两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型的构建方法技术

本发明专利技术涉及两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型的构建方法，属于采矿技术领域。本发明专利技术提供的胶结充填体的内聚力计算公式、单轴抗压强度计算公式和抗剪强度计算公式，形成完整的强度计算体系——两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型，全面地计算胶结充填体所需强度。通过本发明专利技术模型得到的胶结充填体强度，不仅能保证胶结充填体的稳定性为二步骤回采提供安全可靠的作业环境，而且按胶结充填体所需强度与高度之间的关系将胶结充填体设计为分层充填可降低水泥耗量，以最小充填成本实现矿产资源安全高效回采，实现矿山无废或低废开采，促进矿山环保，利于控制矿山灾害。

The construction method of the two steps of open stope filling volume filling strength model

【技术实现步骤摘要】
两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型的构建方法
本专利技术属于采矿
，具体涉及两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型的构建方法。
技术介绍
作为是生产链条最前端的基础工业，矿产资源开采和利用不仅为人类建设提供所需材料，而且为国民经济和社会的发展提供了保障。随着人类社会快速发展，矿产品需求量迅速增加，在采矿活动带来的巨大经济利益面前，忽略了矿产资源开发和环境保护协调发展的理念。以致固体废料堆存占用大量土地，造成生态环境恶化；“采富弃贫”粗放的开采模式，浪费大量宝贵矿产资源；空区处理不及时引发地面塌陷等地质灾害。随着采矿活动带来的负面问题日趋严重，社会各界呼吁矿产资源开发和利用要走可持续发展和环境保护之路。矿山充填能较好地解决采矿活动带来的负面问题。传统的采矿模式为简单的资源开采和废物抛弃，这是环境问题的根源，而矿山充填能实现采矿活动中各生产环节的衔接。通过充填，能最大限度的回采矿产资源和保护远景资源，实现“采富保贫、贫富兼顾”；将采矿和选矿产生的废尾，通过矿山充填将固体废料转变为充填原料，实现固体废料零排放或少排放以保护生态环境、消除采空区带来的地质灾害。特别是在深部，充填采矿法在控制采场地压、维护采场稳定等方面具有重要的作用。因此，充填采矿法得到越来越广泛的应用，其工艺技术水平和相应的理论研究也得到迅速的发展，在此过程中充填体力学也逐渐形成为岩石力学下一门独立的分支学科。1975年加拿大Levock矿实验并成功应用垂直深孔球状药包落矿阶段矿房法，即VerticalCraterRetreat(简称VCR)。随着开采工艺和技术的创新，实现了空场法与充填法的结合，即阶段空场嗣后充填采矿法，并逐渐往“高阶段、大盘区、机械化”方向发展。该法将矿房、矿柱和采空区处理作为一个整体予以考虑，有步骤的全面回采，利用充填体的支撑作用，最大限度地保证矿山生产安全，同时便于回收矿柱和减少矿石损失，将矿山生产中的废石、尾砂等充填到采空区中，可减少对地面环境的影响。由于可满足矿石回采率和保护地表环境两方面的要求，该法在很多矿山得到了成功应用。阶段空场嗣后充填体采矿法属于阶段矿房法和充填体法联合开采的方法，该法在阶段上将矿体划分为一步矿房(矿柱)和二步矿房，先采一步矿房(矿柱)，待出矿结束后对回采形成的空区进行胶结充填，形成胶结人工矿柱。以胶结人工矿柱为支护，为二步回采提供安全可靠的作业环境，二步矿房回采结束后对回采形成的空间进行充填，为节约充填成本，一般采用非胶结充填。分两步骤回采的目的在于：(1)实现非相邻多个采场同时回采，提高采区的生产能力；(2)胶结充填体服务的两侧矿房先后回采，增加胶结充填体的养护时间，确保胶结充填体强度；(3)二步矿房采用非胶结充填，可有效降低充填成本。回采一步矿房形成的胶结充填体在盘区回采过程中起到人工矿柱的作用，因此胶结充填体必须有足够的强度保持自身的稳定性，在此基础上维护采空区的稳定，以达到安全回采相邻矿房的目的。