CN113326548A - 一种下向水平分层进路式充填体强度设计模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种下向水平分层进路式充填体强度模型的构建方法，属于采矿技术领域。本发明所述方法通过对下向水平分层进路式采场结构特征分析、充填体稳定性要求以及影响充填体稳定的因素，结合边界条件，建立充填体力学模型，借助厚板理论基本方程，建立下向水平分层进路式充填体的强度模型。本发明建立的模型更真实的反应了下向进路式充填体的受力状态，所设计的充填体强度更科学合理，在保证充填体的稳定的条件下更加经济，具有重要的理论研究意义和较高的推广应用价值。

Description

一种下向水平分层进路式充填体强度设计模型的构建方法

技术领域

本发明涉及一种下水平分层进路式充填体强度设计模型的构建方法，属于采矿技术领域。

背景技术

下向水平分层进路式充填采矿法适用于矿岩不稳固、极不稳固的薄至极厚的缓倾斜到极倾斜矿体，且矿体品位较高，经济价值大。该法于上世纪六十年代，在瑞典波立登(Doliden)矿物股份有限公司的加彭贝里(Garpenbery)铅锌矿试验成功并应用，随后在加拿大、日本、德国和美国等国家相继推广应用。上世纪六十年代，我国黄沙坪铅锌矿在国内率先采用这种采矿方法。近20年来，我国下向水平分层充填采矿法发展较快，目前已成为世界上采用该法的矿山和开采总量最多的国家之一。由于无轨设备得到广泛的应用，采用传统的下向分层充填法的矿山逐年减少，大、中型矿山已基本实现了无轨化开采。如金川二矿区是世界上采用下向分层采矿法规模最大，机械化程度、采场生产能力最大的矿山，整体技术水平接近国际先进矿山的水平。

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，分层内为减少顶板的暴露面积，提高回采工作的安全性，在分层内划分进路；属于典型的阶段开拓，分段采准，分层采矿模式；分段间采用斜坡道连接，分段巷道内掘进分层联络道通达各分层；自上而下分层回采，每一分层的回采是在掘进分层联络道后，以分层全高沿走向或垂直走向掘进分层道，分层道内按进路结构尺寸划分进路，顺序或间隔进行回采，进路回采完成后对形成的空区进行充填，为了保证下一分层进路回采和相邻进路回采的作业安全，一般采用胶结充填；由于进路充填体底部为下一分层回采时的直接顶板，因此充填时进路下半部分采用高强充填，并铺设钢筋网，为节约充填成本上半部分充填体强度一般比下半部分低；进路断面高度即为分层高度，分层断面尺寸主要取决于凿岩和出矿设备，分段高度主要取决于分段巷道的布置位置以及设备爬坡能力。

该法实质是，在矿岩无法提供安全可靠的作业条件下，通过再造回采环境，形成比矿岩稳定性好的人工假顶，在人工假顶下进行回采作业。

该法特点表现为以下几个方面：

(1)对矿体产状及赋存条件适应性强，可最大限度的将矿石采出，并有效控制贫化和损失。

(2)具有明显的“分层式、小开挖、连续化、快速充填”特点，通过控制回采面积，减少围岩或充填体的暴露面积和暴露时间，通过采空区快速充填，利用充填体力学作用控制地压。

(3)符合绿色矿山建设的基本要求。该法具有消除采动引起的地表下沉、降低废石尾砂等固体废料排放、甚至根本消除采矿末端处理达到无废开采的功能。

采用下向水平分层进路充填采矿法对矿体进行回采时，进路顶板稳定性是该法成功应用的关键。首采分层直接顶板为不稳定矿岩，要求对顶板和边帮进行支护。非首采层回采时，进路顶板为人工假顶，要求充填体具有足够强度，以保证其整体性和稳定性，因此必须建立科学合理的充填体强度模型设计其强度，保证充填体稳定，为人员和设备提供安全可靠的作业环境，同时经济成本最优。

