金属矿山地下采动引起的竖井变形破坏机理研究

In mining engineering, especially, underground mining engineering, vertical shaft is not only influenced by its own excavation, but influenced by underground mine exploiting. And the underground mine exploiting is major influence factor. As the depth increasing of mine resources exploitation, the regional rock mass has displaced and deformed in many metal mines. The regional rock mass displacements and deformations are caused by deep mining. The vertical shafts adjacent mine are influenced by these displacements and deformations, and the scope of influence are beyond calculation. Most of previous researches have regarded to coal mine shaft on deformation and failure applying to practical projects, and have lacked studies about deformation and failure mechanism of vertical shaft in condition of underground mine exploiting in metal mine. This project research planed to effectively combine some methods, such as, field monitoring, theoretical analysis, model experimentation and numerical simulation. The project aimed at research and demonstrate engineering geological condition of vertical shaft deformation and failure in metal mine, and illustrates the effect of rock subsidence caused by underground mining, rock horizontal movement and weak side slip on vertical shaft and surrounding rock failure and instability. Study could give correlativity relationship between displacement of shaft and surrounding rock and physical parameters, mechanics parameters and geometrical parameters. The research will reveal mechanical mechanism of vertical shaft lining layer band strip. By theoretical summary, the recognitions and concepts have more theoretical and practical significance.

竖井，在采矿工程中，尤其是地下采矿，其变形除了受自身开挖影响外，通常是以开采影响作为主要原因的。随着矿山资源开采工程不断向纵深发展，在许多大型地下金属矿山，出现了深部开采引起的区域性岩体移动变形，并对矿区及附近竖井产生了显著影响，而这种影响范围是出乎预料的。以往关于竖井变形破坏的研究，绝大多数是针对煤矿中竖井的变形破坏工程实例，而对于金属矿山地下开采条件下竖井的变形、破坏机理研究较少。本项目拟结合金川镍矿工程实例，将现场监测、理论分析、模型试验、数值模拟等方法有机地联系起来，旨在研究和论证金属矿山竖井变形破坏现象发生的工程地质条件，阐明地下采动导致岩层下沉、水平移动和沿断层等弱面滑移对竖井围岩破坏-失稳的影响规律，给出竖井围岩位移与相关物理、力学、几何参数之间的相关关系，揭示竖井衬砌层双带脱落现象发生的力学机理，通过理论概括与总结，使所得到的认识或概念更有理论意义和实际意义。

以金川二矿区14行风井破坏为典型事例，通过现场调查、模型构建、理论分析以及数值模拟、物理模拟研究，确定了金属矿山地下开采引起竖井围岩变形、破坏现象发生的工程地质条件，阐明了地下采动影响下竖井围岩的变形特征及对井筒的破坏规律，给出了竖井围岩位移与相关物理、力学、几何参数之间的关系，揭示了竖井衬砌层双带脱落现象发生的条件与机理。.对影响14行风井稳定性的诸多因素分析认为，竖井围岩的地质构造特征和地下开采活动是影响竖井稳定性的关键因素，前者为竖井稳定性的内因，后者是促使竖井发生变形、破坏的外因。.利用相似理论和量纲分析的方法，推导了竖井开挖后的围岩位移的理论预计解析式，确定了竖井围岩的位移与其横断面所在深度和半径的线性关系，并将其演化用以求解受采动影响后竖井围岩的位移，为分析竖井变形、破坏机理提供了理论基础。.引入一种软材料小模型物理模拟方法，对不同倾斜角度矿体、不同倾角断层下的模型进行模拟试验。模拟结果显示，在自重应力和开挖作用下，矿体倾斜角度不同，则自重应力场中的竖井受到采动影响的程度不同；处于开挖区上方的隐伏断层，倾角极缓时具有一定屏蔽垂直位移的作用，倾角越接近45°，断层活化作用越强烈，且竖井更有可能产生上部沉降、下部拱起的现象。.综合分析表明：金川二矿区14行风井的破坏主要受地下开采引起的岩体移动的影响，在采动影响下，14行风井的破坏又有其特殊的机理，包括开采陡倾矿体产生的应力等值线分叉和采动引起的断层效应，其中应力等值线分叉现象导致在离井口90～260m处井壁段容易产生较大的拉应力，使得围岩收敛变形位移增大，从而对其衬砌造成压力，最终发生破坏，二是采动引起的断层活化效应会使得F207断层及其以上的3条较小断层发生相对错动，从而造成井壁及其围岩的剪切滑动和破坏。 .项目研究成果对金川镍矿及类似工程地质条件矿山或地下工程的竖井建设与科学研究均具有重要的借鉴意义。