浅议李楼铁矿胶结充填体的选择

李楼铁矿胶结充填体矿柱合理配比,可使矿柱安全回采,并减缓覆岩变形。本文通过理论计算,得出了各配比充填体不同暴露高度下的应力强度;经过分析研究弹性模量与合理配比及充填体性能的关系后,利用ANSYS软件对五组不同配比的充填体材料进行了模拟计算。结果表明,李楼铁矿高阶段充填体矿柱配比至少为1∶8,强度不低于2.15MPa;根据充填体矿柱应力分布规律,胶结充填体强度设计宜采用混合比,其平均配比可以降低到1∶6.4。     

深部破碎矿体二步矿柱安全回采技术研究

针对缓倾斜、破碎金矿床上向水平分层充填采矿法二步矿柱回采面临的顶板破碎,支护难度大等问题,采用锚索控顶技术对矿柱安全回采方案进行设计。通过FLAC~(3D)数值模拟手段研究矿柱在单翼和双翼充填体支撑下采用不同支护参数下回采时的稳定性,结果表明:锚索在矿柱回采时可发挥较好的护顶作用,对于单翼为充填体柱采用2m×2m、双翼为充填体柱采用2m×1.5m的锚索支护参数能保证矿柱回采的安全。     

黄麦岭磷矿胶结充填开采配比试验及数值模拟

黄麦岭磷矿露天转地下所面临着怎样选取合理充填材料、充填料配比以及合理选取矿房、矿柱宽度的问题,为此进行了充填体的配比试验,同时结合得到的充填体物理力学参数,运用FLAC3D软件对矿块进行了数值模拟,验证了实际充填体强度要求,判断了不同矿块参数情况下矿房的稳定性和安全性问题。研究表明：黄麦岭尾矿库尾砂具有良好的充填特性,试验得到的不同配比充填体在28 d养护临期的强度值在0.18～2.48 MPa之间;不同充填体维持自稳性的极限宽度在18～25 m之间;矿柱采用灰砂比为1∶6的全尾砂胶结充填方案,合理宽度为15 m,矿房采用水砂充填,合理宽度为15 m。     

深部高应力动态环境下水平矿柱开采稳定性研究

深部水平矿柱开采的稳定性问题，是地下金属矿山迫切需要解决的共性技术难题之一。采用数值模拟和相似材料模拟方法对此进行了研究，结果表明，在双回路回采初期，水平矿柱中出现了应力集中，之后应力逐步减小，与此同时，水平矿柱下部充填体承载能力迅速提高，充分发挥了充填体支撑围岩与吸收地应力的作用。模拟实验表明，在整个回采过程中，水平矿柱并没有出现应力高度集中或突然降低现象，说明水平矿柱不会出现灾变失稳。     

胶结充填体与矿柱相互作用双轴加载试验研究

矿柱与充填体之间的相互作用是矿柱和充填体优化和安全设计的重要问题。通过双轴加载试验研究了侧向应力和采场充填率等因素对矿柱与充填体相互作用的影响。结果表明：充填体接顶时，充填体能充分发挥自身强度并直接参与顶板支撑，此时矿柱-充填体支承系统可以充分发挥承载力；充填体不接顶时，在一定侧向应力作用下矿柱-充填体支撑力提高主要是两者界面摩擦力的提高，而充填体横向约束效应对于矿柱强度提高效应不明显；较高的充填率意味着在矿柱-充填体界面处产生更大接触面积，在一定侧向应力作用下会在界面产生更大的摩擦力，进而产生更大的系统承载能力。试验结果与新城金矿测试结果的对比证实了该项研究对于新城金矿二步采场的稳定性分析具有一定的指导意义。     

罕王傲牛铁矿三采区间柱回采方案研究

抚顺罕王傲牛铁矿三采区使用分段凿岩阶段矿房法进行矿房回采,嗣后未进行充填,形成大量采空区。为接续矿山生产,亟待回采矿柱,需要将原有的采空区进行胶结充填。利用FLAC3D软件对不同灰砂比胶结充填后的充填体稳定性进行分析,从安全生产和节约成本方面进行综合考虑,推荐灰砂比选用1∶10~1∶20。矿柱回采使用上向水平分层充填法,针对回采间柱时保留的宽度设计4种方案,分析充填体的应力分布、塑性区及位移情况,最终采用中段空区一次性充填完毕,靠近矿房充填体间柱各保留2 m的间柱回采方案。     

