保安隔离区对空场回采矿岩稳定性影响数值模拟研究.pdf

分类号 U DC 密级 编号 十I 初大学 C E N T RA I ，S O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目保安隔离区对空场回采 ⋯．矿羞稳定性彰响熬焦模拟研寇⋯⋯ 学科、专业矿业工程 研究生姓名孙磊 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯⋯史秀熹⋯．熬撬⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 分类号U D C 硕士学位论文 密级 保安隔离区对空场回采矿岩稳定性影响数值模拟研究 N u m e r i c a lS i m u l a t i o nS t u d yo nt h eI n f l u e n c eo f S a f e t yP i l l a r t oR o c kM a s s S t a b i l i t y i nO p e n - - s t o p eM i n i n gP r o c e s s 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 孙磊 矿业工程 资源与安全工程学院 史秀志教授 答辩委员会主席盈幺幺罗 中南大学 2 0 1 2 年4 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名＆磊日期塑 三年』月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 地下采矿空区问题已经成为一个矿山可持续发展的制约因素，当 地下矿山采用空场类采矿方法时，必然会留下大量的采空区，所以对 此类矿山的岩体稳定性进行研究有着非常重要的意义。 本文以新田岭钨业有限公司小板垅矿区为工程背景，在了解国内 外相关领域发展现状、收集该矿区已有资料和现场调查地质条件的基 础上，采用室内试验、工程类比法和数值模拟分析方法等多种手段和 方法，对其岩体物理力学参数、阶段回采顺序和保安隔离区对矿岩稳 定性的影响等问题进行研究。本文主要研究内容如下 1 通过室内岩石物理力学试验研究了小板垅矿区矿石、花岗 岩和灰岩三种岩块的物理力学性质，得到了相关的参数；并在此基础 上，采用基于G S I 系统的H o e k ．B r o w n 准则对矿岩岩体力学参数进行 估算。 2 对矿体进行整体回采规划的基础上，采用A N S Y S 软件建 立了小板垅矿区的围岩、矿体和矿房矿柱模型，并将其模型导入到 F L A C 3 D 软件中，模拟了小板垅矿区的初始应力场。 3 用F L A C 3 D 软件分别模拟了小板垅矿区采用上行式和下行 式的空场回采过程，从而得到了两种方案的应力和位移变化规律，选 择了合适的阶段回采顺序。 4 采用递进式的方式模拟了小板垅矿区三种不同的回采过程， 即不留保安隔离区、留一个保安隔离区和留两个保安隔离区，模拟结 果揭示了各方案的应力、位移和塑性区的分布，以及保安隔离区对矿 岩稳定性的影响，最后根据模拟结果给出了建议性的安全回采控制措 施。 关键词地下采矿，保安隔离区，稳定性，数值模拟 中南大学硕士学位论文 A BS T R A C T T h ep r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t hu n d e r g r o u n dm i n e d 。o u ta r e ah a v e b e c o m eo n eo ft h er e s t r i c t i v ef a c t o r so ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f m i n e s ；o n c eo p e n - s t o p em i n i n gm e t h o di su s e d ，p l e n t yo f m i n e d - o u ta r e a s w o u l db el e f t ．T h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt od os o m er e s e a r c ho nr o c k m a s ss t a b i l i t yf o rt h o s em i n e su s i n go p e n - s t o p em i n i n gm e t h o d ． T a k i n gX i a o b a n l o n gm i n i n g a r e ao fX i n g t i a n l i n gT u n g s t e nC o ．L t da s t h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，b a s e do nt h ed e v e l o p m e n ts i t u m i o ni nt h e r e l a t e df i e l d sa th o m ea n da b r o a d ，t h ed a t ac o l l e c t e di nt h em i n ea n dt h e o n - s i t eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si n v e s t i g a t e d ，t h et h e s i sa d o p t e dl a b o r a t o r y e x p e r i m e n t ，e n g i n e e r i n ga n a l o g y a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s m e t h o dt os t u d yt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c km a s s ， f a c e ．．