充填采矿法胶结充填体力学作用分析-矿业114网 
首页 >> 文献频道 >> 矿业论文 >> 正文
充填采矿法胶结充填体力学作用分析
2011-08-08
结合某矿山应用胶结充填采矿法的试验,测试胶结充填体的力学参数,采用数值模拟方法研究胶结充填体的受力情 况和变形特征。结果表明:尾砂胶结充填体,具有独特的支护特性和力学特征、良好的可塑性和较高的残余强度;尾砂胶结充填体 受动态载荷作用的动态强度、动态弹性模量均高于受静态载荷的静态值;胶结充填体的支护作用是对围岩的限制和与围岩的共同 承载。
第 2 56 卷 第 3 期 0 0 4 年 8 月 有 色 金 属     A uVguosl1t 5 6 2, 0No0134     Nonferrous Metals  充 填 采 矿 法 胶 结 充 填 体 力 学 作 用 分 析 1 1 2 王 吉力 ,郑 怀 昌 ,陈 小 平 ( 11 山 东 理 工 大 学 ,山 东 淄 博 255049 ;21 西 北 矿 冶 研 究 院 ,甘 肃 白 银 730900)   摘 要 :结 合 某 矿 山 应 用 胶 结 充 填 采 矿 法 的 试 验 ,测 试 胶 结 充 填 体 的 力 学 参 数 ,采 用 数 值 模 拟 方 法 研 究 胶 结 充 填 体 的 受 力 情 况 和 变 形 特 征 。 结 果 表 明 :尾 砂 胶 结 充 填 体 ,具 有 独 特 的 支 护 特 性 和 力 学 特 征 、良 好 的 可 塑 性 和 较 高 的 残 余 强 度 ;尾 砂 胶 结 充 填 体 受 动 态 载 荷 作 用 的 动 态 强 度 、动 态 弹 性 模 量 均 高 于 受 静 态 载 荷 的 静 态 值 ;胶 结 充 填 体 的 支 护 作 用 是 对 围 岩 的 限 制 和 与 围 岩 的 共 同 承 载 。 关 键 词 :采 矿 工 程 ;胶 结 充 填 体 ;数 值 模 拟 ;变 形 特 征 ;受 力 分 析 中 图 分 类 号 :TD8531343 ; TD323 ; TD32513 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1001 - 0211 (2004) 03 - 0109 - 04   随 着 采 矿 工 业 的 发 展 ,矿 井 开 采 深 度 不 断 增 加 , 填 支 护 材 料 。 它 的 支 护 作 用 既 不 同 于 钢 、木 支 架 ,也 不 同 于 锚 杆 支 护 ,具 有 独 特 的 支 护 特 性 和 力 学 特 征 。 [ 1 ] 地 压 控 制 问 题 越 来 越 突 出 ,矿 石 资 源 的 充 分 回 收 # 和 矿 山 环 保 等 问 题 也 越 来 越 引 起 重 视 。 充 填 采 矿 法 可 有 效 地 解 决 上 述 问 题 ,其 优 越 性 已 被 普 遍 认 识 和 接 受 。 充 填 体 力 学 研 究 开 展 比 较 广 泛 ,如 胶 结 充 填 体 的 力 学 特 征 ,胶 结 充 填 体 的 力 学 作 用 、支 撑 机 理 和 破 坏 机 理 ,开 采 过 程 中 对 围 岩 变 形 的 控 制 作 用 等 。 结 合 某 矿 山 高 分 段 胶 结 充 填 采 矿 法 研 究 、高 水 速 凝 尾 砂 胶 结 充 填 试 验 和 现 场 实 际 观 测 结 果 ,就 充 填 体 的 力 学 特 征 、充 填 体 的 支 护 作 用 机 理 以 及 充 填 体 对 围 岩 变 形 的 控 制 作 用 进 行 分 析 探 讨 。 表 1~ 3 为 采 用 铜 矿 选 厂 分 级 尾 砂 和 425 普 通 硅 酸 盐 水 泥 ,以 不 同 的 砂 浆 浓 度 、灰 砂 比 和 龄 期 在 试 验 室 [ 2 ] 测 试 的 普 通 水 泥 尾 砂 胶 结 充 填 体 的 力 学 参 数 [ ,表 3 ] 4 为 高 水 速 凝 尾 砂 胶 结 充 填 体 的 试 验 数 据 。 