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出于对环境保护、减少矿渣排放以及开采安全性的考虑,充填法越来越多的被金属矿山所采用。然而,对于类似金川镍矿采用充填法开采的矿山,由于矿体形状复杂、体积厚大,构造发育,矿岩破碎,地应力高,岩体稳定性极差,其地压活动规律、岩体移动及开采稳定性规律与非充填体法开采矿山有很大的不同,因此,本文针对金川镍矿的这些问题展开了深入性的研究工作。
通过对金川二矿区的地表裂缝的大量野外调查、地质探槽研究以及相关的资料分析,总结了地表裂缝的分布情况和延伸情况,探讨了地表两个裂缝条带的不同特征;基于长期的观测网络,包括地表裂缝计、GPS监测,得到了地表变形破坏机制,地表裂缝的形成演化机制,并对地表变形规律进行了总结。得出地表裂缝的产生是由于采动引发的地表变形在软弱结构面上的显现的结论。
论文建立大型的真三维模型,对金川开挖充填全过程进行了模拟,研究了金川二矿区三维岩体移动和开采稳定性问题。模拟结果表明,在开采的过程中,由于受到采动的影响,导致地表出现了变形中心。变形中心出现在上盘超基性岩和混合岩交界位置,随着开挖的进行,变形中心向着上盘移动。在走向方向,矿体的中部位移量值大,位移值是两侧位移量值的两倍左右。对于围岩来说,在开挖的初期受到采动的影响较大,随着开挖的向下进行,岩体的自承能力显现,围岩趋于稳定。金川二矿区厚大的镍矿形状很不规则,导致在矿体和超基性岩交界位置存在许多的应力集中点。随着开挖的进行,并充入充填体,上盘应力被释放,应力集中点消失。与之对应,下盘由于岩体移动量小,应力维持原岩应力。从塑性区的分布规律,可以得出充填体、矿体与围岩的边界位置以及上部充填体是比较容易破坏的区域,在开挖的过程中,这些位置处于屈服状态。
根据井下的多点位移计的监测数据和围岩与充填体的水准监测资料,并利用数值模拟的方法,研究了围岩与充填体的相互作用原理,得出了充填体内部的应力在2MPa以内,这相对于围岩20MPa的应力来说相差近10倍,因此可以认为充填体对围岩应力的吸收作用基本上可以忽略。并对围岩和充填体的相对位移情况进行了总结。
利用数值模拟的方法对充填体弹性模量进行了研究,得到矿山安全生产的充填体弹性模量的最小值,对于类似于金川的矿山,必须保证充填体弹性模量在140MPa以上。
结合对金川二矿水平矿层的现场地质调查和室内数值模拟的结果,得出水平矿层已经破坏的结论。