与极限平衡理论矿柱的稳定性计算结果进行对比分析，得出“采8m，留6m”的房柱式开采方案是可行的。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题的目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 石膏矿开采方案研究现状

1．2．2 石膏矿房柱式开采矿柱稳定性研究现状

1．3 主要研究内容、研究方法与技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究方法与技术路线

2 辽阳文东石膏矿地质与开采技术条件分析

2．1 辽阳文东石膏矿概况

2．2 文东石膏矿矿床地质条件

2．2．1 地层情况

2．2．2 地质构造情况

2．2．4 矿石类型与成分

2．2．5 围岩及夹石岩性

2．3 文东石膏矿水文地质情况

2．3．1 含水层及其特征

2．3．2 隔水层及其特征

2．4 文东石膏矿岩土工程地质特性

2．5 文东石膏矿设计采矿方法及参数

2．5．1 开采顺序

2．5．2 采矿方法与参数

3 辽阳文东石膏矿矿石力学特性实验研究

3．1 石膏矿石的软化性能试验

3．1．1 试件制备与试验装置

3．1．2 试验方案与试验过程

3．1．3 试验结果及其分析

3．2 石膏矿石的溶蚀性能试验

3．2．1 试验方案及试验过程

3．2．2 试验结果及其分析

3．3 本章小结

4 辽阳文东石膏矿房柱式开采合理尺寸设计及矿柱稳定性分析

4．1 房柱式开采矿柱失稳机理分析

4．1．1 矿柱失稳的因素分析

4．1．2 矿柱失稳类型

4．1．3 矿柱失稳机理分析

4．2 房柱式开采合理尺寸确定

4．3 房柱式开采矿柱稳定性计算

4．3．1 矿柱强度计算

4．3．2 矿柱荷载计算

4．3．3 矿柱安全系数计算

4．4 本章小结

5 辽阳文东石膏矿房柱式开采矿柱稳定性数值模拟研究

5．1 FLAC3D数值模拟软件简介

5．1．1 FLAC3D计算原理

5．1．2 FLAC3D计算过程

5．2 文东石膏矿房柱式开采模型建立及参数选取

5．2．1 基本假设

5．2．2 数值模拟模型的建立

5．2．3 本构关系及参数选取

5．2．4 确定边界条件

5．2．5 模拟方案

5．3 数值模拟结果分析

5．3．1 应力分析

5．3．2 变形分析

5．3．3 V膏组剖面分析

5．4 数值模拟与极限平衡理论计算结果对比分析

5．5 本章小结

6 主要结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

作者简历

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