表 1 普 通 水 泥 尾 砂 胶 结 充 填 体 单 轴 极 限 抗 压 强 度 Table 1 UCS strength for tailings cemented by Portland cement 浓 度 水 灰 比 抗 压 强 度 / MPa / % 3d 7d 28d 90d 180d 5105 2174 0196 6 6 6 5 5 5 1 :4 1 :6 1 :8 0165 0124 0123 1169 0165 0147 2181 0197 0172 4119 1157 0180 1 胶 结 充 填 体 力 学 参 数 尾 砂 胶 结 充 填 体 是 一 种 低 强 度 、 非 刚 性 采 场 充 表 2 普 通 水 泥 尾 砂 胶 结 充 填 体 力 学 参 数 Table 2 Mechanics parameters of tailings cemented by Portland cement 浓 度 水 灰 龄 期 / d σ C / MPa Ec/ MPa 动 态 μ Φ / (°) C/ MPa / % 5 比 静 态 动 态 静 态 静 态 动 态 静 态 动 态 静 态 动 态 6 6 1 :4 1 :8 28 21814 01717 41621 11040 5412 1911 6617 2510 0117 0115 0115 0120 3010 2119 / / 01813 01243 / / 5 28   注 : μ , C ,Φ 值 为 三 轴 剪 切 数 据 。 表 3 普 通 水 泥 尾 砂 胶 结 充 填 体 静 态 抗 压 强 度 特 征 点 数 据 Table 3 Characteristic data of static compressive strength of tailings cemented by Portland cement 灰 砂 比 龄 期 / d 28 砂 浆 浓 度 / % 压 密 限 σ s 弹 性 限 σ E 峰 值 σ M 残 余 强 度 σ R σ s/σ M/ % 18 σ E/σ M/ % σ R/σ M/ % 1 1 :4 :8 65 65 0161 0112 2169 0158 3142 0179 2158 0164 79 73 75 81 28 15 收 稿 日 期 :2003 - 10 - 19 作 者 简 介 :王 吉力 (1962 - ) ,男 ,湖 南 安 化 县 人 ,教 授 ,主 要 从 事 采 矿 工 艺 及 环 境 工 程 研 究 。 1 10 有 色 金 属 第 56 卷 表 4 高 水 速 凝 尾 砂 胶 结 充 填 体 单 轴 极 限 抗 压 强 度 验 结 果 反 映 了 普 通 水 泥 尾 砂 胶 结 充 填 体 特 征 :胶 结 充 填 体 受 动 态 载 荷 作 用 的 动 态 强 度 值 高 于 静 态 值 , 动 态 强 度 / 静 态 强 度 = 1145~ 1164 ,并 且 强 度 越 高 比 值 越 大 ;在 动 态 载 荷 作 用 下 ,同 一 配 比 的 充 填 体 动 态 弹 性 模 量 比 静 态 时 有 显 著 提 高 ;充 填 体 的 泊 松 比 在 动 态 和 静 态 时 基 本 上 相 同 。 Table 4 UCS Strength for rapid curing tailings rich in water 抗 压 强 度 / MPa 浓 度 / % 灰 砂 比 水 灰 比 1 d 3d 7d 28d 5128 4127 3145 6 6 6 5 5 5 1 :6 1 :8 211 :1 218 :1 315 :1 4137 2199 2191 4195 3125 2199 5118 3152 3108 1 :10 3 胶 结 充 填 体 的 支 护 作 用 机 理 分 析 2 胶 结 充 填 体 变 形 特 征 胶 结 充 填 体 的 支 护 作 用 ,主 要 在 于 对 围 岩 的 限 普 通 水 泥 尾 砂 胶 结 充 填 体 和 高 水 速 凝 尾 砂 胶 结 制 作 用 和 与 围 岩 的 共 同 作 用 。 即 一 方 面 充 填 体 以 对 松 脱 岩 块 的 滑 移 施 加 侧 压 、支 撑 破 碎 围 岩 、限 制 空 区 围 岩 移 动 等 多 种 方 式 来 阻 止 和 限 制 围 岩 发 生 变 形 和 位 移 ,达 到 对 围 岩 的 限 制 作 用 ;另 一 方 面 ,充 填 体 与 围 岩 按 变 形 协 调 理 论 共 同 承 担 载 荷 ,改 善 采 场 周 围 岩 体 的 应 力 分 布 和 状 态 ,提 高 围 岩 自 身 的 承 载 能 力 , 共 同 维 护 采 场 的 稳 定 。 