地下开采中接触带复合岩体非协调变形及控制研究

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地下开采中接触带复合岩体非协调变形导致巷道出现广泛的剪切破坏和局部冒落,同时松软破碎接触带顶板采场易产生大面积顶板冒落,不仅构成矿山开采的重大安全隐患,也极大降低了开采效率。现有的接触带岩体控制理论和技术无法有效解释和控制接触带岩体的非协调变形破坏,严重制约了地下矿山的大规模高效开采。为寻求接触带复合岩体的有效处理方法,实现接触带巷道和采场的安全高效运行,论文采用岩石力学试验、理论分析、相似试验、数值模拟和现场试验等手段,系统研究了接触带复合岩体的力学特性和地下开采工程的稳定性问题。(1)进行了接触带复合岩样的单轴压缩试验,获取了不同接触角复合岩样的破坏和强度变化特征;从微观角度分析了具有不同变形特征的岩石材料在接触面上的应变协调及横向约束应力,构建了接触带复合岩体宏观非协调变形下的强度模型,可以有效解释单轴压缩试验中接触带复合岩样的强度变化特征。建立了考虑初始损伤和蠕变损伤的岩石蠕变模型,推导出接触带复合岩体非协调蠕变次生约束应力同岩石力学参数、载荷和时间的关系式,揭示了复合岩体次生约束应力和强度的时间效应特征。(2)借助数值模拟和相似试验,系统分析了接触带力学性质、接触带产状、地应力等因素对接触带巷道非协调变形及次生剪应力分布特征的影响。基于弹塑性力学理论,研究了接触带岩体非协调变形对巷道塑性松动区的影响。归纳总结出接触带岩体非协调变形导致的强度降低、次生剪应力集中和塑性松动圈扩大是接触带巷道易发生失稳破坏的主要原因。(3)基于断裂力学理论,建立了接触带巷道非协调变形形成的剪应力环境下单个裂隙的扩展判据、扩展方向及扩展深度函数,模拟了裂隙组扩展、贯通、连通自由面、最终形成自由块体冒落的力学动态过程,揭示出接触带巷道非协调变形破坏机理,有效解释了典型接触带巷道的失稳破坏特征。(4)提出基于协调变形的接触带巷道稳定性控制思路,形成了以X抗剪支护、非对称支护和非均匀分布预应力支护为特征的接触带巷道非均匀过渡支护模式,进一步建立了适应围岩应力及变形分布的非均匀支护参数确定方法,降低了接触带巷道的非协调变形及次生剪应力集中,有效减少了原岩裂隙剪切滑移扩展导致的围岩整体失稳破坏。(5)开发了适用于松软接触带顶板矿床的预切顶连续条带开采废石尾砂充填采矿方法,形成了生产能力最大化的安全开采条带宽度确定方法,提出了尾砂柔性接顶的复合充填体卸压技术,实现松软接触带顶板处理-矿石开采-充填协同高效进行。研究成果揭示了接触带复合岩体在非协调变形下的力学特性,形成了接触带巷道和采场稳定性控制的有效方法,为地下开采中接触带复合岩体的高效处理提供了基础理论和应用技术支撑。
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