金川二礦區(qū)下向分層采礦充填體力學(xué)行為及其作用的研究.pdf

1、金川二礦區(qū)是金川集團(tuán)最大的主力礦山，為了在礦巖穩(wěn)固性差且地應(yīng)高的采礦環(huán)境下安全有效回收寶貴資源，二礦區(qū)采用機(jī)械化下向分層水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法開采。多年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，使用該方法開采二礦區(qū)礦體是安全、經(jīng)濟(jì)和高效的。隨著二礦區(qū)開采深度向下延伸，地層中的原巖應(yīng)力呈隨開采深度增加而增大的趨勢(shì)。進(jìn)路膠結(jié)充填體是采礦生產(chǎn)作業(yè)的直接頂板，關(guān)乎人員和設(shè)備安全、企業(yè)效益。然而，在高水平構(gòu)造應(yīng)力條件下，充填體的穩(wěn)定性機(jī)制至今仍缺少深入系統(tǒng)的研究，探索下向

2、分層充填法中充填體的力學(xué)行為及其作用，具有重要意義。
　　 本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，采用理論分析、室內(nèi)材料試驗(yàn)、基于FLAC3D二次開發(fā)的三維力學(xué)數(shù)值分析相結(jié)合的方法，主要根據(jù)金川二礦區(qū)下向分層充填采礦的生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)充填體力學(xué)行為及其作用進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　 (1)采用結(jié)構(gòu)理論中的三彎矩方程，研究相鄰分層進(jìn)路不同布置條件下，膠結(jié)充填形成的人工假頂結(jié)構(gòu)（注:抽象為連續(xù)梁）中的內(nèi)力（M、FQ）狀態(tài)，得到了相鄰分

3、層進(jìn)路垂直交錯(cuò)布置、相鄰分層進(jìn)路斜交及平行交錯(cuò)布置下，人工假頂結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布狀態(tài)方程，為人工假頂設(shè)計(jì)逐漸由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段向定量設(shè)計(jì)過(guò)渡提供了可能。初步揭示了豎向約束（支座）的變化，對(duì)人工假項(xiàng)內(nèi)力變化產(chǎn)生影響的趨勢(shì);建議設(shè)計(jì)人工假頂時(shí)，應(yīng)采用合理技術(shù)措施，如留中間支座、相鄰進(jìn)路充填體采用抗剪連接，以期消除假項(xiàng)截面中因最大彎矩和最大剪力過(guò)度集中而產(chǎn)生的張拉、剪切失效的隱患。
　　 (2)目前大多數(shù)簡(jiǎn)化充填體模型沒(méi)有考慮帶筋充填體中的材

4、料構(gòu)造，難以適應(yīng)因采動(dòng)影響產(chǎn)生的復(fù)雜加載方式，也無(wú)法客觀反映加載路徑變化產(chǎn)生的影響。針對(duì)這些簡(jiǎn)化模型存在的問(wèn)題，本文根據(jù)金川二礦區(qū)生產(chǎn)實(shí)際，把進(jìn)路充填體的主要力學(xué)作用，歸結(jié)由砂漿固結(jié)后形成的膠結(jié)體和其中的構(gòu)造鋼筋（吊筋和底筋）共同承擔(dān)，率先提出金川二礦區(qū)充填體的基本結(jié)構(gòu)是一種二元結(jié)構(gòu)，也就是，充填體基本結(jié)構(gòu)由砂漿膠結(jié)體連續(xù)介質(zhì)（簡(jiǎn)稱“充填體”）和連續(xù)介質(zhì)中的鋼筋構(gòu)件組成;進(jìn)一步地，根據(jù)充填體內(nèi)鋼筋構(gòu)件主要受拉和受壓的力學(xué)特點(diǎn)，利用FLA

5、C3D中錨索結(jié)構(gòu)單元，對(duì)鋼筋構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)數(shù)值模擬，進(jìn)而建立起更接近于實(shí)際情況的基于二元結(jié)構(gòu)的充填體FLAC3D數(shù)值力學(xué)模型。
　　 (3)利用Google Earth(GE)，通過(guò)在線提取二礦區(qū)周圍地形地表高程的方法，獲得了一定網(wǎng)度的地形三維坐標(biāo)，形成礦山外圍地形圖及模型地表DTM模型。解決了已收集地表地形數(shù)據(jù)范圍不足以覆蓋模型表面的問(wèn)題，為二礦區(qū)大范圍全局建模提供了前提條件。
　　 利用礦業(yè)軟件Surpac建立了金川二

