CN115718990B - 一种下向分层进路式充填采矿的承载层受力分析方法 - Google Patents

一种下向分层进路式充填采矿的承载层受力分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及充填采矿技术领域，特别是指一种下向分层进路式充填采矿的承载层受力分析方法，包括：S1、建立承载层力学模型；S2、通过建立的力学模型，计算承载层的最大受力点处各应力分量；S3、通过最大受力点处各应力分量，计算承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力；S4、计算承载层在自身容重作用时，载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力；以及，计算承载层在自身容重作用和承载层上表面承受均布荷载时，计算承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力。本发明构建下向分层进路式充填采矿开挖后承载层力学模型，计算不同受力情况下承载层的强度进行分析，为下向分层进路式充填采矿法安全高效开采提供参考依据。

Description

一种下向分层进路式充填采矿的承载层受力分析方法
技术领域
本发明涉及充填采矿技术领域，特别是指一种下向分层进路式充填采矿的承载层受力分析方法。
背景技术
下向分层进路式充填采矿法是一种重要的充填采矿法，主要适用于矿岩岩体质量较差、矿山原岩应力较高等复杂开采环境，对于矿岩条件破碎的高价值矿床具有回采率高、贫损指标低等优点。
该方法采用自上而下的分层回采顺序，分为二步骤回采，每一分层内采用进路式间隔回采，当进路回采完毕后，及时充填回采完成的一步骤进路空区，形成承载层，并在一步骤进路承载层(人工假顶、胶结充填体)支撑保护下回采本分层二步骤进路，回采转入下分层之后，在上分层承载层(人工假顶、胶结充填体)的保护下开展下部相邻分层的回采工作。
下向分层进路式充填采矿法开采的关键在于确保上部分层承载层(人工假顶、胶结充填体)在下向进路揭露后作为人工顶板的安全稳定性。而针对“承载层(人工假顶、胶结充填体)”的研究相对滞后，为了保障承载层(人工假顶、胶结充填体)人工顶板具有较好的安全稳定性，国内应用此类采矿方法的矿山设计的承载层(人工假顶、胶结充填体)强度要求普遍偏高，进而导致胶凝材料(水泥)消耗量大、胶结成本高，胶凝材料消耗成本一般占矿山充填总成本的70％-80％以上，直接影响矿山的经济效益。
发明内容
为了解决现有技术中下向分层进路式充填采矿的承载层胶凝材料消耗量大、胶结成本高的技术问题，本发明的一个实施例提供了一种下向分层进路式充填采矿的承载层受力分析方法，所述分析方法包括：
S1、建立承载层力学模型；
S2、通过建立的力学模型，计算承载层的最大受力点处各应力分量；
S3、通过最大受力点处各应力分量，计算承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力；
S4、计算承载层在自身容重作用时，载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力；
以及，计算承载层在自身容重作用和承载层上表面承受均布荷载时，承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力。
在一个较佳的实施例中，所述承载层力学模型为弹性力学简支梁力学模型。
在一个较佳的实施例中，在步骤S2中，承载层的最大受力点处各应力分量表述为：
Figure BDA0003957446120000021
其中，σx为承载层的最大受力点处应力在x方向的分量，σy为承载层的最大受力点处应力在y方向的分量，τxy为承载层的最大受力点处的剪应力分量，
Figure BDA0003957446120000022
为应力函数，A、B、C为待定系数，F为假设系数，f2(x)为x的任意形式的函数。
在一个较佳的实施例中，在步骤S3中，承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力表述为：
Figure BDA0003957446120000023
其中，σx为承载层的最大受力点处的剪应力分量，h为承载层的厚度，l为承载层的最大受力点处到承载层两端的距离，q为承载层上表面承受的均布荷载。
在一个较佳的实施例中，在步骤S4中，承载层在自身容重作用时，载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力表述为：
Figure BDA0003957446120000031
其中，σx为承载层的最大受力点处的剪应力分量，h为承载层的厚度，l为承载层的最大受力点处到承载层两端的距离，p为承载层的自身容重。
在一个较佳的实施例中，在步骤S4中，承载层在自身容重作用和承载层上表面承受均布荷载时，承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力表述为：
Figure BDA0003957446120000032
其中，σx为承载层的最大受力点处的剪应力分量，h为承载层的厚度，l为承载层的最大受力点处到承载层两端的距离，p为承载层的自身容重，q为承载层上表面承受的均布荷载。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明提出一种下向分层进路式充填采矿的承载层受力分析方法，构建下下向分层进路式充填采矿开挖后承载层力学模型，计算不同受力情况下承载层(人工假顶、胶结充填体)的强度进行分析，为下向分层进路式充填采矿法安全高效开采提供参考依据。
