[01112883]大水矿山充填开采系统围岩稳定分析方法、参数优化及监测预报技术

主要研究内容： （1）岩体、注浆体、充填体力学性质（含渗透性）及破裂机理 系统进行矿岩力学参数、渗透系数)室内及现场测试,并结合矿区地质条件确定合理的矿岩分级及力学参数。探索灰岩顶板（注浆体）在水压、采动压力共同作用下的破裂及突水机理,为下部突水预测提供合理的计算本构模型。 （2）顶板注浆堵水前顶板稳定性分析及突水预测 通过SURPAC可视化软件,建立三维可视化地层及采矿系统仿真模型,该模型能直观反映断裂构造、岩溶裂隙的空间分布形态及与采矿工程的关系。采用FLAC数值模拟程序对注浆前顶板稳定性进行分析预测,为注浆参数尤其是注浆厚度确定提供理论依据。 （3）注浆层安全厚度合理性分析、计算及监测验证 建立开采与不同注浆厚度（含不注浆）、不同锚固参数条件下的三维大变形有限差分模型,研究确定其在开采及外部水压作用下注浆顶板的变形及受力动态,探索帷幕注浆堵水及对采场地压的隔障机理,以优化确定合理的注浆层厚度及顶板锚固参数。 （4）采场稳定性及其同充填体、注浆体相互关系的三维岩体力学模型及动态分析 对近矿体顶板预注浆堵水和尾砂胶结充填采矿法相结合的开采方案进行系统研究,重点研究开采前后的应力场变化特征,矿体开采对顶板围岩影响。研究采场稳定性及其同注浆体、充填体及开采顺序等的综合分析模型,为安全开采参数优化提供定量决策依据。 任务完成情况： 2010.10～2011.10 地质三维建模、室内及现场实验 完成矿区地质及采矿三维SURPAC建模,为下步研究提供了基础数据;同步完成了现场矿岩及充填体取样及室内外物理力学参数（含渗透实验）的实验研究,取得了大量的岩石及岩体力学及渗透性参数,为下步围岩分级研究及现场岩体力学参数选择奠定了基础。 2011.11～2012.10 围岩分级修正,力学参数确定,向上充填开采稳定性分析及现场监测 对现有围岩分级合理性进行探讨,提出基于安全系数的围岩分级方法,基于Hoek-Hrown准则确定了岩体围岩稳定性分析的分区力学参数,进行SURPAC-FLAC3D建模的开采现状稳定性分析, 建成基于GPRS的顶板帷幕稳定性远程网络实时安全监测系统。 2012.11-2013.12 提出了上向六边形进路充填采矿方法及稳定分析、参数优化 通过解析及数值计算系统研究了其应力、位移的转移规律,结合安全系数这一稳定性评价指标,总结六边形进路采矿方法的破坏方式和破坏机理。 创新点： （1） 系统研究了国标《工程岩体分级标准》中存在的各种问题,提出了基于强度折减及BQ修正的岩体分级修正方法。针对围岩稳定性缺乏定量判断指标的问题,采用无衬砌情况下隧洞围岩的安全系数作为围岩稳定性等级的定量指标分别提出了相应的修改建议,根据RMR围岩分级方法与岩体力学参数之间的经验公式,建立了岩体基本质量指标BQ值与RMR值之间的数学关系,得到了基于BQ值的岩块到岩体的物理力学参数折减方法。据此方法确定了谷家台矿区不同区段不同区段围岩的围岩级别和相应的物理力学参数。 （2） 通过对灰岩注浆帷幕的渗透性试验研究发现,应变-渗透系数曲线的峰值滞后于应力-应变曲线的峰值,说明岩石的破裂是透水的直接原因,且先于透水而发生。全应力-应变过程中的渗透系数变化曲线滞后于应力-应变曲线,并且存在三个阶段：平静期,试样内部微裂隙萌生;发展期,试样内微裂隙快速发育、延伸和贯通;完全渗透阶段,试样受压破坏,大量裂隙形成贯通,出现断裂面。 （3）探索了一套利用SURPAC软件建立多网格高仿真复杂FLAC3D模型的方法。解决了复杂三维地质模型SURPAC建模技术,引入强度折减有限元数值仿真技术,解决了基于SURPAC-FLAC三维精细化大水复杂围岩状态稳定性动态稳定性分析技术,得出了基于安全系数的地下开采过程稳定的动态变化规律。 （4） 提出了采用下向六边形进路充填开采方法解决矿石直接顶板稳定性差及加大矿房参数方法。采用理论研究和数值模拟分别对六边形进路采矿方法进行研究,探讨其应力、位移的转移规律,结合安全系数这一稳定性评价指标,总结出了六边形进路采矿方法的破坏方式和破坏机理,验证了其可以有效改善洞周围岩应力状况,提高围岩的稳定性。 本项目成果申请发明专利3项（受理审核中）,实用新型三项（已授权）,发表相关论文6篇。