CN113266353A - 一种上向水平分层充填采矿法面层充填体强度和厚度模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种上向水平分层充填采矿法面层充填体强度和厚度模型的构建方法，属于采矿技术领域。本发明所述方法通过对上向水平分层充填采矿法面层充填体的力学作用分析，将满载无轨设备荷载分解为垂直荷载和水平荷载，采用弹性力学方法分析面层充填体应力及位移分布状态，以满足满载无轨设备运行为前提条件，建立上向水平分层充填采矿法面层充填体的强度和厚度模型。本发明所述模型可科学合理的设计充填体抗压强度和厚度，满足满载无轨设备正常运行的要求，充填成本更加经济，具有重要的理论研究意义和较高的推广应用价值。

Description

一种上向水平分层充填采矿法面层充填体强度和厚度模型的 构建方法

技术领域

本发明涉及一种上向水平分层充填采矿法面层充填体强度和厚度模型的构建方法，属于采矿技术领域。

背景技术

上向水平分层充填采矿法适用于矿石稳固、围岩不稳固，或矿石和围岩均不稳固的薄至极厚的缓倾斜到极倾斜矿体。对形态不规则、分支复合变化大的矿体适应性较强。可以精确的控制矿体边界，控制顶板暴露面积。

该法的工艺特征为：矿体内划分阶段，阶段内分段，分段内分层，自下而上分层进行回采。根据分层回采形式该法分为普通式、点柱式和进路式。

(1)普通式。

回采第一分层时，掘进拉底巷道，并以此为自由面扩大至矿房边界，形成拉底空间，再向上挑顶，将矿石崩下，随工作面向上推进，逐层充填采空区，并留出继续上采的工作空间，充填体除维护围岩稳定外，还作为继续上采的工作平台，崩落的矿石落在充填体表面，用机械运搬的方式将其运至溜井中，每一分层充填时，底部采用非胶结充填，面层胶结充填，其强度应满足无轨设备运行的要求，回采至最上一分层时，进行接顶充填。

(2)点柱式。

在采场内留设永久矿柱，支撑顶板，自下而上分层开采。回采第一分层时，掘进拉底巷道，并以此为自由面扩大至矿房边界，形成拉底空间，拉底时在预留点柱位置不回采，形成永久矿柱，再向上挑顶，将矿石崩下，随工作面向上推进，点柱向上垂直延伸，并逐层充填采空区，并留出继续上采的工作空间。充填体除维护围岩稳定外，还作为继续上采的工作平台，崩落的矿石落在充填体表面，用机械运搬的方式将其运至溜井中。每一分层充填时，底部采用非胶结充填，面层胶结充填，其强度应满足无轨设备运行的要求，回采至最上一分层时，进行接顶充填。

(3)进路式。

在分层道内按进路结构尺寸划分进路，分层内矿体采用掘进巷道的方式进行回采，进路可采用顺序回采和间隔回采两种方式。顺序回采时，分层出矿能力低，且要求所有进路进行胶结充填。为提高采场出矿能力及降低充填成本，一般采用间隔回采，同一分层内多条进路同时进行回采，凿岩、爆破、出矿和充填等工序平行交替作业，整个分层回采充填结束后，再回采上一分层。一期进路采用胶结充填，充填体强度应满足两方面的要求：①保持自立，在承受爆破震动时不塌落；②进路顶部面层充填体作为矿体继续上采的工作平台，应满足无轨设备的运行的要求。二期进路回采结束后，进路底部可采用非胶结充填，顶部采用胶结充填，面层充填体强度应满足无轨设备运行的要求。

采用该法对矿体进行回采时，应注意以下几点：

(1)人员和设备在暴露的顶板下作业，因此控制顶板的安全是非常重要的，须根据顶板的稳固性采取必要的支护措施，同时应尽量缩小顶板暴露面积。

(2)胶结充填体作为继续上采的工作平台，应保证其服务采矿期间的稳定及整体性，同时应尽量降低充填成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种上向分层充填采矿法面层充填体强度和厚度设计模型的构建方法，具体包括以下步骤：