水砂—胶结充填隔离矿柱稳定性及宽度研究

某嗣后充填矿山前期水砂充填泌水效果不佳,充填体富水,随着水砂充填区域增大,开采过程中顶板及上盘稳定性变差,为改善开采安全状态,改用胶结充填,水砂充填区与胶结充填区之间的隔离矿柱是保证未来采矿安全的关键。构建了侧壁承压倾斜矿柱理论分析模型,并采用FLAC^3D数值模拟软件对10～15 m宽度水砂—胶结充填隔离矿柱和不同水砂充填体静水压力梯度进行了研究。研究表明:(1)开采扰动会使隔离矿柱内形成应力集中,且未凝固的水砂充填体会进一步增加矿柱内最大主应力;(2)矿柱内部应力重分布及水砂充填体水平压力使得矿柱水平变形增加,逐步产生破坏形成塑性区,10～13 m的隔离矿柱不足以保障充填体含水工况下的采场稳定性;(3)考虑到爆破扰动的影响,在现有富水充填情况下,建议隔离矿柱宽度为15 m;(4)隔离矿柱宽度15 m时,随着静水压力梯度增加,矿柱内部最大主应力和水平变形会有所增长,但塑性区未发生明显增加,15 m宽的隔离矿柱可以保障后续开采安全。     

矿柱—充填体系统协同作用机制研究

为深入分析矿柱和充填体的协同作用机制,针对矿山点柱式充填开采工艺,抽象出矿柱—充填体系统模型,并利用FLAC3D数值模拟软件构建其力学模型,从整体和局部的角度综合分析了矿柱和充填体的协 同作用关系及其承载机制。研究表明：充填体对矿柱存在4种作用效果,即提高矿柱峰值强度、限制矿柱径向位移、延缓矿柱破坏、加强破坏矿柱承载能力,在充填体作用下,矿柱承载特性改善显著,峰值强度提高了 34%;从整体角度上分析,系统在承载过程中,充填体的力学行为表现为总体支护—被动承载—位移约束—共同承载,矿柱成为加载初期主要承载体的本质原因是二者弹性模量的差异;从局部角度上分析,系统中部矿 柱和充填体在承载过程中相互作用、相互协助,二者具有明显的协同承载机制,以维持平面整体承载力,此外,在系统高度h=75 mm位置的充填体及矿柱应力状态明显高于h=50 mm位置。上述分析可为矿山分层充填优 化设计提供依据。     

阶段空场嗣后充填法采场结构参数及充填配比优化

结合金山店铁矿张福山矿区的开采实际,借助FLAC3D三维数值模拟分析软件,对比分析了不同矿房结构参数、不同充填配比的嗣后充填法回采充填过程的采场围岩应力、变形及塑性区分布情况。研究表明:在相同充填配比下,矿柱宽度从15 m增加到18 m,矿柱承受的最大应力值由23.3 MPa减少到23.1 MPa,顶板下沉位移由22.2 mm增加到27.7 mm;充填体的强度由2.4 MPa增加到3.8 MPa,矿柱两侧围岩承受的最大应力值由16.3 MPa降低到15.9MPa,顶板下沉位移由413.4 mm减少到104.3 mm。经综合分析比较,确定合理的矿房、矿柱宽度为15 m,充填配比为1∶8。     

