上向进路充填采矿法充填体强度设计

矿山常采用经验类比的方法确定上向进路充填采矿法充填体所需强度,该方法主观随意性较大,忽略因素较多。为了更科学合理地确定上向进路充填采矿法充填体所需强度,文章以充填体所起到的力学作用及爆破应力波的影响为分析依据确定小官庄铁矿充填体所需强度。考虑到上向进路充填采矿法中充填体应该起到自立性人工支柱和支撑顶板岩层松动压力的力学作用,同时考虑到爆破应力波的影响,通过自立强度模型方法、扩大压力拱理论和ANSYS/LS-DYNA显式动力分析软件模拟分别得到相对应的强度,综合确定出该矿的充填体所需强度。文章确定上向进路充填采矿法充填体所需强度的过程和方法,为相似矿山充填体强度确定提供了较为科学合理的参考。     

钽铌矿尾砂胶结充填体力学特性及损伤规律研究

为了研究钽铌矿尾砂胶结充填体物理力学特性与损伤演化规律,在RMT-150C岩石力学试验系统上分别对3组不同质量分数(68%,72%,76%)的钽铌矿尾砂胶结充填体试件进行了单轴压缩和劈裂破坏力学试验;获取充填体试件各种力学参数,得到了充填体试件应力-应变关系曲线,详细分析了充填体试件整个试验过程的破坏机理,推导并构建了3组不同质量分数的充填体试件损伤本构方程和损伤演化方程。试验结果表明:充填体试件质量分数越大,拉压强度和弹性模量越大,而泊松比却越小;不同质量分数的充填体试件在峰值应力时,其损伤程度不同,质量分数越大,损伤越大;在峰值应力前,充填体试件损伤扩展较为缓慢;峰值应力后,质量分数越小,损伤扩展越快。基于应变等价原理建立的尾砂胶结充填体单轴压缩状态下的损伤本构方程与损伤演化方程能够较好地描述充填体试件的损伤演化规律和破坏过程,且由本构模型建立的理论曲线与通过试验拟合得到的曲线吻合度较好。研究结果对钽铌矿尾砂充填采空区确保矿山安全生产具有一定的工程指导意义。     

基于Weibull分布的充填体单轴压缩损伤模型研究

在矿山实际应力环境中,充填体多处于峰后变形阶段,研究充填体峰后强度特性对矿山安全生产十分重要。通过对灰砂比为1∶6、1∶8和1∶10的充填体试件进行单轴抗压试验,对比分析了不同灰砂比的胶结充填体变形破坏特征,灰砂比大的充填体具有更高的峰值强度和残余强度。基于统计损伤理论,确定了充填体损伤变量D并进行了修正,建立了可以表征充填体变形破坏全过程的损伤本构模型;由单轴抗压试验曲线几何特点,推导出该模型参数F0,m的数学表达式,α越小,充填体的峰后残余强度越高,F0和m越大,充填体峰值强度越大。对不同灰砂比的损伤演化规律进行了分析,各灰砂比的充填体损伤呈S型增长方式,灰砂比小的充填体能够承受更大的变形,更好的发挥其承载能力。结果表明该模型可以很好充填体破裂过程中的全应力-应变曲线和峰后残余强度的特性,为充填体强度设计提供参考。     

不同应力速率下充填体强度特性和破裂机理研究

充填体是维护采场安全稳定的关键因素,是由多种物质混合而成的非均质材料,力学特性复杂,加载条件改变会对其力学特性和损伤破裂机理有显著影响。通过进行不同应力速率下的充填体单轴抗压强度试验,并结合非接触式全场应变测量系统对试样破裂演化过程进行监测。结果表明:随着应力速率的增加,充填体的峰值强度不断增大,低浓度、低灰砂比试样的强度增幅更加明显;低应力速率下试样表面出现大量宏观裂纹,发生拉伸破坏,高应力速率下试块发生单斜面剪切破坏;低应力速率下试样内部的微裂隙和孔隙充分发育形成贯通面,进而弱化了充填体的强度,高应力速率下,试样内部微裂隙和孔隙的发育被限制,试样的整体承载结构对强度的影响占主要地位;应力加载下,试样在达到峰值强度瞬间发生破坏,积蓄的能量集中瞬间释放,破裂现象剧烈。     

