CN110671146B - 一种胶结充填体宽度确定方法 - Google Patents

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CN110671146B CN201911025313.1A CN201911025313A CN110671146B CN 110671146 B CN110671146 B CN 110671146B CN 201911025313 A CN201911025313 A CN 201911025313A CN 110671146 B CN110671146 B CN 110671146B
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    • E21F15/00Methods or devices for placing filling-up materials in underground workings

Abstract

本申请公开了一种胶结充填体宽度确定方法,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、临近胶结充填体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。本申请以一步骤胶结充填体水泥用量为目标,确定合理的一步骤采场结构尺寸,在保证采场安全的前提下,寻找最低的水泥用量,达到最佳的经济效益。

Description

一种胶结充填体宽度确定方法
技术领域
本申请涉及胶结充填体技术领域,特别涉及一种胶结充填体宽度确定方法。
背景技术
随着人们环保意识不断提高,充填采矿法必将成为各类矿山的主体开采方法。两步骤连续开采方法具有安全、高效、低成本和环保的明显优势,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。
合理的确定一步骤矿柱和二步骤矿房的结构尺寸直接关系着采矿作业的安全状况和采矿成本。二步骤矿房尺寸通常由顶板允许暴露面积、矿体形态、围岩物理力学性质决定,一般采用非胶结或低强度胶结充填,采矿成本低。一步骤矿柱通常采用胶结充填体构建,尺寸确定是关系安全和经济的核心。
现有充填法一步骤采场尺寸确定常常采用经验法,即:根据岩体物理力学特性确定一步骤采场顶板允许暴露面积,由矿体厚度可确定采场长度或宽度,由允许暴露面积可反推采场宽度或长度,此外由阶段高度共同构成了一步骤采场结构尺寸。由确定的结构尺寸,确定一步骤胶结充填体强度,从而确定相对应的水泥耗量。显然未获得最小的水泥耗量,不能将采矿成本降至最低。
因此,如何确定胶结充填体宽度,使胶结充填体的耗量最少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胶结充填体宽度确定方法,以解决现有技术中不能确定胶结充填体的适当尺寸的问题。
本申请提供一种胶结充填体宽度确定方法,所述确定方法包括:
确定预设胶结充填体宽度的胶结充填体强度;
根据预设胶结充填体宽度的胶结充填体强度,确定胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系;
确定不同砂灰比的胶结充填体强度;
根据不同砂灰比的胶结充填体强度,确定胶结充填体强度与砂灰比的函数关系;
根据胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系、胶结充填体强度与砂灰比的函数关系、胶结充填体长度、胶结充填体宽度和胶结充填体高度,确定胶结充填体总耗量;
确定胶结充填体宽度下限和胶结充填体宽度上限;
根据胶结充填体总耗量、胶结充填体宽度下限和胶结充填体宽度上限,确定胶结充填体最优宽度。
进一步地,所述胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系的表达式为σc=kWb,其中,σc为胶结充填体强度、k为第七系数、b为第八系数、W为胶结充填体宽度。
进一步地,所述胶结充填体强度与砂灰比的函数关系的表达式为σc=mSn,其中,m为第九系数、n为第十系数、S为砂灰比。
进一步地,所述根据胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系、胶结充填体强度与砂灰比的函数关系、胶结充填体长度、胶结充填体宽度和胶结充填体高度,确定胶结充填体总耗量的公式为:
Qc=BWH/(S+1)
其中,Qc为胶结充填体总耗量,B为胶结充填体长度,W为胶结充填体宽度,H为胶结充填体高度,S为砂灰比。
进一步地,所述胶结充填体宽度下限按照下述公式确定:
Figure BDA0002248451400000021
其中,W1为胶结充填体宽度,L为出矿设备长度、W3为出矿巷道宽度。
进一步地,所述胶结充填体宽度上限按照下述公式确定:
Figure BDA0002248451400000022
其中,W2为胶结充填体宽度上限,B为胶结充填体长度,R为采场暴露面形状系数。
进一步地,所述根据胶结充填体总耗量、胶结充填体宽度下限和胶结充填体宽度上限,确定胶结充填体最优宽度的方法包括:
根据胶结充填体宽度下限和胶结充填体宽度上限,确定宽度范围;
根据宽度范围,确定胶结充填体总耗量的最小值;
确定胶结充填体总耗量的最小值对应的胶结充填体宽度为胶结充填体最优宽度。
进一步地,所述方法还包括:
根据所述胶结充填体最优宽度,确定胶结充填体强度;
确定胶结充填体最优宽度对应的胶结充填体强度为胶结充填体最优强度。
进一步地,所述方法还包括:
根据所述胶结充填体最优强度,确定砂灰比;
确定所述胶结充填体最优强度对应的砂灰比为最优砂灰比。
进一步地,所述预设胶结充填体宽度包括5m、10m、15m、20m、25m和30m。
