胶结充填体——围岩组合体剪切强度与破坏特征

为研究对充填采场稳定性具有重要意义的采场充填体与围岩组合体的剪切强度与破坏特征,以空场嗣后充填采场为物理原型,将充填体与围岩系统考虑,概化出胶结充填体—围岩组合体力学模型,提出了基于摩尔应力圆公切线法与摩尔-库伦强度准则确定组合体抗剪强度参数的计算方法。通过不同围压下的组合体ANSYS数值模拟试验,对不同胶结面倾角的充填体—围岩组合体剪切强度与破坏特性进行了研究。结果表明:胶结面倾角为0°~15°时,组合体破坏主要发生在充填体区域,破坏模式为张拉—剪切复合破坏;胶结面倾角为30°~60°时,组合体破坏发生在充填体和接触面区域,破坏模式为剪切破坏,随着围压增加,组合面会发生滑移现象,随着胶结倾角增加,剪切破坏面逐渐与胶结面重合;胶结面倾角为75°~90°时,组合体最终的破坏方式主要为充填体的剪切破坏。研究结果拓展了充填体—围岩组合体剪切强度参数获取方法,揭示了不同接触面倾角充填体—围岩组合体的破坏特征,可为地下充填采场稳定性分析提供理论支持。

充填体−散体胶结组合体力学特性试验研究

为研究充填开采过程中采空区内冒落矸石对充填体的影响,对不同散体高度、散体岩性及充填体强度的充填体−散体胶结组合体进行单轴压缩试验,借助声发射三维定位技术对组合体试样的单轴压缩破坏过程进行实时监测,通过AE事件的时间参数与应力应变曲线4个阶段的起始时间点相结合,对加载过程中AE事件对应的变形破坏过程进行表征,并基于此建立了组合体结构面破坏模型。研究结果表明:散体高度与组合体强度呈负相关关系,充填体与散体胶结组合体高度比为1∶4的组合体单轴抗压强度仅为单一充填体的55.0%;散体岩性和充填体强度与组合体强度呈正相关关系,虽然高强度的充填体可以提高组合体的单轴抗压强度,但是组合体中的充填体强度越高,组合体的强度折减越严重。当胶结散体中的颗粒岩性为强度较低的粉砂岩时,组合体单轴抗压强度仅为单一充填体的42.9%;抗压强度较小的粉砂岩在破坏过程中会出现因剪切破坏形成的破裂面,而抗压强度较大的灰岩可以利用散体颗粒自身的抗剪强度承受剪切荷载;当胶结散体内的胶结基质失效或散体颗粒破碎时,充填体和胶结散体的结构面发生非均匀压缩变形,致使充填体在散体破坏的结构面上产生应力集中现象,导致上部的充填体局部发生剪切破坏,充填体的破坏是轴向应力和结构面非均匀变形的共同作用结果。

充填体——围岩组合体力学特性及破裂演化特征RFPA^(3D)模拟

为深入分析非线性接触面下接触角对充填体—围岩组合体力学特性及破坏演化特征的影响,借助RFPA^(3D)真实破裂过程分析软件,开展了7个角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°),2种灰砂比(1∶4、1∶8)的单轴压缩组合体数值试验。结果表明:(1)随着接触角增大,组合体模型的峰值应力、峰值应变、弹性模量先减小后增大;随灰砂比增大,各参数均增大;接触角60°时,组合体峰值应力和峰值应变最小;接触角15°时,弹性模量最小;接触角90°时,各参数均最大。(2)张拉应力是造成充填体内部横向裂纹和破碎区的主要原因,剪切应力是造成充填体二次开裂、接触面滑移和围岩破坏的主要原因,组合体破坏为宏观剪切—张拉混合裂纹。(3)接触角0°~30°组合体破坏为张拉破坏,发生在充填体区域;接触角45°~60°组合体破坏为剪切破坏,发生在充填体和接触面区域;接触角75°~90°组合体破坏为剪切—张拉组合破坏,发生在充填体、接触面和围岩区域。

