复合充填结构体承载破坏演化特征

针对力学性质存在差异的材料组合而成的复合充填结构体在承载过程中内部应力分布不均的现象,开展了由不同强弱介质组合而成的复合充填结构体的单轴压缩试验。结合声发射特征分析,研究了复合充填结构体的承载特征、损伤演化和破坏特征。研究表明:①单轴压缩状态下复合体内部应力分布不均,强介质内部应力大于弱介质内部应力,整体荷载主要由强介质承担;②当复合体中强介质强度一定时,复合体整体强度与弱介质强度呈正相关;③当弱介质强度小于等于3.21 MPa时,复合体应力—应变曲线出现两个弹性阶段,且第一弹性阶段的斜率大于第二弹性阶段,随着弱介质强度增加,第一弹性阶段增长、第二弹性阶段缩短,当弱介质强度大于3.21 MPa时,第二弹性阶段消失;④声发射信号演化特征表明:两个弹性阶段的拐点处弱介质出现大量损伤破坏,弱介质先于强介质破坏,当弱介质强度大于3.21 MPa时,损伤主要发生在压密和屈服后阶段,弱介质与强介质同时破坏。研究成果可为地下采场复杂应力场控制措施研究提供基础。

废石尾砂充填结构体应力分布与覆岩变形移动规律研究

废石尾砂交替充填采场由废石和尾砂构成的充填结构体支撑采场顶板,其承载特性无法简单地由某一种材料的变形和强度参数描述,为了探究该充填结构体的应力分布与覆岩变形移动规律,利用大尺寸相似模拟装置对典型缓倾斜薄矿床废石尾砂交替充填开采过程进行模拟,采集、处理并分析采场顶板应力、未采矿岩应力、地表沉降、充填体承载情况和安全系数等指标的演化特征,在此基础上分析了废石尾砂充填结构体的承载和稳定状态。结果表明:废石尾砂充填结构体中由废石充填体承载采区顶板施加的大部分荷载,而尾砂充填体未充分发挥其承载作用,充填效率不高;借鉴高应力巷道柔性支护有效调动围岩自承载能力的理念提出了基于柔性接顶的应力协调思路,即利用弹性模量低于废石充填体的柔性材料前期收缩变形释放顶板一部分压力,调动矿岩和尾砂充填体承载能力并对废石充填体进行卸压。该思路有助于改善废石尾砂充填结构体的不均匀承载状态,提高采场整体安全性和充填效率。

含倾角结构面的胶结充填体动态力学特性研究

为探求充填过程中多次充填产生不同倾角充填面对充填体产生的影响,制备含不同倾角结构面的胶结充填体(CTB)试件以及完整试件,并采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对CTB试件进行单次与循环冲击破坏试验。试验得出:在单次冲击试验中,完整试件峰值应变和平均应变率小于含结构面倾角的试件,随着试件倾角的增加,试件的动态抗压强度逐渐降低;含结构面倾角试件表现出两种不同的应力-应变曲线特征。循环冲击试验下,结构面倾角越大试件抵抗冲击的能力越弱;含结构面倾角试件在第一次循环冲击下的应力-应变曲线与完整试件特征一致,而当循环次数增加时,应力-应变曲线特征与单次冲击下类似,在达到动态峰值应力前后,出现了显著的低应力波峰现象。随着结构面倾角的增加,充填体基体之间结构的致密性降低,导致结构面上裂纹数量的增多以及裂纹宽度的扩大,在微观结构上验证了结构面倾角的增加会引起结构面处剪应力的增大及充填体破坏模式发生改变,同时充填体容易沿着结构面处发生断裂。

地下金属矿山结构型充填体力学研究现状与发展趋势

充填法中的分段或阶段空场嗣后充填法因其安全、高效及自动化程度高等优点,逐渐成为地下金属矿山的首选采矿方法。结构型充填体是嗣后充填工艺发展及大采空区多次充填的产物,其力学特征关系到充填采场的结构稳定及二步骤矿柱的安全回采。总结了3种结构型充填体(RB组合结构、BR组合结构、LCB结构)在静态力学特性、动态力学特性及微细观损伤研究等方面取得的成果,分析了其在嗣后充填法采场结构、充填体强度及结构设计方面的理论及科学意义;综述了现阶段国内外主要研究手段和方法,分析了现有方法的特点和不足;展望了结构型充填体力学研究的发展趋势,随着细微观力学研究的兴起,充填力学研究手段和内容必将朝着更精确、更细化的方向发展。

浆体膨胀充填材料膨胀性能研究

为研究浆体膨胀充填材料的膨胀性能,通过分析浆体膨胀充填材料液相膨胀、固相膨胀的膨胀机理,并采用测量液相、固相膨胀率的方法,探索了浆体膨胀充填材料膨胀性能的影响因素,确定了浆体膨胀充填材料液相膨胀是由外加剂在强碱环境中产生微小气泡所引起,固相膨胀是由钙矾石生长所产生的。同时还对充填体结构进行了研究,确定了外加剂不影响浆体膨胀充填材料充填体微观形貌和生成物相,只是改变了充填体中孔结构的分布和充填体的强度。

充填采矿法矿块结构的研究

矿山设计和生产中选择合理的矿块结构可以提高矿块的生产能力,有利于减少矿石的损失贫化,有利于采场稳定和安全生产。根据矿山生产实际,对充填采矿法中与采充工艺有关的矿块空间结构和充填体结构进行了分析研究。在普遍采用矩形结构矿块的基础上,提出了梯形、倒梯形、菱形、哑铃形结构或其组合结构的可能性,并分析了不同矿块结构的特点及适用条件。

下行式小分段采场充填体强度需求计算与设计

为了获取下行式小分段采场充填体最优强度需求,实现安全、高效、低成本回采的目的,以喀拉通克铜镍矿矿岩-充填体力学参数为基础,进行了强度需求解析计算。基于推荐的采场结构参数(长、宽、高分别为30 m、8 m和12 m),以采场打底层、接顶层和非胶结充填体的结构设计为基础,采用Flac^(3D)软件构建了矿岩的三维数值模型。研究了不同强度的充填体顶板下向揭露时的稳定性,进而确定下向开采充填体顶板最低强度需求的数值解;综合对比分析了充填体强度解析计算和数值模拟结果的差异及原因,并结合现场实际工况条件推荐了下向充填体强度及其结构设计方案,实现采场结构参数与充填体强度参数的协调匹配。

条带充填开采沉陷影响因素分析

针对条带开采采出率较低、全采全充成本较高的问题,提出了一种条带开采与充填开采相结合的网状带式充填开采方法。以某矿工作面地质条件为工程背景,确定合理的工艺参数后进行了数值模拟分析。研究结果表明,在采区内煤炭资源实现全采的条件下,地表变形量也小于建筑物Ⅰ级损坏等级指标,并给出合理的采留宽及临界采留宽;且通过数值模拟分析,得出各个因素对地表下沉影响程度的排列顺序为:采留宽>采出率>采高>充填体强度。该技术可以为降低充填成本,保护地表生态环境提供借鉴。

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。