基于加权隶属度矩阵的岩体质量优化分级及支护研究

巷道围岩质量分级是巷道围岩稳定性分析、合理支护设计与施工的基础。提高分级结果的准确性,是提升支护效果和巷道围岩稳定性的关键途径。以RMR法为基础,以某一测点的分级因素指标值为例,构建RMR法各分级指标的隶属度矩阵,再结合熵值法确定分级指标的权重,得到加权隶属度矩阵,构造优化后的评分公式,进行指标优化评分和围岩质量分级,然后根据围岩质量分级结果及松动圈监测结果设计支护参数,利用FLAC3D进行模拟计算以巷道围岩塑性区体积和顶底板收敛量为评价指标,研究优化前后的支护效果。研究结果表明:经过优化后的指标评分和围岩等级更加准确,巷道支护参数设计更加合理,数值模拟结果显示其能有效地提升围岩的稳定性,并将优化后的支护设计参数应用于工程,取得了良好的效果。研究成果可有效解决巷道围岩分级因素指标值位于分级边界或分级跨度大的问题,为矿山岩体质量分级与支护设计提供参考。

不同龄期与灰砂比胶结充填体力学损伤特性及断口形貌分形特征研究

为探究龄期与灰砂比对充填体力学损伤特性及破坏断口形貌分形特征的影响,以及充填体力学损伤特性与断口形貌分形特征的关系,采用某金属矿全尾砂制备5种灰砂比胶结充填体试样,对4种养护龄期下的试样开展孔隙率测试、声波波速测试、单轴压缩及破坏断口形貌扫描试验;基于应变等价原理构建充填体损伤演化方程,表征充填体损伤特性,采用“小岛法”计算断口形貌分形维数,量化表征分形特征。结果表明:充填体单轴抗压强度与弹性模量随龄期延长呈指数型增长,随灰砂比增加而增大,与断口形貌分形维数呈指数型递减关系;充填体的损伤演化过程分为初步损伤、损伤加速增长和损伤破坏三个阶段;充填体破坏断口形貌分形维数随龄期延长呈指数型减小,随灰砂比增大而减小,龄期对灰砂比越大的充填体的分形维数影响效果越显著;充填体峰值应力处损伤值与断口形貌分形维数呈线性负相关关系。

基于矢量法安全系数的边坡与坝基稳定分析

滑动是一个矢量概念,基于矢量法安全系数的边坡与坝基抗滑稳定的矢量分析法,以边坡与坝基的整体抗滑稳定性为研究对象,根据边坡与坝基的整体滑动趋势方向确定安全系数的计算方向θ,在方向θ上由抗滑力与滑动力的矢量特征定义矢量法安全系数F(θ),以F(θ)进行边坡与坝基的抗滑稳定分析。在边坡与坝基的荷载和滑裂面已知的情况下,运用有限元法计算滑裂面上的真实应力分布,滑裂面上各处静滑动摩擦力合力方向的反方向就是θ,沿此θ方向F(θ)的求解公式直接根据滑裂面上的真实应力分布情况和莫尔–库仑强度准则导出。矢量法安全系数F(θ)的定义以力的矢量分析为基础,具有明确的物理和力学意义,求解时不需要引入过多的人为假定,并以显式格式求解,计算过程简便,便于工程应用。运用矢量分析法法求解ACADS两道标准考题算例的F(θ),得到与考题标准答案一致的结果;应用矢量分析法法求解三峡工程3#坝段坝基抗滑稳定问题的F(θ),计算结果与已有的有限元强度折减法模拟该坝段坝基渐近破坏的定性分析成果相吻合。通过实例分析表明矢量分析法的可行性和工程实用性。

