非均匀充填采场上隔离矿柱安全回采关键参数研究

针对崩落采场和充填采场之间设置的水平隔离矿柱在后期回采中引发的安全问题,以大冶铁矿-170 m隔离矿柱为工程背景,基于弹性力学理论,考虑隔离矿柱下非均匀充填体影响,通过分析采场巷道底板应力应变特征,构建充填体上隔离矿柱分析模型,采用数值模拟的方法,研究充填体上巷道底板的位移分布,得出3种不同类型底板上巷道间距和巷道尺寸对采场稳定性的影响规律。综合考虑,建议隔离矿柱崩落开采巷道沿用当前工程3.6 m×3.2 m的巷道尺寸;巷道间距采用10 m时,巷道均可针对上分段脊部残留矿柱,回采率高,但需增加底板安全控制措施;采用15 m时,巷道均位于底部矿房或矿柱中间,相互影响小,支护成本低。为有效回采隔离矿柱,建议采用“3.6 m×3.2 m的巷道尺寸+10 m的巷道间距+二步骤采场矿柱顶、底部分段1∶4胶结充填”的回采方案。

不同类型充填体上巷道底板应力解析计算模型研究

崩落法采场和充填法采场之间设置的水平隔离矿柱在后期崩落回采过程中会引发非协调变形问题。为此,以某铁矿-170 m隔离矿柱为工程背景,基于弹性力学理论,考虑下部充填体影响,构建软弱充填体上巷道开挖底板应力求解模型,采用解析计算和数值计算的方法,研究软弱充填体上巷道底板的应力分布特征,得出3种不同类型充填体底板上巷道开挖后的底板应力分布规律和应力增量解析计算模型。研究结果表明,底板应力分布可由原岩应力、底板附加应力和巷道开挖应力增量叠加来描述;胶结充填体底板上巷道开挖后,应力集中区在胶结充填体上;胶结非胶结充填体底板上巷道开挖后,两侧应力呈非均衡分布,胶结侧高应力区域呈现大而相对集中的峰值,非胶结侧应力呈现双峰形分布,且非胶结侧峰值较小、影响范围较大;非胶结充填体底板上巷道开挖后形成较大范围的应力降低区,应力转移量和影响范围相对较大,主要由两侧胶结充填体承担荷载。

墩柱式结构充填底板应力传递特征及变形规律

为研究结构充填开采过程中充填体应力传递对底板岩层的影响,以沁水煤田长治矿区为例,利用相似原理构建充填体–底板复合结构模型,进行室内试验,并结合数值模拟,对不同充填体强度、不同充填间距条件下的墩柱式结构充填采空区顶底板移近量、底板破坏形态、塑性区范围进行研究。研究结果表明:(1)浅层底板中充填体下应力集中最为明显,该应力以45°方向斜向下传递,引起水平应力,并最终扩散至底板全平面,越向下传递,垂直应力越小且分布越均匀,水平应力越大,充填间距变化对底板中应力水平影响显著;(2)在墩柱式结构充填可承载范围内,顶板下沉量主要由充填体强度决定,底鼓量主要由充填间距决定,充填体强度、充填间距与顶底板移近量总体呈二元二次抛物曲面关系;(3)本工况条件下充填柱下底板剪切滑移最大深度为2.38 m,该深度以上产生椭圆形剪切破坏塑性区,以下产生波浪型拉伸破坏塑性区,并最终穿越两层软弱岩层底板。研究结果可为墩柱式结构充填的合理设计方案提供依据。