组合胶结充填体力学特性试验与应用研究

为探究组合尾砂胶结充填体力学特性及破坏机制,利用大冶铁矿全尾砂制备灰砂比分别为1∶4,1∶6,1∶8和1∶10的三分层柱状组合胶结充填体试样,借助SANS数显式试验机开展不同配比组合充填体单轴压缩试验。以大冶铁矿为工程背景,借助数值模拟手段优化了充填方案并开展工业试验。研究结果表明:1)组合充填体顶底分层为1∶4时,二分层灰砂比降低,胶结充填体整体强度弱化明显;当二分层配比1∶10时,顶底层灰砂比减小,充填体整体强度逐渐降低,但影响较小。且组合充填体破坏形式主要表现为中部首先发生破坏,顶部和底部伴随拉伸和剪切破坏。2)采空区-171～-159 m灰砂比1∶4,-159～-120 m配比均为1∶8方案最优,同时现场充填体取芯强度较好。将研究成果成功应用于试验采场309矿柱回采,实现了回采率92.14%、贫化率为9.07%的良好技术指标。     

基于尖点突变理论的水平矿柱稳定性研究

龙首矿岩体复杂破碎,为研究其贫矿体大面积开采过程中预留的30m厚水平矿柱能否保证地表及井下采场结构的稳定,基于尖点突变理论对水平矿柱稳定性进行了分析,并利用SURPAC、ANSYS以及FLAC3D等三维数值模拟软件对矿柱稳定性进行了研究。通过GPS地表监测,验证了理论计算与数值模拟结果的可靠度。结果表明:矿柱失稳与否,与岩体强度无关,其中水平应力和矿柱长度越大,越不利于矿柱的稳定,贫矿开采过程中只要做到及时充填采空区,提高充填接顶率,预留30m厚的水平保安矿柱不会发生突变失稳破坏;水平保安矿柱的塑性区分布及其最大主应力变化都在可控的范围内,其中矿柱最大主应力变化较小,由贫矿开采前的24.56MPa增大至27.25MPa,说明贫矿开采并没有对保安矿柱产生过大的应力集中,在预留厚度为30m的情况下,保安矿柱能够保证稳定;采空区充填后,由于充填体的支撑作用,水平保安矿柱能够充分发挥其承载能力,保持地表及井下岩体的稳定,可以保证矿山安全生产。     

大尺寸采场充填体稳定性数值分析

运用数值模拟软件对某大型地下金属矿山回采设计方案进行模拟,从最大主应力、最小主应力、塑性区、垂直位移4个方面,分析了处于最大暴露面积下的充填体稳定性。结果表明:采用50 m高度回采时,充填体可能出现片帮;充填体与顶板相接位置形成了5 m左右的贯通塑性变形层,充填矿柱丧失了支撑能力,该回采方案存在较大安全隐患,需进行调整。     

矿岩接触带充填体早期承载特性试验研究

为研究胶结充填体早期强度时的矿岩接触带力学作用机理,根据不同充填体情况下的矿房矿柱受力特点简化了相应的力学模型,分析矿岩顶板和矿柱的力学作用机理并进行了相关的模拟实验。选用没有强度的橡皮泥作为早期强度的胶结充填体,通过电阻应变仪对接触带内置电阻应变片和表壁粘贴电阻应变片的应变值进行比较,分析在不断加载过程中接触带及各处的应变变化情况,同时进行数值模拟的相关验证工作。结果表明,在荷载作用下接触带处拉压应力发生突变,挤压造成充填体内部向中心区域挤压。     

爆破动载下高阶段充填体稳定性研究

充填体不产生大规模破坏是高阶段矿柱成功回采的关键。为了指导矿柱爆破设计、降低爆破对充填体的破坏效应, 试验研究了充填体动静力学特性, 分析了爆炸应力波在充填体界面的传播规律, 计算了爆破动载下高阶段矿柱不同开采高度充填体动静应力。对爆破动载下充填体稳定性进行了系统研究。     

高阶段采场充填体稳定性的数值分析

胶结充填体的稳定性对金属矿山的高效回采极为关键。为此,运用数值模拟的方法,综合考虑采场实际结构,设置合理的物理力学参数,对紫金山金铜矿深部X1号矿体采场进行模拟、稳定性分析。在矿房、矿柱布置18个位移观测点,记录各测点在一步骤矿房开挖、充填,二步骤矿柱开挖、充填整个过程中的变形特性。根据采场应力分布、塑性区分布、位移变化判断采场的稳定性,分析高阶段范围下充填体的稳定作用过程。     

