冲击荷载作用下采场底部结构损伤机理研究及应用

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采场底部结构是地下矿山采场的重要受矿、出矿工程,直接关系到采场资源的安全、经济和高效回收。本文紧密结合“冬瓜山采空区激光精密探测技术应用研究”科研课题,综合运用现场探测、理论分析和数值模拟等手段,探寻冬瓜山铜矿采场底部结构在冲击荷载作用下损伤破坏机理并提出了相应的防损技术措施,主要研究内容如下:(1)针对冬瓜山铜矿因采场底部结构损伤较严重致使大量矿量残留在采场内难以充分回收的工程实际,采用CMS和Surpac等数字化手段,在获取底部结构的损伤信息,构建底部结构损伤的可视化三维模型的基础上,实现对底部结构损伤的可视化分析,获得了底部结构损伤的主要类型,完成对采场由于底部结构损伤而导致的难以回收存留矿量的统计计算。(2)在分析冲击波在岩体中的传播特性的基础上,开展爆落矿石对采场底部结构主要受矿面的冲击斜入射研究,得出了底部结构的损伤程度与受矿斜面角取值有关,当角度取值在45。左右时,底部结构所受到的压剪耦合损伤最大;通过对底部结构动力扰动的力学模型进行分析,初步揭示了塑性应变能的累积导致底部结构损伤破坏的冲击动力学机理。(3)运用损伤力学原理,开展了冲击荷载作用下各向异性的弹塑性岩体损伤演化规律研究,从细观角度揭示了冲击荷载作用下底部结构岩体损伤演化的机理;运用断裂力学理论,对频繁冲击荷载作用下岩体的损伤累积及裂纹扩展进行研究,从宏观角度揭示了底部结构岩体在爆落矿石频繁冲击作用下的动态损伤累积及破坏机理。(4)在冲击荷载作用下采场底部结构损伤机理研究的基础上,研究提出优化底部结构斜面角和进行锚杆支护的底部结构防损技术措施,并对防损效果进行了数值模拟验证。结果表明,增大底部结构斜面角和对底部结构进行锚杆支护可以在一定的程度上减小其所受的压剪耦合损伤。本文率先开展采场底部结构的冲击损伤机理研究,初步揭示了采场底部结构在冲击荷载作用下的损伤规律,提出了采场底部结构防损技术措施,研究成果对矿山减少采场残留矿量,提高资源回收率,实现安全、高效资源回收具有重要的现实意义。
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