本发明提出一种下向分层进路式充填采矿的承载层受力分析方法，通过分析不同受力情况下承载层(人工假顶、胶结充填体)的强度，指导下向分层进路式充填采矿法承载层(人工假顶、胶结充填体)的强度优化，进而改进承载层(人工假顶、胶结充填体)，解决承载层(人工假顶、胶结充填体)胶凝材料消耗量大、胶结成本高的技术问题，为井下人员和设备提供安全可靠作业环境的同时实现经济成本最优。
本发明提出一种下向分层进路式充填采矿的承载层受力分析方法，基于弹性力学，结合简支梁力学模型，综合考虑承载层(人工假顶、胶结充填体)自身力学特征、进路开挖非胶结充填体力学作用、承载层自身容重与所受均布荷载时等多因素的影响，建立下向分层进路式充填采矿开挖后承载层力学模型，分析各因素对需求强度的影响，本发明既考虑了下向进路承载层(人工假顶、胶结充填体)受力状况，又能及时得出人工假顶承载层最易破坏点，适用于采场尺寸的变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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是本发明一个实施例中下向分层进路式充填采矿法的示意图。
图2是本发明承载层力学模型。
图3是本发明承载层力学模型的弹性力学简支梁力学模型示意图。
图4是本发明承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力的计算示意图。
图5是本发明承载层在自身容重作用和承载层上表面承受均布荷载时载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力的计算示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了使本发明更加清晰的说明，有必要对下向分层进路式充填采矿法进行说明，如图1所示本发明一个实施例中下向分层进路式充填采矿法的示意图，根据本发明的实施例，在下向分层进路式充填采矿法，采用自上而下的分层回采顺序，分为二步骤回采，一步骤中在每一分层内采用进路式间隔回采，当进路回采完毕后，及时充填回采完成的一步骤进路空区形成承载层(人工假顶、胶结充填体)，并在一步骤进路承载层(人工假顶、胶结充填体)支撑保护下回采本分层二步骤进路，回采转入下分层之后，在上分层承载层(人工假顶、胶结充填体)的保护下开展下部相邻分层的回采工作。
根据本发明的实施例，下向分层进路式充填采矿法，在每个分段中进行多个分层，从上至下依次采用下向进路充填法，按照“隔一采一”的顺序进行回采，充填回采完成的一步骤进路空区形成承载层(人工假顶、胶结充填体)，并在形成承载层(人工假顶、胶结充填体)支撑保护下回采本分层二步骤进路，回采转入下分层之后，在上分层承载层(人工假顶、胶结充填体)的保护下开展下部相邻分层的回采工作。
在一个优选的实施例中，隔离矿柱高度为16m，将其划分为高为4m的四个小分层。
采准工程施工包括分段巷道1、采场联络巷2、沿脉巷道10。当进路垂直于矿体9走向布置时，经采场联络巷2掘至矿体下盘6，沿矿体下盘6掘进沿脉巷道10。当进路沿矿体9走向布置时，同样经采场联络2巷掘至矿体下盘6，由矿体下盘6继续掘进采场通道至矿体上盘5。
根据本发明的实施例，根据采场布置形式，划分回采进路7。在一个优选的实施例中，回采进路7沿采场垂直矿体9走向划分，尺寸为4m×4m。
按照“隔一采一”的顺序，对矿石8进行开采，采用凿岩台车为主、YT28型气腿式凿岩机为辅的凿岩方式进行掘进，从矿体下盘6向上盘水平5推进。
炮孔直径、深度根据需要选取，通风后采用铲运机从采场内直接铲运矿石8，在装矿巷装入坑内卡车，运送至分段矿石溜井。回采完毕后采用锚杆进行支护，首采层回采结束后，在采空区4填充充填体作为下一分层回采的承载层(人工假顶、胶结充填体)3。
为了解决现有技术中下向分层进路式充填采矿的承载层(人工假顶、胶结充填体)胶凝材料消耗量大、胶结成本高的技术问题，根据本发明的实施例，提供一种下向分层进路式充填采矿的承载层受力分析方法，对承载层(人工假顶、胶结充填体)进行受力强度分析，以指导下向分层进路式充填采矿法承载层(人工假顶、胶结充填体)的强度优化，进而改进承载层(人工假顶、胶结充填体)，解决承载层(人工假顶、胶结充填体)胶凝材料消耗量大、胶结成本高的技术问题，并保证下一分层回采过程中安全高效的回采工作。
本发明提供的一种下向分层进路式充填采矿的承载层受力分析方法包括如下方法步骤：
步骤S1、建立承载层力学模型。
如图2所示本发明承载层力学模型，图3所示本发明承载层力学模型的弹性力学简支梁力学模型示意图，根据本发明的实施例，建立的承载层力学模型为弹性力学简支梁力学模型。
进路开挖后，对承载层(人工假顶、胶结充填体)作出若干简化和假定：承载层是连续、均匀和各向同性的，承载层力学模型可以运用弹性力学求解。
矿体和承载层(人工假顶、胶结充填体)未达到屈服极限时是完全弹性的，即符合胡克定律(σ＝E*ε，分别σ为梁的应力、E弹性模量和应变ε)。承载层(人工假顶、胶结充填体)具有阻隔作用，通常认为承载层(人工假顶、胶结充填体)仅受较低的水平应力，而且对承载层(人工假顶、胶结充填体)的弯曲影响也比较有限，基于此，可不考虑水平应力和两端边界约束，作近似简支处理。
步骤S2、通过建立的力学模型，计算承载层的最大受力点处各应力分量。
运用弹性力学原理确定应力函数。
