采动影响下金川二矿区14行风井变形破坏机制探讨*

摘 要 竖井作为井下开采矿山的咽喉工程,在矿山的安全生产中起着举足轻重的作用。金川二矿区14行主力回风井位于矿体下盘,井深715.5m,穿过的工程围岩有超基性岩、花岗岩、大理岩、辉绿岩等以及F207断层。该风井于1999年10月开工下掘, 2002年投入使用,2005年3月突然跨塌。本文根据现场调查和数值模拟,分析了风井变形破坏的特征和机制。发现主要有井壁错动开裂、片冒、冒落物冲击井壁等几种破坏形式,并得出在采动影响下最易在以下几个位置发生破坏:①井筒上部（0～200m）,易出现拉裂破坏和围岩整体剪切滑动;②F207断层及其上下接触部位（200～220m）,井筒很有可能在此处发生上下错动,从而导致剪切破坏;③井筒中部（360～460m）,受采动影响较大,可能发生鼓肚子破坏;④井筒下部F16断层影响带（井底以上50m）,岩体在采动影响下将发生松动,从而导致在结构面穿插部位可能发生冒落。     

金川二矿区14行风井再加固方案的可行性研究

金川二矿区14行风井破坏返修后,新井筒上部又出现了两条较大的近水平的裂缝,对此,进一步提出对返修后井筒的再加固方案。本文结合金川矿山地表岩移GPS监测结果,采用数值模拟的方法,对再加固方案的可行性进行了论证。结果表明,实施浅部的加固措施并没有改变竖井受采动影响的程度,更未实现预期的加固效果。继而对加固锚索施加预应力来检验加固方案本身的适应性,发现加固前后竖井井壁位移和应力的大小、分布也没有明显变化。可见,对于采动影响区内的竖井,采取单纯浅部加固的方案并无效果。最后,综合考虑14行风井破坏的原因、前期加固方案存在的问题和岩移趋势,提出了进一步加固措施的建议。     

金川二矿区14行风井返修支护效果分析

针对金川二矿区14行风井的返修支护方案,本文根据金川矿区高应力破碎岩体的条件,从锚杆、喷射混凝土、钢筋网三方面,分析了该方案中喷锚网支护的作用机理,并通过数值方法分析了该返修支护方案的效果。研究结果表明:14行风井的返修支护措施对竖井围岩移动、变形有一定的限制作用,但效果不是很好;随着开采深度和规模的扩大,井筒围岩还将产生较大的位移,并有可能重新发生破坏。     

金川二矿区1178分段巷道变形破坏特征及原因

金川二矿区1178m分段巷道位于矿体上盘,采用直墙半圆拱断面,巷道建成后变形严重,经过多次返修,仍未解决其稳定性问题.为了查明巷道破坏状况,对变形严重地段进行了监测,得到巷道变形规律,并进行了原岩应力实测工作,查明了工程的地应力环境,在此基础上结合工程地质条件对巷道变形破坏原因进行了初步探讨.     

复合采动影响下边坡岩体变形机制的数值分析

在各类矿产资源的开采过程中,有许多矿区属地下与露天复合开采情况。依据采区的空间对应关系,两种采动影响域中的一部分相互重叠,致使其采动效应相互作用和相互叠加,从而组成一个复合动态系统,因此,边坡岩体变形机理更加复杂,与单一露天开采相比有较大的差异。然而,过去在处理此类问题时近似地按单一露天采动影响下的分析方法,结果与实际情况有一定差异。     

井筒非采动变形破坏附加应力影响因素分析

立井井筒的非采动变形破坏是出现在华东厚表土层矿区的一种特殊矿山地质灾害,底部含水层失水压缩变形产生的附加应力是造成这一地质灾害的主要原因。在总结井筒发生非采动变形破坏的地质条件和破坏特征基础之上,通过建立三维数值模拟模型,分析了不同影响因素作用下井筒外壁所受附加应力的大小和变化规律,并根据模拟结果,利用弹性力学厚壁圆筒解建立井筒变形破坏应力状态与底部含水层水头降之间的对应关系,得到井筒变形破坏极限状态下对应的底部含水层水头降为89.5 m。     

