复杂条件下地下采矿稳定性研究
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摘要
本文以典型矿山——武钢金山店铁矿地下采矿为工程背景,采用工程地质分析、现场和室内试验、原位综合立体观测、理论分析和数值分析方法及工程类比法等多种手段和方法,对复杂条件下地下采矿稳定性进行了研究,探索了复杂条件下地下采矿稳定性的研究方法和相关的理论问题,解决了矿山的生产难题。主要研究成果为:
1、弄清了粉矿巷变形破坏机理:由于施工中产生初次冒落和围岩与支护结构之间存在较大空隙,使顶部围岩产生松动冒落,冒落体压在拱顶上,荷载转移到侧壁围岩,使其破坏,对侧墙产生侧压力。随着采矿的进行和时间推移,这一过程反复发生,从而造成上部围岩超高冒落,侧壁围岩不断挤压松动,在这种冒落和挤压作用下,巷道产生失稳破坏。
2、探讨了支护形式和结构尺寸对粉矿巷道稳定性的影响:改直墙为曲墙,设拱底,增加墙厚,改善配筋能增加巷道的稳定性;锚杆对顶部围岩加固效果不明显,对侧墙围岩加固有一定效果,但要合理选择锚杆参数。
3、提出了提高粉矿巷道稳定性的措施:改善施工方法,对粉砂状结构和粉块夹杂状结构粉矿采用管棚、注浆小导管等超前支护措施,使巷道不产生过大的初期冒落;对似块状结构粉矿改善爆破参数,减少扰动,并及时喷射砼,进行初期支护;在支护结构与围岩之间用回填砼和注浆措施充填密实,不能产生初始空隙。
4、针对松散体巷道围岩破坏冒落特征,采用极限平衡分析原理,建立了一种能反映巷道实际变形破坏特征,理论严密,形式简单的地压理论和地压公式。该理论全面反映了岩性、巷道埋深、巷道大小、侧压的影响,比传统理论更符合实际。该理论还能帮助设计工程师选择合理的洞室尺寸和有效的支护措施和施工方法,并能对洞室的浅埋与否给出了考虑岩性、洞室尺寸、侧压系数的定量判别式。
5、阐明了金山店铁矿地下采矿岩层移动与地表变形的机理:上盘围岩变形主要在重力作用下造成了倾倒和错落,起主导作用的因素是围岩结构面的空间组合展布状态与规模大小、矿岩的整体强度和变形特征、采矿的
The present paper, taking a typical mine-Jinshandian Iron Mine of Wuhan Steel and Iron Company as background engineering, adopts such methods as engineering geological analysis, field and lab tests, comprehensive in-situ cubic observation, theoretical and numerical analyses and analogue of projects etc to make studies of the stability of underground mining in complex conditions and discusses the research method and the correlated theoretical aspects for the stability problem of this kind. The major results are as follows:
1. Makes clear the deformation failure mechanism of silt mining galleries. The primary roof collapse in construction and big gap between surrounding rocks and supports result in relaxation and failure of rocks surrounding gallery top and the falling blocks press on the arch crown to transfer loads to the surrounding rocks of the side wall, thus the pressure makes the wall rupture; with the advance of mining activities, this process takes place repeatedly, which leads to the extremely high roof collapse of the upward rocks and unceasing squeezing on the side wall; under the action of roof collapse and squeezing, the relaxation and final stability failure of galleries take place.
2. Discusses the effects of supporting pattern and structure size on the stability of silt mining galleries. The stability can be improved greatly using the following method: change the straight wall into the curvature one, increase the wall thickness and improve steel reinforcement. The results have shown that bolts have no remarkable reinforcing effects on the rocks surrounding the galleries top but have an effect to a certent exten if reasonable parameters of bolts are selected.
3. Puts forward measures to increase the galleries stability. For the structure of silty clay and mixed silt blocks, the supporting in advance such as pipe-shed and small-diameter-injection-tube can avoid too large primary roof collapse but for the clastic-like structure, the methods are suitable of changing blasting parameters to reduce disturbance and timely primary supporting of shotcrete; the initial voids that are produced between supports and surrounding rocks can be filled with concrete or mortar.