考虑接触面倾角的充填体——围岩组合体能量特征分析

为研究充填体—围岩组合体能量特征,以空场嗣后充填采场为物理原型,将充填体与围岩系统考虑,概化出接触面非线性特征下不同接触面倾角的充填体—围岩组合体实验室尺度模型,基于单轴压缩试验对包括7个角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°),2种灰砂比(1∶4、1∶8)充填体—围岩组合试块的变形、声发射特征和能量耗散特性进行了系统分析。结果表明:接触面倾角0°、15°和30°时,组合体破坏发生在充填体区域;接触面倾角45°和60°时,组合体破坏发生在充填体和接触面区域,沿接触面有剪切滑移现象;0°~60°组合体破坏过程声发射能率表现为多点小幅度突增现象,累计能量曲线阶梯状现象明显。接触面倾角75°和90°组合体破坏发生在充填体、接触面和围岩区域,破坏过程声发射能率表现为“多点突增—持续增大—激增”的变化趋势,幅值数量级高,累计能量曲线平滑。不同接触面倾角组合体试块的弹性能和耗散能曲线在应力峰值前变化规律一致,呈非线性增加,耗散能曲线斜率随接触面倾角增加逐渐减小。峰后破坏阶段曲线变化规律与组合体破坏形式有关。能量耗散率曲线呈“先增大,后减小”变化规律,随接触面倾角变化,峰值个数和出现位置不同。声发射累计能量和能量耗散率曲线斜率变化特征与组合体试块破坏过程中裂隙发育、发展、贯通和失稳信息相关性好,可为组合体破裂预测提供有效前兆信息。

胶结充填法采场围岩与充填体相互作用研究

本文从胶结充填材料及碎裂岩体的力学特性出发,分析、研究了胶结充填法采场围岩与充填体相互间的力学作用,建立了其力学模型,并求得了解析解答。这些解析结果可应用于采矿设计及指导生产实践。

尾砂胶结充填体损伤模型及与岩体的匹配分析

分别对灰砂配比为1:4,1:8,1:10和1:12的4种尾砂胶结充填体进行了力学试验,得出了其应力-应变曲线。分析了不同配比充填体变形与破坏特征,用损伤力学建立了4种不同配比充填体损伤本构方程。经验算对比,所建立的损伤本构方程与试验结果吻合。尾砂胶结充填体损伤研究表明,不同配比的充填体表现出不同的损伤特性,充填体配比越低,达到峰值应力时的损伤值越小;峰值应力后,损伤增长越快,破坏过程越突然。根据岩体开挖释放能量与充填体蓄积应变能相近的原则,探讨了充填体与岩体的合理匹配。充填体与岩体的匹配系数与原岩应力、岩体弹性模量、充填体弹性模量及充填体损伤参数相关。为了便于工程实际应用,对充填体力学试验结果进行了回归分析,得出了充填体强度设计公式,并研究了深部矿床不同开采深度所要求的充填体强度。

充填胶结碎裂结构岩体的成因机制及工程地质特性研究

本文以工程实例为依托,在现场大量调查、测试、试验的基础上,对一种新型碎裂结构岩体—充填胶结碎裂岩体的工程地质特性和成因机制进行了分析。此类岩体表观碎裂,但是由于岩块之间被钙质充填、胶结,使得表观碎裂的岩体在原位状态没有受到大的扰动的情况下具有较高的力学性能,其可以用作坝基岩体,与普通的碎裂岩体有着本质上的差别。该类岩体一旦受到外界大的扰动,其力学性能迅速降低,在施工中应该特别注意。

不同加载速率下矸石胶结充填体破坏规律细观研究

基于室内单轴压缩试验,使用颗粒流软件建立了数值模型并标定微观参数,研究了不同加载速率下矸石胶结充填体试样的应力应变曲线规律、微裂纹数量、破坏过程以及微观位移场变化规律。结果表明:随着加载速率的不断增大,试样的峰值强度及弹性模量均不断增加;试样生成的微裂纹数量与加载速率成正比,微裂纹-应变曲线分为裂纹未萌生、裂纹快速增长、裂纹数量稳定3个阶段;试样的破坏过程分为压缩密实、弹性变形、塑性破坏以及残余变形4个阶段;试样微裂纹两侧颗粒发生不同形式的组合破坏,包括拉伸破坏、剪切破坏以及拉伸和剪切共同作用的混合破坏。

