一种下向进路充填采矿法接顶层强度模型的构建方法技术

本发明专利技术公开一种下向进路充填采矿法接顶层强度模型的构建方法，属于采矿技术领域，本发明专利技术所述方法通过对进路式充填采矿法接顶层受力状态分析，结合充填体本构模型，建立接顶层力学模型，借助关键块体滑移极限平衡分析，建立下向进路式充填采矿法接顶层充填体的强度模型。本发明专利技术建立的模型科学合理，有针对性的设计接顶层的强度，结合承载层强度设计，可实现对进路精细化分区充填，既满足稳定性要求，又可有效减低充填成本，具有重要的理论研究意义和较高的推广应用价值。究意义和较高的推广应用价值。究意义和较高的推广应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种下向进路充填采矿法接顶层强度模型的构建方法


[0001]本专利技术专利属于采矿
，具体涉及一种下向进路充填采矿法接顶层强度模型的构建方法。

技术介绍

[0002]下向水平分层充填采矿法在深部开采中被广泛使用，其中进路式充填采矿法广泛应用。而随采深、地应力的加大，进路出现片帮问题越来越频繁，严重威胁到井下作业人员的安全。
[0003]确保回采进路充填体稳定保障安全生产一直是采用进路式回采矿山生产的难题之一，大量矿山调查表明，针对采用下向进路式充填采矿法的矿山，由于国内外学者以及矿山技术人员对采场稳定性问题关注点集中在采场的顶板，因此针对承载层充填体的强度设计理论研究比较完善，且强度设计也比较合理，确保了承载层的稳定，使得采场中充填体顶板发生冒落破坏的情况很少。该法成功应用的关键除了确保进路顶板承载层稳定以外，接顶层作为进路回采的直接侧帮，其稳定性同样严重影响进路回采安全。
[0004]目前国内外针对下向进路式充填体强度设计呈现“聚焦于顶(承载层)，忽略侧帮(接顶层)”的现状，导致进路接顶层充填体强度设计理论依据不足。侧帮的强度设计不足导致了侧帮片帮，对进路内作业的人员及设备带来严重的安全风险，同时接顶层发生破坏又会导致进路宽度增大，存在顶板因宽度增大强度不足从而诱发冒落风险，同样存在安全风险。
[0005]为了解决上述问题，本文提出一种下向进路充填采矿法接顶层强度模型的构建方法。

