高阶段两步回采采场地压动态演化规律及其结构优化研究

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李楼-吴集铁矿生产能力为750万t/a,是国内大型的地下金属矿山之一,大结构采场、高效率无轨开采成为支撑矿山规模化开采的基本手段。李楼-吴集矿山采用两步骤嗣后充填采矿法,阶段高度100 m,矿房和矿柱宽度均为20 m,侧向暴露面积达到4000 m2~6000 m2。随着李楼-吴集铁矿在-400 m阶段大规模开采过程中,沿脉巷顶板冒落、围岩片帮、支护脱落等地压灾害严重制约矿山安全高效开采。因此,本文以矿山-400 m阶段采场为工程背景,通过原位地应力测量、采场围岩地压监测、充填体内部应力监测、FLAC 3D数值模拟等多种方法综合研究高阶段两步回采地压活动规律,重点解决矿山大结构采场的稳定性和结构参数优化等技术问题。主要研究内容如下:(1)采用前端数字化空心包体应变计对李楼-吴集矿区-300m分段、-350 m分段和-400 m分段水平的12个测点进行现场地应力实测,获得了矿区地应力场的空间分布规律,同时利用多元回归拟合方法,对矿区进行了地应力场拟合反演,建立了地应力场回归模型,并结合矿区地质构造,确定矿区属于逆断型转呈平移型应力状态。(2)结合李楼矿区-400m阶段的地压调查,确定了高阶段大结构采场的地压监测位置。通过对一步骤12-1#和二步骤10-4#矿柱采场四个分段水平采场围岩地压监测,揭示了采场围岩地压在同一水平有逐渐上升阶段、承压稳定阶段、卸压阶段三个阶段,在空间上两步骤采场围岩呈现相反的“分层阶梯式”传递规律:一步骤采场“自上而下”、二步骤采场“自下而上”。基于自主研发的在线应力监测装置,对26-1#采场4个不同分段胶结充填体中的三向应力进行全时段监测,揭示了胶结充填体的三向应力时空演化规律。(3)揭示了两步骤采场回采过程中地压活动规律随采矿作业工序的关系:一步骤矿房回采,采区应力场第一次重分布,主要由矿柱承力;二步骤矿柱一次回采,采区应力场第二次应力重分布,预留矿石矿柱、上下盘围岩为采区主要承力对象,胶结充填体承力不高,但胶结充填体起到了为采场围岩提供侧限压力、提高围岩自承能力的作用;二步骤矿柱二次回采过程中,采区应力场第三次应力重分布,上下盘围岩和南北端围岩为采区主要承力对象,弱胶结充填体和胶结充填体承力不高,但弱胶结充填体联系了两个胶结充填体采场,使得胶结充填体两向受力变为三向受力,改善了胶结充填体受力状态,使整个使得整个二步骤回采较为安全稳定。(4)通过Mathews稳定图法确定了高阶段大结构采场的合理暴露面积,结合FLAC 3D数值模拟,对大结构采场的回采顺序和结构参数进行了优化,确定了在保持原“隔一采一”采矿方法,在矿房和矿柱长度50 m、高度100 m不变的情况下,宽度均改为22 m。
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