金川镍矿的下向胶结充填采矿法及其围岩控制

金川镍矿由于地质构造运动作用,矿岩被挤压得十分破碎,通过二十多年的生产实践和科学试验,采用下向分层胶结充填采矿法是一种安全、高效、高质量回采的最好方法. 金川镍矿的工程地质分成六个岩带,并进行了岩体力学参数试验工作,针对井巷围岩掘进中变形特点,根据岩体稳定分析,采用不同支护形式和二次联合支护方法。由于采用下向倾斜分层胶结充填法及机械化下向胶结充填采矿法,围岩移动是由小—大—小的规律,因而能在厚大富矿体内进行全面、安全的开采,采用密实充填就可有效的控制围岩移动。

胶结充填体下采场结构参数优化研究

要在大体积胶结充填体下对矿体进行安全高效地开采,合理的采场结构是采矿设计首先需要考虑的问题。在综合分析某地下矿山地质概况、开采技术条件现状的基础上,采用经验法与理论计算法对采场结构参数进行计算,提出了4种采场结构参数初步方案,建立对应的三维数值计算模型,将围岩的变形、应力分布及塑性区大小等作为衡量采场结构参数优劣的指标。根据模拟结果对比分析了各方案在矿房回采后采场围岩的力学响应情况,得到了采场处于最有利力学状态时的结构参数,结合各方案盘区矿石理论回采率,进而对采场结构方案进行了优选,即当顶柱厚度为6 m,矿房跨度38 m,矿柱宽14 m时,采场结构稳定性处于最有利状态并且具有较高的理论回采率。优化结果可为后续开采设计提供参考。

基于Marzars损伤模型的胶结充填体合理强度确定

为了研究金山金矿不同灰砂比的尾砂胶结充填体破坏规律,运用损伤力学理论,建立了不同灰砂比的尾砂胶结充填体压缩损伤本构模型。采用采场采矿后的岩体释放能量逼近胶结充填体峰值变形能原则,结合金山金矿条带式充填采矿法试验采场的具体位置、地应力、采场结构参数,确定了尾砂胶结充填体的强度,为尾砂胶结充填参数的确定提供理论依据。

煤矿高浓度胶结充填体能量演化特征试验研究

为了研究煤矿高浓度胶结充填体的能量演化特征,借助RTR-2000高压岩石三轴动态测试系统开展了高浓度胶结充填体不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了试件变形破坏过程中的应变能演化规律及围压效应。研究结果表明:(1)对于围压不为0的试件,峰值强度对应的耗散应变能占吸收应变能的比例超过70%,试件在达到峰值强度前已经发生剧烈的塑性变形和破坏;(2)试件变形破坏过程中,吸收应变能快速增加,弹性应变能先积累后释放,峰值强度时达到储能极限,耗散应变能自屈服变形阶段开始快速增长;(3)相同轴向应变条件下,围压越大,试件的吸收应变能、弹性应变能越大,高围压试件的耗散应变能随轴向应变的增加将超过低围压试件的耗散应变能,围压可以大幅改善试件的应力水平,限制试件的径向变形,提高试件的储能能力,抑制试件的变形破坏。

不留矿柱下向大面积胶结充填体的地压控制效果

总结了金川二矿区１＃矿体一期工程开发经验，在矿体厚大、工程地质复杂条件下，不留矿柱、下向大面积胶结充填体能有效地控制矿区开采时的地压活动，阻止围岩和顶板下沉。

充填体与岩体三维能量耗损规律及合理匹配

根据灰砂配比为1∶4,1∶8,1∶10和1∶12的4种胶结充填体力学试验结果,揭示不同配比充填体三维损伤耗能规律。针对矿床开采岩体应力转移并释放能量特征,探索矿床开采过程中岩体三维能量释放规律。研究结果表明,矿体埋藏越深,开挖岩体释放能量越高;岩体弹性模量越高或泊松比越低,岩体释放能量越小。根据充填体与岩体耦合作用的三维能量耗损特征,探讨充填体与岩体的合理匹配,并用该匹配模型验证安庆铜矿采用最低充填配比1∶12开采矿石是可行的。研究发现,充填体与岩体的匹配系数K和三维原岩应力、岩体及充填体力学参数相关,不同开采技术条件必须设计合适的充填体抗压强度才能实现与岩体匹配。