4. In allusion to the roof-collapse failure character of the gallery surrounded by loosened rocks, establishes an earth-pressure theory and correlated formulation using the principle of limit equilibrium method. The theory is rigorous in theory and simple in form, compared with the traditional theory, it can more reasonably describe the effects of lithological character, superincumbent depth, gallery dimension and lateral pressure on the deformation failure of galleries. In
1、弄清了粉矿巷变形破坏机理:由于施工中产生初次冒落和围岩与支护结构之间存在较大空隙,使顶部围岩产生松动冒落,冒落体压在拱顶上,荷载转移到侧壁围岩,使其破坏,对侧墙产生侧压力。随着采矿的进行和时间推移,这一过程反复发生,从而造成上部围岩超高冒落,侧壁围岩不断挤压松动,在这种冒落和挤压作用下,巷道产生失稳破坏。
2、探讨了支护形式和结构尺寸对粉矿巷道稳定性的影响:改直墙为曲墙,设拱底,增加墙厚,改善配筋能增加巷道的稳定性;锚杆对顶部围岩加固效果不明显,对侧墙围岩加固有一定效果,但要合理选择锚杆参数。
3、提出了提高粉矿巷道稳定性的措施:改善施工方法,对粉砂状结构和粉块夹杂状结构粉矿采用管棚、注浆小导管等超前支护措施,使巷道不产生过大的初期冒落;对似块状结构粉矿改善爆破参数,减少扰动,并及时喷射砼,进行初期支护;在支护结构与围岩之间用回填砼和注浆措施充填密实,不能产生初始空隙。
4、针对松散体巷道围岩破坏冒落特征,采用极限平衡分析原理,建立了一种能反映巷道实际变形破坏特征,理论严密,形式简单的地压理论和地压公式。该理论全面反映了岩性、巷道埋深、巷道大小、侧压的影响,比传统理论更符合实际。该理论还能帮助设计工程师选择合理的洞室尺寸和有效的支护措施和施工方法,并能对洞室的浅埋与否给出了考虑岩性、洞室尺寸、侧压系数的定量判别式。
5、阐明了金山店铁矿地下采矿岩层移动与地表变形的机理:上盘围岩变形主要在重力作用下造成了倾倒和错落,起主导作用的因素是围岩结构面的空间组合展布状态与规模大小、矿岩的整体强度和变形特征、采矿的
The present paper, taking a typical mine-Jinshandian Iron Mine of Wuhan Steel and Iron Company as background engineering, adopts such methods as engineering geological analysis, field and lab tests, comprehensive in-situ cubic observation, theoretical and numerical analyses and analogue of projects etc to make studies of the stability of underground mining in complex conditions and discusses the research method and the correlated theoretical aspects for the stability problem of this kind. The major results are as follows:
1. Makes clear the deformation failure mechanism of silt mining galleries. The primary roof collapse in construction and big gap between surrounding rocks and supports result in relaxation and failure of rocks surrounding gallery top and the falling blocks press on the arch crown to transfer loads to the surrounding rocks of the side wall, thus the pressure makes the wall rupture; with the advance of mining activities, this process takes place repeatedly, which leads to the extremely high roof collapse of the upward rocks and unceasing squeezing on the side wall; under the action of roof collapse and squeezing, the relaxation and final stability failure of galleries take place.
2. Discusses the effects of supporting pattern and structure size on the stability of silt mining galleries. The stability can be improved greatly using the following method: change the straight wall into the curvature one, increase the wall thickness and improve steel reinforcement. The results have shown that bolts have no remarkable reinforcing effects on the rocks surrounding the galleries top but have an effect to a certent exten if reasonable parameters of bolts are selected.
3. Puts forward measures to increase the galleries stability. For the structure of silty clay and mixed silt blocks, the supporting in advance such as pipe-shed and small-diameter-injection-tube can avoid too large primary roof collapse but for the clastic-like structure, the methods are suitable of changing blasting parameters to reduce disturbance and timely primary supporting of shotcrete; the initial voids that are produced between supports and surrounding rocks can be filled with concrete or mortar.
4. In allusion to the roof-collapse failure character of the gallery surrounded by loosened rocks, establishes an earth-pressure theory and correlated formulation using the principle of limit equilibrium method. The theory is rigorous in theory and simple in form, compared with the traditional theory, it can more reasonably describe the effects of lithological character, superincumbent depth, gallery dimension and lateral pressure on the deformation failure of galleries. In
引文
1 [波]M. 鲍莱茨基,M. 胡戴克著.矿山岩体力学. 煤炭工业出版社,1985.7
2 贾喜荣著. 矿山岩层力学. 煤炭工业出版社,1997.9
3 夏才初,李永盛著. 地下工程测试理论与监测技术. 同济大学出版社,1999.8
4 金川镍矿二矿区不良岩层巷道稳定性研究. 中国科学院武汉岩土力学研究所科研报告,1997
5 李通村,谭学术,刘传伟著. 矿山岩石力学. 重庆大学出版社,1991.1
6 [澳]B.H.G 布雷迪,[英]E.T 布朗著, 冯树仁等译. 地下采矿岩石力学. 煤炭工业出版社,1986.9
7 姚宝魁,刘竹华,李春元等著. 矿山地下开采稳定性研究. 中国科学出版社,1994.10
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2 贾喜荣著. 矿山岩层力学. 煤炭工业出版社,1997.9
3 夏才初,李永盛著. 地下工程测试理论与监测技术. 同济大学出版社,1999.8
4 金川镍矿二矿区不良岩层巷道稳定性研究. 中国科学院武汉岩土力学研究所科研报告,1997
5 李通村,谭学术,刘传伟著. 矿山岩石力学. 重庆大学出版社,1991.1
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