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采空区顶板—矿柱系统协同作用研究

作　者: 周晓超
导　师: 候克鹏
学　校: 昆明理工大学
专　业: 采矿工程
关键词: 顶板-矿柱系统协同作用突变理论数值模拟
分类号: TD32
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

地下矿山应用全面法、房柱法及留矿法等空场类方法进行矿产资源开采过程中,通常会形成大量的采空区。而空区系统稳定性并不是孤立的矿(点)柱维持,而是矿(点)柱与采场顶底板围岩系统组成一个体系协同控制共同作用。卡房分矿Ⅰ-9矿体目前主要采用空场法进行开采,由于初期开采未进行合理的规划加之采用连续回采的采矿工艺,随开采进行空区暴露面积增大使得顶板-矿柱系统协同性减弱或不协同,伴随井下部分区域的地压活动加剧,存在较大的安全隐患。为此,本文依托卡房前进坑Ⅰ-9矿体开采工程实践,以井下空区顶板-矿柱系统为研究对象,系统稳定性为理论指导,引入协同理念采用岩石力学、结构力学、系统科学、突变理论和能量原理等理论研究和实证分析结合数值模拟手段,从多种方法相结合的路线出发研究了顶板-矿柱系统随工作面推进演化过程中的协作。(1)在总结分析顶板、矿柱的破坏失稳机理基础上,结合研究对象的工程背景探讨了卡房Ⅰ-9矿群顶板、矿柱的失稳模式与机理；从非线性科学角度对空区顶板-矿柱系统协同作用中的有序、降维、减熵、能量的耗散与释放以及量变到质变的突变过程进行了理论研究和探讨。(2)建立顶板、矿柱稳定的判据,从理论分析角度运用传统半定量分析法和安全系数法进行了顶板安全厚度与跨度协同性、矿柱结构协同的初步研究；采用简化的正交试验分析设计方法,利用FLAC3D软件探索了不同空区尺寸下顶板的力学响应,研究了空区几何尺寸属性对顶板稳定性的影响机制；运用数值模拟软件3D-σ建立了Ⅰ-9矿区三维地质模型,模拟并分析了不同采场结构参数尺度下系统的应力场、安全率等情况,最终针对目前开采实际分析考虑顶板-矿柱系统的协同要求,提出改进矿柱结构或局部充填一定宽度的人工矿柱改善内外部条件达到系统的协同。(3)引入空区顶板-矿柱系统的协同作用理念,从自然科学和哲学角度系统论述了研究对象的协同作用思想,阐述了地下矿山系统的非线性作用机制；建立了协同作用的力学模型,在分析顶板-矿柱系统失稳的突发性和非线性基础上,构建了系统协同作用的尖点突变模型,导出了系统失稳的充分必要条件利用能量突变分析系统的稳定性,得出在大尺度下空区系统协同稳定须留设的合理采场结构参数；研究了三种不同工况顶板-矿柱系统协同处理模式下的力学响应,得出在同一回采率下矿柱并非按线性增长布置。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
第一章绪论  11-19
  1.1 引言  11
  1.2 研究课题背景与意义  11-12
  1.3 国内外研究现状  12-18
    1.3.1 空区系统稳定性研究  12-14
    1.3.2 顶板协同性研究  14-15
    1.3.3 采空区矿柱协同稳定研究  15-17
    1.3.4 空区顶板-矿柱系统协同作用问题  17-18
  1.4 论文研究的主要内容  18-19
第二章工程背景及矿岩力学试验  19-25
  2.1 矿区地质概况  19-21
    2.1.1 地层  19-20
    2.1.2 地质构造  20-21
    2.1.3 矿体围岩及夹石  21
    2.1.4 矿床地质  21
  2.2 卡房Ⅰ-9矿群开采现状  21-23
    2.2.1 开采技术条件  21-22
    2.2.2 采空区稳定性现状  22-23
  2.3 室内岩石力学试验  23-24
    2.3.1 矿岩试件的选取  23
    2.3.2 矿岩物理力学参数  23-24
  2.4 岩体力学参数的确定  24
  2.5 小结  24-25
第三章顶板-矿柱系统协同作用破坏机理分析  25-38
  3.1 顶板破坏模式及机理  25-27
    3.1.1 采场顶板岩层破坏模式  25-26
    3.1.2 采场顶板破坏机理  26-27
  3.2 矿柱破坏形式力学分析  27-31
    3.2.1 矿柱失稳模式  27-30
    3.2.2 矿柱破坏机理分析  30-31
  3.3 地下采场围岩系统协同作用失稳非线性分析  31-36
    3.3.1 采场围岩变形破坏的非线性动力学分析  32-34
    3.3.2 顶板-矿柱岩石系统失稳的能量原理分析  34-35
    3.3.3 基于结构信息熵的围岩系统失稳分析  35-36
  3.4 从不同学科领域看围岩系统失稳  36-37
  3.5 小结  37-38
第四章采场顶板安全厚度与跨度协同性研究  38-55
  4.1 传统半定量分析法顶板力学效应分析  38-41
    4.1.1 顶板力学模型概化  39-40
    4.1.2 顶板力学效应分析  40-41
  4.2 基于水平应力作用下典型梁模型分析  41-47
    4.2.1 均布荷载作用简支梁法  42-44
    4.2.2 均布荷载作用固支梁法  44-46
    4.2.3 工程实例分析  46-47
  4.3 空区顶板力学响应的尺寸效应  47-54
    4.3.1 数值方案设计  47-48
    4.3.2 模型建立  48-49
    4.3.3 尺寸效应结果分析  49-54
  4.4 小结  54-55
第五章空场法采空区矿柱结构协同与分析  55-77
  5.1 矿柱结构协同影响因素  55-56
  5.2 基于改进的从属面积承载理论矿柱荷载确定  56-59
    5.2.1 改进的从属面积承载理论(ITAT)  56-58
    5.2.2 矿柱荷载确定方法  58-59
  5.3 空区矿柱强度确定  59-64
    5.3.1 矿柱强度经验公式  59-61
    5.3.2 矿柱强度讨论  61-64
  5.4 矿柱结构协同稳定分析  64-74
    5.4.1 传统安全系数法  64-70
    5.4.2 矿柱稳定性的有限元分析  70-74
  5.5 现场实例分析  74-76
  5.6 小结  76-77
第六章空区顶板-矿柱系统协同作用研究  77-93
  6.1 地下采矿顶板-矿柱系统非线性作用机制  77-78
    6.1.1 地下矿山系统的非线性  77-78
    6.1.2 非线性作用机制的辩证思考  78
  6.2 协同作用的哲学思想  78-79
  6.3 采空区顶板-矿柱协同作用研究  79-86
    6.3.1 突变理论概述  79-81
    6.3.2 矿柱-顶板协同作用的尖点突变分析  81-85
    6.3.3 能量突变的空区系统稳定研究  85-86
  6.4 顶板-矿柱系统协同处理模式的力学响应  86-91
    6.4.1 模拟方案  87
    6.4.2 模拟结果分析  87-91
  6.5 小结  91-93
第七章结论与展望  93-95
  7.1 结论  93-94
  7.2 进一步研究展望  94-95
参考文献  95-100
致谢  100-101
附录A (攻读学位期间的主要研究成果)  101-102
附录B (前进坑采场平面布置图)  102

采空区顶板—矿柱系统协同作用研究

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