尾砂和跳汰砂的胶结充填试验研究

为提高充填体强度降低充填体成本,通过某矿山的尾砂和跳汰砂与添加粉煤灰后不同配比的对比胶结充填试验,寻找三者最优化充填骨料组合.试验结果表明,经优化配比的尾砂和跳汰砂胶结充填体,具有独特的支护特性和力学特征、良好的可塑性和较高的残余强度,能取得良好的充填效果.     

试论充填体的力学性态和支撑作用

充填体力学性态和支撑作用的研究日益深入,人们对它的认识也在逐渐加深。文章总结了室内实验和国内外一些矿山实测结果,阐述了尾砂胶结充填体和粗颗粒非胶结充填体的力学特性和对围岩的力学作用。实践证明,充填体是一种有效的支护材料,采矿工作者可以根据它的力学特点、矿岩条件、回采方式等客观因素选择廉价的充填料,提高充填矿山的经济效益。     

新型胶凝结构下全尾砂充填体配比决策模型

为改进全尾砂胶结充填体配比决策思路,选用新型胶凝材料制备试块,完成力学试验并进行理论分析。设置6组梯度配比全尾砂胶结充填体试块进行单轴压缩,依据试验力学参数及应力-应变关系曲线,建立全尾砂胶结充填体非线性强度模型。基于充填体配比及充填体压缩比能的关联,依据采场充填体与围岩能量匹配原则,建立全尾砂胶结充填体强度配比决策模型。实例验证表明,模型深度关联岩体参数及埋深,且与现场应用及客观规律相吻合,能便捷实现充填体配比的精细决策。     

全尾砂胶结充填作用机理实验及数值模拟研究

采用钢筒实验,得到了岩柱被不同配比的全尾砂胶结充填料包围受压时的强度特征曲线,根据曲线特征将受压过程分为了三个阶段,充填体配比为1：6时,其单轴抗压强度增大了42.9%,表明充填体与围岩共同作用,可显著提高岩柱的抗压强度。以某铁矿采用充填法开采为例,采用FLAC数值模拟,当空场在充填30%~65%时,空场底板应力及矿柱的竖向应力集中区域均变小,充填体施压于围岩,对围岩起柔性支护的作用。研究结果表明,充填体对围岩的支护类型为被动支护,可有效限制围岩继续变形作用,使采场处于稳定状态。     

废石尾砂胶结充填力学研究进展

废石尾砂胶结充填技术以它可以处理消纳井下矿坑废石,且无污染,进一步实现废石不出坑胶结充填的技术优势,而被地下开采矿山广泛的接受和应用.本文对充填技术的发展进行了总结,并着重阐述了胶结充填体的力学作用原理、胶结充填材料研究及充填体强度影响因素研究,探讨了比较经典的充填强度理论和国外的废石尾砂胶结充填试验探索.     

基于细观尺度的胶结充填体破坏模拟试验研究

为分析充填体材料细观裂纹的萌生、扩展以及相互贯通的破坏机制,从尾砂胶结充填体微细观结构出发,采用Weibull统计函数对充填体材料的非均质特性进行描述,结合充填体室内力学试验结果,建立基于有限元理论的RFPA2D数值力学模型,分析胶结充填体的细观破坏演化模式和声发射特性。研究结果表明:尾砂胶结充填体是一种多相复合材料,具有强度低、非均质性高等特点;试件的破坏首先发生于力学性质较为薄弱的部位,并以此经过微-细-宏观跨尺度发展,最终导致充填体破坏;充填体破裂过程的声发射演化规律反映了裂纹发展的动态特征。     

絮凝剂对超细尾砂胶结充填体性能的影响

为研究絮凝剂对超细尾砂充填材料性能的影响,从而提高超细尾砂的利用率。对不同絮凝剂掺量 （0,45 g/t,75 g/t 及 105 g/t）下的充填料浆的流动性和充填体的力学特性进行了测试,并利用压汞实验与扫描电镜测 试探究了充填体微观演化。结果表明：超细尾砂胶结充填料浆流动性能相较于普通尾砂胶结充填料浆对固体浓度 更不敏感且强度远低于普通充填体;絮凝剂对超细尾砂胶结充填材料流动性和强度有消极影响,但存在一个饱和 浓度（75 g/t 左右）;絮凝剂的掺入会延长浆体内部渗透网络达到稳态的时间;掺絮凝剂的超细尾砂胶结充填体强度 与超声波波速呈线性关系,因此可以利用超声波波速进行超细尾砂胶结充填体的强度预测。此外,絮凝剂会弱化 充填体的孔结构,主要表现在掺入絮凝剂后,小于 1 μm 的孔隙体积明显增加。研究结果将有助于设计出更经济有 效及更耐用的超细尾砂胶结充填体。     

