缓倾斜中厚矿体开采采场顶板稳定性特征研究

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缓倾斜中厚矿体开采一直以来都是一项技术难题,其中顶板稳定性又是采矿过程中不可忽视的一项极为复杂的研究。相对于其他类型的顶板,采场顶板冒落过程非常复杂,影响因素繁多,具有突发性,暴露面积和跨度更大,治理更困难。本文以云南晋宁某磷矿地下开采项目为工程背景,通过顶板理论力学模型分析和数值模拟研究房柱法开采条件下缓倾斜顶板的破断规律,为类似缓倾斜磷矿体地下开采提供理论参考。主要研究内容和结论如下:(1)对磷矿矿区自然地理条件、工程地质条件、开采技术条件和地下开采方案等进行详细的系统调研及分析,在充分了解矿区地质资料后,对矿区采场主要岩体进行现场采样,制备标准试件进行室内岩石物理力学参数试验。为使试验数据更可靠,将对岩体参数运用Hoek-Brown强度经验准则进行折减。(2)基于岩梁理论建立两端固支和一端固支一端简支二维弯曲变形力学模型,采用超静定结构力法原理计算缓倾斜梁模型受非均布荷载条件下的弯矩和挠度表达式。两端固支模型挠度曲线呈抛物线对称分布,挠度值随倾角增大而减小,随矿体埋深和梁长增大而增大,最大挠度值点位于梁中心点处;一端简支模型挠度变化趋势相同,但挠度曲线呈非对称分布,最大位移值点向上偏移。(3)结合弹性力学薄板小挠度理论和弯曲薄板功的互等定理,建立并完成了顶板四边固支、两对边固支两对边简支和四边简支三种三维力学模型的求解,得到缓倾斜顶板受非均布荷载条件下的应力、弯矩和挠度公式。结合工程实际情况进行分析,可知缓倾斜顶板破断规律与水平顶板破断规律较为相似,顶板上表面沿四周呈“O”型破断模式,下表面呈“X”型破断模式。(4)缓倾斜磷矿体房柱法开采下顶板稳定性特征数值模拟结果表明:在缓倾斜磷矿地下开采过程中,采空区两侧的岩体应力变化明显,采空区上方顶板出现卸压区,应力向四周不断增大。采空区顶板中央位置有最大沉降位移0.025 m,距离采空区越远,岩体位移影响越小。顶板塑性区呈方形,下表面中间部位主要为拉剪破坏,顶板四周的破坏形式以剪切破坏为主,呈环形包围中部拉剪破坏区。
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