a n d ．- s l a bm i n i n gs e q u e n c ea n dt h ei n f l u e n c eo fs a f e t yp i l l a ro nr o c k m a s ss t a b i l i t yr e s p e c t i v e l y ．T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r e l i s t e da sf o l l o w s 1 T h r o u g hl a b o r a t o r yr o c km e c h a n i c a le x p e r i m e n t s ，t h ep h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h e o r e ，g r a n i t e a n dl i m e s t o n ei n X i a o b a n l o n gm i n i n ga r e aw e r es t u d i e da n dt h er e l a t e dp a r a m e t e r sw e r e o b t a i n e d ，o nt h eb a s i so fw h i c hm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h er o c km a s s w e r ee s t i m a t e da n dc a l c u l a t e di nu s eo fH o e k - B r o w nc r i t e r i o nb a s e do n G S Is y s t e m ． 2 B a s e do nt h eg e n e r a ls t o p i n gp l a n n i n gf o r t 1 1 e o r e b o d y , t h e s u r r o u n d i n gr o c km a s s ，o r e b o b y , r o o ma n dp i l l a rm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d b yA N S Y Ss o f t w a r ea n da f t e rb e i n gt r a n s f e r r e di n t oF L A C Ⅲs o f t w a r e ， t h em o d e l ss i m u l a t e dt h ei n i t i a ls t r e s sf i e l di nr o c km a s si nX i a o b a n l o n g m i n i n ga r e a ． 3 U p w a r d a n dd o w n w a r d o p e n s t o p em i n i n gp r o c e s s i n X i a o b a n l o n gm i n i n ga r e aw e r es i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y , f r o mw h i c ht h e v a r i a t i o n1 a wo fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tw a so b t a i n e da n dp r o p e r f a c e ．a n d ．s l a bm i n i n gs e q u e n c ew a sd e t e r m i n e d ． 4 R o c km a s ss t a b i l i t i e so ft h r e ed i f f e r e n ts t o p i n gs e q u e n c e s ，t h a ti s ， r e t r e a t i n gw i t h o u ts a f e t yp i l l a r , r e t r e a t i n gw i t h o n es a f e t yp i l l a ra n d r e t r e a t i n gw i t ht w os a f e t yp i l l a r s ，w e r ed i s c u s s e di nX i a o b a n l o n gm i n i n g a r e a ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t s r e v e a lt h ed i s t r i b u t i o n so fs t r e s s ， l l 中南大学硕士学位论文A B S T R A C T d i s p l a c e m e n ta n dp l a s t i cz o n e s ，a sw e l la st h ei n f l u e n c eo fs a f e t yp i l l a ro n r o c km a s ss t a b i l i t y ．