CN110083999A - 一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法 - Google Patents

一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，本申请实施例依据滑楔体极限平衡理论、普氏平衡拱理论，综合考虑胶结充填体自身材料特征、一步骤矿房形态与结构尺寸、顶底板围岩与二步骤充填体综合作用、临近采场爆破震动等多因素综合影响，建立一步骤胶结充填体强度数学模型。分析各因素对需求强度的影响，在考虑安全与经济的前提下，确定出合适的需求强度，为类似金属矿山大段高嗣后胶结充填体强度确定提供借鉴。

Description

一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法
技术领域
本申请涉及胶结充填体力学强度技术领域，特别涉及一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法。
背景技术
目前，资源绿色开采技术得到高度重视和飞速发展，充填采矿法具有安全、高效、低成本和环保等明显优势，成为开采中等稳固以上、中厚以上矿体的主体采矿方法。该方法将矿体分为两步骤开采，一步骤回采矿柱，然后利用胶结充填体对形成的空区进行胶结充填，形成具有一定强度和高度的人工矿柱，使人工矿柱起到支撑采矿作业所需空间的作用，二步骤回采矿房，然后进行非胶结充填，充填采矿法可以最大限度地提高资源回采率。
在采矿过程中，稳定的胶结充填体是整个采矿作业的安全保障。但是相关技术无法准确的确定采矿作业中所需胶结充填体的强度，如果在采矿作业中选择较大强度的胶结充填体，会导致胶结充填体的成本过高，直接影响矿山的经济效益；如果选择较小强度的胶结充填体，则不能保证采矿作业的安全性。
因此，如何能准确的确定采矿作业中所需的胶结充填体的强度，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，以解决现有技术中不能准确确定采矿作业中所需的胶结充填体的强度的问题。
本申请提供一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，所述确定方法包括：
获取第一参数和第二参数，所述第一参数包括胶结填充体高度和胶结填充体宽度，所述第二参数包括下盘岩体移动角、上盘岩体移动角、矿体体重、下盘围岩体重、上盘围岩体重、矿体倾角和岩体普氏坚固性系数；
根据所述第一参数和第二参数，确定下盘围岩自重力、下盘围岩顶部松散体自重力、上盘围岩自重力、上盘围岩顶部松散体自重力和胶结充填体顶部松散体自重力；
获取第三参数，所述第三参数包括下盘围岩的内摩擦角、下盘围岩的粘聚力、下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、下盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力、上盘围岩的内摩擦角、上盘围岩的粘聚力、上盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角和上盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力；
根据第三参数、矿体倾角、下盘岩体移动角、下盘围岩自重力、下盘围岩顶部松散体自重力、上盘围岩自重力、上盘围岩顶部松散体自重力、上盘岩体移动角和第一参数，确定胶结充填体受上下盘围岩受力，所述胶结充填体受上下盘围岩受力包括胶结充填体施加于下盘围岩的法向压力和胶结充填体施加于上盘围岩的法向压力；
获取胶结充填体的内摩擦角，根据胶结充填体的内摩擦角，确定胶结充填体滑动角；
获取非胶结充填体内摩擦角，根据非胶结充填体内摩擦角，确定主动土压力系数；
获取第四参数，所述第四参数包括非胶结充填体体重和胶结充填体长度；
根据第四参数、第一参数、胶结充填体滑动角和主动土压力系数，确定非胶结充填体对胶结充填体的水平推力；
获取第五参数，所述第五参数包括爆破震动加速度和胶结充填体体重，根据胶结充填体长度、第一参数、胶结充填体滑动角和第五参数，确定胶结充填体所受爆破震动作用力；
根据胶结充填体长度、第一参数、胶结充填体滑动角和胶结充填体体重，确定胶结充填体自重；
根据胶结充填体滑动角、胶结充填体长度、矿体倾角和第一参数，确定滑动面面积、上下盘接触面在滑动面以上面积、后壁接触面在滑动面以上面积和顶部接触面面积；
获取第六参数，所述第六参数包括滑动面抗滑安全系数顶部平衡拱接触面的粘聚力、后壁非胶结体接触面的粘聚力顶部平衡拱接触面的内摩擦角、后壁非胶结体接触面的内摩擦角；
