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白象山富水铁矿深埋巷道围岩稳定性数值模拟与突水防治优化

作　者: 姜文富
导　师: 贺可强
学　校: 青岛理工大学
专　业: 地质工程
关键词: 复杂富水铁矿区深埋巷道导水断层突水围岩稳定性 FLAC3D流固耦合断层破碎带预注浆优化计算
分类号: TD745
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

复杂富水铁矿在开发的过程中,时常伴随着突水灾害的发生,其中,断层构造突水问题尤为显著。随着铁矿石消耗量的增大,有效防治日益突出的铁矿井巷突水灾害成为亟待解决的难题。本论文即依托国家“十一五”科技支撑项目“复杂富水矿床开采关键技术开发与研究”（编号:2006BAB02A01）,对典型复杂富水铁矿区—白象山铁矿的复杂水文地质条件和断层构造突水状况等方面进行深入研究,系统剖析了矿区的突水因素,探索了井巷遇导水断层突水的内在规律,将理论研究有针对性地服务于突水防治的实践。主要获得以下研究成果:（1）分析整理白象山铁矿现有地质图件资料,提取有用信息,绘制东西大巷纵剖面图,展示并剖析对大巷开挖有潜在威胁的突水因素。危害白象山铁矿基建工程和采矿生产最主要的水害问题涉及大断层突水、隐伏小断层涌水、裂隙节理涌水及封堵不良钻孔导水等。由此,结合白象山铁矿现阶段突水防治的需要,找出突水发生的主要诱因和关键区域。（2）基于三维快速拉格朗日有限差分法多孔介质流固耦合理论,抽取白象山铁矿-495m东大巷与F₅导水断层交汇处构造地质条件,建立“导水断层围岩系统”数值模型。探索出高地应力、高断层水头压力条件下,巷道开挖逼近并揭露断层时,“导水断层围岩系统”在开挖扰动条件下的应力场、位移场的变化规律。揭示了金属矿山底板闪长岩的良好隔水性能和围岩稳定性。且从大倾角（模型中为75°）断层上、下两盘开挖对比来看,二者上述的扰动变化规律基本相同。（3）在大巷开挖逼近断层围岩稳定性模拟结果的基础上,仍采用FLAC3D流固耦合数值分析,定量化地模拟了在矿压、渗流水压（水头）一定的条件下导水断层破碎带注浆加固方案的优化设计。根据注浆改造后断层加固区力学强度参数、直墙拱型巷道开挖面尺寸和注浆厚度的不同,合理设定并全部计算了24种注浆改造方案。模拟计算出以下四种情况的最小加固壳体厚度:“小巷道、低强度注浆改造”为1.4m;“小巷道、高强度注浆改造”为1.2m;“大巷道、低强度注浆改造”为1.8m;“大巷道、高强度注浆改造”为1.6m。并得到如下主要认识:导水断层破碎带注浆加固应强化注浆改造效果,尽可能使注浆后的改造壳体达到最大强度,而不是盲目扩大注浆厚度和范围;对比小巷道,大巷道的开挖更不稳定,对此,应扩大注浆改造范围、增加注浆改造的厚度,特别是在巷道底板区域。（4）运用FLAC3D流固耦合理论对白象山铁矿底板闪长岩发育的导水小断层交汇矩形巷道的工况进行数值模拟,综合考虑小断层的倾角、注浆厚度、垂向地压、侧压力系数、断层内静水压力五个因素,对每种因素在矩形巷道突水风险和围岩稳定性的影响和作用进行分析评价。模拟合理设置了60个试验方案,通过对这些实验的分组、搭配,以巷道开挖后塑性区和位移量为主要分析评价对象,逐一研究和探讨了上述五大因素的影响。模拟得出多因素相互作用下的规律和结论,为类似矿山深埋巷道遇小断层注浆封堵防治提供了定量分析依据和方法手段。（5）最后,针对白象山铁矿多种突水因素的现状,运用经验公式确定大巷交汇导水断层的探水警戒线,并对比分析了矿区井下巷道断层水超前预报的地球物理探测方法;对封堵不良钻孔提出应根据其深度特征、分布状况及突水机理采取以井下为主、直接封堵和间接封堵相结合的防水方法;并对目前矿区地下水动态监测提出实施建议。