含水率和粉矿含量对金山店铁矿主溜井矿石流动性的影响

为探究含水率和粉矿含量对湖北省金山店铁矿主溜井中矿石流动性的影响,以金山店铁矿主溜井放矿过程作为研究对象,以质量流率比为矿石流动性的定量评价指标,采用数值模拟和相似试验分别进行了含水率0%~9%、粉矿含量11%~21%的颗粒级配综合作用下主溜井矿石流动性研究。结果表明,数值模拟和相似试验的结果具有较好的一致性,随含水率增加,质量流率比先减小后增大,矿石流动性先变差后变好,含水率超过9%时容易发生"跑矿";随粉矿含量增加,质量流率比逐渐减小,矿石流动性逐渐变差;当含水率0%~3%且粉矿含量11%~17%或含水率7%~9%且粉矿含量11%~21%时,矿石流动性较好;含水率3%~7%且粉矿含量11%~21%或含水率0%~3%且粉矿含量19%~21%时,矿石流动性较差。金山店铁矿生产过程中按矿石含水率1%~3%、粉矿含量11%~17%调控,主溜井堵塞故障明显减少。

基于关键块体的井巷围岩稳定性分析及支护研究

为了进一步研究关键块体对巷道围岩稳定性的影响及通过关键块体分析进行支护措施的设计。以蒙库铁矿地下开采某一巷道为研究对象,通过工程地质调查与现场测试工作,对围岩节理裂隙统计与分段,并进行岩块强度试验和岩体的波速测试,获得了岩体完整性参数,依据此进行了详细的岩体工程分级,给出不同岩体的分级力学参数,再通过Unwedge进行关键块体分析,对不稳定岩块进行划定,确定了锚喷支护的参数及重点支护位置,然后采用有限元软件模拟开挖过程并分析了开挖过程中围岩及支护的应力应变变化情况,最后进行现场采动应力的监测与分析。研究结果表明:经过关键块体分析,更准确地辨别出可能导致巷道失稳的不稳定岩块,针对关键块体分析结果提出稳定性支护措施,并应用于现场,进行采动应力监测与分析,取得了良好的效果。研究结果在一定程度上为围岩稳定性分析及支护设计提供了可靠依据。

溜井全景扫描成像装置及其井壁检测试验

为研究矿石溜放对溜井井壁围岩的磨损破坏规律,保证溜井安全连续稳定生产,需要对溜井井壁进行检测。为实现溜井直径大、有浮石、粉尘多、湿度高和无光源等特殊条件下的井壁安全检测,研制了垂直溜井全景扫描成像装置。该装置采用4台高分辨率工业摄像机目标跟踪技术、4个高照度LED冷光灯照明技术、千兆网数据传输技术、旋转编码器井深定位技术等,实现对井壁全断面、无缝式扫描;通过组合式电缆与自锁绞盘提升系统实现装置提升;通过图像筛选与拼接处理,得到溜井井壁全景图。将该装置应用于矿山溜井进行井壁检测试验,采集到的井壁图像清晰直观,为溜井井壁磨损破坏规律研究、制定和实施溜井检修方案提供了直接依据。试验结果表明,该装置能适用于复杂条件垂直溜井的井壁检测。

基于岩体结构面分布分形维的岩体质量评价

尽管岩体结构面具有空间上的不规则性和结构网络上的复杂性,但由于它又具有自相似的特征,可以运用分形理论来对其进行研究。运用盒计维数法对某矿山巷道围岩体结构面分布的分维数进行计算,验证了岩体结构面分布的分形特征。通过对岩体结构面分布分形维值分布规律的分析发现,分形维数越大、结构面分布越密集,结构面迹线越长,岩体质量越差,表明可将岩体结构面分布的分形维作为岩体质量评价的指标。将计算所得的岩体结构面分布的分维数与按工程岩体分级标准对相应岩体分级所得的岩体质量等级进行对比,提出了一个以岩体结构面分布的分形维作为分级指标的岩体质量评价方案。

贮矿高度对主溜井矿石流动性的影响研究

为探究贮矿高度对金山店铁矿主溜井矿石流动性的影响,以质量流率比作为矿石流动性的定量评价指标,采用PFC2D颗粒流程序构建主溜井放矿数值模型,对不同贮矿高度条件下的矿石流动状态进行模拟分析;基于自主研制的溜井放矿相似试验装置,开展针对性的矿石流动性相似试验,对数值模拟结果进行检验。研究表明,质量流率比R_w可以定量表征矿石颗粒的流动状态,便于数值模拟结果与相似试验结果的对比分析;贮矿高度与矿石颗粒的流动状态密切相关,随着贮矿高度的增加,质量流率比R_w呈先增大后减小的变化趋势;当贮矿高度为27.5 m时质量流率比R_w达到最大值,此时矿石颗粒的流动性最好;在质量流率比R_w随贮矿高度变化的趋势上,相似试验结果与数值模拟结果具有一致性。

