论文部分内容阅读
金属矿山的开采是一个复杂的力学问题，在工程活动的扰动下，采空区围岩的原始应力状态将被打破，引起覆岩的应力重分布，从而达到新的应力平衡状态。当覆岩中存在一些软弱结构面时，这些软弱结构面将不断的发展、演化，并可能出现贯通，其对覆岩的失稳破坏和地表的移动变形具有明显的影响。 本文研究对象为新疆镜儿泉矿区和甘肃金川矿区西二采区，二者均为典型的急倾斜金属矿山，地质条件复杂，构造发育。其中新疆镜儿泉矿区上覆岩体内节理密布，其采用崩落法进行开采，节理在开采扰动下大量发展并贯通，最终引起巷道顶板塌落。而甘肃金川矿区西二采区矿体为走滑逆断层所错动，其所开采矿体与断层直接接触，因此断层活化所引起的潜在覆岩失稳问题也将对矿山生产带来严重危害。根据这两个矿区的实际工程地质条件，将这两个实际问题抽象为节理演化诱发覆岩变形失稳问题和断层活化诱发覆岩变形失稳问题进行分析。本文通过资料搜集、工程地质调查、地表岩移GPS监测、理论分析和数值模拟等手段和方法，论述并分析了金属矿山在不同结构面条件影响下地表移动规律及覆岩变形失稳特点和机理等相关问题。 第一部分研究针对节理演化诱发覆岩变形失稳问题，该部分以理论分析为主，论述岩桥发展破裂机理及不同节理条件下覆岩破坏特点，最后结合新疆镜儿泉矿区实测资料对崩落开采覆岩失稳机理进行分析，本部分主要通过以下三小节进行论述: (1)通过概念模型的方式研究开采扰动下岩桥发展演化过程。对于岩体内部广泛存在的的节理裂隙，节理间的岩桥在工程活动扰动下易发生破裂并贯通。该小结利用离散元模型分别模拟双岩桥模型和四岩桥模型在开采条件下的破坏演化过程。开采初期覆岩内部应力集中区域岩桥发生破裂，而后出现应力重分配，破裂岩桥周围随即出现应力增大现象，当应力满足其他岩桥破裂强度后破裂发展至下一个岩桥。其中上部岩桥同地表不均匀沉降存在直接关系，地表不均匀沉降越强烈越易造成上部岩桥的破坏。 对比双岩桥模型和四岩桥模型可知，较多的岩桥增大了覆岩的柔度，在该条件下巷道顶板竖直应力相对较小，而较少的岩桥模型刚度较大，对应于较大的顶板竖直应力以及顶板失稳后较大的应力释放，增大了顶板塌落的可能性。 (2)节理的倾角同覆岩破坏机制及地表变形特点也具有直接的关系。本小节采用三组对比实验，分析三组相互垂直节理条件下（0°/90°，45°/45°，-20°/70°）覆岩岩移特点及变化机制。在0°/90°节理条件下，覆岩易于沿着竖直节理发展，尤其在崩落法开采条件下，随着采空区体积的增大，岩体逐渐松动且冒落范围逐步扩大，当冒落范围扩大至地表时，冒落区易发生整体塌落并形成筒式破坏。45°/45°节理条件下，覆岩变形区域向下山方向出现偏移，覆岩整体位移相对较小，不利于发生贯通式破坏，不过其地表影响范围广，且随着开采活动的进行地表变形将持续发展。-20°/70°节理条件下，开采前期地表变形主要受70°节理影响，集中于矿体地表投影偏上山方向，为主要塌落冒顶区，随后-20°节理影响逐渐得到显现，于矿体下山方向出现第二变形中心，该区域为拉裂隙的密集分布区。 (3)镜儿泉矿区受到三组节理的影响，覆岩破坏集中于采空区顶板，在崩落法开采作用下，节理裂隙及软弱结构面等逐步发生松动活化，由于覆岩中节理密集，存在诸多潜在破裂面，一定程度上促进了岩体变形的发展。当覆岩失稳发展至地表将引起显著的地表变形，在地表不同区域的变形破坏呈现两种不同的类型:地表变形区域的内部为压缩区，易沿浅部结构面发生剪切错断并产生台阶状破坏;外区以拉伸破坏为主，拉张区内浅部结构面产生附加张应力，使得结构面被拉开形成拉张裂隙。 第二部分研究针对断层活化诱发覆岩失稳问题，该部分以甘肃金川矿区西二采区实际工程问题的分析为主。甘肃金川镍矿西二矿区采用充填法进行开采，2016年该矿区断层附近发生顶板大范围整体塌落事故，此类充填开采条件下的覆岩失稳问题，国内外尚无相类似的工程案例，因此针对此次事件的研究意义重大。本部分主要通过以下三小节进行论述: (1)针对地表及巷道破坏进行了详细的调查，巷道破坏由采空区向地表发展，破坏最严重的中段为1610中段，上覆充填体完全塌落并造成巷道闭合，越靠近断层处其塌落量越大;1650中段巷道多出现尖顶式破坏形态并伴随底板突起;采区矿体地表投影处出现沉陷盆地，在地表不同沉陷区域内出现不同破坏形态。 (2)以实际工程地质模型为基础，建立三维数值模型对充填开采条件下巷道顶板稳定性进行分析，并同实际巷道破坏形态及地表沉陷特点进行对比分析。并采用摩尔库仑剪切接触面单元模拟断层面两侧的接触关系，并研究断层接触面上应力演化的动态过程，根据应力曲线在不同演化阶段的不同特点，将断层活化失稳分为六个阶段，每一阶段对应着断层面上不同的应力及能量变化规律。 (3)将此次塌落事件从力学机理上分为三个阶段:压力拱阶段、断层活化阶段和悬臂梁阶段。前期开采过程中断层还未丧失支撑作用，此时采空区两侧岩体支撑覆岩及上覆充填体的重量，此时巷道顶板受力状况符合压力平衡拱力学模型。随后当断层接触面上剪切应力大于其抗剪强度，断层失稳活化并伴随其积累的弹性能释放，断层一侧由支撑端变为自由端，此时力学模型从平衡拱模型转变为悬臂梁模型。在覆岩自重应力作用下，悬臂梁的支点处受到较大的集中应力，当悬臂长度达到一定程度后极易发生断裂，造成覆岩大范围破坏失稳。就开采活动、断层活化和覆岩失稳的关系而言，开采活动是断层活化的前提条件，而断层活化后所引发的断层滑移是覆岩大范围失稳的直接原因。