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随着我国浅部矿产资源的逐步枯竭,大部分国有大型金属与非金属矿山进入深凹露天开采阶段,部分矿山已经或者即将由露天转入地下开采。矿山由露天转地下开采后,露天矿边坡、露天坑周围岩体和地下采场覆岩组成一个复杂的复合开采系统,该系统内的岩体应力状态与变形破坏过程有别于单一的露天开采或者单一的地下开采。目前针对金属和非金属矿山中缓倾斜中厚难采矿体露天转地下开采相关的研究鲜见报道,因此,开展矿山露天转地下开采相关研究,特别是缓倾斜中厚难采矿体露天转地下开采研究具有重要意义。本文以云南磷化集团晋宁磷矿6号坑口东采区深部缓倾斜中厚难采矿体为工程背景,运用理论分析、室内物理模型实验、FLAC3D数值模拟等综合性的研究方法,对其露天转地下房柱法开采下边坡稳定性与地下采场覆岩的应力、变形破坏特征等问题进行了系统研究。主要工作和取得的研究成果如下:
(1)系统地调查研究了晋宁磷矿6号坑东采区的工程地质条件和水文地质条件,对该区域主要矿岩体的物理力学性质进行了室内实验测试,获得了该矿区矿岩体的物理力学参数。同时从理论上分析了矿山露天转地下后边坡的失稳破坏力学机制及其主要影响因素。
(2)根据云南磷化集团晋宁磷矿6号坑口东采区深部缓倾斜中厚难采矿体具体的赋存条件,沿矿体倾向选取典型的114地质勘探线剖面,依据相似理论,采用室内相似材料物理模型试验,对磷矿山露天转地下开采后露天边坡和地下采场覆岩采动影响下的应力、变形破裂响应特征以及垮落形态进行研究。同时根据相似模型试验的结果,并结合相关理论,对其露天转地下开采后边坡岩体的采动破坏力学机制进行了分析研究。在相似模拟模型试验研究结果的基础上,提出了综合考虑边坡、地下采场开挖扰动等因素的“采动影响因子”的概念,给出了反映露天转地下开采后边坡和地下采场覆岩变形破坏等矿压显现特征的“采动影响因子”的理论计算公式。
(3)以云南磷化集团晋宁磷矿6号坑口东采区深部缓倾斜中厚难采矿体为工程背景,依据相似理论,采用室内底摩擦模型模拟试验,对不同境界项柱厚度(10m、20m、30m)和不同边坡高度(65m、108m)情况下,磷矿山由露天转入地下开采后采空区上边坡体的采动响应特征、变形破坏机理和模式进行了研究,同时对境界顶柱厚度和坡高对采动边坡的稳定性的影响进行了分析。
(4)以晋宁磷矿6号坑口东采区深部缓倾斜中厚矿体作为工程背景,沿走向选取+2150 m矿体开挖地质剖面作为模型模拟平面,通过相似材料模拟试验,对其露天转入地下开采后不同采场结构参数的(矿房10m,矿柱3m;矿房10m,矿柱5m;矿房10m,矿柱8m)房柱法开采下采场顶板围岩变形破断规律与矿柱稳定性进行了研究,并对采场结构参数进行了优化。根据模型试验结果,结合相关理论对采场矿柱的力学特征、失稳破坏模式及机理进行了系统分析。最后运用尖点突变理论,建立了对房柱法开采下矿柱简化的力学模型系统,对矿柱发生突然失稳破坏的机理和条件进行了研究分析。
(5)以拉格朗日有限差分方法为理论基础,采用FLAC3D数值模拟方法对晋宁矿6号坑东采区深部缓倾斜中厚磷矿体由露天转入地下开采后,房柱法开采下露天矿境界顶柱与露天坑底废石覆盖层的合理厚度、地下采场矿房与矿柱最优结构尺寸以及矿体开采顺序等房柱法开采参数进行研究。
(6)在综合前人理论研究的基础上,对缓倾斜中厚磷矿露天转地下房柱法开采下的采空场顶板冒落、大气降水、边坡滚石等灾害机制及其相应的防治措施进行分析研究,为矿山露天转地下开采后的安全生产提供理论上的指导和建议。