【摘要】：無底柱分段崩落法作為我國地下金屬礦山的主要采礦方法之一,近年來隨著放礦理論及無軌采掘設(shè)備的發(fā)展,其采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)一直增大,但關(guān)于巷道變形、破壞機(jī)理及地壓活動(dòng)規(guī)律的研究不夠深入�；诖�,本文以北m:河鐵礦為工程背景,開展基于大間距無底柱分段崩落法下的巷道圍巖力學(xué)行為研究。該研究對(duì)于采場(chǎng)進(jìn)路的安全評(píng)估、合理支護(hù)、地壓管控等具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義�，F(xiàn)將本文主要研究工作與結(jié)論概述如下:(1)基于大間距無底柱分段崩落法的特點(diǎn),建立復(fù)雜巷道斷面的復(fù)變函數(shù)力學(xué)模型,對(duì)三心拱巷道周邊圍巖在彈性階段的力學(xué)行為特征進(jìn)行詳細(xì)論述:在單向豎向荷載下,巷道的小拱區(qū)與底角區(qū)為兩個(gè)主要的應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.5～3,3.5～8。大拱區(qū)以切向受拉為主,應(yīng)力集中系數(shù)為-1～1.5。直墻與底板區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)則相對(duì)穩(wěn)定,分別維持在2與-1左右。因此在巷道成形過程中,應(yīng)避免底角區(qū)與小拱區(qū)的曲率過大,防止應(yīng)力集中造成嚴(yán)重的擠壓變形。應(yīng)力集中系數(shù)與側(cè)壓力系數(shù)保持著嚴(yán)格的線性函數(shù)關(guān)系,通過掌握只與巷道幾何形狀相關(guān)的應(yīng)力集中系數(shù)增長(zhǎng)速率曲線,可獲取任意側(cè)壓力系數(shù)下的應(yīng)力集中系數(shù)曲線。由巷道周邊圍巖的力學(xué)分析可知,在設(shè)計(jì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí),為避免應(yīng)力疊加效應(yīng),巷道間距的確定需著重考慮側(cè)墻區(qū)域所對(duì)應(yīng)的影響范圍,分段高度的確定需著重考慮底角區(qū)與拱形區(qū)所對(duì)應(yīng)的影響范圍。(2)建立了無底柱分段崩落法采場(chǎng)巷道群的三維有限差分?jǐn)?shù)值模型,通過計(jì)算分析,對(duì)三種結(jié)構(gòu)參數(shù)的巷道群在采動(dòng)前與采動(dòng)過程中的力學(xué)行為進(jìn)行分析。采動(dòng)前的計(jì)算分析表明巷道邊應(yīng)力分布規(guī)律與解析解保持較高的一致性,結(jié)構(gòu)參數(shù)越大,巷道大拱及底板區(qū)域的最大主應(yīng)力集中程度越高,而直墻區(qū)域的應(yīng)力集中程度則較低,這主要是分段高度不同所引起的側(cè)壓力系數(shù)不同。對(duì)同一種結(jié)構(gòu)參數(shù),分段深度水平的增加,將會(huì)提升側(cè)壓力系數(shù),因此在生產(chǎn)效率有限的前提下,不易提前掘進(jìn)三、四分段的回采進(jìn)路。巷道群周邊圍巖的應(yīng)力場(chǎng)以巷道間距為步長(zhǎng)呈現(xiàn)周期性變化,周期內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律在大結(jié)構(gòu)參數(shù)下與解析解保持較高的一致性,而在小結(jié)構(gòu)參數(shù)下,巷道間礦柱中部區(qū)域的豎向應(yīng)力得到提升,水平應(yīng)力發(fā)生衰減,易發(fā)生礦柱的失穩(wěn)破壞。采動(dòng)模擬表明,進(jìn)路圍巖隨著遠(yuǎn)離回采工作面,可被劃分為應(yīng)力卸壓區(qū)、應(yīng)力承壓區(qū)、應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)這三個(gè)區(qū)域。