(1)分析面层充填体力学作用及稳定性影响因素。

上向水平分层充填采矿法典型回采工艺特征为：将矿体划分为阶段，在阶段内分段，分段内分层，从上往下回采，根据分层回采工艺分为：普通式、点柱式和进路式。采场结构特征为：

①普通式采场结构特征：矿体为采场直接顶板，底板为充填体，底板充填体分为两部分，底基层为非胶结充填体，面层为胶结充填体，如图2所示。

②点柱式采场结构特征：矿体为采场直接顶板，采场内布置矿柱，底板为充填体，底板充填体分为两部分，底基层为非胶结充填体，面层为胶结充填体，如图3所示。

③进路式采场结构特征：根据进路回采顺序，采场具有两种结构：a.回采1期进路，矿体为采场直接顶板，空进路两侧为2期未采矿体，底板为充填体，底基层为(非)胶结充填体，面层为胶结充填体，如图4所示；a.回采2期进路，矿体为采场直接顶板，空进路两侧为1期胶结充填体，底板为充填体，底基层为(非)胶结充填体，面层为胶结充填体，如图5所示。

根据采场结构特征可知，无论分层采用何种方式进行回采，面层充填体均作为继续上采的工作平台，要求其具有足够的强度及厚度，满足无轨设备正常运行；无轨设备满载条件比空载时对面层充填体损伤更严重，满载条件下设备及矿石自重通过轮胎作用于面层充填体，无轨设备运行是靠轮胎与面层充填体之间的摩擦力，可见面层充填体稳定性主要受无轨设备满载条件下的垂直荷载以及无轨设备满载条件下运行时的水平荷载的影响。

(2)建立面层充填体力学模型：根据面层充填体力学作用，满载无轨设备运行时对面层充填体施加的荷载特征，构建面层充填体力学模型，建立垂直荷载力学模型和水平荷载力学模型。

进一步的，根据面层充填体的受力特征，将无轨设备作用于面层充填体的荷载分解为垂直荷载和水平荷载，由于无轨设备轮胎与面层充填体为面接触，则垂直荷载和水平荷载均为均布荷载，视面层充填体为半空间体，则力学模型为半空间体在边界上受垂直均布荷载和半空间体在边界上受水平均布荷载，如图6和图7所示；为了简化分析将面层荷载简化为集中力，则力学模型可简化为半空间体在边界上受垂直集中力及半空间体在边界上受水平集中力，如图8和图9所示。

(3)面层充填体应力分布状态分析。

①根据弹性力学布希涅斯克解答，可获得满载无轨设备垂直集中力作用下面层充填体的应力分布状态。

满载无轨设备垂直集中力作用下面层充填体的垂直位移：

满载无轨设备垂直集中力作用下面层充填体的垂直应力：

其中：

式中：w₁—满载无轨设备垂直集中力作用下面层充填体垂直位移，m；

σ_z1—满载无轨设备垂直集中力作用下面层充填体垂直应力，MPa；

p_v—满载无轨设备垂直集中力，MPa；

μ—面层充填体泊松比，为一常数；

E—面层充填体弹性模量，MPa；

M₁—无轨设备自重，Kg；

M₂—无轨设备额定载重，Kg；

λ—无轨设备轴载比；

p_前—无轨设备前轮额定胎压，MPa；

p_后—无轨设备后轮额定胎压，MPa；

设满载无轨设备与充填体接触面形状为圆形，采用如图10所示的坐标系，采用均布荷载替代应力和位移分量中的垂直集中力。令圆的半径r＝a。

满载无轨设备垂直集中力与均布荷载存在如下关系：

dp_v＝2πrq_vdr (7)