A tl a s t ，s o m ec o n s t r u c t i v ec o n t r o lm e a s u r e sw e r e p r o p o s e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ． K E Y W O R D S U n d e r g r o u n dm i n i n g ，S a f e t yp i l l a r ，S t a b i l i t y ，N u m e r i c a l s i m u l a t i o n I I I 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 地下工程岩体稳定性分析理论发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 地下采矿岩体稳定性分析研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 岩土工程数值模拟发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 研究思路及主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 第二章矿区基本概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 矿体特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯lO 2 ．2 ．1 地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一lO 2 ．2 ．2 构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l0 2 ．2 ．3 岩浆岩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 ．4 围岩蚀变⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．3 采矿方法及回采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．1 开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．3 ．2 采矿方法选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 ．3 典型方案回采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16 第三章矿岩物理力学试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 3 ．1 试验目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．2 试验准备工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 3 ．3 试验过程及结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l8 3 ．3 ．1 岩石抗拉强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．3 ．2 岩石抗压强度及压缩变形试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．3 ．3 岩石抗剪强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 第四章矿岩可视化建模及初始应力场研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 矿岩可视化模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 中南大学硕士学位论文 目录 4 ．1 ．1 可视化建模软件选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．1 ．2 矿岩可视化模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．2 岩体力学参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．2 ．1 工程岩体质量分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．2 ．2H o e k - B r o w n 准则及岩体力学参数估算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 ．3 小板垅矿区岩体力学参数估算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．3 初始应力场分析研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 ．1 初始应力场的生成方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．3 ．2 计算模型及参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．3 ．3 初始应力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 第五章阶段回采顺序优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．1 阶段回采顺序介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．2 模拟方案介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．3 模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．3 ．1 模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 ．3 ．2 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 第六章保安隔离区对矿岩稳定性影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．