弹性力学及数值模拟耦合优选下的充填体假顶结构参数优化研究

充填体假顶稳定性对矿岩软弱破碎、地应力高的地下矿山假顶下回采作业安全及矿山经济效益至关重要。以锦丰金矿所采用的上向水平分层进路充填采矿法所构筑的第一层充填体假顶为研究对象,运用薄板理论计算分析,获得了3个较为可取的充填体假顶结构参数优化方案。利用FLAC3D数值模拟软件分别对3个优化方案进行模拟分析,获得了下一阶段充填体假顶下进路回采过程中充填体假顶应力场变化规律及位移场变化规律,并确定充填体假顶结构参数最优方案为方案三,即水泥掺量充填配比为30%、充填体假顶厚度为2.6 m。研究结果为国内外类似矿山实际运用提供参考。     

接顶率对充填体稳定性的影响研究

为了研究充填接顶率对充填体稳定性的影响,运用MIDAS有限元软件建立了不同接顶率下胶结充填矿柱稳定性分析模型。在研究影响充填接顶率主要因素的基础上,得到充填次数与充填接顶率的关系方程。采用MIDAS软件创建了11个不同接顶率的矿岩及充填体模型,通过分析不同充填接顶率时胶结充填体的受力状况,对胶结充填体安全稳定性进行综合评价,从而得到较合理的充填接顶率。将该研究成果运用于某多金属矿山,当一步采场充填接顶率为72.6%时,充填次数少、充填成本低且能保证采矿作业的安全性。该研究为其他类似矿山科学合理地提高充填接顶率提供了一种全新的指导方向。     

深部大规模开采岩体稳定性数值模拟研究

基于FLAC3D对马城铁矿深部大采场开采及回填过程中,围岩与充填体的稳定性进行数值模拟计算,并通过现场工程试验进行了验证。研究结果表明:(1)一步回采后,矿房出现顶板下沉和底鼓现象,间柱顶底板处应力集中明显,最大应力达到36.45 MPa,围岩局部呈塑性破坏;二步回采时,矿柱位置应力集中加剧,最大集中应力达到69.35 MPa,顶板最大位移15.01 cm,空区部分围岩呈失稳状态。(2)一步回采胶结充填后,胶结充填体对空区围岩起到了支撑作用,在一定程度上恢复了围岩三向受力状态,矿房顶底板应力集中程度减弱;二步回采尾砂充填后,充填体进一步抑制了空区塑性区的发展,围岩受力分布相对均匀,顶板位移与之前相比基本不变,顶底板变形得到了有效控制,保证了深部大采场开采的安全性和可靠性。     

巷道充填体假顶强度设计与充填工艺研究

为了满足巷道卧底出煤需要,需对巷道顶板构筑充填体假顶。针对巷道顶板条件、支护强度要求、巷道围岩变形实测规律,结合锚杆(索)支护强度理论、材料力学对假顶强度进行分析,并研究确定了构筑假顶的系统组成、充填材料、充填步距、充填空间支设、密封处理、充填工序等工艺。研究认为,充填体假顶设计强度不低于6.6MPa,充填材料采用黄土、河砂、胶结料、外加剂和水制备的膏状浆体材料,充填步距为10m,充填空间主要由脚手架、模板、弹性密封垫等搭接构成密封空间,模板与煤壁间的密封通过煤壁掏槽、密封垫实现。     

大跨度充填体假顶力学模型及稳定性分析

针对内蒙古某铅锌矿人工假顶暴露跨度大的技术特征,建立了大跨度充填体假顶薄板理论模型,得到了四边固支条件下的大跨度假顶应力表达式,确定了大跨度充填体假顶厚度为3.5 m、强度为4.0 MPa; 利用经济配筋率理论,确定了大跨度假顶纵筋及横筋直径25 mm、间距140 mm的配筋参数; 采用FLAC^3D软件分析了矿房和间柱采场充填体假顶应力、位移及塑性区分布情况,探索了大跨度充填体假顶力学演化规律。研究结果表明,大跨度充填体假顶在其自重及上部充填体作用下能处于稳定状态,并在矿山得到成功运用,验证了所留设充填体假顶厚度以及配筋设计的合理性。     

高水固结充填下向进路假顶参数设计方法

通过对高水固结充填下向进路结构和受力特征的分析 ,采用数学力学解析法给出了假顶结构的易破坏面和破坏点 ,对两种典型进路结构———“硬支弱板结构”和“软支弱板结构”假顶的稳定性进行了比较 ,提出了高水固结充填下向进路假顶结构参数设计的公式和方法。     

接顶对充填体-围岩相互作用影响的声发射监测试验

运用相似原理,进行充填体与围岩相互作用的室内试验,借助声发射仪进行声发射点定位、声发射振铃数、声发射能量等相关数据的监测,引入强度占比系数和损伤变量,提出建立损伤变量与强度占比系数的关系,表征充填空区未接顶、接顶、接顶(充填厚度大小改变)三种工况的内部损伤及整体稳定性。同时借助超声波仪测试三种工况加载破坏前后的声波值变化。结果表明,充填空区未充填接顶时,在加载作用下,声发射点主要发生在充填空区界面以及充填体与围岩的接触面。当充填空区充填接顶后,声发射点主要发生在充填体与围岩接触面。当充填区面积减小时,增大了围岩的整体稳定性,声发射点主要发生在充填体存在区域。相较未接顶,充填空区接顶充分的充填体-围岩共同体的储能能力更强,相应的抵抗应力集中产生的内部破坏及能量释放的能力也更强。     