式中：q_v—满载无轨设备作用于面层充填体垂直均布荷载，MPa；

S—无轨设备轮胎与面层充填体接触面积，m²；

a—满载无轨设备轮胎与面层充填体接触面半径，m。

将式(6)和(7)代入(1)并在圆面积上积分，即可求得满载无轨设备均布荷载作用下面层充填体垂直位移的表达式：

式中

的原函数为：

式中

的原函数为：

则式(11)经积分得到：

将式(6)和(7)代入(2)并在圆面积上积分，即可求得满载无轨设备均布荷载作用下面层充填体垂直应力的表达式：

式中

的原函数为：

则式(15)经积分得到：

式中：

②根据弹性力学赛如提解答，可获得满载无轨设备水平集中力作用下面层充填体的应力分布状态。

满载无轨设备水平集中力作用下面层充填体的垂直位移：

满载无轨设备水平集中力作用下面层充填体的垂直应力：

式中：w₃—满载无轨设备水平集中力作用下充填体垂直位移，m；

σ_z3—满载无轨设备水平集中力作用下充填体垂直应力，MPa；

p_h—满载无轨设备水平集中力，MN。

其他参数如前所述。

其中：

x＝rcosθ (23)

如前所述，无轨设备与充填体接触面形状为圆形，采用如图10所示的坐标系，采用均布荷载替代应力和位移分量中的水平集中力。

满载无轨设备水平集中力与水平均布荷载存在如下关系：

dp_h＝q_hrdθdr (24)

将式(22)、(23)和(24)代入(18)并圆面积上积分，即可求得满载无轨设备水平均布荷载作用下面层充填体垂直位移的表达式。

式中

的原函数为：

的原函数为：

则式(26)经积分得到：

将式(22)、(23)和(24)代入(19)并在圆面积上积分，即可求得满载无轨设备水平均布荷载作用下，胶结层垂直应力的表达式，令圆的半径r＝a：

式中

的原函数为：

则式(30)经积分得到：

③根据应力叠加原理，可求得胶结层在满载无轨设备垂直和水平均布荷载综合作用下的位移与应力表达式。

垂直位移可采用式(14)和(29)叠加求得：

垂直应力可采用式(17)和(32)叠加求得：

(4)面层充填体强度设计模型。

①面层充填体抗压强度设计模型：根据满载无轨设备荷载作用下面层充填体垂直应力分布状态，确定面层充填体最大垂直应力，以满足满载无轨设备正常运行为强度设计要求，考虑一定的安全系数，建立面层充填体抗压强度模型，具体如下：

根据面层充填体垂直应力分布状态式(34)可知，面层充填体最大垂直应力发生在轮胎与面层充填体接触的表面z＝0。

式中：σ_zmax—满载无轨设备荷载作用下面层充填体表面最大垂直应力，MPa。

根据面层充填体满足无轨设备运行的要求，前提条件为抗压强度必须大于面层充填体最大垂直应力，因此根据面层充填体应力分析结果，考虑一定的安全系数，可建立面层充填体抗压强度模型。

σ_c＝f₁|σ_zmax| (36)

式中：σ_c—面层充填体设计抗压强度，MPa；

f₁—为强度安全系数，考虑料浆离析对充填体强度的影响，安全系数取1.5。

②面层充填体厚度设计模型：根据满载无轨设备荷载作用下面层充填体垂直位移分布状态，确定面层充填体最大垂直位移，根据面层充填体垂直位移、厚度、弹性模量、应力、应变之间的关系，以面层充填体发生最大形变仍处于弹性状态为前提条件，考虑一定的安全系数，建立面层充填体厚度模型，具体如下：

根据面层充填体垂直位移分布状态(33)可知，面层充填体最大垂直位移发生在轮胎与面层充填体接触的表面z＝0。

式中：w_max—满载无轨设备荷载作用下面层充填体表面最大垂直位移，m。

将面层充填体表面最大垂直位移视为面层充填体整体最大变形，且该变形条件下面层充填体处于弹性阶段，则面层充填体应变可以表示为：

式中：ε_max—面层充填体表面最大应变；

d₀—面层充填体保持弹性的最小厚度(临界厚度)，m。

根据岩石力学理论，面层充填体垂直应力、弹性模量及应变之间的关系可以表示为：

将式(38)带入(39)：

根据式(40)可求得：

将式(35)和(37)带入式(41)可得：

合理的胶结层厚度d应满足：

d＝f₂|d₀| (43)