根据胶结充填体受上下盘围岩受力、胶结充填体顶部松散体自重力、上盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、上盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力、胶结充填体所受爆破震动作用力、胶结充填体自重、非胶结充填体对胶结充填体的水平推力、下盘围岩接触面的粘聚力、第六参数、胶结充填体的内摩擦角、下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、滑动面面积、上下盘接触面在滑动面以上面积、后壁接触面在滑动面以上面积、顶部接触面面积、胶结充填体滑动角和矿体倾角，确定胶结充填体的粘聚力；
根据胶结充填体的粘聚力和胶结充填体的内摩擦角，确定胶结充填体单轴抗压强度。
进一步地，所述根据所述第一参数和第二参数，确定下盘围岩自重力、下盘围岩顶部松散体自重力、上盘围岩自重力、上盘围岩顶部松散体自重力和胶结充填体顶部松散体自重力的公式为：
其中，G1为下盘围岩自重力、G2为下盘围岩顶部松散体自重力、G3为上盘围岩自重力、G4为上盘围岩顶部松散体自重力、G5为胶结充填体顶部松散体自重力、H为胶结填充体高度、W为胶结填充体宽度、θ1为下盘岩体移动角、θ2为上盘岩体移动角、γ为矿体体重、γ1为下盘围岩体重、γ2为上盘围岩体重、β为矿体倾角、f为岩体普氏坚固性系数。
进一步地，所述根据第三参数、矿体倾角、下盘岩体移动角、下盘围岩自重力、下盘围岩顶部松散体自重力、上盘围岩自重力、上盘围岩顶部松散体自重力、上盘岩体移动角和第一参数，确定胶结充填体受上下盘围岩受力的公式为：
其中，N1为胶结充填体施加于下盘围岩的法向压力、N4为胶结充填体施加于上盘围岩的法向压力、G1为下盘围岩自重力、G2为下盘围岩顶部松散体自重力、G3为上盘围岩自重力、G4为上盘围岩顶部松散体自重力、θ2为上盘岩体移动角、β为矿体倾角、θ1为下盘岩体移动角、为下盘围岩的内摩擦角、c1为下盘围岩的粘聚力、为下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、c2为下盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力、为上盘围岩的内摩擦角、c3为上盘围岩的粘聚力、为上盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、c4为上盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力、H为胶结填充体高度、W为胶结填充体宽度。
进一步地，所述根据第四参数、第一参数、胶结充填体滑动角和主动土压力系数，确定非胶结充填体对胶结充填体的水平推力的公式为：
其中，N3’为非胶结充填体对胶结充填体的水平推力、a为胶结充填体滑动角、K为主动土压力系数、H为胶结填充体高度、W为胶结填充体宽度，γ3为非胶结充填体体重、B为胶结充填体长度。
5.根据权利要求1所述的一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，其特征在于，所述根据胶结充填体长度、第一参数、胶结充填体滑动角和第五参数，确定胶结充填体所受爆破震动作用力的公式为：
其中，Nb为胶结充填体所受爆破震动作用力、B为胶结充填体长度、H为胶结填充体高度、W为胶结填充体宽度、a为胶结充填体滑动角、ab为爆破震动加速度和γ4为胶结充填体体重。
进一步地，所述根据胶结充填体长度、第一参数、胶结充填体滑动角和胶结充填体体重，确定胶结充填体自重的公式为：
其中，G6为胶结充填体自重，B为胶结充填体长度、H为胶结填充体高度、W为胶结填充体宽度、a为胶结充填体滑动角、γ4为胶结充填体体重。
进一步地，所述根据胶结充填体滑动角、胶结充填体长度、矿体倾角和第一参数，确定滑动面面积、上下盘接触面在滑动面以上面积、后壁接触面在滑动面以上面积和顶部接触面面积的公式为：
S3＝B(H-Wtana)；
S4＝BW；
其中，S1为滑动面面积、S2为上下盘接触面在滑动面以上面积、S3为后壁接触面在滑动面以上面积、S4为顶部接触面面积、a为胶结充填体滑动角、B为胶结充填体长度、β为矿体倾角、H为胶结填充体高度、W为胶结填充体宽度。
进一步地，所述根据胶结充填体受上下盘围岩受力、胶结充填体顶部松散体自重力、上盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、上盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力、胶结充填体所受爆破震动作用力、胶结充填体自重、非胶结充填体对胶结充填体的水平推力、下盘围岩接触面的粘聚力、第六参数、胶结充填体的内摩擦角、下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、滑动面面积、上下盘接触面在滑动面以上面积、后壁接触面在滑动面以上面积、顶部接触面面积、胶结充填体滑动角和矿体倾角，确定胶结充填体的粘聚力的公式为：