罗河铁矿高阶段采场充填体应力解析与强度设计

为了获得罗河铁矿高阶段采场充填体最优强度,通过分析高阶段采场充填体的受力特征,应用理论力学构建高阶段采场充填体应力解析模型,分析了充填体应力与采场长度、采场宽度的关系,最后结合应力解析模型计算获得充填体最优强度。结果表明,充填体暴露高度越高,充填体内垂直应力越大;充填体强度越低,充填体高度对其垂直应力的影响越敏感。罗河铁矿阶段采场高度为80 m＜H≤85 m时,充填体强度不低于2.5 MPa,当采场高度60 m＜H≤80 m时,充填体强度不低于2.3 MPa;分段采场高度30 m相似文献   

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。     

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。     

循环冲击下胶结充填体动载力学特性试验研究

矿山开采过程中,充填体将频繁受到开挖和爆破等动载的循环扰动,使充填体损伤与破坏具有显著的累积特性。因此,研究充填体循环冲击下的动载力学行为及特征对维持矿山结构及采场稳定具有重要的指导意义。论文采用SHPB对6组30个胶结充填体试件进行了单轴单次冲击及多次循环冲击试验,探索了充填体在不致使发生较大宏观破坏的冲击速度下多次循环冲击的应力应变、动载强度及变形破坏特征。研究发现:多次循环冲击下,充填体试件的应力应变曲线在到达动态峰值应力前后分别出现了1～2个低应力波峰,且相较于单次冲击下低应力波峰更为明显;多次循环冲击更有利于充填体内部微裂隙及孔隙在到达峰值应力前进行充分的压实及闭合,并可提高充填体最终破坏时的动载强度及承载能力,试件发生破坏时的最终动载强度及承载能力为单次冲击条件下的2倍左右;多次循环冲击下充填体的最终破坏形式为压裂破坏,其破碎程度较相近动载强度下单次冲击时低。     

阶段空场嗣后充填体三维拱应力及强度需求模型

在地下厚大金属矿体的两步骤阶段空场嗣后充填采矿法中,合理平衡一步骤矿房采场胶结充填体的揭露稳定性及其强度需求对安全经济充填采矿影响重大。为获取该采矿法中胶结充填体强度需求的三维解析模型与方法,解决类似矿山确定充填体强度需求主要采用经验类比、缺乏科学合理计算方法的问题,本文借鉴土力学应力拱理论,分析了两步骤采充时序过程中的相邻采场充填体空间接触关系,分别研究了二步骤采场非胶结充填体、一步骤采场胶结充填体(揭露后)的应力分布模式,基于Marston拱应力二维模型,拓展建立了各采场充填体的三维拱应力解析模型,得出了非胶结充填体-胶结充填体-采场围岩之间的应力传递规律及接触力学边界解析方法,并通过FLAC3D模拟的拱应力分布结果进行了三维拱应力解析模型的对比验证。进一步将提出的拱应力解析方法应用至Mitchell强度需求解析模型中,考虑了三维成拱作用下非胶结充填体对胶结充填体的侧向推力作用、采场上下盘围岩对胶结充填体的接触摩擦作用,以底部滑动面方向角、滑动体与围岩接触面摩擦力方向角的不同取值情况,定量表征了揭露后胶结充填体的潜在破坏模式,并据此提出了4种胶结充填体安全系数和强度需求的三维解析模型与方法。再利用FLAC3D开展了不同采场尺寸(长度、宽度、高度)、不同充填体参数(容重、内摩擦角)等条件下的充填体强度需求数值解搜索计算,与4种解析方法计算的强度需求结果进行了对比验证,得出了当胶结充填体底部滑动面方向角α=45°+φ_c/2且滑动体与围岩接触面摩擦力方向角β=45°-φ_c/2时,胶结充填体强度需求的三维解析解和三维数值解吻合度最佳,最终获取了最优的一步骤采场胶结充填体强度需求三维解析模型与方法。     