承载层所受弯矩应力最大点为承载层(人工假顶、胶结充填体)的最大受力点，位于承载层(人工假顶、胶结充填体)的中心点O处，最大受力点处最易发生破坏。
承载层(人工假顶、胶结充填体)最大受力点处应力在x方向的分量各应力分量，以及承载层的最大受力点处的剪应力分量，用以下形式表示：
Figure BDA0003957446120000071
其中，σx为承载层的最大受力点处应力在x方向的分量，τxy为承载层的最大受力点处的剪应力分量，A、B、C、D为待定系数。
由(1)式可得：
Figure BDA0003957446120000072
其中，
Figure BDA0003957446120000073
为应力函数。
对(2)式进行积分可得：
Figure BDA0003957446120000074
其中，f1(x)和f2(x)为x的任意形式的函数。
将式(3)代入式(2)下式计算可得：Bxy2+f'1(x)＝-Cx-Dxy2。
由上述等式可得：
Figure BDA0003957446120000075
将(4)式代入(3)式，得：
Figure BDA0003957446120000076
其中，E为积分常数。
通过求解发现，应力函数
Figure BDA0003957446120000077
无法满足双调和方程，因此需要对该函数方程进行改造，即添加一个任意函数ψ(x,y)。通过观察式(5)可以发现Ey并不影响求解结果，为简化计算，可将其略去，调整后的应力函数/>
Figure BDA0003957446120000078
可表示为：
Figure BDA0003957446120000079
应力函数
Figure BDA00039574461200000710
需满足如式(6)所示相容方程：
Figure BDA0003957446120000081
将(6)式代入(7)式可得：
Figure BDA0003957446120000082
由此可得任意函数ψ(x,y)的简单解为：
Figure BDA0003957446120000083
其中，F、K、H均为假设系数。
将(9)式代入(8)式，可得如下关系式：
F+2K+H＝-2B (10)
任意函数ψ(x,y)中
Figure BDA0003957446120000084
和应力函数/>
Figure BDA0003957446120000085
的第二项为同类项，为了简化计算，可以省略该项，因此将(10)式简化变形可得H＝-4B-F，则应力函数/>
Figure BDA0003957446120000086
有：
Figure BDA0003957446120000087
由此，承载层的最大受力点处各应力分量表述为：
Figure BDA0003957446120000088
其中，σx为承载层的最大受力点处应力在x方向的分量，Mpa，σy为承载层的最大受力点处应力在y方向的分量，Mpa，τxy为承载层的最大受力点处的剪应力分量，Mpa，
Figure BDA0003957446120000089
为应力函数，A、B、C为待定系数，F为假设系数，f2(x)为x的任意形式的函数。
步骤S3、通过最大受力点处各应力分量，计算承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力。
如图4所示本发明承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力的计算示意图，承载层所受弯矩应力最大点为承载层(人工假顶、胶结充填体)的最大受力点，位于承载层(人工假顶、胶结充填体)的中心点O处，最大受力点处最易发生破坏，需计算承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力。
利用边界条件确定待定系数，边界条件如(13)式所示：
Figure BDA0003957446120000091
其中，q为承载层上表面承受的均布荷载，Mpa，l为承载层的最大受力点处(承载层中心点O处)到承载层两端的距离，m，h为承载层的厚度，m。
由主要边界条件得：
Figure BDA0003957446120000092
Figure BDA0003957446120000093
两式相加得：
Figure BDA0003957446120000094
比较x2和x0的系数，可得：
F＝0，
Figure BDA0003957446120000095
又因为：
Figure BDA0003957446120000096
故：
Figure BDA0003957446120000097
从而解得(14)式各常数为：
Figure BDA0003957446120000101
代入(12)式可得：
Figure BDA0003957446120000102
再由次要边界条件得：
Figure BDA0003957446120000103
从而可得：
Figure BDA0003957446120000104
将(19)式代入(18)式可得：
Figure BDA0003957446120000105
由此，承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力表述为：
Figure BDA0003957446120000106
其中，σx为承载层的最大受力点处的剪应力分量，Mpa，h为承载层的厚度，l为承载层的最大受力点处到承载层两端的距离，q为承载层上表面承受的均布荷载，Mpa。