1 不留保安隔离区矿岩稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．1 ．1 回采方案介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 6 ．1 ．2 数值模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5l 6 ．1 ．3 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 8 6 ．2 留一个保安隔离区矿岩稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．2 ．1 回采方案介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 6 ．2 ．2 回采模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 6 ．2 ．3 回采模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 6 ．3 留两个保安隔离区矿岩稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 l 6 ．3 ．1 回采模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 6 ．3 ．2 回采模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 6 ．3 ．3 回采模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 第七章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 中南大学硕士学位论文目录 7 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 7 ．2 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 引言 第一章绪论 在矿体开采过程中，必然会伴随着采空区的出现，此时采区原来的初始应力 平衡状态被打破。随着采矿工程的进行，矿山原有岩体结构不断被破坏，采空区 暴露面积也逐渐增多，随之而来的岩体失稳类的工程灾害问题也越来越突出。比 如2 0 0 1 年，广西合浦恒大石膏矿发生“5 ．1 8 ”重大冒顶事故；2 0 0 4 年，四川 雅安宇通石材公司发生“1 0 ．1 8 “ 矿山坍塌事故2 0 0 5 年，河北邢台石膏矿发生 “1 1 ．6 “ 空区坍塌事故；2 0 0 6 年，湖南石门天德石膏矿老空区发生“8 ．1 9 ”大面 积整体垮塌事故2 0 0 8 年内蒙古包头发生“6 ．1 7 ”不明采空区塌陷事故等等【1 ’5 1 。 这些由于地压显现而引起的空区灾害是不容忽视的，一方面，这不但影响矿山企 业的正常生产活动，而且还会让国家的经济财产蒙受巨大的损失；另一方面，这 直接关系到现场工作人员及附近居民的生命安全，严重违背国家以人为本的方针 政策。因此，矿体开挖引起的空区问题应该是每一个矿山在开采过程中必须关注 和急需解决的问题之一。 为了缓和岩体应力集中程度，改善围岩应力分布状态，控制地压活动，通常 会对采空区进行处理，地下采空区的处理方法主要有封闭、充填和崩落三种，根 据回采过程中对采空区处理方法的不同，采矿方法可分为空场法、充填法和崩落 法1 6 j 。其中空场类采矿方法由于技术成熟、采矿工艺相对简单、采矿成本比较低， 而且可以保护地表建筑设施等优点，使用非常广泛。但由于此类采矿方法仅仅依 靠矿柱和围岩自身的强度来支撑矿岩的稳定性，采空区随着暴露时间的推移和暴 露面积的不断增大，地压活动也会增多，从而岩体稳定性会越来越差，就有可能 诱发因采空区失稳而发生诸如空区塌陷、地表坍塌方面的矿山地质灾害。比如武 安市团城铁矿自1 9 8 9 年到1 9 9 8 年就发生过8 次采空区塌陷事件，共造成2 0 多 间房屋被毁，直接经济损失至少达到3 0 4 4 ．7 万元，而且还造成6 人死亡【_ 7 J ；广东 大宝山矿业有限公司在采用空场法为主的开采过程中，曾多次发生严重的塌陷事 故，比如2 0 0 1 年发生“7 ．5 ”山体滑坡事故，2 0 0 4 年分别发生“6 ．1 2 “ 塌陷事故 和“7 ．9 ”大塌方事故1 8 - 9 1 。所以，在空场回采过程中，采取必要的控制措施来预 防矿山地压显现有着非常重要的意义。 新田岭矿区作为特大型钨钼多金属矿床，由于具有资源丰富、矿石可选性好 的优点，它一度成为“淘金者”追逐财富梦想的天堂。据统计，到2 0 0 6 年5 月， 新田岭矿区内共有获得采矿权证的矿山1 4 个，另有无证开采的矿山1 0 余家，采 矿点“多、小、散、乱”，矿业秩序混乱，掠夺式开采，留下大量的民采采空区， 中南大学硕士学位论文第一章绪论2 0 世纪6 0 年代末出现了共同作用理论，即考虑支护和围岩共同作用理论，该理论认为在支架跟围岩紧密接触的情况下，围岩和支架共同承担原岩应力，它深刻认识到了充分发挥围岩的自支承能力的重要性。2 0 世纪8 0 年代以后，地下工程岩体稳定性分析理论可谓是百花齐放，人们尝试将一些新理论引来分析地下工程岩体稳定性问题，从而出现了诸如突变理论、人工神经网络理论、模糊聚类分析理论、分形理论以及其他新理论【1 0 。17 1 。1 ．2 ．2 地下采矿岩体稳定性分析研究现状地下采矿作为地下工程很重要的一个分支，其岩体稳定性问题对资源有效回收和矿山安全生产都有很重要的意义。正是认识到该问题的重要性，1 9 8 2 年8月在加拿大温哥华市召开了第一届国际地下采矿岩体稳定性会议。目前，地下采矿岩体稳定性分析在国内外取得了长足的发展，其分析手段主要包括两方面一方面是通过理论分析或者经验公式计算，另一方面是通过数值分析软件对研究对象进行应力计算和稳定性分析。根据研究对象的不同，该领域主要包括矿柱稳定性和采空区围岩稳定性分析。 