单侧揭露后侧受压胶结充填体稳定性分析

为了研究阶段空场嗣后充填采矿法中单侧揭露后侧受压状态下胶结充填体的稳定性,根据胶结充填体、围岩和非胶结充填体三者之间力学作用关系,建立了更加符合现场实际的胶结充填体在单侧揭露后侧受压状态下三维力学模型,并同经典解析法计算结果进行比较。研究结果表明:在设计单侧揭露后侧受压胶结充填体强度时,采用自立性人工矿柱模型是不足的,应当考虑后侧非胶结体受压作用、自身尺寸、充填体与围岩之间有效摩擦力和顶部外荷载等因素。     

基于损伤力学模型胶结尾砂充填体强度特性研究

以地下矿山尾砂充填料为研究对象,利用充填体试块损伤力学模型和岩石力学试验机对胶结尾砂充填体在不同质量浓度、灰砂比和养护时间下的强度特性进行试验研究。引入充填体损伤力学模型和损伤因子来描述胶结尾砂充填体的强度特性和破坏过程。研究结果表明:充填体的单轴抗压强度随着质量浓度、灰砂比和养护时间的增加而增大,并且灰砂比和养护时间对充填体强度影响较大;结合试验结果,利用充填体损伤力学模型可以准确地描述充填体加载过程中的应力-应变曲线;结合应力-应变曲线得出的损伤因子值随应变增加而增大,且质量浓度和灰砂比越大、养护时间越长,损伤因子值越小,充填体越不容易破坏。     

高盐卤矿山提高尾砂胶结充填体强度的研究

从分子结构层次研究了盐卤成分对尾砂胶结充填体的破坏机理及粉煤灰、硅灰提高高盐卤矿山尾砂胶结充填体强度的作用机理.通过正交试验,证明了掺用适量粉煤灰、硅灰,既可节约水泥、降低胶结充填成本,又能提高高盐卤矿山尾砂胶结充填体的力学性能和耐腐蚀性,对降减和消除高盐卤矿山尾砂胶结充填体的腐蚀、膨胀、崩解及后期强度下降具有理论意义和实用价值.     

“煤体-支柱(架)-胶结体”联合作用下顶板超静定梁模型

针对胶结充填开采中工作面煤壁、控顶区与胶结体形成区间上方的顶板受力问题,考虑胶结体强度前期快速增长、中期缓慢增长和后期稳定的形成特性,以及胶结体对顶板的支撑作用随距离工作面的长度增长而增大的特性,建立“煤体-支柱（架）-胶结体”联合作用下顶板超静定梁模型。基于结构力学解析方法,得到该模型及其2种特殊情况下的岩梁两端支座反力、两端弯矩和整个岩梁剪力、弯矩分布的表达式;确定最大剪力位于煤壁处;加快充填体强度形成的速度,能减小岩梁两端及支座所受应力。模型算例表明：① 支柱和胶结体的介入,较大地改变了顶板应力分布,岩梁剪力和弯矩分布均具有非对称性;② 煤壁处支座剪力和弯矩均大幅高于采空区侧支座的剪力和弯矩;③ 与垮落法开采相似,充填开采岩梁最大剪力和最大弯矩所在位置仍然在煤壁处,但量值均大幅减小,岩梁应力波动幅度小;④ 胶结充填开采有利于减少煤壁片帮,有利于工作面超前支护和顶板管理。     

某地下矿山充填采矿过程的ABAQUS数值模拟分析

运用大型三维有限元软件ABAQUS，基于现场地质调查和室内试验得到的数据， 根据矿体开采条件，建立开采模型，对矿体开采和充填过程进行了数值分析，得到了每一施工步的应力场和位移场分布规律。对于每一施工步而言，围岩中应力场由于开挖效应先增大，后因充填作用又减小。结果表明，使用上向水平胶结充填法时，采用胶结充填和尾砂充填可以有效控制采场围岩的稳定性。充填体可以有效地抑制围岩应力释放和变形，减缓岩层储备能量的释放速率，避免出现冲击地压等动压现象。同时对采场的稳定性和安全性做出了综合评判，得出一些非常有益的结论。     