式中：d—面层充填体设计厚度，MPa；

f₂—为厚度安全系数，考虑料浆流动对充填体平整度的影响，安全系数取1.5。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述方法可精确分析无轨设备满载条件下，面层充填体应力、位移分布状态，可为面层充填体抗压强度及厚度设计提供理论依据。

(2)本发明所述方法以无轨设备满载条件下面层充填体最大垂直位移及最大垂直应力数值为基础参数，分析面层充填体质量对稳定性的影响，以面层充填体满足无轨设备运行的要求，考虑一定的安全系数，构建面层充填体抗压强度和厚度设计模型。

(3)本发明所述方法设计的面层充填体强度和厚度，可满足无轨设备满载条件下运行的要求，提供可靠的作业平台，可有效控制面层充填体的充填成本及充填量。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2普通式上向水平分层充填采矿法采场结构；

图3点柱式上向水平分层充填采矿法采场结构；

图4进路式上向水平分层充填采矿法采场结构一；

图5进路式上向水平分层充填采矿法采场结构二；

图6半空间体在边界上受垂直均布荷载；

图7半空间体在边界上受水平均布荷载；

图8半空间体在边界上受垂直集中力；

图9半空间体在边界上受水平集中力；

图10轮胎与充填体接触面坐标系。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

本发明所述一种上向水平分层充填采矿法面层充填体强度和厚度设计模型的构建方法，具体实施方式如下：

(1)背景介绍

某锡矿某矿段设计的采矿方法为上向水平分层进路式充填采矿法，面层充填体设计抗压强度15MPa，厚度2.0m，采用C15混凝土进行充填，混凝土配比及成本如下表所示。

表1某锡矿山面层充填体配比及成本

水泥(kg)	骨料(kg)	水(kg)	成本(元/m<sup>3</sup>)
				270	2040	180	159.90

矿山面层年充填量4万m³，年充填成本为639.6万元。根据上向水平分层充填采矿法充填体强度设计及应用现状分析，矿山设计的面层充填体强度及厚度过大，虽然满足了无轨设备正常运行的要求，但是由于强度和厚度过度富裕造成充填成本严重偏高，因此有必要对面层充填体强度和厚度进行优化，保证面层充填体力学功用的前提下，有效降低充填成本。

(2)某锡矿某矿段上向水平分层进路式充填体采矿法面层充填体力学作用及稳定性影响因素分析。

该锡矿某矿段采用上向水平分层进路式充填采矿法回采矿体，进路断面形状为矩形，进路高度及宽度均为4m，标准进路长度为20m。其回采工艺特征为：将矿体划分为阶段，在阶段内分段，分段内分层，相邻分层多按垂直正交布置，分层内划分进路。矿体整体呈从下往上回采，同一分层内呈多条非相邻进路同时回采。采场结构特征为：顶部矿体，侧帮为矿体或充填体，底板为面层充填体，如图4和图5所示。

面层充填体作为采场继续上采的工作平台，需要满足满载无轨设备正常运行的条件，无轨设备作用于面层充填体的荷载包括垂直和水平荷载。该锡矿常用的无轨设备包括，凿岩机、撬毛台车、铲运机、耙渣机以及运矿卡车，其中运矿卡车自重最大，载重量最大，具体参数如下所示。

表2某锡矿运矿卡车参数

(3)某锡矿某矿段充填体力学模型

根据上述分析，将面层充填体视为半空间体，满载无轨设备荷载分为垂直和水平荷载，建立面层充填体力学模型，半空间体受垂直均布荷载和半空间体受水平均布荷载，如图6和图7所示。