发明内容

本发明的目的在于提供一种下向水平分层进路式充填体强度设计模型的构建方法，具体包括以下步骤：

(1)采场结构特征、充填体稳定性要求、稳定性影响因素分析。

下向水平分层进路式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，相邻分层多按垂直正交布置，分层内划分进路；矿体整体呈从上往下回采，同一分层内呈多条非相邻进路同时回采；采场结构特征为：顶部充填体作为矿体回采的直接顶板，侧帮为矿体或充填体，如图2和图3所示。

根据采场结构特征以及安全开采的要求，顶板充填体在进路回采时应保持稳定，不能发生冒顶以及突发性失稳；1期进路回采侧帮为矿体，2期进路回采侧帮为充填体，均要求进路回采时侧帮(矿体或充填体)，应保持自立，并承受爆破震动时不塌落。

顶板充填体服务下分层回采时，暴露的结构尺寸为进路长度以及宽度，当回采2期进路时，侧帮为充填体，暴露的结构尺寸为进路高度，由此可以确定影响顶板充填体稳定的影响因素包括进路的长、宽、高；同时顶板充填体服务下分层回采时，除了承载自身重力时还需要承载上覆岩层压力，因此影响充填体稳定的因素还包括自身重力以及上覆岩层压力。

(2)建立充填体力学模型。

根据采场结构特征、稳定性要求以及影响充填体稳定的因素确定；顶板为上分层多条进路组合形成的板，当次分层的进路矿体或充填体为板的支撑，板的顶部受均布荷载作用，因此可将该结构视为底部有支座的厚板；而稳定性最差的情况为进路顶板以及侧帮均为充填体，力学模型如图4。

充填体边界为简支边界，挠度为零，弯矩和转角为零，可用下式表示：

在x＝0和x＝a处，w＝0，M_x＝0，ψ_y＝0 (1)

在y＝0和y＝a处，w＝0，M_y＝0，ψ_x＝0 (2)

根据上述条件，可将充填体简化为四边简支的厚板；力学模型可简化如图5所示。

(3)充填体应力分析。

采用符拉索夫理论基本解答，对充填体内力进行求解。

内力、内矩的表达式如下所示。

式中：M_x、M_y-为板(充填体)的弯矩；

M_xy-为板(充填体)的扭矩；

Q_x、Q_y-为板(充填体)的横向剪力；

D-为板(充填体)的弯曲刚度；

ψ_x、ψ_y-为板(充填体)的转角函数；

w-为板(充填体)的挠度；

μ-为板(充填体)的泊松比；

G-为板(充填体)的剪切变形模量。

其中：

式中：E-为板(充填体)的弹性模量。其他参数如前所示

设挠度和转角等位移函数分别为：

挠度和转角等位移函数均满足式(1)和式(2)表示的边界条件。

板的边界条件已全部满足，同样将荷载也展开成双三角级数：

式中q_mn为双三角级函数的系数，利用三角函数的正交性，可得：

若承载层受均布荷载作用，则：

q(x，y)＝q₀ (9)

将式(9)代入式(8)，得到：

将式(6)和(8)代入微分方程组(3)，得到包含A_mn、B_mn和C_mn的3个联立方程式，求解后得到：

对于变化缓慢的均布载荷而言，当m，n的值依次增大时，由于q_mn急剧地减小，虽然修正项的影响在增加，但对挠度的影响并不大。假设承载层上方的均布荷载变化缓慢或基本不变化，取m＝n＝1。则将式(10)改写为：