由以上实施例可知,本申请提供的一种胶结充填体宽度确定方法,所述确定方法包括:确定预设胶结充填体宽度的胶结充填体强度;根据预设胶结充填体宽度的胶结充填体强度,确定胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系;确定不同砂灰比的胶结充填体强度;根据不同砂灰比的胶结充填体强度,确定胶结充填体强度与砂灰比的函数关系;根据胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系、胶结充填体强度与砂灰比的函数关系、胶结充填体长度、胶结充填体宽度和胶结充填体高度,确定胶结充填体总耗量;确定胶结充填体宽度下限和胶结充填体宽度上限;根据胶结充填体总耗量、胶结充填体宽度下限和胶结充填体宽度上限,确定胶结充填体最优宽度。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、临近胶结充填体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。本申请以一步骤胶结充填体水泥用量为目标,确定合理的一步骤采场结构尺寸,在保证采场安全的前提下,寻找最低的水泥用量,达到最佳的经济效益。
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一种胶结充填体宽度确定方法的流程图;
图2为本申请实施例提供的胶结充填体周边环境三维模型;
图3为本申请实施例提供的胶结充填体受力情况的示意图;
图4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5为本申请实施例提供的胶结充填体长轴方向力学模型;
图6为本申请实施例提供的下盘围岩力学分析模型;
图7为本申请实施例提供的上盘围岩力学分析模型;
图8为本申请实施例提供的胶结充填体侧壁受力分析模型;
图9为本申请实施例提供的Mathew稳定图表。
具体实施方式
如图1所示,本申请提供一种胶结充填体宽度确定方法,所述确定方法包括:
步骤S100:确定预设胶结充填体宽度的胶结充填体强度;
进一步地,所述预设胶结充填体宽度包括5m、10m、15m、20m、25m和30m。
具体的,一般胶结充填体宽度不超过30m,本申请实施例的预设胶结充填体宽度选取5m、10m、15m、20m、25m和30m。
以下为胶结充填体强度的确定方法:
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2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胶结充填体爆破振动作用力,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3。
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4所示,本申请提供确定胶结充填体强度的方法,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充填体高度和胶结充填体宽度,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5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:
Figure BDA0002248451400000051
Figure BDA0002248451400000052
Figure BDA0002248451400000053
Figure BDA0002248451400000054
Figure BDA0002248451400000055
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为胶结充填体高度,单位:m、W为胶结充填体宽度、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6和图7。
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6。
采用正交分解法可得到以下公式:
Figure BDA0002248451400000061
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:
Figure BDA0002248451400000062
将上盘围岩作隔离体,分析受力见图7。
采用正交分解法可得如下公式:
Figure BDA0002248451400000063
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:
Figure BDA0002248451400000064
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:°、
Figure BDA0002248451400000065
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、
Figure BDA0002248451400000066
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、
Figure BDA0002248451400000067
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、
Figure BDA0002248451400000068
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为胶结充填体高度,单位:m、W为胶结充填体宽度,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充填体滑动角按照以下公式确定:
Figure BDA0002248451400000071
其中,a为胶结充填体滑动角,单位:°、
Figure BDA0002248451400000072
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:
Figure BDA0002248451400000073
其中,K为主动土压力系数、
Figure BDA0002248451400000074
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:
Figure BDA0002248451400000075
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为胶结充填体高度,单位:m、W为胶结充填体宽度,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胶结充填体爆破振动作用力,参阅图8。