接顶对充填体-围岩相互作用影响的声发射监测试验北大核心CSCD

运用相似原理,进行充填体与围岩相互作用的室内试验,借助声发射仪进行声发射点定位、声发射振铃数、声发射能量等相关数据的监测,引入强度占比系数和损伤变量,提出建立损伤变量与强度占比系数的关系,表征充填空区未接顶、接顶、接顶(充填厚度大小改变)三种工况的内部损伤及整体稳定性。同时借助超声波仪测试三种工况加载破坏前后的声波值变化。结果表明,充填空区未充填接顶时,在加载作用下,声发射点主要发生在充填空区界面以及充填体与围岩的接触面。当充填空区充填接顶后,声发射点主要发生在充填体与围岩接触面。当充填区面积减小时,增大了围岩的整体稳定性,声发射点主要发生在充填体存在区域。相较未接顶,充填空区接顶充分的充填体-围岩共同体的储能能力更强,相应的抵抗应力集中产生的内部破坏及能量释放的能力也更强。     

人工假顶充填体稳定性数值分析

焦家金矿北部矿山矿岩破碎、充填体稳定性不理想,本研究对该矿不同进路的采场结构和人工假顶承载层厚度条件下承载层及相邻充填体的应力、应变、塑性变形等情况进行了数值模拟、非线性分析。根据分析结果,12种模型的承载层压应力过大,极有可能发生破坏;相邻充填体几乎均发生压坏现象,进路回采安全性差。故建议优化人工假顶构筑工艺,增加承载层强度,提高进路回采安全性。     

固体充填胶结沿空留巷巷帮支护体优化设计

为提高固体充填胶结沿空留巷的效果,以唐口矿9301充填工作面为工程背景,对固体充填胶结沿空留巷巷帮支护体进行优化设计研究。通过对巷帮胶结充填材料的泌水率、强度等性能进行试验,分析了充填料浆的基本特性与胶结充填材料配比之间的内在联系与规律,最终确定了唐口矿巷帮胶结充填材料的配比。通过在唐口煤矿9301充填工作面进行工业性试验表明,优化设计的巷帮胶结充填体具有快凝早强,接顶良好的特点,沿空巷道变形量得到了有效控制。     

胶结充填体动力强度的细观分析

多数情况下,胶结充填矿山的充填体经常承受着邻区开采大爆破产生的重复冲击荷载的作用。本文从胶结充填体的材料构成特点出发,运用微小单元下的波动能量理论,对在应力波作用下的充填体能流变化情况及其动力响应规律进行了分析,提出了胶结充填体动力强度的一般准则。     

石人沟铁矿采空区分段充填治理方案研究与应用

石人沟铁矿开采M2矿体期间因下部民采空区突然冒透-210 m水平,形成埋深大、规模大、不规则且位于主要生产区域的M2主空区。空区形态三维探测结果表明,空区活动剧烈,顶板和周边围岩边界不断扩展,严重威胁了矿山安全生产。根据石人沟空区特征和生产现状,提出了4个区段的分段胶结充填治理方案,通过室内充填料浆在冒落散体中的渗流特性及散体胶结充填体的强度特性实验,确定了充填料浆的浓度为68%,底部充填区段料浆灰砂比为1∶4,-270 m～-165 m水平充填料浆灰砂比为1∶8,顶部充填灰砂比为1∶12的充填技术参数。并利用3DEC模拟了分段充填后顶部围岩冒落范围的变化情况,结果表明,充填能够有效控制空区顶板和周边围岩的冒落和扩展,至少要充填至-210 m水平,才能保证相邻矿体探采的安全性。经过2个阶段的充填后,空区的冒落活动明显降低,只存在-165 m水平以上的小范围零星冒落,空区充填效果显著。     

金川集团公司充填采矿技术与应用

金川镍矿处在"富、大、深、碎"的复杂矿岩条件下,全部采用胶结充填采矿法开采.40多年来,金川公司坚持正确的胶结充填采矿技术路线,通过组织大规模的环管试验研究,上世纪70年代初发现了高浓度料浆的管流特性,提出了"临界流态浓度"的概念,推导出了计算砂浆管道输送水力坡度的金川经验公式;1987年以后试验验证了金川膏体充填料浆符合赫谢尔-布尔克莱流变模型,解决了金川膏体泵送充填工艺在理论计算方面的关键技术,并于1999年7月建成投产了尾砂膏体泵送充填工艺系统.长期的试验研究与生产实践,金川镍矿提出了合理的高浓度细砂胶结充填和膏体充填料浆的配合比参数,解决了相应充填工艺中的主要技术问题,并开展了连续回采充填体及采场围岩稳定性的研究,得出了采场围岩与充填体的稳定性取决于原岩水平应力、充填体的支撑作用和回采顺序的科学结论,形成了由中央向两翼推进,并保持中央两个盘区嗣后充填一步回采的方案,满足了金川镍矿目前年采矿量460万t、年充填量150万m3的要求,使充填采矿法在中国成为一种高效率、高回收率的采矿方法.     

