基于厚板理论下向进路充填假顶强度模型及应用

充填假顶作为下向进路式采场的直接顶板,其稳定是该法成功应用的关键,以充填假顶所需强度为研究对象,通过分析下向进路式采矿法典型工艺特征,确定了假顶危险力学状态,并将其简化为四边简支的厚板模型,借助厚板理论符拉索夫基本解答,分析了充填假顶拉应力分布状态,据此建立了下向进路充填假顶强度模型。通过实测大屯锡矿下向进路式采场充填体上覆压力,以最大监测结果0.35 MPa作为基础计算参数,分析确定了假顶底部极限拉应力为0.23 MPa,为保障假顶稳定,考虑1.5的安全系数,设计假顶抗拉强度0.345 MPa。采用FLAC 3D构建了3-1矿体下向进路式采场物理模型,并模拟分析了充填假顶在设计强度参数条件下服务矿体回采过程中应力分布及稳定性状态,矿体回采至最后一分层,假顶拉应力分布于0.10~0.23 MPa,最大值为0.23 MPa,与理论分析结果一致,假顶服务至分层回采结束,未出现塑性破坏。根据模型计算结果与数值模拟分析结果,推荐满足强度指标的最优配比为废石∶尾砂=8∶2,水泥添加量210 kg/m^(3),质量分数85%,并指导完成大屯锡矿3-1矿体下向进路式采场11万m^(3)充填实践,假顶服务矿体回采过程中未出现失稳引发安全事故,为矿体安全回采提供了强度保障,与矿山原设计相比,模型设计强度更加合理且经济,推荐的废石+铜渣尾砂膏体配比较矿山原充填配比节约32.30元/m^(3),累计节约充填成本355.30万元。

单进路采场充填假顶力学行为数值分析

为分析研究单进路采场充填假顶在暴露过程中的力学行为与发展特征,以及内部配筋的受力状态,以某矿山急倾斜薄矿体下向分层进路充填采矿法形成的充填假顶为工程实例,结合实际建立标准化三维模型,采用有限差分法分析软件进行数值模拟计算。结果表明:回采水平越深采场主应力越大,其中充填通风小井靠近上盘的井壁处受拉应力较为明显,在矿房边界外5~10 m范围内存在一定的压应力集中现象;顶板最大位移并不位于几何中心,越靠近上下盘边界位移变形量越大;吊筋所在位置顶板暴露前后受力状态由受压转变为受拉,底筋受力状态并不单一受拉,呈拉压交错复杂状态。

充填假顶下采场稳定性分析及回采顺序优化研究

在进路式胶结充填采矿中,充填假顶下采矿巷道稳定性问题是井下开采的重大安全性问题。针对贵州锦丰金矿230中段充填假顶下采矿巷道稳定性问题,采用岩石力学数值模拟软件(Phase2)对采区建立数值分析模型进行稳定性分析,模拟回采顺序为从西向东单向回采、从中间向两边同时回采及从两边向中间同时回采下的采场进路稳定性。研究表明:3种回采方式下最大变形量发生在充填体与围岩交界处,进路顶板变形量均较小(10 mm~15 mm),局部出现剪切及拉伸破坏,整体处于稳定状态。为提高采矿效率,最终选择从中间向两边同时回采的回采顺序,同时采用管缝式锚杆+钢网+湿喷混凝土对采场进路进行加固,确保采矿作业安全。实践表明:采用从中间向两边同时回采的回采顺序安全可行,回采过程中采场处于稳定状态,采矿效益较单向开采提高了约65%。

新型无间柱下向进路充填回采工艺优化研究

采用下向进路分层无分段巷道充填采矿法回采矿体时,为了使下向单一进路巷道上覆充填假顶形成“嵌固梁”式力学模型,需要在矿房两侧间柱内安装一定间排距的超长锚杆,从而致使间柱内矿石无法回采。针对以上问题,对现有下向进路分层无分段巷道充填采矿法进行了设计优化,通过建立“长锚杆+经纬状钢筋网+上覆充填假顶”力学模型,提出了以“无需留设间柱并确保充填假顶稳定性”为核心的回采工艺。详细介绍了该回采工艺的技术方案与优势,并以山东黄金矿业(沂南)有限公司金场分矿为工程背景,对优化后的回采工艺进行了经济比较。研究结果表明:该方法不仅避免了矿产资源的损失与浪费,还可以借助上下盘围岩内的超长锚杆以及采空区内的经纬状钢筋网维持充填假顶的稳定性,实现了安全高效开采。