结 合 某 矿 山 高 分 段 胶 结 充 填 采 矿 法 试 验 结 果 ,分 析 充 填 体 的 受 力 情 况 与 充 填 体 对 围 岩 变 形 的 控 制 作 用 。 充 填 体 的 应 力 - 应 变 曲 线 分 别 如 图 1 和 图 2 所 示 。 胶 结 充 填 体 的 应 力 - 应 变 曲 线 表 明 ,胶 结 充 填 体 具 有 独 特 的 塑 性 变 形 和 残 余 强 度 的 支 护 特 性 。 因 为 充 填 体 固 结 后 ,内 部 留 有 较 多 的 孔 隙 ,在 外 载 荷 作 用 下 ,固 体 颗 粒 相 互 压 缩 ,使 孔 隙 闭 合 ,压 缩 密 实 ,继 而 进 入 弹 性 变 形 和 塑 性 变 形 阶 段 。 当 外 载 荷 继 续 增 加 时 ,充 填 体 并 没 有 立 即 发 生 崩 解 和 脆 性 破 坏 ,而 是 只 在 外 部 产 生 塑 性 破 坏 ,出 现 较 大 的 位 移 ,内 部 仍 保 持 弹 性 变 形 ,呈 现 出 明 显 的 残 余 强 度 。 3 11   胶 结 充 填 体 受 力 分 析 根 据 试 验 采 场 的 回 采 顺 序 ,应 用 数 值 模 拟 计 算 分 析 了 充 填 体 的 受 力 情 况 。 # 模 拟 计 算 结 果 表 明 :同 一 部 位 的 充 填 体 (指 Ⅰ 分 条 充 填 体 ) ,在 上 部 分 条 与 侧 面 分 条 进 行 回 采 时 受 力 是 不 同 的 。 充 填 体 承 受 的 水 平 压 应 力 以 上 部 分 条 # # ( Ⅱ 分 条 ) 回 采 时 最 大 ,垂 直 应 力 以 侧 面 分 条 ( Ⅲ 分 条 ) 回 采 时 最 大 。 # 当 Ⅰ 回 采 分 条 空 间 形 成 后 ,根 据 采 场 稳 定 性 分 析 ,其 顶 板 和 两 帮 均 处 于 稳 定 状 态 。 因 此 ,充 填 后 ,新 的 空 间 形 成 之 前 ,充 填 体 不 受 外 力 作 用 ,只 承 受 自 身 的 重 力 。 图 1普 通 水 泥 尾 砂 胶 结 充 填 体 应 力 - 应 变 曲 线 Fig11   Stress vs strain for tailings cemented by Portland cement # # Ⅱ 回 采 分 条 回 采 时 ,则 在 Ⅰ 充 填 体 上 部 形 成 # 新 的 开 挖 空 间 ,此 时 Ⅰ 分 条 充 填 体 的 水 平 应 力 最 大 , σ = 0183MPa , 而 垂 直 应 力 比 较 小 , 只 有 x 0 144MPa。 但 在 Ⅱ 分 条 空 间 充 填 完 毕 , Ⅲ 分 条 形 成 空 # # # 间 ,则 在 水 平 方 向 解 除 了 Ⅰ 分 条 充 填 体 一 部 分 水 平 压 应 力 ,使 其 水 平 应 力 降 低 (σ 使 充 填 体 承 受 的 垂 直 应 力 增 加 ,达 到 最 大 值 ,σ 106MPa。 模 拟 计 算 还 表 明 ,二 步 回 采 时 充 填 体 受 力 均 较 小 ,最 大 水 平 应 力 为 σ = 0117MPa , 最 大 铅 垂 应 力 也 只 有 σ = 0118MPa。 = 0132MPa) , 并 x y = 1 图 2高 水 速 凝 尾 砂 胶 结 充 填 体 应 力 - 应 变 曲 线 Fig12   Stress vs strain for rapid curing tailings rich in water x y   尾 砂 胶 结 充 填 体 的 动 态 力 学 特 征 主 要 表 征 其 承 3 12   充 填 体 对 围 岩 变 形 的 控 制 作 用 在 试 验 过 程 中 , 为 了 解 充 填 体 控 制 岩 壁 变 形 的 受 采 场 回 采 爆 破 引 起 的 动 态 载 荷 的 能 力 (表 2) 。 试 第 3 期 王 吉力 :充 填 采 矿 法 胶 结 充 填 体 力 学 作 用 分 析 111 # # 作 用 , 采 用 钢 弦 压 力 盒 和 电 阻 式 位 移 计 观 测 了 充 填 定 。 