全文目录

摘要  10-12
Abstract  12-14
第1章绪论  14-26
  1.1 课题研究的目的和意义  14-19
    1.1.1 课题研究的背景  14-18
    1.1.2 课题的来源及研究意义  18-19
  1.2 研究现状  19-24
    1.2.1 矿区突水国内外研究现状  19-23
    1.2.2 存在问题  23-24
  1.3 研究内容和技术路线  24-26
第2章白象山铁矿水文地质条件与东西大巷突水因素分析  26-40
  2.1 矿区水文地质条件  26-28
  2.2 突涌水情况分析  28-29
  2.3 东西大巷水文地质条件剖析  29-34
    2.3.1 东西大巷纵剖面图的绘制  29-30
    2.3.2 含水层的掘进条件分析  30-32
    2.3.3 巷道与主要断层交汇状况分析  32-34
  2.4 东西大巷断层突水因素分析  34-37
  2.5 封堵不良钻孔的分布及危害分析  37-38
  2.6 本章小结  38-40
第3章 FLAC3D数值方法的多孔介质渗流与流固耦合理论  40-50
  3.1 地下水对岩体的作用  40-41
    3.1.1 地下水对岩体的力学作用  40
    3.1.2 地下水对岩体的化学作用  40-41
    3.1.3 地下水对岩体的物理作用  41
  3.2 裂隙岩体中渗流场与应力场的影响关系  41-42
    3.2.1 裂隙岩体中渗流对应力场的影响  41
    3.2.2 裂隙岩体中应力对渗流场的影响  41-42
  3.3 渗流基本理论和数学模型概述  42-45
    3.3.1 渗流连续性方程  42
    3.3.2 渗流基本微分方程  42-43
    3.3.3 渗流的平衡方程  43-44
    3.3.4 渗流基本微分方程的定解条件  44-45
  3.4 多孔介质的渗流与应力(流固)耦合  45-46
    3.4.1 多孔介质的定义  45
    3.4.2 多孔介质的流固耦合理论  45-46
  3.5 多孔介质快速拉格朗日有限差分(FLAC)流固耦合原理  46-48
  3.6 FLAC3D流固耦合计算方法  48-49
    3.6.1 FLAC3D简介  48-49
    3.6.2 FLAC3D流固耦合分析特点  49
  3.7 本章小结  49-50
第4章导水断层开挖条件下深埋巷道围岩稳定性的数值分析  50-76
  4.1 矿井导水断层围岩系统的提出  50
  4.2 地质模型的抽取和概化  50-54
    4.2.1 地质模型的抽取  51-52
    4.2.2 地质模型的概化  52-54
  4.3 数值模型的模拟方法与思路  54-58
    4.3.1 渗流岩体模拟的假设条件  54-55
    4.3.2力学边界条件及初始地应力场  55
    4.3.3 渗流边界条件  55-56
    4.3.4 本构模型  56
    4.3.5 材料参数  56-58
  4.4 初始渗流场分析  58
  4.5 开挖揭露断层前位移场分析  58-62
    4.5.1 上盘开挖揭露断层前位移场分析  58-60
    4.5.2 下盘开挖揭露断层前位移场分析  60-62
  4.6 开挖揭露断层突水时位移场分析  62-65
    4.6.1 上盘开挖揭露断层突水时位移场分析  62-64
    4.6.2 下盘开挖揭露断层突水时位移场分析  64-65
  4.7 开挖揭露断层前应力场分析  65-71
    4.7.1 上盘开挖揭露断层前应力场分析  65-68
    4.7.2 下盘开挖揭露断层前应力场分析  68-71
  4.8 开挖揭露断层突水时应力场分析  71-75
    4.8.1 上盘开挖揭露断层突水时应力场分析  71-73
    4.8.2 下盘开挖揭露断层突水时应力场分析  73-75
  4.9 本章小结  75-76
第5章深埋巷道导水断层破碎带预注浆改造优化数值模拟研究  76-99
  5.1 断层破碎带注浆加固机理与技术  76
  5.2 导水断层破碎带注浆改造的数值模型  76-80
    5.2.1 断层破碎岩体模型的建立  76-78
    5.2.2 模拟方法与实现  78-79
    5.2.3 断层注浆加固后的材料力学特性  79-80
  5.3 注浆优化计算方案设计  80-81
    5.3.1 断层材料力学参数的选取  80
    5.3.2 注浆改造范围的设计  80-81
  5.4 模拟结果分析  81-98
    5.4.1 注浆加固断层的开挖后塑性破坏分析  81-92
    5.4.2 注浆加固断层的开挖后位移分析  92-95
    5.4.3 注浆加固断层的开挖前、后应力场分析  95-97
    5.4.4 注浆加固断层的开挖对渗流条件的影响分析  97-98
  5.5 本章小结  98-99
第6章导水小断层对巷道突水风险和围岩稳定性的数值模拟研究  99-119
  6.1 问题的提出  99
  6.2 巷道开挖交汇小断层注浆封堵模型的建立与方案设计  99-105
    6.2.1 模型简化和主要假设条件  99-100
    6.2.2 本构模型和参数选取  100
    6.2.3 方案设计  100-105
  6.3 模拟结果分析  105-117
    6.3.1 侧压力系数0.5时,小断层倾角的影响  105-109
    6.3.2 侧压力系数大于0.5时,小断层倾角对开挖后塑性区的影响  109-111
    6.3.3 侧压力系数为0.5时,埋深增大的影响  111-112
    6.3.4 侧压力系数的影响  112-114
    6.3.5 侧压力系数为0.5时,小断层内部静水压力的影响  114-117
  6.4 本章小结  117-119
第7章白象山铁矿突水的有效防治方法与措施  119-128
  7.1 断层探防水方法  119-122
    7.1.1 导水断层探水线的确定  119
    7.1.2 导水断层物理探测技术  119-122
  7.2 封堵不良钻孔的井下防水方法  122-123
  7.3 白象山铁矿地下水动态监测方法初探  123-125
    7.3.1 矿区地下水动态监测技术概述  123-124
    7.3.2 地下水监测方法与注意事项  124
    7.3.3 监测数据分析与应用  124-125
  7.4 白象山铁矿地下水动态监测的重点对象  125-127
  7.5 本章小结  127-128
第8章结论与展望  128-132
  8.1 主要结论  128-129
  8.2 不足与展望  129-132
参考文献  132-137
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  137
攻读硕士学位期间参加的课题项目  137-138
致谢  138

白象山富水铁矿深埋巷道围岩稳定性数值模拟与突水防治优化

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