沿空留巷新型煤体充填材料的力学性能研究

通过参考典型煤矿沿空留巷的胶结充填体强度资料,并进行强度计算,获得经验方程,据此确定司马煤业公司1206工作面沿空留巷的新型煤体充填材料强度,得出充填料浆配比设计依据。以司马煤业公司工作面端头回收的煤和自行研发的胶结材料制备充填料浆,涉及的非煤材料有水泥、石子、沙子及特定的添加剂。以料浆各个材料的力学性能为基础,确定了最佳的充填配比。     

破碎顶板垮塌采场胶结充填治理

针对金厂河多金属矿一步骤破碎顶板垮塌治理难题,采用三维激光扫描的方式,探明了采场顶板垮落形态特征,构建了破碎顶板垮塌采场三维可视化模型。通过对金厂河矿胶结充填体强度需求的理论计算,设计一步骤胶结充填体整体强度为3.0 MPa。基于充填料浆配比试验、扩展度试验和流变试验,综合确定充填工艺参数为:料浆质量浓度为68%～72%,灰砂比为1∶8。结合21^#采场三维空区模型和形态,合理布置了充填挡墙和充填下料工程,进而保障了破碎顶板垮塌采场胶结充填体的稳定性。     

全粒级碎石水泥浆胶结充填质量控制

在分段碎石胶结充填法试验研究过程中，在国内首次试验采用自然级配碎石胶结充填料自然混合、铲运机充填新工艺技术，充填体质量控制好坏直接影响着充填体强度、充填体抵抗爆破震动破坏的能力、充填体的自立稳定性和充填成本。本文详细论述了分段碎石胶结充填体质量影响因素与充填体质量保障措施。     

黄沙坪多金属矿全尾砂胶结充填试验研究及工程应用

黄沙坪多金属矿原设计采用上向水平分层废石充填采矿法,存在开拓工程量大、采场接顶率低、矿柱回采难度大、充填成本高等问题.为更安全高效采矿、降低充填成本,改为全尾砂胶结充填.在尾砂基本物理性质、流动性及强度试验的基础上,提出了黄沙坪多金属矿全尾砂胶结充填工艺.工业试验结果表明:采用全尾砂做充填骨料、新型充填 G 料做胶结剂,能够满足矿山生产对充填工艺和充填体强度的要求,且选厂尾砂可以全部充填到井下,实现无尾砂排放;充填料浆质量浓度为６７％,充填流量最大８０m３/h,灰砂比１∶６~１∶１０,充填料浆能够顺利进入待充填区域,料浆达到结构流状态,各项指标均满足要求.全尾砂胶结充填系统的建成使用,为黄沙坪多金属矿安全、高效充填开采奠定了基础.     

胶结充填工艺技术在铜绿山矿的应用

铜绿山铜铁矿原采用单一的尾砂胶结充填工艺,但由于充填料不足,水泥消耗量高,局部采场充填倍线大以及充填体的沉降、脱水、接顶等问题,已满足不了保护古矿遗址及矿山日益增产的要求.因此,结合矿山实际,研究和发展了高浓度全尾砂水淬渣膏体泵送胶结充填等多种新工艺,达到了保护古矿遗址和提高采矿强度、简化工艺的目的.     

非胶结粗颗粒充填体稳定性分析与加固措施

斜壁充填采矿法是一种新型高效的采矿方法,其技术关键是如何提高充填体的稳定性。本文主要介绍了在锡矿山矿务局利用非胶结粗颗粒充填料进行这一采矿方法试验中,对充填体稳定性的计算分析和采取预埋荆巴棍进行加固的新措施。现场试验研究表明,这种加固方法,技术上可行,经济上合理,对提高非胶结粗颗粒充填体稳定性起到了很好的作用,为斜壁充填采矿法试验成功创造了条件。     

似膏体充填工艺在锡矿山锑矿采选厂的应用

锡矿山锑矿采选厂浅部中段残矿分布较广,充填高差较小且输送距离较远,原块石胶结充填系统的料浆采用自流输送,输送质量浓度低,采场脱水量大,充填密闭工作繁重,充填体不能充分接顶。为满足残矿安全回采要求,推广应用了似膏体充填工艺。该充填工艺采用水泥、粉煤灰、分级尾矿、水制成尾矿似膏体,采用内径为100mm的无缝钢管,使用柱塞泵高浓度输送至采场充填。结果表明,充填料浆输送质量浓度达到了74%～76%,充填料浆成本为62.18元/m3,充填体抗压强度1.5MPa,充填可充分接顶,满足了高分段回采工艺以及残矿安全回采的要求。