硬岩层状顶板失稳规律与支护技术研究
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摘要
顶板垮落是金属矿山地下开采中严重的工程灾害之一,它不仅影响采矿进度,同时也对井下作业人员生命安全构成威胁。由于金属矿层状顶板分布较少,故硬岩层状顶板的支护研究也相对较少且处于起步阶段。本文以中钢集团苍山铁矿层状顶板的支护为工程背景,对硬岩层状顶板的失稳机理及支护进行了研究,提出了合理的支护方案,有着较强的理论研究意义和工程指导意义。
论文主要开展了以下方面的工作：
(1)采用理论分析方法,应用弹性力学中的薄板理论,将采场硬岩层状顶板简化成平面应变板,推导两端固支和两端简支的边界条件下岩层挠度、岩梁破坏的临界荷载、临界应力计算式；
(2)应用FLAC-3D数值模拟,研究了埋深50-300m时,采场硬岩层状顶板随上覆岩层的分层厚度、分层类型、矿体埋深等因素变化的失稳规律；
(3)提出限制硬岩层状顶板变形破坏的特殊支护原则、支护方式与支护理论设计依据；
(4)以中钢集团苍山铁矿为工程实例,通过现场工程调查,分析层状顶板垮落与地质、采矿条件的关系；结合苍山铁矿的矿岩力学实验对采场岩石进行稳定性评价；设计了三种支护方案：树脂锚杆+加长树脂锚杆联合支护、树脂锚杆+加长树脂锚杆+钢带联合支护和砂浆锚杆+锚索的支护方案,通过数值模拟分析支护效果,确定了最优支护方案。
Roof caving is one of the most serious engineering disasters in underground mining activities of metal mines. It not only delays the progress of production, but also threats against underground workers. Owing to the less common distribution of layered roof in metal mines, the research of the support of hard rock layered roof is relatively less and still at the initial stage. The instability mechanism and supporting of hard rock layered roof are studied based on the project of layered roof supporting in Cangshan iron mine in China Steel Group. And the reasonable support solution is proposed, which could be of great theoretical significance and engineering guidance. The research works mainly include:
(1) Through the theoretical analysis, the hard rock layered roof of stope is simplified as plane strain plate by the application of thin plate elasticity theory. And the formulas of the critical loads and the critical stress of rock beam failure are derived under the boundary conditions of beam simply supported and fixed supported at both ends;
(2) By use of FLAC 3D numerical simulation, the failure law of hard rock layered roof in the depth of 50～300m is studied, with the variation of different factors of overlying strata, such as roof layer thickness, strata type, orebody depth and so on;
(3) The principle of special support, support methods and theoretical design basis of deformation resistance of hard rock roof are proposed;
(4) Taking the engineering project of Cangshan iron mine inChina as a case, the relationship between layered roof caving and geological conditions is analyzed through field investigation. And the stability of the rock in stope is evaluated combined with the rock mechanical tests in Cangshan iron mine. Then three kinds of support methods are designed as joint support of resin anchoring bolt and extended resin anchoring bolt, joint support of resin anchoring bolt, extended anchoring bolt and strip, joint support of mortar bolt and anchor. The optimal supporting method is determined through the numerical simulation of the supporting effect of the methods.
论文主要开展了以下方面的工作：
(1)采用理论分析方法,应用弹性力学中的薄板理论,将采场硬岩层状顶板简化成平面应变板,推导两端固支和两端简支的边界条件下岩层挠度、岩梁破坏的临界荷载、临界应力计算式；
(2)应用FLAC-3D数值模拟,研究了埋深50-300m时,采场硬岩层状顶板随上覆岩层的分层厚度、分层类型、矿体埋深等因素变化的失稳规律；
(3)提出限制硬岩层状顶板变形破坏的特殊支护原则、支护方式与支护理论设计依据；
(4)以中钢集团苍山铁矿为工程实例,通过现场工程调查,分析层状顶板垮落与地质、采矿条件的关系；结合苍山铁矿的矿岩力学实验对采场岩石进行稳定性评价；设计了三种支护方案：树脂锚杆+加长树脂锚杆联合支护、树脂锚杆+加长树脂锚杆+钢带联合支护和砂浆锚杆+锚索的支护方案,通过数值模拟分析支护效果,确定了最优支护方案。
Roof caving is one of the most serious engineering disasters in underground mining activities of metal mines. It not only delays the progress of production, but also threats against underground workers. Owing to the less common distribution of layered roof in metal mines, the research of the support of hard rock layered roof is relatively less and still at the initial stage. The instability mechanism and supporting of hard rock layered roof are studied based on the project of layered roof supporting in Cangshan iron mine in China Steel Group. And the reasonable support solution is proposed, which could be of great theoretical significance and engineering guidance. The research works mainly include:
(1) Through the theoretical analysis, the hard rock layered roof of stope is simplified as plane strain plate by the application of thin plate elasticity theory. And the formulas of the critical loads and the critical stress of rock beam failure are derived under the boundary conditions of beam simply supported and fixed supported at both ends;
(2) By use of FLAC 3D numerical simulation, the failure law of hard rock layered roof in the depth of 50～300m is studied, with the variation of different factors of overlying strata, such as roof layer thickness, strata type, orebody depth and so on;
(3) The principle of special support, support methods and theoretical design basis of deformation resistance of hard rock roof are proposed;
(4) Taking the engineering project of Cangshan iron mine inChina as a case, the relationship between layered roof caving and geological conditions is analyzed through field investigation. And the stability of the rock in stope is evaluated combined with the rock mechanical tests in Cangshan iron mine. Then three kinds of support methods are designed as joint support of resin anchoring bolt and extended resin anchoring bolt, joint support of resin anchoring bolt, extended anchoring bolt and strip, joint support of mortar bolt and anchor. The optimal supporting method is determined through the numerical simulation of the supporting effect of the methods.
引文
[1]唐春安,于广明,刘红元等.采动岩体破坏与岩层移动数值试验[M].长春,吉林大学出版社.2003：38～40
[2]杨建辉.锚杆支护煤巷层状结构顶板稳定性研究与应用[D].北京科技大学,2003,3～5
[3]孙广忠,张文彬.一种常见的岩体结构—板裂结构及其力学模型[J].地质科学,1985,3：15～19
[4]秦四清,张悼元,王士天等著.非线性工程地质学导引[M].成都：西南交通大学出版社,1993,58～69
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[6]唐晓玲,叶明亮.薄煤层坚硬顶板的薄板理论分析及来压预报[J].矿山压力与顶板管理.2003,89～92
[7]刘小丽,周德培.用弹性板理论分析顺层岩质边坡的失稳[J].岩土力学,2002,23(2)：162～165
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