急倾斜相邻矿体采动影响与采矿方法研究

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1、急倾斜相邻矿体采动影响与采矿方法研究第一章绪论1.1课题研究意义及选题依据采矿活动破坏了处于平衡状态的原岩应力场，引起围岩应力重新分布和产生位移，可能导致顶底板垮断与破坏、片帮冒顶、底鼓等矿山压力现象，也可能导致冲击矿压、岩爆、矿震、煤与瓦斯突出、地表塌陷等矿山动力现象[1]。急倾斜相邻矿体是指矿体倾角大于55°彼此相距很近的矿体[2]。对急倾斜相邻矿体而言，围岩应力多次重新分布引发夹层失稳成为采动影响造成的最主要地压问题之一，作为顶板（底板）其破坏形式主要有三种（如图1.1）：（1）剪切破坏，倾斜

2、夹层受自重应力作用引起；（2）夹层中部受压剥落，与接触面间摩擦阻力有关；（3）横向膨胀和垂直劈裂破坏。我国金属矿山伤亡事故中发生次数最多的是冒顶、片帮事故，约占总数的1/5左右[3]。近几年冒顶事故时有发生，例如：2013年12月30日，永昌县金营萤石矿三道沟采区发生一起冒顶事故，造成1死2伤；2012年5月20日，沈阳焦煤有限责任公司清水二矿发生顶板冒落事故，4人死亡，5人被困；2009年5月9日和5月11日，黑龙江省逊克县翠宏山矿业有限公司铁多金属矿连续发生两起冒顶事故，造成3死1伤。对于急倾斜相邻矿体

3、而言，合理的采矿方法和回采顺序有利于预防冒顶事故的发生。首先，选择合理的采矿方法，尽量减少工人在暴露的顶板下作业，对于维持夹层稳定性，确保安全、高效生产至关重要。图1.2显示，采用崩落顶板采矿法时，冒顶事故的发生率达到40.24%。其次，急倾斜相邻矿体的矿体倾角大于围岩移动角，无论选用哪种回采顺序，都会因采空区围岩移动而相互影响。为了选择出安全高效的回采顺序，必须对不同回采顺序下的夹层应力分布以及变形规律进行研究，这对解决相邻矿体安全回采具有重要意义。本文以山东临沂矿业集团公司会宝岭铁矿北矿带为研究对象，北

4、矿带包括N1和N2矿体，属于浅埋的急倾斜相邻矿体，以突变理论和数值模拟相结合的方法，研究采动影响下夹层应力分布、位移变化以及对地表沉降的影响，期望对北矿带回采提供科学指导，确保矿山安全高效回采。..1.2研究现状采动岩体力学是一门由固体力学与采矿工程相结合的交叉学科，采动岩体不同于固体力学中较为理想的弹、塑性和损伤模型，是一种连续非连续的耦合介质，其系统运动的控制方程与采动岩体的本构模型、内部非线性变形特征和赋存条件有关[4]。20世纪60年代初，在研究垮落式长壁开采采动岩层结构破断与运动规律的过程中，形成

5、了包括砌体梁结构理论、采动岩层移动与地表沉陷理论、矿山压力模型和理论及一系列矿压控制支护技术[5-6]。为了研究采动影响造成的上覆岩层移动规律，钱鸣高院士提出了砌体梁结构理论：理论认为老顶岩块产生的水平推力是砌体梁结构形成的必要条件，砌体梁结构稳定必须满足老顶岩块长厚比大于2与分层厚度大于岩块下沉量两个条件；提出把关键层上的垂直压力简化成均布载荷的分析方法是不妥的，并采用有限元的方法分别研究了软岩层厚度和硬度的影响，认为关键层上的垂直压力类似非均布的支承压力，峰值载荷与煤壁位置关系也受厚度和硬度影响[7]。

6、采动影响造成的岩层移动与地表移动相关理论：19世纪具有局限性的理论研究，包括法线理论、自然斜面理论、圆拱理论和二等分理论等；20世纪30年代，基于实测研究基础上的理论研究，1947年，阿威尔辛[8]提出地表倾斜与地表水平移动的关系；1954年Lit标高以下，地表平均标高约100m。对比分析《山东王苍山县王念沟铁矿区详查报告》和《山东王苍山县王念沟铁矿区勘探报告》，该矿带受向斜构造控制更为明朗，第7勘探线矿体在轴部相连。另据钻孔资料，原N2、N3矿体中间基本为连续的矿化带。因此，将N2矿体和N3矿体合并为N2

7、矿体，将二者之间的低品位矿化带圈为夹石层。因此，将会宝岭铁矿分为南北两个矿带共计4个矿体：北矿带为N1、N2矿体，南矿带为S1、S2两个矿体（图2.2）。.2.2现阶段采矿方法根据矿体倾角陡、矿体厚度从薄到中等、矿岩稳固性好和矿石品位较低的特点，按矿体厚度选用分段空场嗣后充填采矿法或者浅孔留矿嗣后充填采矿法进行回采。采场沿走向布置，长60m，采场高度70m，即中段高度，采场宽度即为矿体厚度。中段共分成3个分段，分段高度为23.3m。采用分段巷道和矿、废石溜井布置在南、北矿带矿体下盘的脉外采准方式。对北翼矿带

8、而言，脉外采准工程布置在N2矿体的北部，服务北翼的两条矿体。对南翼矿带而言，脉外采准工程布置在S2矿体的南面，服务南翼的两条矿体。采场分矿房、矿柱，根据矿体的厚度不同采取不同的矿房、矿柱参数，对于厚度大于8m的矿体，矿房宽54m，矿柱宽6m；厚度小于8m的矿体采用矿房宽55m，矿柱宽5m的结构参数。矿柱原则上不回采。不留顶柱和底柱。采用堑沟式的采场底部结构。在分段凿岩巷道内凿上向扇形炮孔，采用SimbaH1254