充填体变形特性分析及材料配比优选

当地下矿山采用胶结充填开采方法时,充填体的强度是影响其在地下矿产开采过程中是否稳定的直接因素,并且关系到采场围岩的稳定性和充填成本,而合理的充填材料配比是关键。本文在室内充填试验的基础上,利用数值模拟手段对四种灰砂比的充填体进行充填开采仿真模拟,分析了胶结充填体的变形特性,结果表明充填体的失稳主要从与下盘围岩接触的底部开始发生破坏,然后沿充填体与下盘的接触面向上、以及在与底板接触面处沿充填体倾向方向这两个方向逐渐发生变形破坏;对采场中的位移、应力和塑性区等围岩力学响应特征进行了对比分析,结果表明,当灰砂比为1∶8时,充填体能够维护采场稳定并且充填材料成本较低。研究结果对矿山充填工程具有一定的指导意义。     

高水材料硬化体特性及其充填体力学作用机理分析

详细分析了高水材料硬化体多方面的特性，并从高水材料对其尾砂固结充填体力学性质的影响、高水固结充填体对采空区周围岩体的作用、高水因结充填与围岩共同作用等方面探讨了高水固结充填体的力学作用机理。研究结果表明，由于高水材料固结充填体具有速凝早强、高结晶水、强度再生、耐水等特性，使其充填作用效果明显优于普通胶结材料充填体，且更适用于深部高应力环境及复杂应力条件下的充填。     

胶结充填体与围岩复合体的力学特性

为保证充填采场安全和矿石的连续高效开采,需要研究不同强度时期充填体与围岩相互作用规律及其对充填采场稳定性的影响。本文首先选用工业石蜡作为接触带材料模拟早期强度充填体,并考虑接触带区域应力环境的复杂性,模拟围岩与早强充填体接触区域的非均匀受力情况。为有效表征接触带区域破坏稳定情况,实现从定性分析到定量评价转变,在围岩和早强充填体的接触面放置PVC塑料薄片,结合显微成像、电镜扫描、声发射监测和应变值监测等手段,开展不同荷载作用下围岩与早强充填体相互作用室内试验研究,监测分析胶结充填体与围岩复合体的应变变化、裂纹扩展和变形演化及稳定破坏情况。试验结果表明：加载过程中,接触带区域的变形增长较快,应变值起伏变化较大,突变现象明显;加载之后,模拟接触带的石蜡存在三种不同情况的损伤特征,一是螺旋式损伤破坏,二是类平行式损伤破坏,三是交叉损伤破坏,而接触带附近的表壁监测点应变值呈现稳定递增趋势。研究结果揭示了充填体与围岩复合体在荷载作用下的力学特性,有利于指导早强充填体下采场的稳定性,也实现了表壁裂纹扩展和内部损伤破坏之间的同步表征。这为进一步研究充填体与围岩复合体在二维和三维荷载作用下的力学特性研究提供了研究思路。     

废石尾砂胶结充填材料流动与强度性能的研究

为了解决极细全尾砂作为充填骨料制备充填料浆脱水困难、充填体强度偏低的问题,通过开展废石尾砂胶结充填试验,改善充填骨料粒级组成,研究废石掺量对充填料浆流动性能及充填体强度的影响规律。结果表明:相比较全尾砂胶结充填,掺入废石可以显著改善充填料浆的流动性能,提高充填料浆的输送浓度;在相同灰砂比和浓度情况下,废石尾砂胶结充填体强度高于全尾砂胶结充填体。因此,废石尾砂胶结充填体可以降低灰砂比,减少水泥用量,消纳地表废石。在云南金厂河矿山开展工业试验,确定了充填参数为浓度80%、灰砂比1∶8、废石掺量60%,原位取芯平均抗压强度为3.36MPa,满足采场充填体强度设计要求。     