1 矿柱稳定性分析在地下开采过程中，尤其是选用房柱法开采时，矿柱的重要性是不容忽视的，它不仅用于维护采场的稳定，也用于隔离大面积的采空区，保护井巷、地表及建筑物的安全。在矿柱稳定性分析方面，国外有很多经验公式，其中大都是基于大量矿山工程实践和实验测试得到的，比如B i e n i a w s k i 公式、H o l l a n d ．G a d d y 公式、U N ．S W公式、O b e r t ．D w v a l l ／W a n g 公式和S a l a m o n ．M u n r o 公式等等【1 8 ～9 1 ；另外，加拿大学者P ．J ．伦德尔、R ．C ．帕卡尼斯1 2 0 J 针对硬岩矿山将矿柱稳定性分析和矿柱实测数据库相结合，推导出一种确定硬岩矿山矿柱强度的计算公式；南非学者M ．F ．罕德雷【2 l J 对黄金矿山深部开采采用走向稳定矿柱和保护矿柱作为区域支护方法展开监测数据统计分析和数值模拟分析研究并提出走向稳定矿柱和保护矿柱的设计指南；俄罗斯学者S ．K ．p a e v t 2 2 J 采用有限元数值模拟技术，针对层状倾斜矿体计算分析了不同矿体倾角及矿柱壁面与矿层法线夹角的变化对矿柱的应力应变状态的影响，从而确定出最佳矿柱形状；印度学者U ．K ．辛格、D ．G 拉奥【2 3 】综合采用伪三维边界元数值模拟技术和二维有限元数值模拟技术估量了井筒保安矿柱的稳定性。在国内，凌荣华、丁恩保【2 4 】建立矿柱力学模型，提出了一种新的矿柱稳定性分析方法，并将其用到三山岛金矿矿柱的稳定性分析中；刘沐宇、徐长佑等【2 5 ’2 6 1针对地下采空区矿柱稳定性问题，运用点安全系数法和可靠度分析法分别计算了3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 矿柱的点安全系数和可靠指标，从而分析了矿柱稳定状态；文[ 2 7 3 2 ] 中作者用突 变理论研究矿柱稳定性问题，并将该理论应用到非对称开采时的矿柱失稳问题、 空场法矿柱破坏等问题中；唐春安、乔河、王善勇等【3 ”4 】运用模拟岩石损伤破坏 的数值模拟软件R F P A 2 D R o c kF a i l u r eP r o c e s sA n a l y s i s ，把矿柱看作是非均匀脆 性岩石材料，对矿柱的破坏过程以及矿柱的岩爆物理过程进行了数值模拟研究； 赵兴东【3 5 1 对谦比希铜矿深部开采隔离矿柱采用极限跨度法、经验公式法以及极 限平衡分析方法进行稳定性研究，得出隔离矿柱的合理厚度，之后用F L A C Ⅲ软 件对其进行数值模拟验算。 2 采空区围岩稳定性分析 采空区已经是制约当今矿山健康发展的一大难题，由于采空区稳定性问题的 各种地质、非地质因素的复杂性和多样性，目前尚未形成统一的理论，但国内外 很多学者进行了大量卓有成效的研究。 在国外，对采空区稳定性的研究已有较长的历史【3 6 ‘3 9 1 。最早是利用几何理论 对该问题进行研究，例如比利时学者哥诺 G o n o t 提出的“法线理论”和法国 学者法约尔 F a y 0 1 提出的“圆拱理论”等等，这类研究成果完全建立在比较 简单直观的几何图形基础上，未考虑岩体的力学特性，故存在很大的局限性。后 来随着岩体力学和沉陷理论的发展，逐渐开始地表下沉和变形规律的研究1 4 叫2 。。 如今在理论分析方面，已将近代岩体力学、现代数理力学和非线性理论引入应用， 逐步发展成为工程类比、理论分析、数值模拟分析和现场监测相结合的空区围岩 稳定性分析新局面。 在我国这方面研究起步比较晚，但随着国外理论方法的引入和国内学者的不 断探索研究，目前也是硕果累累。万虹1 4 3 】以邵东石膏矿为工程背景，提出了一 套空区稳定性指标，并进行了相似材料模型试验，验证了该文提出的提高地下永 久性大面积采空区稳定性新方法的可靠性封云聪、刘文永等1 4 4 1 运用有限元程 序计算了寿王坟铜矿南六号采空区特定围岩地质特征下的应力分布，为寿王坟铜 矿合理开采南六号采空区深部矿体，以及由此而引起的地压活动的地压监测提供 了必要的切合实际的判据；蒋卫东、李夕兵等【4 5 J 采用采空区数量、采空区上部 岩体厚度、裂缝密度及裂缝集中度4 个指标，对采空区上部地表稳定性进行了灰 色定权聚类分析；邱贤德、黄木坤等【4 6 】针对某矿体采空区不断扩大导致采空区 围岩极不稳定的情况，采用A N S Y S 软件计算分析了该矿采空区的不稳定部位， 并且分析了围岩不稳定的影响因素；来兴平、石平五等【4 7 郴J 介绍了非线性动力学 理论在采空区围岩失稳问题中的应用，并对空区非线性动力失稳进行了数值模拟 研究；郭广礼、何国清等[ 4 9 1 针对老窑和小窑部分开采采空区问题，对其地表破 坏特征、覆岩稳定性进行了分析，并给出了老采空区覆岩逐层垮落破坏和整体性 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 突陷冒落破坏的计算公式；周科平、苏家红等【5 0 l 以广西大厂铜坑矿9 2 号矿体的 回采为例，采用数值模拟方法对采场顶板的破坏机锘I j 进行模拟，分析研究顶板安 全厚度与各影响因素之间的关系，之后采用人工神经网络技术，建立了安全顶板 厚度非线性神经网络预测模型；杨宇江、庄文广等【5 I 】以玲珑金矿东风矿区的阶 段矿房法试验矿房采切为工程实例，采用强度折减法求得地下采场的强度储备安 全系数，对矿房的稳定性进行了数值模拟研究；林杭、曹平等【5 2 】借鉴强度折减 法的思路，提出了采空区安全顶板预测的厚度折减法，以计算不收敛作为破坏标 准，利用数值模拟计算了不同跨度下所对应的最小安全厚度，并研究了顶板的主 要破坏形式；刘爱华、董蕾【5 3 j 在分析地质、开采条件的基础上，利用工程类别 法、力学解析法和数值模拟相结合的方法计算了海水压力下基岩矿床安全开采顶 板厚度。 1 ．2 ．3 岩土工程数值模拟发展现状 自从19 5 3 年B r u c eG ．H 和P e a c e m a n D ．W 将数值模拟第一次应用于一维气相 不稳定径向和线形流的研究中，目前已经有将近6 0 年的历史，数值模拟已不再 是陌生的概念。