Ⅱ 分 条 回 采 ,即 在 Ⅰ 分 条 充 填 体 上 部 形 成 新 体 与 岩 壁 之 间 的 作 用 和 岩 壁 对 充 填 体 产 生 的 位 移 的 开 挖 空 间 ,采 场 周 围 岩 体 内 的 应 力 重 新 分 布 ,使 # ( 观 测 仪 器 在 采 场 崩 矿 后 维 护 采 场 两 帮 时 安 装 并 开 始 Ⅰ 分 条 充 填 体 与 岩 体 形 成 不 同 介 质 的 整 体 承 受 载 观 测 ) , 各 个 回 采 时 期 的 观 测 结 果 详 见 图 3 和 图 4。 荷 。 此 时 充 填 体 承 受 岩 壁 的 水 平 压 力 为 1139MPa。 充 填 体 不 能 改 变 先 开 挖 、后 充 填 的 空 间 应 力 分 布 ,但 能 改 变 充 填 完 毕 后 新 开 挖 空 间 的 应 力 分 布 ,这 # 是 充 填 体 的 力 学 作 用 特 点 之 一 。 对 于 Ⅰ 分 条 充 填 # 体 ,在 Ⅱ 分 条 回 采 时 起 上 述 力 学 作 用 。 现 场 情 况 # # 和 Ⅱ 空 间 岩 壁 位 移 实 测 结 果 表 明 , Ⅱ 分 条 空 间 岩 壁 也 是 稳 定 的 ,其 最 大 位 移 量 只 有 819mm。 假 设 充 填 体 对 围 岩 无 任 何 约 束 作 用 ,则 可 能 会 出 现 相 反 的 结 论 。 3 1213   让 压 于 上 、下 盘 围 岩 ,保 证 二 步 回 采 顺 利 进 行 。 尾 砂 胶 结 充 填 体 具 有 独 特 的 塑 性 变 形 和 支 护 特 图 3 胶 结 充 填 采 场 岩 壁 位 移 随 时 间 变 化 关 系 Fig13   Rock wall displacement variation for cemented filling stope 性 。 当 它 一 侧 承 受 载 荷 ,则 会 产 生 弹 性 区 、塑 性 区 # ( 或 者 破 坏 区 ) 分 区 变 形 的 情 况 。 Ⅲ 回 采 分 条 形 成 # 采 空 区 , Ⅰ 充 填 体 则 处 于 一 侧 承 载 状 态 。 经 观 测 , 充 填 体 受 岩 壁 水 平 方 向 的 载 荷 为 0161MPa ,产 生 9 103mm 位 移 (因 为 岩 壁 向 充 填 体 方 向 产 生 的 位 移 也 就 是 充 填 体 让 压 变 形 的 位 移 ) 。 而 充 填 体 临 空 面 向 外 的 位 移 为 412~ 715mm ,充 填 体 保 持 稳 定 ,形 成 了 高 13m、长 25~ 30m 的 充 填 体 帮 壁 。 3 1214 充 填 体 对 整 个 作 业 区 稳 定 也 起 着 明 显 的 作 用 。 分 析 试 验 采 场 上 下 盘 围 岩 应 力 分 布 状 态 可 以 看 出 ,由 于 一 步 回 采 充 填 体 的 存 在 及 按 变 形 协 调 理 论 承 受 一 部 分 载 荷 ,使 上 、下 盘 围 岩 应 力 值 增 大 。 同 时 在 下 盘 二 步 回 采 分 条 形 成 应 力 降 低 区 (最 大 主 应 力 比 原 岩 应 力 降 低 2145 倍 ) ,使 二 步 回 采 分 条 空 间 很 容 易 地 处 于 稳 定 状 态 。 这 说 明 ,具 有 一 定 刚 度 的 充 填 体 能 够 调 整 周 围 矿 岩 的 二 次 应 力 分 布 ,加 上 合 理 回 采 顺 序 ,可 在 采 场 形 成 一 定 范 围 的 应 力 降 低 区 ,使 其 应 力 让 压 于 距 充 填 体 较 远 的 上 、下 盘 围 岩 。 图 4 胶 结 充 填 采 场 岩 壁 压 力 随 时 间 变 化 关 系 Fig14   Rock wall pressure change for cemented filling stope 3 1211   充 填 体 主 动 对 采 场 岩 壁 施 加 压 力 ,阻 止 松 脱 # 岩 层 片 落 。 从 Ⅰ 分 条 空 间 (未 充 填 ) 观 测 结 果 发 现 ,岩 壁 向 空 区 内 的 位 移 随 空 间 暴 露 时 间 延 长 而 增 加 。 