胶结充填体所需的强度是指回采相邻矿房时，能够具有一定的自立高度和暴露面积并处于稳定状态下胶结充填体的最低强度。所谓自立高度是指在该充填体的相邻矿房回采完毕和充填结束前，充填体不发生大规模破坏所允许的最大暴露高度。胶结充填体的强度设计应当基于充填体在采空区所起的力学作用来考虑，这是公认的设计准则。同时必须考虑胶结充填的结构尺寸、胶结充填体与围岩之间的相互作用、胶结充填体充填体自身的强度特性以及所受外力。阶段空场嗣后充填采矿法中胶结充填体具有以下特点：(1)该法阶段高度高，矿房跨度大，有时为了节约充填成本充填体宽度设计较窄，形成了胶结充填体结构尺寸“高、窄、长”以及暴露面积大等特点。(2)由回采顺序可知胶结充填体在阶段回采过程中暴露次数多达2-4次，同时矿房一次爆破量大，出矿时间较长，使得胶结充填体暴露时间较长。(3)胶结充填体一侧暴露、一侧为非胶结尾砂充填体，承载自身重力的情况下，还需承载非胶结尾砂的主动压力，受力状态复杂。大量研究表明：胶结充填体暴露高度越大、长度越长、宽度越窄、暴露面积越大，所需强度越大；胶结充填体暴露次数越多、暴露时间越长，所需强度越大；胶结充填体受力越复杂，确定胶结充填体所需强度的方法越复杂。因此，科学合理设计地胶结充填体强度是使用阶段空场嗣后充填采矿法的关键之一，不仅能保证胶结充填体稳定，而且将有效降低水泥耗量。目前由于对结构特殊、暴露次数多、暴露时间长、受力复杂的胶结充填体力学机理和强度设计理论缺乏系统的研究，阶段空场嗣后充填体法胶结充填体强度设计大多采用经验类比法和经验法，由于使用简单，所以应用较为广泛。但是上述两种方法主观性较强、科学性不足，往往难以科学合理地设计胶结充填体强度。因此在实际生产中常出现设计强度值偏高或偏低的情况。设计强度高，虽然确保了胶结充填体的稳定性，却增大了水泥耗量。设计强度低，虽然降低了水泥耗量，却不能保证胶结充填体的稳定性。安庆铜矿深部矿体采用阶段空场嗣后充填采矿法，先采一步矿房，用胶结尾砂充填；后采二步矿房，用非胶结尾砂充填。采场结构参数为(一步矿房和二步矿房相同)为：长40-60m、宽15m、高110-120m。二步矿房回采过程中，胶结充填体垂直暴露高度120m，侧向暴露面积达5000-6000㎡；当胶结充填体一侧矿房充填(非胶结尾砂)结束、另一侧回采形成空区时，胶结充填体极易在尾砂侧向压力的作用下向空区一侧倒塌。因此，胶结充填体的稳定性直接关系着采区能否顺利回采，是安庆铜矿持续稳产、高产的保证。保证胶结充填体稳定性需解决以下三个问题：(1)确定胶结充填体的力学作用机理；(2)如何确定胶结充填体强度；(3)充填材料确定的前提下，什么样的配比能达到强度要求。安庆铜矿在二步矿房回采工业试验期间进行胶结充填体应力监测试验得到大量的监测数据，并进行室内模拟试验和有限元分析，综合监测结果和有限元分析结果，得到以下结论：(1)胶结尾砂或非胶结尾砂的充入，并不能改变围岩及未采矿房内的应力场，但可在一定程度上抑制围岩及未采矿房次生扰动应力场下塑性区及位移的发展，从而改善围岩、未采矿房和胶结充填体的稳定性。(2)高阶段胶结充填体所需强度与暴露高度、宽度、长度、内摩擦角之间的关系，可采用半经验公式描述。在安庆铜矿的地质、矿体几何条件下，即使胶结充填体在单侧临空另一侧有尾砂充填体的侧向力作用下，也可自立。式中：σ—胶结充填体单轴抗压强度要求，Mpa；ρ—胶结充填体容重，t/m3；—胶结充填体内摩擦角；H—胶结充填最大自立高度，m；L—胶结充填体长度；m；B—胶结充填体宽度，m。通过总结安庆铜矿胶结充填体稳定性的有限元分析结果以及现场监测的结果，确定了阶段空场嗣后充填采矿法中胶结充填体的力学作用机理，并提出了用于计算胶结充填体所需强度的半经验公式。分析该式可知，其优点在于：(1)充分考虑了胶结充填体结构尺寸，包括胶结充填体垂直暴露高度、暴露长度和胶结充填与围岩之间的接触宽度，且结构尺寸与胶结充填体所需强度之间的关系符合理论实际，胶结充填体所需强度随暴露高度的增大而增大、随长度的增大而增大、随宽度的增大而减小。(2)考虑了胶结充填体强度特性，即胶结充填体内摩擦角。式(1)为半经验公式，并未完全考虑影响胶结充填体所需强度的因素。分析式(本文档来自技高网...

