急倾斜厚大矿体开采覆岩及地表移动规律研究

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目前随着我国矿业不断发展,开采规模不断扩大,各种地下开采引起的地质环境问题屡见不鲜,每年都有大量采空区塌陷引起的地表沉陷变形灾害产生,而急倾斜矿体开采过程中造成的覆岩与地表移动极为复杂,急倾斜厚大矿体如何控制地表塌陷,更是一个业界公认的技术难题。本文以急倾斜厚大矿体地下开采为研究背景,采用理论分析、数值模拟分析、相似模拟分析等一系列手段对急倾斜厚大矿体开采覆岩及地表运移规律开展深入研究,具体研究成果如下:(1)分析了急倾斜矿体岩移的主要影响因素与特征参数,为急倾斜厚大矿体开采岩移研究提供理论基础及计算依据,总结了覆岩移动破坏的基本形式并建立了典型数值模拟模型,从位移、应力、塑性区分析了急倾斜矿体岩移基本机理与典型特征,指出急倾斜矿体与水平矿体开采的岩层移动变形规律差异的本质原因在于两者应力分量的差异。(2)依据急倾斜矿体开采基本影响因素及特征与岩移机理,将岩体质量等级、开采深度、厚度、倾角四个主要影响因素作为切入点,运用FLAC3D数值模拟软件,分别从地表移动、覆岩运移、应力分析、塑性区四个角度展开细致的数值模拟分析,得出了随着岩体质量等级的提升,地表沉降中心逐渐向上盘方向移动,围岩移动以及地表沉降和变形值有着明显的减小,且减小速率有所降低,采空区上盘应力集中区的最大应力集中系数有明显增大;随开采深度的增加,地表沉降和变形值逐渐增大且增加速率越来越快,最大下沉值点随开采深度的增加向下山方向有小幅移动,采空区上盘围岩位移快速增加,采空区下盘围岩位移增加较慢,上盘应力集中区的最大应力集中系数逐渐减小;随倾角的增加,地表沉降及变形值逐渐减小,且减小的速率越来越慢,地表沉降中心逐渐向下盘方向移动,围岩最大水平位移逐渐超过围岩最大垂直位移,采空区上盘应力集中区的最大应力集中系数逐渐减小;随着厚度的增加,地表沉降及变形值逐渐增大且增大的速率越来越快,上下盘围岩位移也有所增加且增加速率也越来越快,采空区上盘应力集中区的最大应力集中系数逐渐减小。(3)针对现存移动带圈定方法上存在的缺陷,对其他参数不变的条件下固定矿体高度的不同埋深下急倾斜厚大矿体开采开展数值模拟研究,得出了在埋深增加时,地表最大沉降逐渐减小直至最终保持稳定,在埋深分别为15m、45m、75m、105m、135m、165m时,Ⅲ级围岩上盘移动角分别为65.4°、60.0°、57.3°、55.4°、54.1°、53.4°,移动角越来越小,影响范围越来越大,而移动角对埋深变化的敏感度越来越低,减小的速率逐渐变小;对深厚比的展开研究表明,深厚比存在某一阈值,当深厚比逐渐增加并达到阈值时地表最大沉降及移动角逐渐保持不变,如深厚比随着厚度的减小而增加时,地表最大沉降逐渐减小并最终保持稳定,移动角逐渐增大且增大的速度越来越慢。对其他参数不变的条件下固定最大采深的不同埋深下急倾斜厚大矿体开采开展相似模拟与数值模拟结合分析,相似模拟结果表明,当急倾斜厚大矿体最大开采深度固定时,随着埋深的增加,地表沉降有较大幅度的变化,当埋深增大到某一值时,开采对地表的影响几乎可忽略不计。数值模拟结果表明,在最大采深不变的情况下,随埋深的增大,地表变形值越来越小,地表沉降总体也呈现减小趋势,沉降中心逐渐向上盘方向移动,移动角逐渐增大,且增大的速率逐渐加快,如埋深分别为15m、45m、75m、105m时的上盘移动角分别为58.3°、60.9°、65°、74.1°,埋深为135m及以上时,几乎对地表无影响。将数值模拟和相似模拟监测点沉降和应力数据导出并分析可知,两者监测点沉降和应力变化趋势大体相同,埋深达到一定值后都对地表沉降不产生影响,1、2、4、5、6号测点应力值总体都呈减小趋势,说明两者模拟结果的覆岩与地表移动特征基本一致。
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