白象山铁矿富水巷道围岩稳定性及其支护体系数值模拟研究

论文摘要

复杂富水铁矿在开发过程中,时常伴随着突水灾害的发生。本论文依托国家“十一五”科技支撑项目“复杂富水矿床开采关键技术开发与研究”（编号:2006BAB02A01）,在对典型复杂富水铁矿区—白象山铁矿的复杂水文地质条件深入分析的基础之上,探讨了影响矿床突水的主要因素,运用FLAC3D流固耦合数值模拟软件建立了渗流条件下不同断层倾角穿脉围岩系统三维数值模型,探索和研究在不同侧压力系数、不同断层倾角条件下防水岩柱的留设宽度及对巷道围岩稳定性和突水风险性的影响作用规律。并将理论研究有针对性地应用于突水防治的实践,得到了一些有益的结论和成果,为该类富水矿床的地下水灾害防治工作提供了理论和实践上的指导作用。主要研究内容及其成果如下:⑴在对白象山铁矿床水文地质条件综合分析的基础之上,剖析在基建及开采阶段影响矿床突水的主要因素。并探讨矿压、断裂、节理、裂隙,隔水层及含水层等多种因素对矿床突水的影响作用规律,并在此基础之上及时总结防治水经验,找出影响矿床突水的关键因素。⑵基于三维快速拉格朗日有限差分法多孔介质流固耦合理论,抽取白象山铁矿-390-1号穿脉与导水断层交汇处水文地质条件,建立穿脉巷道遇导水断层围岩系统数值模型,并在此基础之上拓展建立穿脉巷道与不同倾角断层交汇数值模型,研究在不同侧压力系数、不同断层倾角条件下防水岩柱的留设宽度,并探讨和研究在巷道开挖扰动下围岩系统的应力及应变场变化规律以及对巷道围岩稳定性和突水风险性的影响作用规律。⑶在穿脉围岩系统三维数值模型的基础之上,仍采用FLAC3D数值模拟分析,更进一步探讨在铁矿含矿层完全疏干条件下巷道开挖揭露断层时围岩在不同侧压力系数条件下的变形破坏规律,以及不同支护方式的加固机理,定量化的模拟在矿压一定的条件下不同支护方式的加固效果及破坏可能;定量分析和优化支护方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题依据与研究意义
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 突水机理、预测理论国内外研究现状
• 1.2.2 防水岩（矿）柱留设的研究
• 1.2.3 其他新理论方法的应用
• 1.2.4 地下洞室支护结构计算理论研究
• 1.2.5 白象山铁矿的研究现状
• 1.3 论文研究的主要内容
• 第2章 白象山铁矿概况与主要水文地质条件
• 2.1 矿区概况
• 2.2 矿区地质及构造概况
• 2.2.1 矿区地质概况
• 2.2.2 矿区构造概况
• 2.3 矿区地下水分布规律
• 2.3.1 矿区内各含水层与隔水层的分布规律及主要特征
• 2.3.2 矿区内的主要含水带
• 2.4 矿区内地下水边界条件及变化规律
• 2.4.1 地表水及地下水变化动态规律
• 2.4.2 矿区内地下水水力联系
• 2.4.3 矿区水文地质边界条件
• 2.4.4 地下水的补给、径流、排泄
• 2.5 本章小结
• 第3章 白象山铁矿床突水因素分析及突涌水量预测
• 3.1 白象山铁矿床突水条件分析
• 3.1.1 白象山铁矿床矿压影响突水条件分析
• 3.1.2 白象山铁矿床断裂影响突水条件分析
• 3.1.3 白象山铁矿床节理、裂隙影响突水条件分析
• 3.1.4 白象山铁矿床隔水层影响突水条件分析
• 3.1.5 白象山铁矿床含水层影响突水条件分析
• 3.1.6 封堵不良钻孔的分布及影响突水条件分析
• 3.2 白象山铁矿涌水量预测
• 3.2.1 抽水试验水文地质参数的计算
• 3.2.2 地下水动力学法预测矿坑系统涌水量
• 3.4 本章小结
• 第4章 巷道遇断层防水岩柱留设研究
• 4.1 巷道遇断层防水岩柱留设计算分析
• 4.1.1 巷道防水岩柱留设因素分析
• 4.1.2 巷道防水岩柱留设宽度计算
• 4.2 FLAC3D流固耦合基本理论及计算分析特点
• 4.2.1 FLAC3D流固耦合基本理论
• 4.2.2 FLAC3D计算分析特点
• 4.3 巷道遇断层防水岩柱留设数值模拟研究
• 4.3.1 构建地质模型的意义
• 4.3.2 地质模型的建立
• 4.3.3 地质模型的概化
• 4.3.4 渗流岩体模拟的假设条件及边界条件
• 4.3.5 力学边界条件
• 4.3.6 渗流边界条件
• 4.4 材料参数选择
• 4.4.1 含矿层中等富水带Fe-I岩体物理力学参数选择
• 4.4.2 断层物理力学参数选择
• 4.4.3 断层物理力学参数选择
• 4.5 断层影响条件下巷道围岩应变及应力场分析
• 4.5.1 侧压力系数为1.2 时巷道围岩应变及应力场分析
• 4.5.2 侧压力系数为1.0 时巷道围岩应变及应力场分析
• 4.5.3 侧压力系数为0.5 时巷道围岩应变及应力场分析
• 4.6 侧压力系数为1.2 时防水岩柱留设分析
• 4.7 侧压力系数为1.0 时防水岩柱留设分析
• 4.8 侧压力系数为0.5 时防水岩柱留设分析
• 4.9 本章小结
• 第5章 巷道遇断层支护结构数值模拟研究
• 5.1 巷道遇断层支护的原则
• 5.2 喷射混凝土加固机理与技术
• 5.2.1 喷射混凝土加固机理与技术
• 5.2.2 锚杆作用机理
• 5.2.3 钢筋网作用机理
• 5.2.4 混凝土和钢筋混凝土衬砌支护作用
• 5.2.5 支护结构模型的建立
• 5.3 开挖无支护时应力场分析
• 5.3.1 开挖揭露断层时最大主应力分析
• 5.3.2 开挖揭露断层时最小主应力分析
• 5.4 开挖无支护时变形场分析
• 5.4.1 开挖揭露断层时位移场分析
• 5.4.2 开挖揭露断层时塑性区分析
• 5.5 喷射混凝土支护结构设计
• 5.5.1 喷射混凝土支护结构设计参数
• 5.5.2 喷射混凝土支护加固机理及加固效果分析
• 5.6 喷射混凝土+锚杆支护结构设计
• 5.6.1 喷射混凝土+锚杆支护结构设计参数
• 5.6.2 喷射混凝土+锚杆支护加固机理及加固效果分析
• 5.7 喷射混凝土+锚杆+二次砌衬支护结构设计
• 5.7.1 喷射混凝土+锚杆+二次砌衬支护结构设计参数
• 5.7.2 喷射混凝土+锚杆支护+二次砌衬加固机理及效果分析
• 5.8 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 不足与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参加的课题项目
• 致谢