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:
Figure BDA0002248451400000081
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为胶结充填体高度,单位:m、W为胶结充填体宽度,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:
Figure BDA0002248451400000082
其中,G6为胶结充填体自重,B为胶结充填体长度、H为胶结充填体高度、W为胶结充填体宽度、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:
Figure BDA0002248451400000083
Figure BDA0002248451400000084
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为胶结充填体高度,单位:m、W为胶结充填体宽度,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:
Figure BDA0002248451400000091
垂直滑动面方向:
N′1+N′2cosβcosa+τ′3sinβcosa+N′3sina-N′4cosβcosa-G5cosa-τ′5sin Csina-G6cosa=0 (2)
各接触面摩擦力与正应力关系如下:
Figure BDA0002248451400000092
将式(2)-(3)代入式(1)得:
Figure BDA0002248451400000093
Figure BDA0002248451400000094
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、
Figure BDA0002248451400000101
为上盘围岩接触面的内摩擦角、
Figure BDA0002248451400000102
为顶部平衡拱接触面的内摩擦角、
Figure BDA0002248451400000103
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、
Figure BDA0002248451400000104
为胶结充填体的内摩擦角、
Figure BDA0002248451400000105
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、
Figure BDA0002248451400000106
Figure BDA0002248451400000107
Figure BDA0002248451400000108
Figure BDA0002248451400000109
Figure BDA00022484514000001010
Figure BDA00022484514000001011
Figure BDA00022484514000001012
Figure BDA00022484514000001013
Figure BDA00022484514000001014
Figure BDA00022484514000001015
Figure BDA00022484514000001016
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:
Figure BDA00022484514000001017
Figure BDA00022484514000001018
其中N′4与N4、N′2与N1互为作用力和反作用力,则:N′4=N4、N′2=N1
Figure BDA00022484514000001019
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、
Figure BDA00022484514000001020
为胶结充填体的内摩擦角。
步骤S200:根据预设胶结充填体宽度的胶结充填体强度,确定胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系;
式(4)为胶结充填体与采场宽度、长度、高度、倾角、各岩体物理力学参数间的关系式,矿山设计时矿体的特征已经确定,当矿体较厚两步骤回采时,采场一般垂直矿体走向布置,胶结充填体长度为矿体厚度,高度为阶段高度,倾角为矿体倾角,矿体围岩性质已定,为了简化式(4),提出简化式(5)。
具体的,一般采场宽度不超过30m,也就是胶结充填体宽度不超过30m,可取预设胶结充填体宽度5m、10m、15m、20m、25m、30m,结合其他已经确定的参数,分别代入式(4)计算出胶结充填体强度σ5、σ10、σ15、σ20、σ25、σ30,将计算结果拟合成式(5)的形式,求出系数k、b,从而获得胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系式。
所述胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系的表达式为:
σc=kWb (5)
其中,σc为胶结充填体强度、k为第七系数、b为第八系数、W为胶结充填体宽度。
步骤S300:确定不同砂灰比的胶结充填体强度;
步骤S400:根据不同砂灰比的胶结充填体强度,确定胶结充填体强度与砂灰比的函数关系;
具体的,根据砂灰比配比试验所获得的胶结充填体料浆某一质量浓度条件下,不同砂灰比时,对应的胶结充填体28d单轴抗压强度,将试验结果拟合成式(6)的形式,求出系数m、n,从而获得胶结充填体强度与砂灰比的函数关系式。
所述胶结充填体强度与砂灰比的函数关系的表达式为σc=mSn (6);
其中,m为第九系数、n为第十系数、S为砂灰比。
步骤S500:根据胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系、胶结充填体强度与砂灰比的函数关系、胶结充填体长度、胶结充填体宽度和胶结充填体高度,确定胶结充填体总耗量;
进一步地,所述根据胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系、胶结充填体强度与砂灰比的函数关系、胶结充填体长度、胶结充填体宽度和胶结充填体高度,确定胶结充填体总耗量的公式为:
Qc=BWH/(S+1);
其中,Qc为胶结充填体总耗量,B为胶结充填体长度,W为胶结充填体宽度,H为胶结充填体高度,S为砂灰比。
根据式(5)和(6),可知:
Figure BDA0002248451400000121
因此,胶结充填体总耗量
Figure BDA0002248451400000122
步骤S600:确定胶结充填体宽度下限和胶结充填体宽度上限;
进一步地,所述胶结充填体宽度下限按照下述公式确定:
Figure BDA0002248451400000123
其中,W1为胶结充填体宽度,L为出矿设备长度、W3为出矿巷道宽度。
进一步地,所述胶结充填体宽度上限按照下述公式确定:
Figure BDA0002248451400000124
其中,W2为胶结充填体宽度上限,B为胶结充填体长度,R为采场暴露面形状系数。
具体的,岩体稳定性指数N计算公式如下:
N=(RMR-5)MC (7)
式中:RMR为岩体质量分级值;M为岩体缺陷方位修正系数,当主节理与暴露面走向夹角为10°、20°、30°、45°和60°时,依次取0.2、0.3、0.35、0.4和0.8,其余角度插值法获得;当暴露面和水平面夹角为α时,C=8-6cosα。
结合图9所示的Mathew稳定图表中稳定区和不稳定区分界线,当采场围岩稳定性指数为N时,查表得采场暴露面形状系数R。
根据采场暴露面形状系数R,由公式(7)将胶结充填体长度B代入后,求出胶结充填体宽度上限W2
Figure BDA0002248451400000125
B为胶结充填体长度,m;R为采场暴露面形状系数。
步骤S700:根据胶结充填体总耗量、胶结充填体宽度下限和胶结充填体宽度上限,确定胶结充填体最优宽度。
胶结充填体由尾砂和水泥构成,尾砂一般由选矿厂生产,为选厂废弃物,水泥是构成胶结充填体成本的主要部分,总水泥耗量最低,意味着胶结充填体总成本费用最低,此时确定的胶结充填体即为胶结充填体最佳宽度。
进一步地,所述根据胶结充填体总耗量、胶结充填体宽度下限和胶结充填体宽度上限,确定胶结充填体最优宽度的方法包括:
根据胶结充填体宽度下限和胶结充填体宽度上限,确定宽度范围;
根据宽度范围,确定胶结充填体总耗量的最小值;
确定胶结充填体总耗量的最小值对应的胶结充填体宽度为胶结充填体最优宽度。
具体的,确定胶结充填体总耗量Qc=BWH/(S+1)在区间[W1,W2]的最小值。
Figure BDA0002248451400000131
在[W1,W2]区间的最小值时,对应的胶结充填体的最优宽度W3
进一步地,所述方法还包括:
根据所述胶结充填体最优宽度,确定胶结充填体强度;
确定胶结充填体最优宽度对应的胶结充填体强度为胶结充填体最优强度。
具体的,将胶结充填体最优宽度W3代入式(5),确定胶结充填体最优胶结充填体强度σc1=kW3 b
进一步地,所述方法还包括:
根据所述胶结充填体最优强度,确定砂灰比;
确定所述胶结充填体最优强度对应的砂灰比为最优砂灰比。
具体的,将σc1代入式(6)求最佳砂灰比
Figure BDA0002248451400000132
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、临近胶结充填体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。
以下为实际工程案例分析:
某地下矿山矿体水平厚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。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,采用无轨铲运机出矿,铲运机长8m,巷道宽3.3m,采用扇形中深孔爆破,爆破震动加速度为0.03g m/s2,阶段高(胶结填充体高度)50m、矿块垂直矿体走向布置,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。岩体分级RMR值为65,岩体主节理与采场主轴方向夹角10°,采场顶板呈水平方向。矿房胶结充填体强度安全系数1.5。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1,胶结充填体料浆试验结果见表2。
表1 各地层及尾砂物理力学参数表
Figure BDA0002248451400000141
表2 72%质量浓度时28天充填体试验强度
砂灰比 28d强度/Mpa
3 4.126
4 1.826
6 0.773
8 0.48
12 0.3
15 0.2
(1)第一步:求拟定不同预设胶结充填体宽度条件下胶结充填体需求强度。
求采场宽10m时,胶结充填体需求强度σ10
求胶结充填体顶部平衡拱拱高
Figure BDA0002248451400000142
②求滑动角
Figure BDA0002248451400000143
③求下盘楔形体、下盘楔形体顶部松散体、上盘楔形体、上盘楔形体顶部松散体、胶结充填体顶部松散体、胶结充填体自重力
Figure BDA0002248451400000144
Figure BDA0002248451400000151
Figure BDA0002248451400000152
Figure BDA0002248451400000153
Figure BDA0002248451400000154
Figure BDA0002248451400000155
④求下盘楔形体所受压力
Figure BDA0002248451400000156
⑤求上盘楔形体所受压力
Figure BDA0002248451400000157
⑥求非胶结充填体对胶结充填体的水平压力
Figure BDA0002248451400000158
Figure BDA0002248451400000159
⑦爆破震动作用力
Figure BDA00022484514000001510
⑧求中间参数M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7和滑动面面积、上下盘楔形体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
Figure BDA0002248451400000161