为简化分析，可将图6和图7所示的力学模型，简化为半空间体受垂直集中力和半空间体受水平集中力，如图8和图9所示。

(4)面层充填体应力及临界厚度计算

满载无轨设备垂直和水平均布荷载作用下，面层充填体最大垂直应力按式(35)计算，面层保持弹性的最小厚度(临界厚度)按式(42)计算。

其中：

经计算面层充填体最大垂直应力为：

面层保持弹性的最小厚度(临界厚度)为：

(4)面层充填体强度及厚度设计

采用式(36)计算面层充填体抗压强度：

σ_c＝f₁|σ_zmax| (36)

强度安全系数f₁取1.5，则：

σ_c＝f₁|σ_zmax|＝1.5×1.15＝1.73MPa (46)

采用式(43)计算面层充填体厚度：

d＝f₂|d₀| (43)

厚度安全系数f₂取1.5，则：

d＝f₂|d₀|＝1.5×0.33＝0.50m (47)

(5)生产实践

根据式(46)确定的面层充填体强度，选择满足强度设计要求、不离析、适于管道输送而且成本最低的充填配比，如表3所示。

表3某锡矿面层充填体最佳配比

根据表3推荐的配比，同时控制面层充填体厚度0.5m，指导上向水平分层进路面层充填体现场充填实践，截至目前累计充填12万m³，面层充填体作为继续上采的工作平台，满足无轨设备运行的要求，并未出现刨坑、断裂的情况。相较于矿山原充填配比，可节约成本53.50元/m³，累计创效642万元。

Claims (5)

1.一种上向水平分层充填采矿法面层充填体强度和厚度模型的构建方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)面层充填体力学作用及稳定性影响因素分析：

根据不同采场结构上向水平分层充填采矿法的典型工艺特征，分析面层充填体作为采场继续上采的工作平台的力学作用，以满足满载无轨设备正常运行的要求；分析面层充填体的强度需求以及稳定性影响因素；

(2)构建面层充填体力学模型：

根据面层充填体力学作用，满载无轨设备运行时对面层充填体施加的荷载特征，构建面层充填体力学模型，建立垂直荷载力学模型和水平荷载力学模型；

(3)面层充填体应力及位移分布状态分析：

根据面层充填体的力学模型，采用弹性力学理论布希涅斯克基本解答，分析满载无轨设备垂直荷载作用下面层充填体的垂直位移和垂直应力分布状态；采用弹性力学理论赛如提基本解答，分析满载无轨设备水平荷载作用下面层充填体的垂直应力和垂直位移状态；根据应力叠加原理，分析得到满载无轨设备垂直荷载和水平荷载综合作用下，面层充填体垂直应力和垂直位移分布状态；

(4)建立面层充填体强度和厚度模型：

根据满载无轨设备荷载作用下面层充填体垂直应力分布状态，确定面层充填体最大垂直应力，以满足满载无轨设备正常运行为强度设计要求，考虑一定的安全系数，建立面层充填体抗压强度模型；

根据满载无轨设备荷载作用下面层充填体垂直位移分布状态，确定面层充填体最大垂直位移，根据面层充填体垂直位移、厚度、弹性模量、应力、应变之间的关系，以面层充填体发生最大形变仍处于弹性状态为前提条件，考虑一定的安全系数，建立面层充填体厚度模型。

2.根据权利要求1所述上向水平分层充填采矿法面层充填体强度和厚度模型的构建方法，其特征在于：步骤(1)面层充填体力学作用及稳定性影响因素如下所示：

①上向水平分层充填采矿法采场结构特征为：无论采用何种形式对分层进行回采，采场顶板均为矿体，底板均为面层充填体；

②面层充填体力学作用为：面层充填体作为继续上采的工作平台，需要满足满载无轨设备运行的条件，且在服务分层回采过程保证稳定及整体性；

③面层充填体稳定性影响因素：面层充填体破坏的直接原因在于满载无轨设备运行时其荷载作用于面层充填体应力值大于设计强度，满载无轨设备运行时作用面层充填体的荷载分为垂直荷载和水平荷载。