其中，c为胶结充填体的粘聚力，N4’为上盘围岩所受压力的反作用力，N4’＝N4，G5为胶结充填体顶部松散体，Fs为滑动面抗滑安全系数，Nb为胶结充填体所受爆破震动作用力，G6为胶结充填体自重，N3’为非胶结充填体对胶结充填体的水平推力，N2’为下盘围岩所受压力的反作用力，N2’＝N1，c2为下盘围岩接触面的粘聚力，S1为滑动面面积，S2为上下盘接触面在滑动面以上面积、c4为上盘围岩接触面的粘聚力、c5为顶部平衡拱接触面的粘聚力、S4为顶部接触面面积、c6为后壁非胶结体接触面的粘聚力、为上盘围岩接触面的内摩擦角、为顶部平衡拱接触面的内摩擦角、为后壁非胶结体接触面的内摩擦角、S3为后壁接触面在滑动面以上面积、为胶结充填体的内摩擦角、为下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、a为胶结充填体滑动角、β为矿体倾角、 C为辅助角，C＝arctan(tanβ/tana)。
进一步地，所述根据胶结充填体的粘聚力和胶结充填体的内摩擦角，确定胶结充填体单轴抗压强度的公式为：
其中，σc为胶结充填体单轴抗压强度、c为胶结充填体、为胶结充填体的内摩擦角。
进一步地，所述根据非胶结充填体内摩擦角，确定主动土压力系数的公式为：
其中，K为主动土压力系数、为非胶结充填体内摩擦角。
由以上实施例可知，本申请提供的一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，本申请实施例依据滑楔体极限平衡理论、普氏平衡拱理论，综合考虑胶结充填体自身材料特征、一步骤矿房形态与结构尺寸、顶底板围岩与二步骤充填体综合作用、临近采场爆破震动等多因素综合影响，建立一步骤胶结充填体强度数学模型。分析各因素对需求强度的影响，在考虑安全与经济的前提下，确定出合适的需求强度，为类似金属矿山大段高嗣后胶结充填体强度确定提供借鉴。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中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申请的一些实施例，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。
图1为本申请实施例提供的胶结充填体周边环境三维模型；
图2为本申请实施例提供的胶结充填体受力情况的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法的流程图；
图4为本申请实施例提供的胶结充填体长轴方向力学模型；
图5为本申请实施例提供的下盘围岩力学分析模型；
图6为本申请实施例提供的上盘围岩力学分析模型；
图7为本申请实施例提供的胶结充填体侧壁受力分析模型。
具体实施方式
在回采矿柱后，将胶结充填体对回采矿柱后得到的空区进行胶结填充，形成人工矿柱。随后回采矿房，依次对胶结充填体的两侧矿房回采后得到的空区进行非胶结充填。当胶结充填体的一侧矿房对应的空区已经完成非胶结充填，另一侧矿房对应的空区未进行胶结充填时，即胶结充填体的一侧为非胶结充填，另一侧为临空状态，此时为最危险状态，图1为胶结充填体周边环境三维模型。
当二步骤矿房回采结束后，胶结充填体一侧受非胶结充填体挤压、对侧临空、前后面受上下盘围岩挤压、顶部受平衡拱内松散体自重压力、此外，还受自身重力和邻近采场爆破振动作用力，此时胶结充填体受力最复杂，为最危险状态，胶结充填体极易发生表面脱落和沿深部滑动面坍塌失稳，胶结充填体受力情况见图2。
此时胶结充填体承受顶部松散冒落体自重，即胶结充填体顶部松散体自重、上下盘楔形岩体和侧面非胶结充填体压力和自身重力。
如图3所示，本申请提供一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，所述确定方法包括：
步骤S101：获取第一参数和第二参数，所述第一参数包括胶结填充体高度和胶结填充体宽度，所述第二参数包括下盘岩体移动角、上盘岩体移动角、矿体体重、下盘围岩体重、上盘围岩体重、矿体倾角和岩体普氏坚固性系数；
步骤S102：根据所述第一参数和第二参数，确定下盘围岩自重力、下盘围岩顶部松散体自重力、上盘围岩自重力、上盘围岩顶部松散体自重力和胶结充填体顶部松散体自重力；
具体的，由普氏平衡拱理论，胶结充填体顶部仅受平衡拱内部胶结充填体顶部松散体自重影响。
图4为本申请实施例提供的胶结充填体长轴方向力学模型。
进一步，所述根据所述第一参数和第二参数，确定下盘围岩自重力、下盘围岩顶部松散体自重力、上盘围岩自重力、上盘围岩顶部松散体自重力和胶结充填体顶部松散体自重力的公式为：