技术实现思路

[0006]为了解决上述的技术问题，本专利技术设计了一种下向进路充填采矿法接顶层强度模型的构建方法，通过对进路式充填采矿法接顶层受力状态分析，结合充填体本构模型，建立接顶层力学模型，借助关键块体滑移极限平衡分析，建立下向进路式充填采矿法接顶层充填体的强度模型。
[0007]为了达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现的：一种下向进路充填采矿法接顶层强度模型的构建方法，其特征在于，具体包含以下步骤：
[0008](1)建立接顶层力学模型。
[0009]接顶层充填体在两侧进路采空的条件下，两侧无侧限约束，其受力状态表现为单轴压缩，接顶层典型破坏模式为剪切滑移引起的片帮，假设接顶层本构关系满足莫尔
‑
库仑准则，接顶层滑移块体主要受上覆均布荷载q、自重G、滑移面下部对块体的支撑力F、滑移面上抗滑阻力τ。其中接顶层上覆均布荷载以及自身重力，方向垂直向下，是造成接顶层发生滑移的主要作用力；滑移面上的抗滑阻力，方向沿滑移面，与块体滑移方向相反，是抵抗块体滑移的主要阻力。
[0010](2)建立接顶层强度模型
[0011]接顶层发生滑移临界失稳的条件为：上覆均布荷载q、自重G、滑移面下部对块体的支撑力F、滑移面上抗滑阻力τ四个力，沿滑移面和垂直于滑移面两个方向受力平衡，平衡条件可用下式表示：
[0012](q+G)cosα＝F(1)
[0013](q+G)sinα＝τ(2)
[0014]式中：q—接顶层上覆均布荷载，MPa；
[0015]G—滑移矿体重力，MPa；
[0016]F—滑移面下部对块体的支撑力，MPa；
[0017]τ—滑移面上抗滑阻力，MPa；
[0018]α—接顶层滑移角，
°
。
[0019]其中接顶层滑移角采用下式计算：
[0020][0021]式中：—为接顶层充填体内摩擦角，
°
。
[0022]滑移块体自重采用下式计算：
[0023]G＝γh(4)
[0024]式中：γ—为接顶层充填体重度，MN/m3；
[0025]h—为接顶层高度，m。
[0026]滑移面上抗滑阻力为接顶层充填体的抗剪强度：
[0027][0028]式中：σ—滑移面上正应力，MPa；
[0029]c—接顶层充填体内聚力，MPa。
[0030]其中滑移面上的正应力，与滑移面下部充填体对上部接顶层滑移块体的支撑力为一对平衡力，则：
[0031]σ＝F＝(q+G)cosα(6)
[0032]将式(6)代入式(5)得到：
[0033][0034]块体保持稳定的条件为，滑移面上抗滑阻力具有抵抗下滑力对块体稳定性的影响，即接顶层抗剪强度不得小于下滑力，则：
[0035](q+G)sinα≤τ(8)
[0036]将式(7)代入式(8)可得：
[0037][0038]接顶层服务相邻进路回采时，爆破震动会增大下滑力的影响，同时接顶层充填，料浆离析会对接顶层强度造成不良影响。因此根据接顶层保持稳定的条件，考虑一定的安全系数，便可建立接顶层的强度模型。
[0039][0040]式中：f1—爆破震动系数，取1.1；
[0041]f2—安全系数，取1.2。
[0042]本专利技术的有益效果是：
[0043](1)本专利技术所述方法可精确分析接顶层服务进路回采过程中应力分布状态，可为接顶层强度设计提供理论依据。
[0044](2)本专利技术所述方法以满足接顶层作为进路侧帮服务进路回保持稳定为前提条件，构建接顶层强度设计模型。
[0045](3)本专利技术所述方法设计的接顶层强度，与承载层强度设计有明显区别，对于进路实现精细化分区充填具有重要意义，既满足进路安全生产的要求，又可有效控制进路充填成本。
附图说明
[0046]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0047]图1是本专利技术的工艺流程图；
[0048]图2是本专利技术的下向进路充填体力学结构图；
[0049]图3是本专利技术的接顶层关键块体滑移示意图；
[0050]图4是本专利技术的接顶层滑移块体力学模型；
具体实施方式
[0051]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0052]实施例1
[0053]如图1至图4所示，在本实施例中因为在现实工作中，专利技术人发现目前国内外针对下向进路式充填体强度设计呈现“聚焦于顶(承载层)，忽略侧帮(接顶层)”的现状，导致进路接顶层充填体强度设计理论依据不足。如简支梁理论、连续梁理论、薄板理论、厚板理论、可靠度理论、嵌固梁理论均只能分析承载层保持稳定的应力状态，确定承载层的强度。与承载层作为进路直接顶板不同，接顶层作为进路回采的直接侧帮，需要满足进路回采时侧帮不垮塌的要求，两者力学作用不同，设计方法必然不同，国内外研究成果中均未找到相关报道。当然若采用承载层的设计方法设计接顶层的强度，强度设计值过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种下向进路充填采矿法接顶层强度模型的构建方法，其特征在于，具体包含以下步骤：Step1、建立接顶层力学模型：根据下向进路式充填采矿法回采工艺，确定接顶层服务矿体回采过程中的力学功能，并分析影响接顶层稳定的外力以及内力，得知接顶层滑移块体主要受上覆均布荷载、自身重力、滑移面下部对块体的支撑力、滑移面上抗滑阻力四个方面力的作用；根据接顶层受力状态以及接顶层的本构关系，分析各不同属性作用力与强度特性之间的关系，得知造成接顶层块体滑移的力为块体上覆均布荷载以及自身重力，方向垂直向下，抵抗块体滑移的力为抗滑阻力，方向沿滑移面；以上述建立接顶层的力学模型；Step2、建立接顶层强度模型：根据Step1，确定接顶层极限平衡状态，以接顶层强度抵抗外力作用保持稳定为基本条件，建立接顶层强度模型：其中接顶层极限平衡状态，可采用下式表示：式中：q—接顶层上覆均布荷载，MPa；G—接顶层滑移块体重力，MPa—接顶层内摩擦角，
°
；c—接顶层内聚力，MPa；α—接顶层滑移角，
°
；接顶层强度模型，可采用下式表示：式中：f1—考虑爆破震动对接顶层强度影响的安全系数；f2—考虑充填料浆不均匀对接顶层强度影响的安全系数。2.根据权利要求1所述一种下向进路充填采矿法接顶层强度模型的构建方法，其特征在于：所述Step1中建立的接顶层的力学模型为：接顶层充填体在两侧进路采空的条件下，两侧无侧限约束，其受力状态表现为单轴压缩；接顶层典型破坏模式为剪切滑移引起的片帮；假设接顶层本构关系满足莫尔
‑
库仑准则，接顶层滑移块体主要受上覆均布荷载q、自重G、滑移面下部对块体的支撑力F、滑移面上抗滑阻力τ；其中接顶层上覆均布荷载以及自身重力，方向垂直向下，是造成接顶层发生滑移的主要作用力；滑移面上的抗滑阻力，方向沿滑移面，与块...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐培良，陈杰，王俊，乔登攀，李广涛，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：