步骤S4、计算承载层在自身容重作用时，载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力，以及计算承载层在自身容重作用和承载层上表面承受均布荷载时，计算承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力。
承载层(人工假顶、胶结充填体)会出现两种不同的受力情况，即承载层只受到自重应力的情况，以及承载层受上覆压力及自重应力共同作用的情况。通常情况下，“梁”的自重不可忽略，在步骤S3中忽略了承载层(人工假顶、胶结充填体)的自身容重影响，因此需要计算承载层(人工假顶、胶结充填体)在仅受自身容重的情况下的应力，取应力函数为：
Figure BDA0003957446120000111
采用步骤S2的计算方法计算得到：
Figure BDA0003957446120000112
其中，p为承载层的自身容重。
由(22)式和(23)式联立可得(24)式,表示承载层自身容重条件下，在承载层中心点O处上下表面所受的应力，即承载层在自身容重作用时，承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力表述为：
Figure BDA0003957446120000113
其中，σx为承载层的最大受力点处的剪应力分量，Mpa，h为承载层的厚度，l为承载层的最大受力点处到承载层两端的距离，p为承载层的自身容重，Mpa。
承载层在自身容重作用和承载层上表面承受均布荷载时，根据叠加原理，结合(20)式和(23)式，可得：
Figure BDA0003957446120000121
同样根据叠加原理，结合(21)式和(24)式最终得到，承载层在自身容重作用和承载层上表面承受均布荷载时，计算承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力表述为：
Figure BDA0003957446120000122
其中，σx为承载层的最大受力点处的剪应力分量，Mpa，h为承载层的厚度，l为承载层的最大受力点处到承载层两端的距离，p为承载层的自身容重，Mpa，q为承载层上表面承受的均布荷载，Mpa。
本发明提出一种下向分层进路式充填采矿的承载层受力分析方法，通过分析不同受力情况下承载层(人工假顶、胶结充填体)的强度，分析影响承载层(人工假顶、胶结充填体)稳定性的因素：宽、高、容重及上覆压力，为下向分层进路式充填采矿法承载层(人工假顶、胶结充填体)的强度优化提供指导。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种下向分层进路式充填采矿的承载层受力分析方法，其特征在于，所述分析方法包括：
S1、建立承载层力学模型，其中，所述承载层力学模型为弹性力学简支梁力学模型；
S2、通过建立的力学模型，计算承载层的最大受力点处各应力分量，承载层的最大受力点处各应力分量表述为：
Figure FDA0004143749750000011
其中，σx为承载层的最大受力点处应力在x轴方向的分量，σy为承载层的最大受力点处应力在y轴方向的分量，τxy为承载层的最大受力点处的剪应力分量，
Figure FDA0004143749750000012
为应力函数，A、B、C为待定系数，F为假设系数，f2(x)为x的任意形式的函数；
S3、通过最大受力点处各应力分量，计算承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力；
S4、计算承载层在自身容重作用时，载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力；
以及，计算承载层在自身容重作用和承载层上表面承受均布荷载时，承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力；
其中，计算承载层在仅受自身容重的情况下的应力，取应力函数为：
Figure FDA0004143749750000021
承载层在自身容重作用时，载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力表述为：
Figure FDA0004143749750000022
其中，σx为承载层的最大受力点处应力在x轴方向的分量，h为承载层的厚度，l为承载层的最大受力点处到承载层两端的距离，p为承载层的自身容重。
2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，在步骤S3中，承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力表述为：
Figure FDA0004143749750000023
其中，σx为承载层的最大受力点处应力在x轴方向的分量，h为承载层的厚度，l为承载层的最大受力点处到承载层两端的距离，q为承载层上表面承受的均布荷载。
3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，在步骤S4中，承载层在自身容重作用和承载层上表面承受均布荷载时，承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力表述为：
Figure FDA0004143749750000024
其中，σx为承载层的最大受力点处应力在x轴方向的分量，h为承载层的厚度，l为承载层的最大受力点处到承载层两端的距离，p为承载层的自身容重，q为承载层上表面承受的均布荷载。
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