废弃井“一井多用”瓦斯抽采关键技术及应用

煤矿区地面瓦斯废弃井改造再利用,可进行采动区瓦斯抽采,具有保障回采工作安全生产,瓦斯资源有效利用,减少瓦斯逸散对环境压力等经济环保多重效益。针对这一目的,结合采动区地面井和废弃井的特点,提出废弃井“一井多用”瓦斯抽采技术思路。通过分析试验工作面开采工艺、覆岩结构及废弃井的基本情况等条件,研究并提出了废弃井优选及判识、地面井改造工艺、防护装置安设、抽采系统布置及抽采控制技术等,改进了废弃井改造射孔造缝段长度确定方法。研发了基于油套环空动态调节、组合套管双重防护及筛管分级优化的安全防护方法,形成了废弃井“一井多用”地面井瓦斯抽采技术。选取晋城矿区岳城煤矿作为试验对象,完成了3口废弃井(井号为YC-50、YC-52、YC-54)再利用改造试验,其地面井瓦斯抽采量累计分别为257.88万、172.50万、129.60万m3。YC-50井改造运行后,地面井抽采范围内工作面上隅角瓦斯体积分数最大值从0.77%降至0.40%,降幅48.05%;YC-52井改造运行后,采煤工作面上隅角瓦斯体积分数降幅为52.38%,有效保障了回采工作面安全生产,实现了废弃井“一井多用”目标,取得了良好的经济与社会效益...     

采动影响下软岩巷道破坏机理及控制

以淮北某煤矿109轨道大巷为研究对象,构建采动影响下大巷破坏的弹塑性力学模型,从而得出巷道围岩内表面的位移解。对轨道大巷进行“锚杆注浆”,通过现场实测,得出“锚杆注浆”能提高破碎围岩的强度,改善岩体的性质,有效控制围岩的变形。对采动影响下巷道围岩变化机理以及巷道围岩应力变化进行系统分析,为该矿后续巷道支护以及相近条件下巷道的治理提供了借鉴。     

采动区远程卸压煤层气抽采地面井产能影响因素

以淮南矿区远程卸压煤层气地面井抽采工程实践为依托,通过工程试验和系统分析,探讨了远程卸压煤层气地面井的产能特点及其影响因素。研究结果表明,远程卸压煤层气地面井的产能曲线可分为两个阶段,在较短时间内顺利完成第Ⅰ阶段的井才能有较高产能。研究还显示,煤层气地面井产能受地层结构和采动影响较大。在研究区,当地层结构为松散层厚度<406 m,基岩与松散层厚度比值>0.74,下保护层与被保护层间距为66⁷0 m,且平均采高≤2.2 m,平均产煤低于3 898 t/d时,利于远程卸压煤层气地面井抽采;当松散层厚度>430 m,11-2煤和13-1煤层间距>74 m,基岩与松散层厚度比值<0.7时,卸压煤层气地面直井成功率较低,此时,可通过改变井位和优化井身结构来适应地层结构的变化,提高地面井抽采成功率。     

采动及渗流作用下隔水土层破坏规律研究

为了研究土层隔水层在采动及渗流作用下的破坏规律,采用了固-液耦合相似材料模拟试验研究和土层破坏理论分析。试验表明,在采用的长壁间隔式开采中,浅埋煤层中的组合关键层破断后进入裂隙带,隔水土层协调运动进入弯曲下沉带。该开采方法改变了岩层的运动破坏规律,抑制了采动裂隙在隔水土层中的发展,避免了导水裂隙与含水层贯通,达到了保护土层的采动隔水性目的。土层变形、破坏理论分析表明,组合关键层的破断距亦即对应土层的跨距,在弯曲下沉过程中没达到变形破坏极限跨距,不会产生导水裂隙,满足保持隔水性能的判据。现场开采实践证明,试验工作面开采后未出现潜水渗漏。该方法并已成功实现多个工作面的保水开采。     

地下采煤的缓倾边坡变形机制

通过某地边坡变形的环境条件和多年监测资料,提出地下采煤的缓倾边坡变形机制,即由地下采煤产生的岩层弯曲下沉侧推效应和央体松动扩容侧推效应,以及地下水作用产生的空隙水压效应导致的边坡变形,并对边坡变形机制进行了验证。     

镜儿泉矿区地下采动对竖井稳定性的影响分析

地下开采活动通常会造成覆岩及地表的移动、变形和破坏,而在竖井区域内,由于围岩移动变形所引起的竖井破坏事例时有发生。镜儿泉铜镍矿矿体倾角55~65,为典型的急倾斜金属矿山,目前在不同高程水平分别采用浅孔留矿法和下向充填法同时开采。由于矿区构造发育,矿岩破碎,使得工程岩体稳定性问题突出。该矿山前期历经近十年空场法的开采,已在矿体上部产生了大范围的山体开裂和地表变形,对矿区竖井安全构成了极大的威胁。对此,本文根据镜儿泉矿区工程地质条件,采用数值模拟方法,对地下采动影响下3条竖井的稳定性进行了分析,研究结果为保障矿山的生产安全提供了依据。     