其中，G1为下盘围岩自重力，单位：kN、G2为下盘围岩顶部松散体自重力，单位：kN、G3为上盘围岩自重力，单位：kN、G4为上盘围岩顶部松散体自重力，单位：kN、G5为胶结充填体顶部松散体自重力，单位：kN、H为胶结填充体高度，单位：m、W为胶结填充体宽度、θ1为下盘岩体移动角，单位：°、θ2为上盘岩体移动角，单位：°、γ为矿体体重，单位：kN/m3、γ1为下盘围岩体重，单位：kN/m3、γ2为上盘围岩体重，单位：kN/m3、β为矿体倾角，单位：kN/m3、f为岩体普氏坚固性系数。
本申请实施例的胶结充填体受上下盘楔形岩体的压力，参见图5和图6。
步骤S103：获取第三参数，所述第三参数包括下盘围岩的内摩擦角、下盘围岩的粘聚力、下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、下盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力、上盘围岩的内摩擦角、上盘围岩的粘聚力、上盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角和上盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力；
步骤S104：根据第三参数、矿体倾角、下盘岩体移动角、下盘围岩自重力、下盘围岩顶部松散体自重力、上盘围岩自重力、上盘围岩顶部松散体自重力、上盘岩体移动角和第一参数，确定胶结充填体受上下盘围岩受力，所述胶结充填体受上下盘围岩受力包括胶结充填体施加于下盘围岩的法向压力和胶结充填体施加于上盘围岩的法向压力；
进一步地，所述根据第三参数、矿体倾角、下盘岩体移动角、下盘围岩自重力、下盘围岩顶部松散体自重力、上盘围岩自重力、上盘围岩顶部松散体自重力、上盘岩体移动角和第一参数，确定胶结充填体受上下盘围岩受力的公式为：
将下盘围岩作为隔离体，分析受力参见图5。
采用正交分解法可得到以下公式：
最终确定胶结充填体对下盘楔形岩石作用力，即胶结充填体施加于下盘围岩的法向压力的公式为：
将上盘围岩作隔离体，分析受力见图6。
采用正交分解法可得如下公式：
最终确定胶结充填体对上盘楔形岩石作用力，即胶结充填体施加于上盘围岩的法向压力的公式为：
其中，N1为胶结充填体施加于下盘围岩的法向压力，单位：kN、N2为下盘稳定围岩体施加于下盘围岩的法向压力，单位：kN、N3为上盘稳定围岩体施加于上盘围岩的法向压力，单位：kN、N4为胶结充填体施加于上盘围岩的法向压力，单位：kN、τ1为下盘稳定围岩体对下盘围岩的切向摩擦阻力，单位：kN、τ2为胶结充填体对下盘围岩的切向摩擦阻力，单位：kN、τ3为胶结充填体对上盘围岩的切向摩擦阻力，单位：kN、τ4为上盘稳定围岩体对上盘围岩的切向摩擦阻力，单位：kN、G1为下盘围岩自重力，单位：kN、G2为下盘围岩顶部松散体自重力，单位：kN、G3为上盘围岩自重力，单位：kN、G4为上盘围岩顶部松散体自重力，单位：kN、θ2为上盘岩体移动角，单位：°、β为矿体倾角，单位：°、θ1为下盘岩体移动角，单位：°、为下盘围岩的内摩擦角，单位：°、c1为下盘围岩的粘聚力，单位：kpa、为下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角，单位：°、c2为下盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力，单位：kpa、为上盘围岩的内摩擦角，单位：°、c3为上盘围岩的粘聚力，单位：kpa、为上盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角，单位：°、c4为上盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力，单位：kpa、H为胶结填充体高度，单位：m、W为胶结填充体宽度，单位：m。
步骤S105：获取胶结充填体的内摩擦角，根据胶结充填体的内摩擦角，确定胶结充填体滑动角；
具体的，本申请实施例中的胶结填充体滑动角按照以下公式确定：
其中，a为胶结充填体滑动角，单位：°、为胶结充填体的内摩擦角，单位：°。
步骤S106：获取非胶结充填体内摩擦角，根据非胶结充填体内摩擦角，确定主动土压力系数；
所述根据非胶结充填体内摩擦角，确定主动土压力系数的公式为：
其中，K为主动土压力系数、为非胶结充填体内摩擦角，单位：。
本申请实施例中，胶结充填体的侧壁与非胶结充填体相互接触。
步骤S107：获取第四参数，所述第四参数包括非胶结充填体体重和胶结充填体长度；
步骤S108：根据第四参数、第一参数、胶结充填体滑动角和主动土压力系数，确定非胶结充填体对胶结充填体的水平推力；
进一步地，所述根据第四参数、第一参数、胶结充填体滑动角和主动土压力系数，确定非胶结充填体对胶结充填体的水平推力的公式为：