挂帮矿开采低段高无底柱留矿嗣后充填采矿法

残留在露天矿最终边帮上的挂帮矿赋存条件较为特殊,采用传统的地下开采方法开采挂帮矿时,露天矿最终边帮与地下采场的稳定性差、生产效率低。因此,提出低段高无底柱留矿嗣后充填采矿法用于开采位于露天矿最终边帮上的挂帮矿,该方法采用低段高回采,减小围岩的暴露面积;不留底柱,采用中深孔爆破落矿,铲运机出矿,生产效率高;将矿石暂时留在采场,回采后立即充填采空区能有效限制采空区围岩的变形;预留斜顶柱,能够有效提高采空区充填效果。将该方法用于开采大冶铁矿东露天尖ⅠN挂帮矿的开采,实践结果表明:在预留采场与边坡之间的保护矿柱的情况下,该采矿方法能有效保证挂帮矿开采过程中露天矿最终边帮的稳定和采场生产安全,高效地回收残留在露天矿最终边坡上的挂帮矿。

霍各庄南矿段地下开采中露天境界顶底帮稳定性分析

针对霍各庄矿区南矿段从露天开采转入地下开采时已有露天边帮的稳定性问题,选取霍各庄矿区南矿段典型勘探线剖面处露天境界最终边帮建立了模型,运用有限元强度折减法找到了已有露天边帮的潜在滑移面,采用边坡稳定矢量分析法对该露天境界顶、底帮在各个工况下的稳定性状态进行了分析。分析表明:边坡稳定矢量分析法可同时求解露天境界顶、底帮在潜在滑移面方向的安全系数;该矿段露天边帮在露天开采结束时状态稳定;露天境界顶帮的安全系数随地下开采向下延伸不断变小,并在地下开采首中段时产生失稳破坏;整个地下开采过程中,露天境界底帮的安全系数受采动影响较小,边帮一直处于稳定状态。

基于有限元分析的大包庄矿地表移动带圈定

选取大包庄矿开采范围内所有地质剖面,建立二维有限元数值模型,计算一期、二期工程矿体开挖后不充填和全充填2种工况下的地表变形,通过地表变形值与标准值对比,圈定2种工况下的地表移动带,并对数值模拟法与工程类比法圈定的移动带进行了对比分析。结果表明:采空区不充填时数值模拟法与工程类比法圈定的范围较接近,开挖矿体较薄时,数值模拟法计算的地表移动范围在工程类比法确定的移动范围内;开挖矿体较厚时,数值模拟法计算的地表移动范围在工程类比法确定的移动范围外。采空区全充填时数值模法与工程类比法圈定的移动带范围差异较大,充填体限制了围岩变形,减小了地表移动范围。数值模拟法充分考虑了矿山复杂地质条件和开采技术条件,其圈定的移动带能更好地反映实际地表变形。

采场顶柱力学简化计算模型研究

建立合适的采场顶柱力学简化计算模型是进行采场顶柱稳定性分析的基础。为了探究符合实际且便于工程应用的采场顶柱力学简化计算模型,根据约束条件的不同,将采场顶柱简化为3种常见梁模型:两端固定的梁、简支梁和悬臂梁模型,以均布荷载代替采场顶柱所受上覆岩层压力,应用弹性理论求解出3种采场顶柱力学简化计算模型的应变解析解;同时建立相应的有限元数值计算模型,分析采场顶柱的应变分布特征;将数值模拟所得结果与力学简化计算模型理论计算结果进行对比分析,并以程潮铁矿西区充填法试验采场为例,建立采场顶柱相似试验模型,对相似试验中采场顶柱底部应变进行监测。结果表明:将采场顶柱简化为简支梁力学计算模型所得应变分布特征与数值模拟结果及相似试验监测数据具有一致性;工程中可采用简支梁模型分析采场顶柱的稳定性。