因此上下分段的回采錯(cuò)動(dòng)距離應(yīng)遠(yuǎn)大于應(yīng)力抬升區(qū)范圍,這是為保證上分段水平巷道底板圍巖的穩(wěn)定性。同一分段水平的回采錯(cuò)動(dòng)距離不易過大,這將降低相鄰巷道圍巖的似側(cè)壓力系數(shù),提升側(cè)墻區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)。此外,結(jié)構(gòu)參數(shù)與回采錯(cuò)動(dòng)距離存在交互作用,結(jié)構(gòu)參數(shù)越小,相鄰巷道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)回采錯(cuò)動(dòng)距離的變化更為敏感,因此大結(jié)構(gòu)參數(shù),更有利于巷道群周邊圍巖在采動(dòng)過程中的穩(wěn)定性。(3)通過連續(xù)-離散耦合模擬與矩張量算法,在細(xì)觀尺度層面,探討巷道圍巖變形與破壞失穩(wěn)機(jī)理,以及矩震級(jí)分布特征。隨著單向豎向荷載增加,巷道圍巖先在應(yīng)力集中區(qū)(底角區(qū)、拱腳區(qū))出現(xiàn)局部破壞,頂?shù)装宄霈F(xiàn)張拉裂紋,此后兩幫圍巖以應(yīng)力集中區(qū)的初始裂紋為起點(diǎn),被切割成V型破壞區(qū)。在低圍壓條件下,圍巖破壞程度得到抑制,但破壞模式基本未發(fā)生變化,爆炸源事件較多。隨著圍壓升高,兩幫圍巖的V型破壞區(qū)消失,頂?shù)装宄霈F(xiàn)壓剪破壞,向內(nèi)爆炸源與剪切錯(cuò)動(dòng)源事件共同表現(xiàn)。當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)超過1時(shí),頂?shù)装鍑鷰r分區(qū)破裂嚴(yán)重,形成V型破壞區(qū),向內(nèi)爆炸源事件數(shù)占主導(dǎo)地位。在單向豎向荷載下,當(dāng)圍巖損傷增加到一定程度,巷道圍巖沿?fù)p傷邊界孕育不同長(zhǎng)度的裂紋帶,此時(shí)頂板易發(fā)生冒頂、坍塌,兩幫損傷區(qū)內(nèi)的圍巖出現(xiàn)劈裂破壞。當(dāng)圍巖損傷極其嚴(yán)重時(shí),巷道周邊圍巖發(fā)生大面積垮塌、冒頂。高量級(jí)矩震級(jí)沿較為發(fā)育的裂紋帶分布,而在破裂化區(qū)域內(nèi)部體現(xiàn)較低量級(jí)的矩震級(jí)。矩震級(jí)分布還呈現(xiàn)輻射規(guī)律,量級(jí)在破裂區(qū)的核心區(qū)最大,向外逐級(jí)遞減。巖體破壞尺度越大,出現(xiàn)高量級(jí)矩震級(jí)的概率越大,大尺度破壞往往發(fā)生在圍巖破壞后的最后階段,即當(dāng)中小尺度的破壞區(qū)域貫通后,往往形成較大尺度的滑移斷裂。(4)采動(dòng)地壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明測(cè)力錨桿的受力可大致分為三個(gè)階段:穩(wěn)定階段(25m以外)、承壓階段(8.5m～25m)、卸壓階段(1.7m～8.5m)。這對(duì)應(yīng)于采動(dòng)模擬的三個(gè)應(yīng)力變化區(qū)域,表明該分布規(guī)律具有普遍性。因此對(duì)于圍巖條件較差的區(qū)域,需提前加強(qiáng)支護(hù),減少分段藥量或多設(shè)分段,同時(shí)應(yīng)加快回采進(jìn)度,避免巷道圍巖在來壓峰值期形成大范圍的破壞。
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【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD322;TD853.362
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本文編號(hào)：2331059