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地下采掘活动中,由于应力重新分布使巷道或采场周围岩体和支护体产生种种力学现象,如岩体变形、破坏、塌落,支护体变形、破坏、折损,以及冲击地压、岩爆等系列动力现象,这些力学现象统称为矿山压力显现。为保障地下采掘活动的正常进行和安全生产,必须采取各种技术措施将矿山压力显现控制在一定范围内。
位于贵州省贞丰县境内某大型地下岩金矿床,矿体呈多层缓倾斜薄矿脉重叠产出,埋深80-280m,采矿方法为全面法,由于矿体品位较高,采空区采用砼砖砌体人工矿柱支护顶板。自2001年建矿以来,生产已造成大量采空区,并因矿层间距较近(最近处只有2米),上下矿层开采后采空区相互影响较为严重,矿压显现剧烈。如某采场曾发生大面积顶板来压,2小时之内顶板整体下沉达20多厘米;另一采场矿柱连同底板突然陷落到下一采场;其余多个采场出现规模不等的冒顶、下沉等情况。由于矿山地表有大量民房和矿山工业设施,为地表不允许沉陷区域,随着生产的进行,采空区暴露面积和体积逐渐增大,有发生大面积冒顶波及地表引起地面坍陷的危险。因此,需要对矿山采动压力分布规律、矿压显现特点进行全面的调查研究,为矿山优化并采取切实可行的支护措施提供理论依据和技术支持。本文采用室内和现场岩石力学实验、现场观测、理论分析和数值模拟等方法对上述问题进行全面研究,得到如下研究成果:
①对不同矿体顶板岩石进行了室内单轴、三轴实验、巴西实验,得到相关岩石力学参数;在现场对各个采场顶板岩石进行了点荷载试验,结合室内单轴抗压强度实验,得到了点荷载强度与单轴抗压强度之间关系;
②通过现场观测和数值模拟,分析得到了近距离矿层开采时下部矿层采空区矿压显现的基本特征和规律;
③基于板壳理论建立了近水平和缓倾斜顶板位移力学模型,推导了采场顶板挠度表达式,分析了顶板最大挠度可能发生的位置,结合现场矿压观测数据,认为顶板挠度可为支护强度设计提供理论依据;
④结合现场矿柱强度分析与支护率测算,对近距离矿层同采的采场,进行了不同尺寸组合的矿房矿柱矿压分布规律的数值模拟,得到了优化的矿房矿柱尺寸组合。