部分充填开采围岩活动规律分析

采用适于分析采动影响裂隙岩体活动规律的数值模拟软件UDEC,详细分析了部分充填开采时围岩应力和位移变化规律及特点,重点分析了不同充填方式与关键层断裂的关系,以及不同充填方式对部分充填开采围岩稳定性的影响.研究结果表明,充填空顶间隔大小、充填条带宽度是部分充填开采围岩稳定性的两个主要影响因素.后期开采的条带将扩大先期开采条带的影响,尤其是后期开采两充填条带之间的条带并不充填时,这种影响更大.最后对具体的充填开采方法提出了建议.

充填体与岩体能量和强度匹配的分析及应用

矿山嗣后充填法中,采用经验类比法判定胶结充填体的强度存在诸多问题。利用新的方法来分析充填体与岩体的匹配是必要的。对某铜矿灰砂比为1∶6、1∶8、1∶10和1∶12的4种尾砂胶结充填体进行力学试验和匹配分析。首先利用损伤力学方法建立充填体破坏前本构方程,根据岩体开挖释放能量与充填体蓄积应变能相近的原则,来判定岩体与充填体的匹配;然后运用GTS/MI-DAS有限元软件模拟开采-充填过程,根据应力变化与充填体极限强度的大小关系判定两者的匹配。2种方法所得到的结论一致。分析结果表明,该矿山宜采用充填配比不小于1∶10的尾砂胶结充填体。

下向水平进路分级尾砂胶结充填工艺及应用

某铜矿含硫高、岩石松软易破碎,为保证开采安全、控制地表塌陷、提高矿石回收率,降低因矿体稳固性差、遇水易坍塌所带来的安全隐患,将采矿方法由进路式水砂充填法逐步变更为进路式分级尾砂胶结充填采矿法,采用分级尾砂和普通硅酸盐水泥充填,减少水砂及坑木消耗。矿山生产表明:新方案使矿山采矿效率提升110%,每年减少充填费用500多万元,有效克服了巷道垮落、地表塌陷、矿石回收率低和矿床自燃等问题。

采用胶结充填法对采场稳定性分析

对锡矿山闪星锑业有限责任公司南矿的开采历史、现状及地压活动进行了分析,通过工程地质调查和岩石力学试验,采用岩体稳定性分级、工程类比、理论分析和数值模拟计算分析等方法对该矿胶结充填法回采过程中采场的稳定性进行了分析。

硬岩矿山充填开采现状评述与探索

随着矿产资源开发走向深部,充填采矿法将是未来矿山采矿方法的首选。以国内外矿山充填采矿技术的发展历史和应用现状为基础,系统分析了深部矿山高采深、高地应力特点对现有充填采矿技术提出的挑战,详细列举了目前深井充填可能面临的各种问题,并探讨了解决对策;同时结合循环经济和绿色开采,提出矿山充填材料选择应向多元化和无害化方向发展,并指出与充填采矿相关的法律制度亟需制定,充填标准亟待建立,充填理论尚需完善。

薄煤层膏体巷旁充填沿空留巷技术研究

为解决某矿薄煤层工作面沿空留巷的问题,对留巷覆岩运动特征以及所需支护阻力进行了理论分析,确定了支护体前期与后期支护阻力计算公式。对膏体胶结充填材料的配比及力学性能进行了实验探究,得到最优的材料配比。针对某矿薄煤层特征,确定了巷旁充填体宽度为1.5m,并优化了充填系统,通过留巷后期矿压监测,预留巷道变形量较小,满足工程应用要求,充填体支护阻力较大,可以保持长期稳定,留巷效果良好。