3.根据权利要求1所述上向水平分层充填采矿法面层充填体强度和厚度模型的构建方法，其特征在于：

步骤(2)中的面层充填体力学模型为：满载无轨设备垂直荷载和水平荷载通过轮胎直接作用于面层充填体，两者之间为面接触，视面层充填体为半空间体，则面层充填体力学模型可分为半空间体在边界上受垂直均布荷载和半空间体在边界上受水平均布荷载，为简化分析可将力学模型简化为半空间体在边界上受垂直集中力和半空间体在边界上水平向集中力。

4.根据权利要求1所述上向水平分层充填采矿法面层充填体强度和厚度模型的构建方法，其特征在于：步骤(3)面层充填体位移及应力状态分析，可采用下式表示：

①满载无轨设备垂直均布荷载作用下，面层充填体位移及应力分布状态可采用下式表示。

垂直位移：

式中：w₂—满载无轨设备垂直均布荷载作用下面层充填体垂直位移，m；

q_v—满载无轨设备作用于面层充填体垂直均布荷载，MPa；

E—面层充填体弹性模量，MPa；

μ—面层充填体泊松比；

a—满载无轨设备轮胎与面层充填体接触面半径，m；

z—面层充填体厚度坐标，m；

垂直应力：

式中：σ_z2—满载无轨设备垂直均布荷载作用下面层充填体垂直应力，MPa；

其他参数如前所述；

满载无轨设备垂直均布荷载按下式计算：

式中：p_v—满载无轨设备垂直集中力，MN；

M₁—无轨设备自重，Kg；

M₂—无轨设备额定载重，Kg；

λ—无轨设备轴载比；

p_前—无轨设备前轮额定胎压，MPa；

p_后—无轨设备后轮额定胎压，MPa；

g—重力加速度，取9.8N/Kg；

S—满载无轨设备轮胎与面层充填体接触面积，m²。

其他参数如前所示；

②满载无轨设备水平均布荷载作用下，面层充填体位移及应力分布状态可采用下式表示：

垂直位移：

式中：w₄—满载无轨设备水平均布荷载作用下面层充填体垂直位移，m；

q_h—满载无轨设备作用于面层充填体水平均布荷载，MPa；

其他参数如前所述；

垂直应力：

式中：σ_z4—满载无轨设备水平均布荷载作用下面层充填体垂直应力，MPa；

其他参数如前所述；

满载无轨设备水平均布荷载按下式计算：

式中：F—无轨设备额定铲取力或启动阻力，MN；

其他参数如前所述；

③满载无轨设备垂直和均布荷载综合作用下，面层充填体位移及应力分布状态可采用下式表示；

垂直位移：

式中：w—满载无轨设备垂直和水平均布荷载综合作用下面层充填体垂直位移，m；

其他参数如前所述；

垂直应力：

式中：σ_z—满载无轨设备垂直和水平均布荷载综合作用下面层充填体垂直应力，MPa；

其他参数如前所述。

5.根据权利要求1所述上向水平分层充填采矿法面层充填体强度和厚度模型的构建方法，其特征在于：

①步骤(4)中面层充填体强度设计按下式计算，

面层充填最大垂直应力为：

式中：σ_zmax—满载无轨设备荷载作用下面层充填体表面最大垂直应力，MPa；

面层充填体抗压强度按下式计算：

σ_c＝f₁|σ_zmax| (36)

式中：σ_c—面层充填体设计抗压强度，MPa；

f₁—为强度安全系数，取1.5；

②步骤(4)中面层充填体厚度设计按下式计算；

面层充填最大垂直位移为：

式中：w_max—满载无轨设备荷载作用下面层充填体表面最大垂直位移，m；

面层充填体最大应变：

式中：ε_max—面层充填体表面最大应变；

d₀—面层充填体处于弹性状态的最小厚度，m。

面层充填体弹性模量：

面层充填体保持弹性的最小厚度：

面层充填体厚度按下式计算：

d＝f₂|d₀| (43)

式中：d—面层充填体设计厚度，MPa；

f₂—为厚度安全系数。

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