胶结充填体侧壁与非交接充填体相互接触，作用在胶结充填体滑动面以上的水平推力，即非胶结充填体对胶结充填体的水平推力由以下公式确定:
其中，N3’为非胶结充填体对胶结充填体的水平推力,单位：kN、a为胶结充填体滑动角，单位：°、K为主动土压力系数、H为胶结填充体高度，单位：m、W为胶结填充体宽度，单位：m，γ3为非胶结充填体体重，单位：kN/m3、B为胶结充填体长度，单位：m。
本申请实施例胶结充填体还受邻近采场爆破振动作用力，参阅图7。
步骤S109：获取第五参数，所述第五参数包括爆破震动加速度和胶结充填体体重，根据胶结充填体长度、第一参数、胶结充填体滑动角和第五参数，确定胶结充填体所受爆破震动作用力；
进一步地，所述根据胶结充填体长度、第一参数、胶结充填体滑动角和第五参数，确定胶结充填体所受爆破震动作用力的公式为：
其中，Nb为胶结充填体所受爆破震动作用力,单位：kN、B为胶结充填体长度，单位：m、H为胶结填充体高度，单位：m、W为胶结填充体宽度，单位：m、a为胶结充填体滑动角，单位：°、ab为爆破震动加速度，单位：m/s2和γ4为胶结充填体体重，单位：kN/m3。
步骤S110：根据胶结充填体长度、第一参数、胶结充填体滑动角和胶结充填体体重，确定胶结充填体自重；
进一步地，所述根据胶结充填体长度、第一参数、胶结充填体滑动角和胶结充填体体重，确定胶结充填体自重的公式为：
其中，G6为胶结充填体自重，B为胶结充填体长度、H为胶结填充体高度、W为胶结填充体宽度、a为胶结充填体滑动角、γ4为胶结充填体体重。
步骤S111：根据胶结充填体滑动角、胶结充填体长度、矿体倾角和第一参数，确定滑动面面积、上下盘接触面在滑动面以上面积、后壁接触面在滑动面以上面积和顶部接触面面积；
进一步地，所述根据胶结充填体滑动角、胶结充填体长度、矿体倾角和第一参数，确定滑动面面积、上下盘接触面在滑动面以上面积、后壁接触面在滑动面以上面积和顶部接触面面积的公式为：
S3＝B(H-Wtana)；
S4＝BW；
其中，S1为滑动面面积，单位：m2、S2为上下盘接触面在滑动面以上面积，单位：m2、S3为后壁接触面在滑动面以上面积，单位：m2、S4为顶部接触面面积，单位：m2、a为胶结充填体滑动角，单位：°、B为胶结充填体长度，单位：m、β为矿体倾角，单位：°、H为胶结填充体高度，单位：m、W为胶结填充体宽度，单位：m。
步骤S112：获取第六参数，所述第六参数包括滑动面抗滑安全系数顶部平衡拱接触面的粘聚力、后壁非胶结体接触面的粘聚力顶部平衡拱接触面的内摩擦角、后壁非胶结体接触面的内摩擦角；
步骤S113：根据胶结充填体受上下盘围岩受力、胶结充填体顶部松散体自重力、上盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、上盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力、胶结充填体所受爆破震动作用力、胶结充填体自重、非胶结充填体对胶结充填体的水平推力、下盘围岩接触面的粘聚力、第六参数、胶结充填体的内摩擦角、下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、滑动面面积、上下盘接触面在滑动面以上面积、后壁接触面在滑动面以上面积、顶部接触面面积、胶结充填体滑动角和矿体倾角，确定胶结充填体的粘聚力；
进一步地，所述根据胶结充填体受上下盘围岩受力、胶结充填体顶部松散体自重力、上盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、上盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力、胶结充填体所受爆破震动作用力、胶结充填体自重、非胶结充填体对胶结充填体的水平推力、下盘围岩接触面的粘聚力、第六参数、胶结充填体的内摩擦角、下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、滑动面面积、上下盘接触面在滑动面以上面积、后壁接触面在滑动面以上面积、顶部接触面面积、胶结充填体滑动角和矿体倾角，确定胶结充填体的粘聚力的公式为：
以胶结充填体滑动部分为研究对象，采用静力平衡隔离体正交分解法可得方程如下：
沿滑动面方向：
垂直滑动面方向：
N′1+N′2cosβcosa+τ′3sinβcosa+N′3sina-N′4cosβcosa-G5cosa-τ′5sinCsina-G6cosa＝0 (2)
各接触面摩擦力与正应力关系如下：
将式(2)-(3)代入式(1)得：