这 是 因 为 采 场 回 采 爆 破 对 岩 壁 产 生 的 松 脱 层 的 位 移 (类 似 于 巷 道 掘 进 时 的 松 动 圈 ) 随 暴 露 时 间 增 长 而 增 加 的 结 果 。 如 果 形 成 的 采 空 区 不 进 行 充 填 ,那 么 松 脱 层 会 随 暴 露 时 间 延 长 及 外 部 条 件 (如 其 他 地 点 爆 破 产 生 的 震 动 、风 化 、地 下 水 等 ) 的 影 响 产 生 片 落 。 分 条 空 间 充 填 后 ,采 场 岩 壁 向 外 位 移 从 415mm 降 到 - 0188mm , 充 填 体 与 岩 壁 之 间 压 力 只 有 4 结 论 ( 1) 尾 砂 胶 结 充 填 体 ,具 有 独 特 的 支 护 特 性 和 力 学 特 征 、良 好 的 可 塑 性 和 较 高 的 残 余 强 度 。 2) 尾 砂 胶 结 充 填 体 受 动 态 载 荷 作 用 的 动 态 强 度 、动 态 弹 性 模 量 均 高 于 受 静 态 载 荷 的 静 态 值 。 3) 胶 结 充 填 体 的 支 护 作 用 ,主 要 是 对 围 岩 的 限 ( 0 1037MPa。 据 分 析 ,这 是 由 于 充 填 体 的 自 重 作 用 , ( 主 动 对 松 脱 层 施 加 压 力 ,使 岩 壁 松 脱 层 之 中 的 裂 隙 自 然 闭 合 ,表 面 位 移 向 岩 体 内 收 缩 ,从 而 有 效 地 阻 止 了 上 盘 岩 体 向 采 空 区 方 向 移 动 。 制 作 用 和 与 围 岩 的 共 同 作 用 。 即 一 方 面 阻 止 和 限 制 围 岩 发 生 变 形 和 位 移 ,另 一 方 面 又 与 围 岩 共 同 承 载 , 提 高 承 载 能 力 ,共 同 维 护 采 场 稳 定 。 3 1212   充 填 体 承 载 ,保 证 上 部 回 采 分 条 空 间 的 稳 (下 转 第 117 页 ,Continued on p. 117) 第 3 期 郭 建 平 :光 应 力 计 监 测 采 空 区 稳 定 性 在 遂 昌 金 矿 的 应 用 117 聚 类 中 心 的 欧 氏 距 离 ,就 可 以 大 致 判 断 岩 体 稳 定 性 的 发 展 趋 势 ,对 于 矿 柱 回 收 及 采 空 区 处 理 具 有 很 强 的 指 导 意 义 。 从 1997 年 至 2002 年 底 ,遂 昌 金 矿 在 光 应 力 计 测 点 网 的 监 测 下 已 安 全 回 收 矿 柱 近 5 万 t , 延 长 了 矿 山 服 务 年 限 ,取 得 了 良 好 的 经 济 和 社 会 效 益 。 参 考 文 献 : [ [ 1 ] 高 磊 1 矿 山 岩 石 力 学 [ M]1 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 1987 : 2721 2 ] 饶 运 章 ,何 益 民 ,高 国 庆 , 等 1 遂 昌 金 矿 残 矿 回 采 及 空 区 处 理 研 究 报 告 [ R]1 江 西 赣 州 : 南 方 冶 金 学 院 , 2001 : 261 Stability Monitoring of Mined2out Area with Photoelastic Stressmeter in Suichang Gold Mine Guo Jian2ping ( Zhejiang S uichang Gold Mine Co1 L td , S uichang 323304 , Zhejiang , China) Abstract In order to direct the remained ore recovery of pillars and treatment of the mined out area , the secondary stress change of ore pillar and wall rock at 420 and above levels in Suichang Gold Mine of Zhejiang Province is monitored by photoelastic stressmeter , and the long2term monitor2site for stability