尾砂胶结充填体蠕变试验及统计损伤模型研究

为研究充填体蠕变力学特征,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机进行分级加载条件下的单轴压缩蠕变试验。试验结果表明：荷载越高充填体变形越快,充填体内部缺陷及弱面的压密与扩展在宏观上表现为充填体蠕变变形。假定充填体微元破坏概率与轴向应变存在关系,服从Weibull统计分布,结合充填体单轴抗压试验,确定了可以描述充填体损伤演化过程的损伤变量。将损伤变量引入Burgers模型中,建立了充填体蠕变统计损伤本构模型,采用MATLAB软件对充填体分级加载蠕变试验数据进行拟合,确定模型参数,结果表明：所建立的模型曲线与试验曲线较为吻合,应力水平越高,拟合结果精度越高,此模型可用于描述充填体蠕变力学行为。     

充填体与岩体强度合理匹配下的采场结构参数优化

选取合理的充填配比和采场结构参数是采用阶段空场嗣后充填采矿法矿山实现安全回采和提高生产效率的有效措施。根据岩体开挖释放能量与充填体峰值变形能相近的原则,确定了符合中关铁矿的最佳充填配比为1∶6。在此充填配比下,针对中关铁矿的开采技术条件,对影响采场稳定性的矿房长度、矿房跨度和顶板厚度这3个因素进行了3因素3水平的正交试验设计,得到9种试验方案。运用FLAC3D对9种不同方案的采场结构参数进行模拟计算,分析对比了各方案矿房回采充填后采场顶板和充填体矿柱的应力及位移分布情况,研究了各因素对采场稳定性的影响顺序,进而对采场结构参数进行了优选。计算结果表明：矿房长度和矿房跨度是影响采场稳定性的重要因素,最优的结构参数为矿房长度50 m、矿房跨度18 m、顶板厚度8 m,该结构参数下能够保证采场的稳定性且能有效提高矿山生产能力。     

高阶段嗣后分层胶结充填体强度及结构优化研究

为解决高阶段嗣后分层胶结充填体强度设计保守导致充填成本过高的问题,以大冶铁矿矿岩—充填体力学参数为基础,通过3种力学理论模型进行了分层胶结充填体强度需求解析计算。开展了以充填次数与分层结构为影响因素的充填体强度影响规律研究,得到了胶结充填体强度与充填次数之间的数学模型及折减系数。采用FLAC3D软件进行了二步骤采充时序的数值模拟搜索计算,得到了中间层充填体的黏聚力及强度需求的最小数值解,并在此基础上对高阶段嗣后分层胶结充填体的灰砂比及分层结构进行了优化。研究成果有助于大幅减少矿山胶结剂用量,降低充填成本,可为类似矿山进行充填体结构及强度优化设计提供参考。     

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。     

吴庄铁矿二步回采深孔爆破参数优化研究

基于嗣后充填采矿法二步回采时,深孔爆破对充填体的损伤问题,以吴庄铁矿实际矿岩力学和爆破参数为基础,建立了基于LS-DYNA的不同孔底抵抗线的扇形深孔爆破模型,并进行了数值模拟,得出以下结论:随着孔底抵抗线的增大,振动速度和有效应力逐渐减小,爆破对充填体的损伤逐渐减小。结合数值模拟得出的结论,采用孔底抵抗线0.5 m的扇形孔爆破参数进行现场爆破试验,利用VS150三维激光扫描探测系统对矿山现场试验进行测量,并对扫描数据进行处理和分析,得出充填体表面较为平整,没有发生垮塌的情况,从而得出优化的扇形孔爆破参数,以指导今后井下爆破施工。     

唐钢石人沟铁矿岩体力学参数确定方法探讨

通过对唐钢石人沟铁矿地质条件的研究，以及在岩块力学试验的基础上，对唐钢石人沟铁矿岩体按RMR法进行分类，然后用霍克-布朗公式对岩体力学参数进行了估算。估算结果和现场的原位试验结果基本一致，从而证明了该方法是一种经济、合理的方法。     