其中，τ′1为胶结充填体滑动面的摩擦阻力，单位：kN、τ′2为下盘围岩滑动面的摩擦阻力，单位：kN、τ′3为后壁非胶结体接触面的摩擦阻力，单位：kN、τ′4为上盘围岩滑动面的摩擦阻力，单位：kN、τ′5为顶部平衡拱接触面上的摩擦阻力，单位：kN、N′1为胶结充填体滑动面的正压力，单位：kN、N′2为下盘围岩滑动面的正压力，单位：kN、N′3为后壁非胶结体接触面的正压力，单位：kN、N′4为上盘围岩滑动面的正压力，单位：kN、G5为顶部平衡拱接触面上的正压力，单位：kN、Fs为滑动面抗滑安全系数、c为胶结充填体的粘聚力，N4’为上盘围岩所受压力的反作用力，N4’＝N4，G5为胶结充填体顶部松散体自重力，Fs为滑动面抗滑安全系数，Nb为胶结充填体所受爆破震动作用力，G6为胶结充填体自重，N3’为非胶结充填体对胶结充填体的水平推力，N2’为下盘围岩所受压力的反作用力，N2’＝N1，c2为下盘围岩接触面的粘聚力，S1为滑动面面积，S2为上下盘接触面在滑动面以上面积、c4为上盘围岩接触面的粘聚力、c5为顶部平衡拱接触面的粘聚力、S4为顶部接触面面积、c6为后壁非胶结体接触面的粘聚力、为上盘围岩接触面的内摩擦角、为顶部平衡拱接触面的内摩擦角、为后壁非胶结体接触面的内摩擦角、S3为后壁接触面在滑动面以上面积、为胶结充填体的内摩擦角、为下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、a为胶结充填体滑动角、β为矿体倾角、 C为辅助角，C＝arctan(tanβ/tana)。
步骤S114：根据胶结充填体的粘聚力和胶结充填体的内摩擦角，确定胶结充填体单轴抗压强度。
进一步地，所述根据胶结充填体的粘聚力和胶结充填体的内摩擦角，确定胶结充填体单轴抗压强度的公式为：
其中，σc为胶结充填体单轴抗压强度、c为胶结充填体的粘聚力、为胶结充填体的内摩擦角。
以下为实际工程案例分析：
某地下稀土矿山矿体水平厚40m、矿体倾角68°、走向长667m、呈层状赋存于绿泥石片岩与大理岩接触部位层间破碎带中，倾向控制延深367m，赋存标高+2228～+2565m。矿体REO平均品位为4.01％、CaF2为23.06％、BaSO4为17.12％。矿体顶板围岩为绿泥石片岩，底板围岩为大理岩，矿体与围岩界限十分清楚。采用分段空场嗣后充填法开采，采用扇形中深孔爆破，爆破震动加速度为0.03gm/s2，阶段高(胶结填充体高度)50m、矿块垂直矿体走向布置，宽(胶结充填体宽度)12.5m，长为矿体厚度(胶结充填体长度)40m。两步骤开采，先采矿房后采矿柱，矿房采用全尾砂胶结充填、矿柱采用全尾砂非胶结充填。上盘岩石移动角60°、下盘岩石移动角65°，岩石普氏坚固性系数为6。矿房胶结充填体强度安全系数2。下盘围岩体重30.7kN/m3。上盘围岩体重27.9kN/m3。矿体体重28.6kN/m3。胶结充填体体重21kN/m3。非胶结充填体体重17.9kN/m3。
各地层及尾砂物理力学参数如下表：
表1各地层及尾砂物理力学参数表
第一步：求滑动角
第二步：求下盘围岩、下盘围岩顶部松散体、上盘围岩、上盘围岩顶部松散体、胶结充填体顶部松散体、胶结充填体自重力
第三步：求下盘围岩所受压力
第四步：求上盘围岩所受压力
第五步：求非胶结充填体对胶结充填体的水平压力
第六步：爆破震动作用力
第七步：求中间参数M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7和滑动面面积、上下盘围岩与充填体接触面在滑动面以上的面积、顶部接触面面积、非胶结充填体接触面在滑动面以上部分接触面面积。
tanC＝tanβ/tana＝tan68/tan62.5c＝52.18°
第八步：求各接触面面积
S3＝B(H-Wtana)＝40×(50-12.5tan62.5)＝1039.51m2
S4＝BW＝40×12.5＝500m2
第九步：胶结充填体单轴抗压强度
σc＝2103.42kpa
由以上实施例可知，本申请提供一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，本申请实施例依据滑楔体极限平衡理论、普氏平衡拱理论，综合考虑胶结充填体自身材料特征、一步骤矿房形态与结构尺寸、顶底板围岩与二步骤充填体综合作用、临近采场爆破震动等多因素综合影响，建立一步骤胶结充填体强度数学模型。分析各因素对需求强度的影响，在考虑安全与经济的前提下，确定出合适的需求强度，为类似金属矿山大段高嗣后胶结充填体强度确定提供借鉴。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，其特征在于，所述确定方法包括：
获取第一参数和第二参数，所述第一参数包括胶结填充体高度和胶结填充体宽度，所述第二参数包括下盘岩体移动角、上盘岩体移动角、矿体体重、下盘围岩体重、上盘围岩体重、矿体倾角和岩体普氏坚固性系数；
根据所述第一参数和第二参数，确定下盘围岩自重力、下盘围岩顶部松散体自重力、上盘围岩自重力、上盘围岩顶部松散体自重力和胶结充填体顶部松散体自重力；