在数值模拟诞生以前，岩体工程中应力分析方法主要是利用精确 数学解或是光弹模型，即便对于一个非常简单的岩体力学问题，不但要求分析者 精通数学，而且还要花费大量的时间来求解；但随着岩体力学以及计算机科学的 快速发展，数值模拟方法在岩土工程问题分析中得到了越来越广泛的应用，它不 仅可以模拟岩体复杂的力学和结构特性，还能分析各种边值问题以及工程岩体稳 定性问题，是解决岩土工程问题较为有效的手段。 目前岩土工程中用到的数值计算方法主要有边界单元法 B o u n d a r yE l e m e n t M e t h o d ，B E M 、有限单元法 F i n i t eE l e m e n tM e t h o d ，F E M 、有限差分法 F i n i t e D i f f e r e n t i a lM e t h o d ，F D M 、无限元法 I n f i n i t eE l e m e n tM e t h o d ，I E M 、非连续 变形分析法 D i s c o n t i n u o u sD e f o r m a t i o nA n a l y s i s ，D D A 、离散单元法 D i s c r e t e E l e m e n tM e t h o d ，D E M 和数值流形元法 N u m e r i c a lM a n i f o l dM e t h o d ，N M M 等。目前，有限单元法和边界单元法、离散单元法和有限单元法、离散单元法和 边界单元法等各种数值方法的耦合应用，将是数值计算发展的一个方向；另外， 数值计算从确定性向非确定性过渡也是一个发展方向，数值计算的非确定方法主 要有随机有限元、模糊有限元、摄动边界元和模糊边界元等【搏硎。 在实际岩土工程中除了直接应该数值模拟知识解决工程问题外，人们还利用 数值模拟的原理开发出很多应用分析软件，接下来介绍一些岩土工程界比较有代 表性的分析软件[ 5 5 - 5 6 , 6 1 - 6 2 1 1 A N S Y S 、M S C 、A B A Q U S 、A D I N A 等软件 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 这些都是国际著名的有限元分析软件，虽然它们在航天航空、机械制造等领 域预计的精度非常高，但并不是为岩土、采矿工程问题而开发的，所以在岩土、 采矿工程领域有一定的局限性；在早期阶段，岩土、采矿工程问题主要使用这些 软件，但由于岩土工程的力学特性和非连续性，在解决问题时往往很不方便，甚 至很难运行下去，所以现在使用较少。 2 F L A C 2 D ／F L A C 3 D 软件 该软件基于拉格朗日有限差分法，自从问世以来，就受到广大岩土工程计算 者的推崇；该软件主要用来模拟土层、岩石以及其他材料的力学行为，由全部运 动方程的显式时步求解，占用内存比较小；还有，该软件内嵌了F I S H 语言，可 以直接利用F I S H 编写自定义的函数、变量，充分扩展F L A C 软件本身的功能。 3 U D E C ／3 D E C 软件 该软件基于离散单元法，用来模拟静态或动态荷载下非连续系统的力学响 应，它非常适合研究与非连续特性直接相关的潜在破坏模式，尤其是当地质构造 比较清楚时特别适用。 4 P F C 2 D ／P F C 3 D 软件 该软件基于离散单元法，是模拟任意性状、大小的二维圆盘或者三维球体集 合体的运动及其相互作用的强大颗粒分析程序，它可以模拟颗粒间的相互作用问 题、断裂问题等方面的研究。 5 R F P A 软件 该软件是基于R F P A 方法 即真实破裂过程分析方法 研发的一个能够模拟 材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具，其计算方法基于有限元应力分析 和统计损伤理论，该方法的特色是考虑了材料性质的非均性，是一种通过非均匀 性模拟非线性、连续介质力学方法模拟非连续介质力学问题的材料破裂过程分析 的数值计算方法；因P F R A 软件独特的计算分析方法，使其能解决岩土工程中多 数模拟软件无法解决的问题。 1 ．3 研究思路及主要内容 目前随着地下金属矿山开采力度的不断增大，该类矿山所暴露出的岩体失稳 隐患也逐渐增多，如若能在开采之前进行合理的开采规划并预测其岩体的应力变 形规律及其稳定性问题，将会受益匪浅。本文以新田岭钨矿小板垅矿区为工程背 景，在探讨国内外相关领域发展现状、收集该矿区已有资料和现场调查地质条件 的基础上，按照图1 ．1 所示的思路，进行了以下一些研究 1 矿岩物理力学试验研究 通过室内矿岩物理力学试验的方法研究了小板垅矿区矿岩的物理力学性质， 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 主要通过岩石抗拉强度、抗压强度、压缩变形和抗剪强度试验测定了矿石、花岗 岩和灰岩三种岩块的强度参数和变形参数。 图1 ．1 研究思路与技术路线图 2 矿岩模型可视化研究 小板垅矿区矿体呈透镜状，形状极不规则，建模难度比较大。本文针对这一 情况，采用建模功能强大的A N S Y S 软件建立矿岩模型，并根据回采规划对矿房 矿柱进行划分。 3 初始应力计算研究 ‘ 根据岩石力学试验成果，采用基于G S I 系统的H o e k ．B r o w n 准则对矿岩岩体 力学参数进行估算，从而得到数值计算的材料参数，并在此基础上用F L A C 3 D 软 件计算了小板垅矿区的初始应力场。 4 阶段回采顺序优化研究 矿体的阶段回采顺序有下行式开采和上行式开采两种方式，本文在生成小板 垅矿区初始应力场的基础上，用F L A C 3 D 软件模拟得到了小板垅矿体采用这两种 方案空场回采时的应力和位移变化规律，从而选择了合适的阶段回采顺序。 5 保安隔离区对矿岩稳定性影响研究 本文采用递进式的方式模拟了小板垅矿体三种不同的回采方案，即不留保安 隔离区、留一个保安隔离区和留两个保安隔离区，从而揭示了各方案的应力、位 移分布规律以及塑性破坏发生的区域，从而研究了保安隔离区对矿岩稳定性的影 响。 7 中南大学硕士学位论文第二章矿区基本概况 第二章矿区基本概况 湖南新