挠度和转角等位移函数(方程组(6))可改写为：

方程组(11)改写为：

根据方程组(13)和(14)可得：

将方程组(15)中的各相关项代入方程组(3)的第一项和第二项，可得内矩的表达式：

最大内矩出现在进路顶部充填体底板的几何中心处，

将方程组(14)中A₁₁、B₁₁和C₁₁的表达式代入式(18)和(19)：

将式(4)、式(5)和式(12)的表达式代入式(20)和(21)：

最大拉应力出现在充填体底部中心点，按下式计算：

式中：σ_x(max)-x方向最大拉应力；

σ_y(max)-y方向最大拉应力；

z_max-垂直截面内距中轴最远的距离，取

则最大拉应力按下式计算：

考虑充填体自身重力，则充填体最大拉应力为：

式中：σ_x(max)-x方向最大拉应力；

σ_y(max)-y方向最大拉应力；

ρ-充填体密度；

g-重力加速度；

其他参数如前所述。

(4)充填体强度设计模型。

根据充填体稳定性的要求，充填体保持稳定的前提条件为其强度必须大于充填体内任意一点的应力，因此，根据充填体应力分析结果，考虑一定的安全系数，便可建立充填体的强度模型。

充填体抗拉强度按下式计算：

式中：σ_t-为设计的充填体抗拉强度；

f-为安全系数。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述的方法可确定充填体内最大拉应力出现的位置(即充填体最容易出现拉破坏的位置)，以及最大拉应力的精确数值，可为充填体强度设计提供理论依据。

(2)本发明所述方法以充填体内最大拉应力数值为基础，考虑一定的安全系数，极大的保证了直接顶板(充填体)下工作设备及人员的安全。

(3)本发明所述方法设计的充填体强度，在保证作业安全的同时，可有效的节约充填体成本。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2采场结构特征之一图；

图3采场结构特征之二图；

图4充填体力学模型图；

图5充填体力学模型简图

图6某锡矿充填体力学模型图；

图7某锡矿充填体力学模型简图。

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

本发明所述一种下向水平分层进路式充填体强度设计模型的构建方法，具体实施方式如下：

(1)背景介绍

某锡矿主要采矿方法为下向水平分层进路式充填采矿法，充填体设计抗拉强度为1.27MPa，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某锡矿山原充填配比及成本

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

矿山年充填量为20万m³，充填成本为3198万元。根据下向水平分层进路式充填采矿法充填体强度设计及应用现状分析，该矿山设计的充填体强度过大，虽然保证作业的安全，但是充填成本严重偏高，因此有必要对充填体强度进行优化。

(2)某锡矿采场结构特征、充填体稳定性要求、稳定性影响因素分析。

该锡采用下向水平分层进路式充填体采矿法回采矿体，进路断面为矩形，进路宽度为4m，高度为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。矿体整体呈从上往下回采，同一分层内呈多条非相邻进路同时回采。采场结构特征为：顶部充填体作为矿体回采的直接顶板，侧帮为矿体或充填体，如图2和图3所示。

根据采场结构特征分析可知，采场危险结构为顶板及侧帮均为充填体的情况(如图3)，根据采场结构分析可知，要求顶部充填体在进路回采时应保持稳定，不能发生冒顶以及突发性失稳；侧帮为充填体应保持自立，并承受爆破震动时不塌落。

下分层回采时，影响上分层充填体的稳定性的结构尺寸：长度(b)为20m、宽度(a)为4m、高度(h)为4m。根据现场实测充填体上覆均布荷载为(q₀)为0.3MPa，充填体密度为2100Kg/m³。

(3)某锡矿充填体力学模型

根据上述分析，可建立某锡矿充填体的力学模型，如图6所示。

根据式(1)和式(2)所示的边界条件，结合充填体力学模型，可得到某锡矿充填体模型简图，如图7所示。

(3)充填体内力计算

根据式(28)和(29)所示的充填体最大拉应力计算公式，结合影响充填体影响因素，可计算出充填体的最大拉应力。其中：q₀＝0.3MPa；a＝4m；b＝20m；h＝4m；μ＝0.21；π取3.14。

经计算：

σ_x(max)＝0.29MPa

(31)

σ_y(max)＝0.15MPa (32)

(4)充填体强度设计

经对比：

σ_x(max)＞σ_y(max)

(33)

根据式(30)计算充填体抗拉强度，则充填体抗拉强度为：

σ_t＝fσ_x(max) (34)

取安全系数1.5。

σ_t＝fσ_x(max)＝1.5×0.29＝0.44MPa (35)