获取第三参数，所述第三参数包括下盘围岩的内摩擦角、下盘围岩的粘聚力、下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、下盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力、上盘围岩的内摩擦角、上盘围岩的粘聚力、上盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角和上盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力；
根据第三参数、矿体倾角、下盘岩体移动角、下盘围岩自重力、下盘围岩顶部松散体自重力、上盘围岩自重力、上盘围岩顶部松散体自重力、上盘岩体移动角和第一参数，确定胶结充填体受上下盘围岩受力，所述胶结充填体受上下盘围岩受力包括胶结充填体施加于下盘围岩的法向压力和胶结充填体施加于上盘围岩的法向压力；
获取胶结充填体的内摩擦角，根据胶结充填体的内摩擦角，确定胶结充填体滑动角；
获取非胶结充填体内摩擦角，根据非胶结充填体内摩擦角，确定主动土压力系数；
获取第四参数，所述第四参数包括非胶结充填体体重和胶结充填体长度；
根据第四参数、第一参数、胶结充填体滑动角和主动土压力系数，确定非胶结充填体对胶结充填体的水平推力；
获取第五参数，所述第五参数包括爆破震动加速度和胶结充填体体重，根据胶结充填体长度、第一参数、胶结充填体滑动角和第五参数，确定胶结充填体所受爆破震动作用力；
根据胶结充填体长度、第一参数、胶结充填体滑动角和胶结充填体体重，确定胶结充填体自重；
根据胶结充填体滑动角、胶结充填体长度、矿体倾角和第一参数，确定滑动面面积、上下盘接触面在滑动面以上面积、后壁接触面在滑动面以上面积和顶部接触面面积；
获取第六参数，所述第六参数包括滑动面抗滑安全系数顶部平衡拱接触面的粘聚力、后壁非胶结体接触面的粘聚力顶部平衡拱接触面的内摩擦角、后壁非胶结体接触面的内摩擦角；
根据胶结充填体受上下盘围岩受力、胶结充填体顶部松散体自重力、上盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、上盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力、胶结充填体所受爆破震动作用力、胶结充填体自重、非胶结充填体对胶结充填体的水平推力、下盘围岩接触面的粘聚力、第六参数、胶结充填体的内摩擦角、下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、滑动面面积、上下盘接触面在滑动面以上面积、后壁接触面在滑动面以上面积、顶部接触面面积、胶结充填体滑动角和矿体倾角，确定胶结充填体的粘聚力；
根据胶结充填体的粘聚力和胶结充填体的内摩擦角，确定胶结充填体单轴抗压强度。
2.根据权利要求1所述的一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，其特征在于，所述根据所述第一参数和第二参数，确定下盘围岩自重力、下盘围岩顶部松散体自重力、上盘围岩自重力、上盘围岩顶部松散体自重力和胶结充填体顶部松散体自重力的公式为：
其中，G1为下盘围岩自重力、G2为下盘围岩顶部松散体自重力、G3为上盘围岩自重力、G4为上盘围岩顶部松散体自重力、G5为胶结充填体顶部松散体自重力、H为胶结填充体高度、W为胶结填充体宽度、θ1为下盘岩体移动角、θ2为上盘岩体移动角、γ为矿体体重、γ1为下盘围岩体重、γ2为上盘围岩体重、β为矿体倾角、f为岩体普氏坚固性系数。
3.根据权利要求1所述的一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，其特征在于，所述根据第三参数、矿体倾角、下盘岩体移动角、下盘围岩自重力、下盘围岩顶部松散体自重力、上盘围岩自重力、上盘围岩顶部松散体自重力、上盘岩体移动角和第一参数，确定胶结充填体受上下盘围岩受力的公式为：
其中，N1为胶结充填体施加于下盘围岩的法向压力、N4为胶结充填体施加于上盘围岩的法向压力、G1为下盘围岩自重力、G2为下盘围岩顶部松散体自重力、G3为上盘围岩自重力、G4为上盘围岩顶部松散体自重力、θ2为上盘岩体移动角、β为矿体倾角、θ1为下盘岩体移动角、为下盘围岩的内摩擦角、c1为下盘围岩的粘聚力、为下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、c2为下盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力、为上盘围岩的内摩擦角、c3为上盘围岩的粘聚力、为上盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、c4为上盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力、H为胶结填充体高度、W为胶结填充体宽度。