C=52.18°
Figure BDA0002248451400000162
Figure BDA0002248451400000163
⑨求各接触面面积
Figure BDA0002248451400000164
Figure BDA0002248451400000165
S3=B(H-Wtana)=40×(50-10tan62.5)=1231.61m2
S4=BW=40×10=400m2
⑩胶结充填体单轴抗压强度
Figure BDA0002248451400000166
按照步骤①-⑩分别计算出采场拟定宽度5m、10m、15m、20m、25m、30m时,胶结充填体需求强度见表3,表3为不同预设胶结充填体宽度时胶结充填体需求强度表。
表3
Figure BDA0002248451400000167
Figure BDA0002248451400000171
(2)第二步:求胶结充填体强度与胶结充填体宽度的简化函数关系
依据表3数据按照函数关系式(5)进行拟合,确定k=12.156、b=-0.678
σc=12.156W-0678
式中:σc为胶结充填体强度,Mpa;W为胶结充填体宽度,m。
(3)第三步:求胶结充填体强度与砂灰比的函数关系
依据表2充填配比试验结果,按照函数关系式(6)进行拟合,确定m=24.091、n=-1.808σc=24.091S-1.808
式中:σc为胶结充填体强度,Mpa;S为砂灰比。
(4)第四步:获取胶结充填体总耗量与宽度的函数关系表达式
Figure BDA0002248451400000172
式中:Qc为胶结充填体总耗量,t;
(5)第五步:确定胶结充填体宽度下限W1、采用Mathew稳定图法确定胶结充填体宽度上限W2
1)胶结充填体宽度下限W1确定
Figure BDA0002248451400000173
2)胶结充填体宽度上限W2确定
①岩体稳定性指数N计算公式如下:
N=(65-5)*0.2*2=24
查图9,求得采场暴露面形状系数R=8.5。
Figure BDA0002248451400000174
(6)第六步:求胶结充填体最优宽度。
确定函数
Figure BDA0002248451400000175
在区间[9.4,29.57]上的最小值,当W=9.4时,Qc最小值为4289.86,胶结充填体最优宽度为9.4m。
(7)第七步:求最佳砂灰比、胶结充填体最优强度。
将胶结充填体最优宽度9.4代入式(5)求胶结充填体最优强度,σc=12.156×9.4-0.678=2.66Mpa。
最佳砂灰比
Figure BDA0002248451400000181
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)

1.一种胶结充填体宽度确定方法,其特征在于,所述确定方法包括:
确定预设胶结充填体宽度的胶结充填体强度;
根据预设胶结充填体宽度的胶结充填体强度,确定胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系;
确定不同砂灰比的胶结充填体强度;
根据不同砂灰比的胶结充填体强度,确定胶结充填体强度与砂灰比的函数关系;
根据胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系、胶结充填体强度与砂灰比的函数关系、胶结充填体长度、胶结充填体宽度和胶结充填体高度,确定胶结充填体总耗量;
确定胶结充填体宽度下限和胶结充填体宽度上限;
根据胶结充填体总耗量、胶结充填体宽度下限和胶结充填体宽度上限,确定胶结充填体最优宽度。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系的表达式为σc=kWb,其中,σc为胶结充填体强度、k为第七系数、b为第八系数、W为胶结充填体宽度。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述胶结充填体强度与砂灰比的函数关系的表达式为σc=mSn,其中,m为第九系数、n为第十系数、S为砂灰比。
4.根据权利要求2或3所述的方法,其特征在于,所述根据胶结充填体强度与胶结充填体宽度的函数关系、胶结充填体强度与砂灰比的函数关系、胶结充填体长度、胶结充填体宽度和胶结充填体高度,确定胶结充填体总耗量的公式为:
Qc=BWH/(S+1)
其中,Qc为胶结充填体总耗量,B为胶结充填体长度,W为胶结充填体宽度,H为胶结充填体高度,S为砂灰比。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述胶结充填体宽度下限按照下述公式确定:
Figure FDA0002688173800000012
其中,W1为胶结充填体宽度下限,L为出矿设备长度、W3为出矿巷道宽度。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述胶结充填体宽度上限按照下述公式确定:
Figure FDA0002688173800000011
其中,W2为胶结充填体宽度上限,B为胶结充填体长度,R为采场暴露面形状系数。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据胶结充填体总耗量、胶结充填体宽度下限和胶结充填体宽度上限,确定胶结充填体最优宽度的方法包括:
根据胶结充填体宽度下限和胶结充填体宽度上限,确定宽度范围;
根据宽度范围,确定胶结充填体总耗量的最小值;
确定胶结充填体总耗量的最小值对应的胶结充填体宽度为胶结充填体最优宽度。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
根据所述胶结充填体最优宽度,确定胶结充填体强度;
确定胶结充填体最优宽度对应的胶结充填体强度为胶结充填体最优强度。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
根据所述胶结充填体最优强度,确定砂灰比;
确定所述胶结充填体最优强度对应的砂灰比为最优砂灰比。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述预设胶结充填体宽度包括5m、10m、15m、20m、25m和30m。
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