6、礦區(qū)富礦、貧礦、地表等部分的實(shí)體模型、含礦塊體單元數(shù)據(jù)庫(kù)、地表塊體模型及各類約束條件。采用分步建立各部分塊體模型的方法，通過(guò)坐標(biāo)變換、數(shù)據(jù)圓整等措施保證各部分塊體模型銜接部分精確對(duì)接，再將Surpac含礦塊體模型、地表塊體模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化FLAC3D數(shù)據(jù)，加上發(fā)散過(guò)渡部分最終生成FLAC3D力學(xué)模型。克服了直接采用FLAC3D建立復(fù)雜地質(zhì)體模型的困難，為利用FLAC3D程序進(jìn)行礦山生產(chǎn)過(guò)程的力學(xué)仿真奠定了基礎(chǔ)。
　　 (4)應(yīng)用VC

7、++、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、Fish語(yǔ)言和FLAC3D相關(guān)命令集，開發(fā)出FLAC3D力學(xué)仿真程序代碼生成系統(tǒng)(generating code system for FLAC3D，GCS)。該系統(tǒng)按空間、次序、結(jié)構(gòu)功能及工程地質(zhì)體屬性，對(duì)金川二礦區(qū)回采、充填等生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行剖分，形成可編程的組件;著重解決了模型單元質(zhì)心定位、單元捕捉、重組和應(yīng)用程序變量到FLAC3D變量、函數(shù)、語(yǔ)句、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間映射等問(wèn)題;
　　 開發(fā)的GCS應(yīng)用程序，以模型

8、單元數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)源，通過(guò)一系列與用戶交互的界面，由用戶對(duì)回采過(guò)程所需步驟和參數(shù)進(jìn)行選擇和確認(rèn)，并將這些步驟和參數(shù)傳遞給仿真代碼生成系統(tǒng)，由系統(tǒng)自動(dòng)完成FLAC3D力學(xué)仿真代碼的生成，能實(shí)現(xiàn)金川二礦區(qū)生產(chǎn)順序、回采過(guò)程、充填進(jìn)路布置、鋼筋布設(shè)、充填等主要生產(chǎn)過(guò)程的三維力學(xué)仿真。該系統(tǒng)可大大提高編制FLAC3D三維力學(xué)仿真代碼的效率，降低程序編制的出錯(cuò)率。
　　 (5)基于金川二礦區(qū)生產(chǎn)過(guò)程的FLAC3D數(shù)值模擬，對(duì)下向分層充填采礦

9、的采動(dòng)影響下，采空區(qū)中膠結(jié)充填體、臨時(shí)礦柱、近礦圍巖等介質(zhì)的應(yīng)力重新分布特點(diǎn)、位移規(guī)律、地表巖移趨勢(shì)、充填體破壞狀態(tài)、鋼筋受力狀態(tài)變化等因素，以及這些因素之間相互作用的力學(xué)行為，進(jìn)行了系統(tǒng)分析和歸納，獲得結(jié)果初步揭示了維護(hù)金川二礦區(qū)充填體穩(wěn)定性的機(jī)制。
　　 (6)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比研究不同充填材料在布筋和不布筋兩種構(gòu)造下所形成試件的抗折強(qiáng)度，進(jìn)一步對(duì)比研究了有/無(wú)抗剪連接梁拼板試件的抗剪強(qiáng)度，結(jié)果表明:①布筋可明顯提高試件的抗

10、折強(qiáng)度，加筋試件破壞特征更接近于彈塑性材料，而無(wú)配筋試件的破壞特征表現(xiàn)為脆性材料。②同不設(shè)置抗剪連接筋的梁拼板試件相比，在梁拼板試件增設(shè)抗剪連接筋，明顯增加了梁充填體界面之間的抗剪強(qiáng)度;適度施加正壓力，對(duì)梁充填體界面之間的抗剪強(qiáng)度有一定影響。材料試驗(yàn)結(jié)果間接證明:在進(jìn)路充填體中配筋，以及在同一分層相鄰進(jìn)路充填體界面之間增設(shè)抗剪連接筋，對(duì)提高用作人工假頂?shù)某涮铙w強(qiáng)度和穩(wěn)定性，起著積極的重要作用。
　　 本文密切結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)重要技術(shù)難題