金川矿山地表岩移GPS监测及岩体采动影响规律

本文通过建立在金川二矿区地表的GPS监测系统,对由于地下采矿引起的地表岩移进行了GPS实时监测,并根据2001～2006年12期监测数据分析了二矿区地表岩体移动变形的特征。在此基础上,阐述了急倾斜金属矿体开采条件下岩体移动的概化传递模式及其地表岩移显现特征,并结合数值模拟和GPS监测结果,分析了采动影响下金川矿山岩体移动发生的机理,同时,探讨了地表岩体移动速率变化特征。     

金川Ⅲ矿区副井工程变形分析与稳定性控制研究

针对金川Ⅲ矿区副井工程在深部工程地质条件发生变化所潜在的工程稳定性问题,本文类比相邻的主井工程地质条件,采用数值分析方法对深部井身段工程的支护厚度和让压量进行分析。由此研究显示,副井的支护厚度应由原设计的450mm增加到700mm为佳。为控制变形地压应在施工过程中释放位移70～90mm。此时井筒收敛量达到45mm。为保证井筒的安全使用空间,井筒净直径应由原设计的6.3m修改为6.35m。该研究所提出的修改设计方案应在Ⅲ矿区实施,获得了成功。     

地下采矿诱发山体崩滑地质灾害研究现状与展望

地下采矿活动诱发的山区崩滑地质灾害已经对人类活动带来了重大影响。针对采动滑坡地质灾害的发生机制,总结了近年来国内外的主要研究工作与成果,并分别从现场监测、物理模型实验研究和数值模拟实验研究3个方面对采动滑坡失稳机理进行了归纳和总结,得出如下认识:(1)已有的研究对小规模不充分开采引起的山体移动规律研究不清楚。认为地下开采作用仅是影响坡体稳定的一个因素,忽略了地下采矿活动本身各因素如开采方式、采空区处理技术等不同的影响; (2)现场监测方面多为地表的监测数据,缺少矿井上下的对照监测资料,即地下采空区的扩展过程与岩层移动监测数据之间的对应关系; (3)已有的模拟研究基于地质背景、本构及参数等因素的假设,对地质模型的刻画过于简化,得出的也多是一些趋向性的基本认识。在后续的研究工作中应将重点着眼于地下开采作用的细化研究,加强对地下采空区的调查和对采空区上覆不同埋深处岩体变形的监测,并建立更能反映真实地质条件的大规模精细三维数值模型。     

金川二矿区多中段开采对地表岩移的影响研究

金川二矿区多中段开采曾引起了许多研究焦点,尤其是多中段开采导致的围岩变形和灾变问题最为突出。本文以多年地表监测的结果验证了多中段开采至结束期间并没有造成地表岩体变形的异常或突变。研究认为开挖的地质力学模型内所赋存的岩体应变能是一定值,开挖活动是能量耗散和转移的动态过程。因此,在构造应力影响的开挖力学模型中,不能采用外力边界条件而应采用位移边界条件。小步距开采-充填有利于避免大幅度的岩移发生,矿岩才保持了相对缓慢的低能量释放率的松动、破裂,是矿岩未发生大的灾变失稳的关键因素。最后指出,地表岩移速率大小主要与地下开采速度和采充比有关,在金川二矿地下开采速度和采充比基本保持不变的情况下,地表岩体移动、变形速率不会发生突变现象。     

矿山工程地质综合研究方法及在金川二矿区的应用

针对地下矿山工程的特点、研究现状及存在的问题 ,本文结合金川二矿区深部工程地质研究 ,提出了分项综合应用的矿山工程地质综合研究方法。该方法已经应用于金川二矿区二期工程无矿柱大面积连续开采矿岩突变失稳风险预测 ,取得了重要成果 ,为二期开拓工程设计及开采顺序的优化设计提供了重要依据。     

某煤矿开采中含水层的破坏及其防治措施

在分析煤矿开发方案及其地质环境的基础上,从含水层的结构、水位和水质三个方面研究煤矿开采对含水层的破坏,并提出留设防水煤柱、污水处理和含水层监测的含水层防治措施,以保护地下水资源.     

黄土洞穴对公路危害的地质模式及致灾机理

作为黄土地区一种重要的不良地质现象,黄土洞穴对各种工程都造成了不同程度的危害,其中以对公路的危害最为突出。黄土洞穴对公路路基、边坡、桥梁、隧道和排水设施都有不同程度的危害,而且这些危害在型式、主要危害的部位及危害的严重程度等方面都有一定规律。为了从根本上认识黄土洞穴对公路的危害的规律和机理,指导公路黄土洞穴稳定性评价和防治,本文在对陕西省和甘肃省公路黄土暗穴调查的基础上,根据黄土洞穴对公路工程不同部位的破坏特征总结出黄土洞穴对公路路基、边坡、桥梁、隧道和排水设施危害的地质模式和致灾机理。