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。

下向进路充填采矿法人工假顶强度及配筋参数研究

构筑人工假顶是下向进路充填安全高效采矿的关键和前提,人工假顶充填体强度与配筋参数相互关联,直接决定着回采作业的安全性与经济性。通过建立顶板多层充填体普氏平衡拱模型,优化下向进路充填假顶所受荷载的计算方法;应用薄板理论及弹性力学理论并结合下向进路充填采矿工艺,解析充填体假顶强度要求;将钢筋混凝土结构设计方法应用于下向进路充填假顶配筋率计算,形成下向充填采矿人工假顶强度及配筋率的整体方案。以某金银矿山大结构参数(5 m×5 m)回采进路为例,提出假顶厚2 m,充填体强度不小于5 MPa,Φ12 mm钢筋(HRB335)网度300 mm×300 mm,配筋率0.106%的技术要求,对合理构筑人工假顶和安全高效应用下向进路充填采矿法具有指导意义。

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。

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。

浅谈破碎假底支护方式

在进路法采矿方法的矿山中,因矿块进行分中段回采,人工假底进行了大量的应用,针对人工假底破碎,难以支护的情况,本文介绍了几种支护方式在上向水平分层进路采矿法中的应用情况。该几种支护方法在矿山生产、井下支护中,对于某些难以支护的岩体情况有选择灵活、操作简便、支护效果显著等优点。

下向进路分层无分段巷道充填法采场间柱回采技术研究

采用下向进路分层无分段巷道充填采矿法在回采矿岩极不稳固的急倾斜薄矿体时,为了确保采场内各分层假顶的稳定性,需要在充填假顶内提前铺设钢筋网,并在相邻间柱内打入一定间排距的超长锚杆,导致间柱内的矿体难以回采。针对以上问题,对原有采矿方法进行了改进,提出首先回采间柱方案,并构建上下盘超长预应力锚杆充填体作为人工矿柱,然后利用人工矿柱维持矿房下向进路充填假顶稳定性,从而明显提高了资源回采率和矿山经济效益。以国内某矿山为工程背景,对该回采方案进行了经济对比分析,研究表明:该方法不仅可以回采采场矿房两侧的间柱,还可以依托置换间柱的充填体形成矿房采场充填假顶的嵌固梁结构,在确保安全生产的前提下有效提高资源回采率。

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。

相邻分层进路交错垂直开采下围岩应力分布特征

在下向分层充填采矿方法中,针对相邻分层进路交错垂直开采下采场围岩的稳定性问题,利用FLAC3D数值模拟对上下分层“三期”进路回采过程中的采场应力演化、变形、塑性破坏等特征进行了模拟分析。结果表明:下分层一期进路回采充填过程中,两矿体侧帮在推进方向上的垂直应力呈驼峰状分布,进路内部垂直位移出现对称的正负值;二期进路回采过程中,垂直应力的集中程度逐渐增大,未回采进路中心段的垂直应力逐渐上升;三期进路回采过程中,未回采进路所承载的上覆荷载达到最大;三期进路回采充填结束后,采场围岩在各边中心处出现应力集中,采场内充填体的垂直应力在上、下层呈上分层横向、下分层纵向延伸的应力集中分布特征。

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。

焦家金矿破碎矿体下向综合回采技术研究

针对焦家金矿北翼破碎矿体难采情况,在原下向进路回采的基础上,通过优化胶结尾砂充填假顶技术取代人工假顶施工,采用可拆卸式钢结构组合板墙取代传统木板墙封闭,并对超出假顶保护部分矿石采用管棚超前支护安全回收。在保证回采安全的前提下,减轻工人劳动强度,提高假顶构筑效率,降低生产成本,取得了较好效益。