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。

膏体充填体假顶稳定性尖点突变分析

针对窑街三矿“三下”厚煤层压覆资源的安全开采问题,采用了下行分层膏体充填开采方法,通过构建膏体充填体假顶力学计算模型,得到了其厚度与极限强度关系式。利用尖点突变理论的势函数,推导了充填体假顶总势能,探究了充填假定的稳定性。采用FLAC3D数值计算软件,建立了下行分层膏体充填开采数值计算模型,研究了充填体假顶的移动变形特征。研究结果表明:充填体假顶的极限强度与其厚度呈幂函数负相关。充填体假顶厚度为3.2 m时,其极限强度为4.9 MPa,当充填体假顶厚度大于3.2 m后,其极限强度逐渐稳定于2.9 MPa。充填体假顶的总势能满足失稳判别式Δ≥0,不会发生突变失稳破坏。充填体假顶与下分层充填体的最大主应力均为1~2 MPa,小于其极限承载的抗压强度,且塑性区出现在下分层充填体层位,充填体假顶未发生剪切或拉伸破坏,所受的拉应力稳定于0.65 MPa,远小于充填体的许用拉应力。现场实测表明:下分层充填开采时,充填体假顶下沉量与上、下分层充填体的压缩量累计仅为75 mm。因此,在上分层充填体假顶的基础上开采下分层,充填体假顶能够承受上部围岩所施加的覆岩荷载,保证其自身稳定性,不会发生破断失稳,从而保证窑街三矿“三下”厚煤层压覆资源的安全开采。

顶底柱残矿回收的充填体假顶厚度确定与应用

顶底柱残矿回收的关键技术是顶板在回采过程中的稳定性问题。针对某铅锌矿采用的高强度加筋充填体假顶,分别对矿房采场和间柱采场下假顶的受力情况进行分析,并采用薄板理论分析确定充填体假顶厚度;利用FLAC^(3D)数值模拟软件模拟不同假顶厚度下底柱矿体的开采过程,研究充填体假顶厚度的变化对充填体假顶稳定性的影响;最终得出充填体假顶的最优厚度。研究结果表明:矿房采场下充填体假顶最优厚度为2.5 m;间柱采场下充填体假顶最优厚度为7.5 m。模拟结果与理论值相吻合。上述研究结果与类似矿山实际应用相比较,具有科学合理性;并在典型条件的顶底柱采场充填体假顶厚度确定中得到成功应用,具有指导意义。

纵向充填采空区群人工充填体假顶稳定与强度匹配关系

为研究纵向充填采空区群假顶的稳定性与强度匹配关系,借助数值模拟与动力响应模型,从静力学与动力响应两个方面分析假顶稳定性。以某钨锡金属矿山多中段纵向充填采空区群为例,考虑顶板为原岩,灰砂比为1∶2,1∶4与1∶6的充填体,对充填体假顶稳定性进行了分析。研究结果表明:在开挖前这一工况时,顶板为原岩,不同强度充填体顶板均处于稳定状态,随着顶板强度变小,其挠度值迅速增加;在开挖这一工况时,原岩、灰砂比1∶2与1∶4的充填体顶板处于稳定状态,灰砂比1∶6的充填体顶板处于临界稳定状态;在开挖后这一工况时,原岩、灰砂比1∶2的充填体顶板处于稳定状态,灰砂比1∶4的充填体顶板处于临界稳定状态,灰砂比1∶6的充填体顶板处于失稳状态。工程实践表明:矿山采用灰砂比1∶4的充填体顶板并适当加固的条件下,回采下中段矿体时,顶板处于稳定状态。研究成果为纵向充填采空区群假顶稳定性分析及强度匹配提供了一个新的参考依据。

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2.6m。研究结果为国内外类似矿山实际运用提供参考。

下行中深孔空场嗣后充填采场结构参数优化研究

充填体下进行矿体回采时采场的稳定性至关重要,合理的采场结构参数对保障采场安全高效的回采起重要作用。以喀拉通克铜镍矿2#矿床东段矿体为工程背景,基于现场充填体假顶厚度,通过荷载传递交汇线理论、跨厚度比法、国外经验图表法和经验类比法预估采场极限跨度,并利用FLAC3D数值模拟软件对7m、8m和9m3种采场跨度方案进行数值模拟研究,分析不同采场跨度对围岩位移场与应力场变化及塑性区扩展规律的影响,确定在充填体假顶作用下最优的采场结构参数。研究结果表明:当采场跨度为8m时,既能保证采场稳定性,又能最大程度发挥采场生产能力。