多次冲击下掺膨润土胶结充填体力学特性试验研究

采用SHPB杆对4组12个胶结充填体试样进行多次冲击试验,分析了同一冲击速度下掺膨润土胶结充填体多次冲击的应力应变曲线、动载强度、吸收能及变形破坏特征。结果表明,多次冲击后,未掺入膨润土充填体应力应变曲线出现显著下跌,掺入膨润土后充填体应力应变曲线逐级下降;膨润土掺量5%和10%的胶结充填体多次冲击比首次冲击先达到峰值应变,且出现动态强度软化;膨润土掺量15%时充填体首次冲击峰值应变出现在0.002附近,多次冲击峰值应变约0.003;充填体抗冲击次数随膨润土掺量增加呈先降后增趋势,动态抗压强度增强因子、动态抗压强度、吸收能、单位体积应变能与冲击次数呈负相关,其中掺膨润土充填体动态抗压强度增强因子均大于未掺膨润土充填体;试样最终破坏类型表现为轴向张拉破坏,掺入膨润土提高了充填体破碎整体性。     

丰山矿区充填开采过程的数值模拟研究

为了比较不同充填采矿方法对采场稳定性的影响,基于现场地质调查和室内试验得到的数据,采用有限单元法对-260 m～-380 m范围内矿体开采和充填过程进行了数值分析,得到了每一施工步的应力场和屈服区分布规律.结果表明,联合采用胶结充填和尾砂充填可以有效控制采场围岩的稳定性.对于每一施工步而言,围岩中应力场和屈服区由于开挖效应先增大,后因充填作用又减小,该变化规律随施工步向前推进也同步前移.从整体上看,采场围岩应力和屈服区随施工步推进具有明显的趋势.充填体特别是胶结充填体有效地抑制了围岩应力释放和变形,减缓了岩层储备能量的释放速率,避免了出现冲击地压等动压现象.方案比选表明垂直矿体倾向开采方案最优.     

下向分层胶结充填开采中的协同性

胶结充填法已得到广泛应用，并在该领域诸多方面取得了理论和技术应用成果，这些研究成果主要是针对特定的研究对象，缺乏作为采矿方法整体性的论证和内在关系的研究，为此，基于“协同开采”理念，对下向分层胶结充填开采中的协同性进行了归纳分析。首先，分析了分层开采中的充填体顶板支护系统的协同性，论证了竖直钢筋、托盘、钢丝网及充填体之间作为顶板支护体系的协同性，重点阐述了作为顶板支撑作用的内在整体协同性，并介绍了该支护系统的工程应用效果。其次，将块体理论应用于进路侧帮稳定性分析，讨论了分层进路方向、分层进路回采顺序及上下分层回采进路之间的协同性，分析了和谐处理开采中不稳定性因素的过程及采矿要素间的协作性，进而论述了实际采矿工艺的良好协同性及整体效应。最后，针对矿体上盘围岩破碎不稳定的特定条件，提出了超前护帮充填方案，并通过数值模拟揭示了超前护帮充填提高采场顶板稳定性的机理；在此基础上进一步分析认为，超前护帮充填就是在本分层开采过程中，同时考虑了为下个分层的安全开采提高保障，其实质就是开采过程中避免后续灾害发生的一种“协同开采”理念。研究结果可为建立充填法开采的协同理论和技术体系提供一定的借鉴。     

地下金矿非爆破机械化连续协同开采技术

实现地下硬岩矿山非爆破机械化连续开采一直是业内追求的目标，随着材料与机械学科的深入发展以及卸荷岩石力学理论及岩石诱导破裂机制的不断完善，虽然少数地下硬岩矿山开始践行非爆破机械化连 续开采，并取得了很多有益的经验，但成功的案例仍然较少，并且非爆破机械化开采的应用条件尚不明确。结合金塘3#脉和杨山庄202#脉的赋存产状，提出了一种地下金矿非爆破机械化连续协同开采技术，即采用 EBZ160.Z型巷道掘进机开采金矿。根据矿体的厚度、掘进机截割宽度和充填方式的不同，分别提出了薄矿脉水平分层废石胶结充填法、薄矿脉水平分层尾砂胶结充填法、厚矿脉水平分层废石胶结充填法和厚矿脉水平 分层尾砂胶结充填法4种变体非爆破机械化连续协同开采方法。非爆破机械化连续协同开采技术所涵盖的“玻璃钢锚杆+高强纤维网+木支柱”支护、铲运机或装载机出矿及废石/尾砂胶结充填等工艺均取得了较好的实 践效果，具有开采成本低、劳动强度小、机械化程度高、作业连续及效率高等优势，大幅度提高了地下矿山的本质安全。