冻融作用下裂隙类砂岩断裂特征与强度损失研究

寒区裂隙岩体中经常发生水冰相变产生冻胀力,冻胀力的反复作用会驱动岩体裂隙扩展、贯通甚至断裂破坏。通过在类砂岩试样中预制不同倾角的单开口裂隙,分别进行预冷和不预冷饱水裂隙冻融循环试验及冻融后的单轴压缩试验,探究冻结方式和裂隙倾角对裂隙冻胀扩展过程、断裂破坏特征及单轴强度的影响机制。试验结果表明,裂隙冻胀力是驱使裂隙冻融扩展的主要动力且与裂隙水的冻结方式密切相关,采用预冷方式冻结会引起绝大部分裂隙水挤出而难以形成冻胀裂纹;在非预冷冻结方式下冻胀裂纹一般先沿着预制裂隙共面方向扩展,但由于边界效应而逐渐转向短边,共面扩展长度与裂隙倾角呈正相关;当预制裂隙倾角在60°~90°时,岩体容易沿着冻胀裂纹方向发生压缩破坏,从而引起岩体单轴抗压强度降低。研究结果可为揭示裂隙岩体冻融损伤机制及开展寒区岩体工程建设提供借鉴。

基于开拓巷道稳定性分析的泥河铁矿阶段开采顺序研究

埋深超过600 m的泥河铁矿一期工程设计为两阶段(-750 m阶段、-830 m阶段)充填开采,开拓巷道的稳定性是影响阶段开采顺序选择的关键因素之一。选取典型勘探线剖面建立二维有限元计算模型,根据一期工程可能的阶段开采顺序制定自下而上(方案一)和自上而下(方案二)2种计算方案。对2种方案各开采步骤进行有限元应力分析,对比2种方案下开拓巷道的围岩应力分布状态和巷道稳定的安全系数,选取合理的阶段开采顺序。结果表明,在开采过程中2种阶段开采顺序下的绝大部分巷道围岩局部有拉应力产生;方案二与方案一相比,拉应力的分布范围更小,开拓巷道围岩最小主应力最小值较大,安全系数也较高,开拓巷道更为稳定。因此,采用自上而下开采顺序的方案二即先采-750 m阶段、后采-830 m阶段的开采方案更优。

铁古坑采区地下开采对露天最终边帮稳定性影响分析

舞阳铁矿铁古坑采区由露天开采转入地下开采,地下开采的不同阶段会对已有露天最终边帮的稳定性产生不同影响,若无法有效判断露天最终边帮的失稳工况,将对地下开采的安全生产造成威胁。选取典型勘探线剖面,建立二维有限元数值模型,按开采顺序分露天开采结束、-160 m阶段、-220 m阶段、-280 m阶段、-340 m阶段、-400 m阶段开采完成共6个工况,运用有限元局部强度折减法计算露天最终边帮顶、底帮的安全系数,分析地下开采对露天最终边帮稳定性的影响。结果表明:有限元局部强度折减法可以通过1个数值模型分别计算出顶、底帮的安全系数;随着地下开采深度的增加,露天最终边帮顶帮安全系数逐渐降低,在地下开采至-220 m阶段时顶帮处于极限稳定状态,开采至-280 m阶段及以下阶段时顶帮发生破坏;地下开采对露天最终边帮底帮安全系数影响较小,整个开采过程中底帮一直处于稳定状态。