充填体包裹下矿岩点柱强度力学性能研究

为探究充填体与其包裹下矿岩点柱的相互作用,揭示不同充填体作用下点柱强度力学性能及影响因素,考虑岩体的应变软化特征,采用FLAC~(3D)软件进行了充填体包裹作用下点柱的单轴压缩模拟实验。研究了不同充填体力学参数和充填率(即充填体宏观结构)条件下点柱峰值强度和残余强度的演化特征。研究结果表明:充填体力学参数和充填率对点柱峰值强度无显著强化影响;充填体弹性模量和充填率对点柱残余强度有显著强化效应;点柱残余强度随充填体内聚力增加而呈现出先增加后保持相对稳定状态;充填体泊松比和内摩擦角对点柱峰值强度和残余强度均无显著影响。研究结果可为空区残留点柱回采采场结构参数与充填体强度设计提供参考依据。     

石人沟铁矿全尾砂充填胶凝材料配比优化试验

河北钢铁集团石人沟铁矿三期工程采用全尾砂胶结充填采矿法开采,以水泥为胶凝材料时充填成本高。为考察采用固体废弃物开发低成本和高性能的新型充填材料的可行性,以水淬渣为胶凝材料,进行了不同原料配比对充填体强度的影响试验。结果表明：石灰掺量对充填体强度的影响大于石膏掺量;料浆浓度为68%、胶砂比为1∶5条件下,石灰掺量为3%、石膏掺量为16.0%时,得到的充填体强度最高,7 d强度为2.42 MPa,28 d强度为5.87 MPa,可以满足石人沟铁矿充填采矿对充填体强度的要求。试验结果可以为石人沟铁矿实现低成本全尾砂胶结充填开采提供技术依据。     

粉煤灰对三山岛金矿充填体强度影响的试验研究

为了研究和提高三山岛金矿分级尾砂胶结充填体的抗压强度,在充填体中加入粉煤灰及粉煤灰活化剂(CaO)以提高充填体的早期强度。设计了不同粉煤灰掺量替代胶结剂的充填体强度试验和最优粉煤灰掺量条件下不同CaO掺量的充填体强度试验,研究了粉煤灰掺量和CaO掺量与充填体强度之间的关系,并对出现这种关系的原因进行了理论分析。试验结果表明,当粉煤灰掺量为5%时,充填体试样的强度最大,充填用水中的Na+、Ca2+、Cl-离子对提高充填体的早期强度起了关键作用。当CaO掺量为最优粉煤灰掺量的20%时,各养护龄期的充填体强度最大。最终确定三山岛金矿分级尾砂胶结充填体粉煤灰掺量为5%,粉煤灰活化剂(CaO)的掺量为20%。     

膨胀充填体在控制地表沉降量中的作用

为提高充填采矿法对地表沉降量的控制效果,首先采用理论分析的方法,得出提高充填体接顶率是控制地表沉降量的关键因素;然后针对目前充填体接顶率偏低的现状,提出以过烧氧化钙代替传统胶凝材料与尾砂混合进行膨胀充填的改进方法,并设计实验得到了膨胀充填体的膨胀性能。实验结果表明,膨胀充填体可提高充填体接顶率,其膨胀力可对顶板产生一定的支撑力,当灰砂比分别为1∶1、1∶3、1∶5时,对应的膨胀力大小分别为1.14、0.68、0.47 MPa。在实验的基础上,以程潮铁矿西区-175 m采场为基础,通过数值计算的方法,研究了膨胀充填体在控制地表沉降量中的作用。数值计算结果与理论分析具有很好的一致性,计算结果表明采用膨胀充填体充填可使地表最大沉降量减小94%。     

井下泵送混凝土充填工艺配比参数试验研究

兴发集团兴隆矿利用经废石破碎成-10mm且具有连续级配的碎渣作为充填骨料,采用泵送混凝土充填工艺,经充填料浆流动性试验及强度配比试验确定,其充填浓度为82%、砂灰比为4时,能够满足泵压输送及回采强度的要求。