【技术保护点】
两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)，将采场顶板平衡拱冒落区域以及采场围岩片帮区域视为与胶结充填体相互作用的力学范围，同时，将作用于胶结充填体顶部松散岩体的重力设为等于矩形岩柱CDIG的重力，则得到作用于胶结充填体顶部松散岩体的重力G1＝γ1b1WL；其中，γ1—胶结充填体顶部松散岩体容重，MN/m

【技术特征摘要】
1.两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)，将采场顶板平衡拱冒落区域以及采场围岩片帮区域视为与胶结充填体相互作用的力学范围，同时，将作用于胶结充填体顶部松散岩体的重力设为等于矩形岩柱CDIG的重力，则得到作用于胶结充填体顶部松散岩体的重力G1＝γ1b1WL；其中，γ1—胶结充填体顶部松散岩体容重，MN/m3；b1为自然平衡拱高度，m；W—胶结充填体与围岩之间的接触尺寸，m；L—胶结充填体与水砂充填体的接触尺寸，m；步骤(2)，在侧帮发生滑移岩体的极限平衡状态下，胶结充填体对侧帮围岩的水平阻力N与侧帮围岩对胶结充填体的作用力NS为一对平衡力，则可得到极限平衡状态下N和NS的值：其中，γ2—采场侧帮围岩容重，MN/m3；H—胶结充填体的高度，m；γ1—胶结充填体顶部松散岩体容重，MN/m3；W—胶结充填体与围岩之间的接触尺寸，m；为侧帮围岩的内摩擦角，°；b1为自然平衡拱高度，m；步骤(3)，非胶结尾砂在采场内完成脱水后，将其看作是松散介质，设尾砂的内聚力为零，同时假设尾砂与胶结充填体接触面上的单元体在σ1砂和σ3砂应力条件下处于极限平衡状态，其中，σ1砂为单元体上覆尾砂的重量，σ3砂为非胶结尾砂对胶结充填体的侧向压力；则分级尾砂对胶结充填体侧压力的合力F为：其中，—非胶结尾砂的内摩擦角，°；L—胶结充填体与水砂充填体的接触尺寸，m；γh砂—尾砂容重随高度变化的函数，MN/m3；H—胶结充填体的高度，m；步骤(4)，两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型包括胶结充填体内聚力模型、胶结充填体单轴抗压强度模型和胶结充填体抗剪强度模型；具体构建方法如下：设胶结...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，李广涛，乔登攀，孙宏生，张希，廖庆永，唐锐，陈平，季现伟，
申请(专利权)人：玉溪矿业有限公司，昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53