确定交叉巷道锚杆支护参数的围岩平均应力集中系数分析方法

大跨度交叉巷道多采用锚杆支护,支护后巷道周壁应力分布的均匀程度可以作为评价支护参数合理性的指标。将支护后巷道周壁某一点大主应力与周壁大主应力均值的比值定义为围岩平均应力集中系数,用该系数表征巷道围岩的应力分布均匀程度。以某铁矿交叉巷道为研究对象,根据矿山工程条件及均匀设计试验方法,选取锚杆长度、锚杆间距和锚杆排距3个锚杆支护参数设计4种不同的支护方案,分别计算未支护与4种支护方案下巷道周壁的围岩平均应力集中系数,通过对比分析,确定最优的交叉巷道锚杆支护参数。结果表明:未支护时,巷道周壁围岩平均应力集中系数在0.3~2.9,应力分布极不均匀;锚杆支护后,最大围岩平均应力集中系数与未支护时相比降低幅度超过50%,围岩应力分布得到较好的改善;确定最优的支护参数为锚杆长度2.2 m、锚杆间距1.1 mm、锚杆排距1.0 mm,此时巷道周壁的围岩平均应力集中系数在0.9~1.19,其变化幅度仅有0.29,围岩应力分布较均匀;围岩平均应力集中系数能对围岩应力分布的均匀性进行有效评价。

基于采场配矿技术的乌龙泉矿露天采场工作面布置优化

乌龙泉矿露天采场内矿石品级种类较多,部分低品级矿石不能直接满足后续生产加工要求而堆积于采场内部,影响采场的有序推进及矿山生产能力的提高。采用线性规划法建立配矿模型,构建适用于当前乌龙泉矿露天采场内低品级矿石的配矿技术方案;基于配矿技术方案,对乌龙泉矿露天采场的工作面布置进行优化;将配矿技术方案及优化后的工作面布置方式应用于乌龙泉矿露天采场的生产计划中。工程实践表明:采场内配矿技术方案充分利用采场内部矿石参与配矿,有利于低品级矿石资源利用率的提高及配矿成本的降低;工作面布置优化后的乌龙泉矿露天采场能够有效地实现配矿方案在生产中的应用,解决低品级矿石的开采问题,促进采场的有序推进,提高矿山的生产能力及作业效率。

导爆管导爆索耦合起爆网路在矿山台阶爆破中的应用

针对矿山大规模台阶生产爆破中采用导爆管微差起爆网路存在的传爆不稳定问题,提出导爆管导爆索耦合起爆网路。该起爆网路由导爆索、毫秒延期继爆管、导爆管、导爆管雷管和药包组成,其特点在于传爆可靠、经济合理。将该起爆网路应用于黄麦岭磷矿露天台阶生产爆破试验,表明能够有效避免拒爆现象的产生,爆破效果较好,适合规模较大的矿山台阶爆破。

单轴压缩条件下尾砂胶结充填体的损伤变量与比能演化

为探究充填体单轴压缩过程中损伤变量D、比能演化及二者间的关系,以大冶铁矿灰砂比1∶6的充填体为研究对象,开展了单轴压缩及声发射监测试验,计算损伤变量D、总比能U、弹性比能Ue及耗散比能Ud。结果表明,充填体的损伤过程可划分为初始损伤(OA′)、损伤稳定发展(A′B′)、损伤快速发展(B′C′)和损伤破坏(C′点以后段)4个阶段,分别对应压密(OA)、弹性(AB)、屈服(BC)和破坏后(C点以后段)等阶段。损伤变量D在OA段、AB段、BC段和C点以后段分别呈快速增长、缓慢增长、急剧增长、缓慢增长;总比能U和弹性比能Ud不断增大,且增长速率逐渐加快,耗散比能Ue先增大后减小。OA′段,U、Ue和Ud均缓慢增长;A′B′段,U、Ue增长较快,Ud增长较慢;B′C′段,U、Ud快速增长,而Ue增长速率逐渐下降;C′点以后段,U、Ud先快速增长后急剧增长,且Ud增长速率更高,而Ue先缓慢下降后急剧下降。试验充填体Ud随D呈指数增长。

金山店铁矿生产爆破地表振动衰减特性及减振措施研究

根据金山店铁矿地表爆破振动监测数据,运用统计学方法得到了金山店铁矿生产爆破地表振动衰减特性的萨道夫斯基公式。通过分析勘探线测点布置剖面图得到张福山采区不同开采水平与受保护的建(构)筑物(监测点)之间的最小爆心距,基于衰减特性,在考虑1.5倍和2.0倍安全振动速度条件下,计算金山店铁矿张福山采区3个区域的最大安全单段起爆药量范围,并给出此3个区域在后续生产中的最大单段起爆药量推荐值,为矿山生产爆破减振提出了有效措施。