4.根据权利要求1所述的一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，其特征在于，所述根据第四参数、第一参数、胶结充填体滑动角和主动土压力系数，确定非胶结充填体对胶结充填体的水平推力的公式为：
其中，N3’为非胶结充填体对胶结充填体的水平推力、a为胶结充填体滑动角、K为主动土压力系数、H为胶结填充体高度、W为胶结填充体宽度，γ3为非胶结充填体体重、B为胶结充填体长度。
5.根据权利要求1所述的一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，其特征在于，所述根据胶结充填体长度、第一参数、胶结充填体滑动角和第五参数，确定胶结充填体所受爆破震动作用力的公式为：
其中，Nb为胶结充填体所受爆破震动作用力、B为胶结充填体长度、H为胶结填充体高度、W为胶结填充体宽度、a为胶结充填体滑动角、ab为爆破震动加速度和γ4为胶结充填体体重。
6.根据权利要求1所述的一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，其特征在于，所述根据胶结充填体长度、第一参数、胶结充填体滑动角和胶结充填体体重，确定胶结充填体自重的公式为：
其中，G6为胶结充填体自重，B为胶结充填体长度、H为胶结填充体高度、W为胶结填充体宽度、a为胶结充填体滑动角、γ4为胶结充填体体重。
7.根据权利要求1所述的一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，其特征在于，所述根据胶结充填体滑动角、胶结充填体长度、矿体倾角和第一参数，确定滑动面面积、上下盘接触面在滑动面以上面积、后壁接触面在滑动面以上面积和顶部接触面面积的公式为：
S3＝B(H-Wtana)；
S4＝BW；
其中，S1为滑动面面积、S2为上下盘接触面在滑动面以上面积、S3为后壁接触面在滑动面以上面积、S4为顶部接触面面积、a为胶结充填体滑动角、B为胶结充填体长度、β为矿体倾角、H为胶结填充体高度、W为胶结填充体宽度。
8.根据权利要求1所述的一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，其特征在于，所述根据胶结充填体受上下盘围岩受力、胶结充填体顶部松散体自重力、上盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、上盘围岩与胶结充填体接触面的粘聚力、胶结充填体所受爆破震动作用力、胶结充填体自重、非胶结充填体对胶结充填体的水平推力、下盘围岩接触面的粘聚力、第六参数、胶结充填体的内摩擦角、下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、滑动面面积、上下盘接触面在滑动面以上面积、后壁接触面在滑动面以上面积、顶部接触面面积、胶结充填体滑动角和矿体倾角，确定胶结充填体的粘聚力的公式为：
其中，c为胶结充填体的粘聚力，N4’为上盘围岩所受压力的反作用力，N4’＝N4，G5为胶结充填体顶部松散体，Fs为滑动面抗滑安全系数，Nb为胶结充填体所受爆破震动作用力，G6为胶结充填体自重，N3’为非胶结充填体对胶结充填体的水平推力，N2’为下盘围岩所受压力的反作用力，N2’＝N1，c2为下盘围岩接触面的粘聚力，S1为滑动面面积，S2为上下盘接触面在滑动面以上面积、c4为上盘围岩接触面的粘聚力、c5为顶部平衡拱接触面的粘聚力、S4为顶部接触面面积、c6为后壁非胶结体接触面的粘聚力、为上盘围岩接触面的内摩擦角、为顶部平衡拱接触面的内摩擦角、为后壁非胶结体接触面的内摩擦角、S3为后壁接触面在滑动面以上面积、为胶结充填体的内摩擦角、为下盘围岩与胶结充填体接触面的内摩擦角、a为胶结充填体滑动角、β为矿体倾角、M1＝Fscosβsina-cosβ C为辅助角，C＝arc tan(tanβ/tana)。
9.根据权利要求1所述的一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，其特征在于，所述根据胶结充填体的粘聚力和胶结充填体的内摩擦角，确定胶结充填体单轴抗压强度的公式为：
其中，σc为胶结充填体单轴抗压强度、c为胶结充填体的粘聚力、为胶结充填体的内摩擦角。
10.根据权利要求1所述的一种阶段空场嗣后充填胶结充填体力学强度的确定方法，其特征在于，所述根据非胶结充填体内摩擦角，确定主动土压力系数的公式为：
其中，K为主动土压力系数、为非胶结充填体内摩擦角。
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