(5)生产实践

利用某锡矿固体废料开展充填体强度试验，利用式(35)计算所得的抗拉强度为遴选标准，选择满足设计抗拉强度的充填体配比，再对满足强度的充填配比进行成本计算，选择成本最低的充填体配比进行井下充填，满足强度且成本最低的配比如表2所示。

表2某锡矿最佳充填配比

某锡矿根据表2推荐的配比服务井下充填至今，累计充填45万m³，充填体服务井下采矿过程中，未出现严重破坏引发安全事故，为井下采矿作业提供了安全可靠的作业环境，相比于原矿山充填配比成本可节约32.30元/m³，累计节约成本1453.5万元。

Claims (5)

1.一种下向水平分层进路式充填体强度模型的构建方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)采场结构特征、充填体稳定性要求、稳定性影响因素分析：

根据下向水平分层进路式采矿法的典型工艺特征，分析进路式采场的回采环境以及结构特征，以保障采场作业安全为前提条件，分析充填体稳定性要求以及影响充填体稳定的影响因素；

(2)建立充填体力学模型：

根据采场结构特征、稳定性要求以及稳定性影响因素，建立采场的力学模型，结合充填体受力特点，分析充填体的边界条件；

(3)充填体内力分析：

根据充填体的力学模型以及边界条件，采用符拉索夫理论基本解答，建立充填体内力计算的表达式，根据内力与应力之间的相互关系，分析充填体应力分布解析解；

(4)充填体强度设计模型：

根据充填体应力分布状态，确定充填体内最大拉应力以及位置，以满足充填体整体稳定为设计要求，在最拉大应力基础上，考虑一定的安全系数建立充填体强度模型，并设计充填体强度。

2.根据权利要求1所述下向水平分层进路式充填体强度模型的构建方法，其特征在于：步骤(1)中进路式采场结构特征、稳定性要求以及影响充填体稳定的影响因素如下所述：①下向水平分层进路式采场结构特征为：顶部充填体作为矿体回采的直接顶板，侧帮为矿体或充填体，底板为矿体；

②采场稳定性要求为：顶板充填体在进路回采时应保持稳定，不能发生冒顶以及突发性失稳；进路侧帮为矿体或充填体时都应保持自立，并要求爆破震动时不塌落；

③影响充填体稳定性的因素包括：进路的长、宽、高、自身重力以及上覆岩层的作用力。

3.根据权利要求1所述下向水平分层进路式充填体强度模型的构建方法，其特征在于：

①步骤(2)中充填体力学模型为：顶板为上分层多条进路充填体组合形成的板，支座为当次分层多条非相邻的进路矿体或进路充填体，顶板充填体受自身重力以及上覆压力作用，为典型的底部多支撑结构厚板模型，顶部及侧帮均为充填体时稳定性最差；

②步骤(2)中充填体边界为简支边界，挠度为零，弯矩和转角为零，可用下式表示：

在x＝0和x＝a处，w＝0，M_x＝0，ψ_y＝0

在y＝0和y＝a处，w＝0，M_y＝0，ψ_x＝0

根据力学模型以及边界条件，则可将顶部充填体简化为四边简支的厚板。

4.根据权利要求1所述下向水平分层进路式充填体强度模型的构建方法，其特征在于：步骤(3)充填体力学解答分析，可采用下式表示：

充填体最大内矩的表达式为：

式中：M_x(max)—x方向最大弯矩；

M_y(max)—y方向最大弯矩；

q₀—充填体上覆均布荷载；

a—进路宽度；

b—进路长度；

μ—充填体泊松比；

h—进路高度；

充填体最大拉应力表达式为：

若考虑充填体自重则：

式中：σ_x(max)—x方向最大拉应力；

σ_y(max)—y方向最大拉应力；

ρ—充填体密度；

g—重力加速度；

其他参数如前所述。

5.根据权利要求1所述下向水平分层进路式充填体强度模型的构建方法，其特征在于：步骤(4)中充填体强度设计按下式计算：

式中：σ_t为设计的充填体抗拉强度；

f—为安全系数。

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