of mined2out area is estab2 lished1 The stability of mined area is divided into three grades based on the monitoring results1 As the results , 5 0kt ores are recovered from pillars until now , remarkably the economic and social benefits are achieved1 Keywords : mining engineering ; stability monitoring ; photoelastic stressmeter ; mined2out area ; secondary stress ( 上 接 第 111 页 ,Continued from p. 111) 参 考 文 献 : [ [ [ 1 ] 蔡 嗣 经 1 矿 山 充 填 力 学 基 础 [ M]1 北 京 : 冶 金 工 业 版 社 , 1964 : 61 2 ] 谢 明 军 1 白 银 公 司 井 下 矿 山 充 填 采 矿 方 法 的 应 用 [J ]1 甘 肃 冶 金 ,2003 ,25(1) : 12 - 151 3 ] 王 吉力 ,王 洪 江 , 陈 小 平 1 高 水 速 凝 废 石 浇 注 充 填 试 验 及 充 填 特 性 [J ]1 有 色 矿 山 , 2003 , 32(3) : 6 - 8 ,271 Mechanical Action on Cemented Filing Body in Cut and Fill Stoping 1 1 2 WA N G Jie , ZHEN G Huai2chang , CHEN Xiao2ping 11 S handong University of Technology , Zibo 255049 , S handong , China; ( 2 1 Northwest Research Institute of Mining and Metallurgy , Baiyin 730900 , Gansu , China) Abstract Based on the experimental results from a mine and the mechanical parameter measurement of the cemented filling body , the stress distribution and deformation behavior of the cemented filling body are investigated by use of the numerical simulation1 It is indicated by the research that the cemented filling body features with distinc2 tive support function and mechanic characteristics , and the excellent plasticity and high remain strength1 The dynamic strength and elastic coefficient for dynamic loading is better than that in static situation1 The support function of the cemented filling body includes restriction to wall rock and load bearing together with wall rock1 Keywords : mining engineering ; cemented filing body ; numerical simulation ; deformation behavior ; stress analysis
  • 中矿传媒与您共建矿业文档分享平台下载改文章所需积分:  5
  • 现在注册会员立即赠送 10 积分


皖公网安备 34050402000107号