急倾斜中厚矿体阶段空场嗣后膏体充填及其稳定性模拟

为了实现七角井铁矿急倾斜中厚矿体的安全回采,设计了阶段空场嗣后膏体充填法,并采用FLAC3D对开采和充填前后的采场稳定性进行了数值模拟。结果表明:分段凿岩、阶段出矿及低强度膏体充填适用于稳固型的急倾斜中厚矿体开采,矿石回收率82%,贫化率8%,矿块生产能力900~1 200t/d。膏体充填以全尾砂、干抛尾、水泥、粉煤灰为主要原料,充填体浓度77%~79%,灰砂比1∶30~1∶15。采场在不充填条件下难以维持长期稳定,膏体充填控制了矿柱水平位移,减缓了顶板下沉及应力集中,有效维护了采场安全性。     

基于主成分分析法的嗣后充填采场矿柱及充填体强度研究

空场嗣后充填矿山采场留设矿柱是地下采矿空间的重要结构，其尺寸会影响矿山生产安全、资源回采率以及企业经济效益，针对此类问题，以大牛铁矿为研究背景，基于主成分分析法(Principal components analysis, PCA),根据数值模拟获得的不同矿柱宽度和充填体强度下矿柱最大压应力和剪应力、位移及塑性区占比，构建矿柱稳定性综合评价指标；并以矿柱稳定和经济效益最优为目标，最终确定矿柱宽度和充填体强度。研究表明：(1)融合数值模拟得到的矿柱压剪应力、变形和塑性区的PCA综合评价指标显示，当充填体单轴抗压强度σ=1.5 MPa时，矿柱宽度b=9 m可保证稳定；(2)当矿柱宽度b=10 m时，充填体单轴抗压强度σ可降低至0.5 MPa;(3)当b=10 m、σ=0.5 MPa时，矿柱稳定和矿山效益综合最优。研究方法和成果可供类似工程借鉴。     

基于充填体拱效应的水平矿柱安全厚度研究

充填体下矿体开采时,考虑充填体拱效应,有利于提高矿山资源回采率。利用BELAEM模型计算拱效应下充填体垂直应力,构建弹性梁力学模型并结合极限抗拉强度准则推导出水平矿柱预留安全厚度表达式。以某金属矿山3个不同采空区跨度为例,计算水平矿柱安全厚度。利用FLAC3D建立数值模型对矿体进行开挖模拟,通过对水平矿柱最大主应力及最大位移分析,验证了水平矿柱预留厚度满足安全生产需求。现场工程150 d监测结果表明,监测点附近位移变化最大值低于极限位移,水平矿柱趋于稳定。     

高阶段采场充填体数值稳定性分析

胶结充填体的稳定性对金属矿山的高效回采极为关键。为此,运用数值模拟的方法,综合考虑采场实际结构,设置合理的物理及力学参数,对紫金山金铜矿深部X₁号矿体采场进行模拟、稳定性分析。在矿房、矿柱布置18个位移观测点,记录各测点在一步骤矿房开挖、充填,二步骤矿柱开挖、充填整个过程中的变形特性。根据采场应力分布,塑性区分布,位移变化,判断采场的稳定性、分析高阶段范围下充填体的稳定作用过程。     

某矿山尾砂及废石胶结充填试验

为提高安全环保水平和矿石回采率,某矿山拟采用嗣后充填进行采空区治理和部分矿柱回收。根据矿山的环境特点,分别进行了尾砂胶结充填试验及掘进废石胶结充填试验。通过对理化特性检测和水泥胶结充填料的力学性能试验研究,确定了适合矿山的胶结充填参数。结果表明,在尾砂胶结充填料浆浓度为62%～68%,灰砂比为(1∶4)～(1∶8)时,能满足自流输送要求,28 d单轴抗压强度满足矿山充填体强度要求;矿山废石混合样制成的充填体强度高于单类废石样制成的充填体。矿山采用尾砂及掘进废石胶结充填采空区,回采部分损失的矿柱,进而提高回采率是可行性的。