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中图分类号 U D C T D 8 5 3 6 2 2 硕士学位论文 学校代码 密级 1 0 5 3 3 凡口铅锌矿顶底柱残矿回采充填假顶结构参数 研究与应用 R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ns t r u c t u r ep a r a m e t e r so f t h eb a c k f i l lr o o ff o rs t o p i n gt h ec r o w na n ds i l lp i l l a r r e s i d u a lo r e b o d yi nF a n k o ul e a d z i n cM i n e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 。论文答辩日期型生 塞 I 罗佳 矿业工程 采矿工程 资源与安全工程学院 史秀志教授 黄沛生高工 教授级 答辩委员会主 中南大学 二零一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明掣掣烨掣 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名 重i 蔓日期丝年土月坦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名 重包导师签名 日期塑堡～年上月卫日日期碰年j 伫日 万方数据 凡口铅锌矿顶底柱残矿回采充填假顶结构参数研究与应用 摘要项底柱矿体开采关键是保证回采过程中顶板充填体的稳定，凡 口铅锌矿采用台车一次凿岩爆破、遥控铲运机出矿回收项底柱，矿体 回采时采场顶板为充填体假顶，顶板的稳定性是安全回采的前提。本 文以凡口铅锌矿台车回采顶底柱工艺为依托，在现场调研、查阅文献 并开展现场试验的基础上，采用了理论分析、数学方法和数值模拟手 段，对假顶的充填工艺、结构参数和假项的稳定性展开了研究，主要 的研究内容和结论如下 1 采用室内试验的方法，对矿山的充填材料和充填体的理化 性能、力学性能和强度进行了试验研究，为矿山首层充填稳定性研究 提供参数依据。 2 分析了影响充填体假顶稳定性的主要因素，利用层次分析 法对1 4 个主要因素进行了综合评价，得出充填体强度、首层充填体 厚度、项板暴露时间、爆破的影响和充填工艺等为关键因素。 3 分析了矿房和间柱采场假顶的受力情况和荷载计算方法； 运用薄板理论和简支梁理论对充填体假顶的力学机理和失稳机理进 行了研究，得出了假顶的应力分布规律和危险点的位置。 4 提出了一种高效、低成本的首层充填工艺，采用竹筋代替 部分钢筋，验证了竹筋．钢筋充填体假顶的可行性。 5 采用F L A C 3 D 软件模拟了不同充填体顶板厚度下底柱回采 过程，得出矿房采场地网层充填最优厚度为2 m ，间柱采场充填体假 顶最优厚度为6 m 。 6 选择凡口铅锌矿S h n 一3 2 0 mS O ．1 拌底柱采场作为试验采场， 结果底柱安全回采，顶板充填体未受到较大的破坏。试验表明，首层 充填施工工艺和结构参数满足矿山顶底柱矿体回采对顶板稳定性的 要求。 本文总共有图5 2 幅，表1 8 个，参考文献9 0 篇。 关键词顶底柱矿体；充填体稳定性；首层充填；充填体假顶；采场 稳定性；F L A C 3 D 分类号T D 8 5 3 I I 万方数据 R e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no ns t r u c t u r ep a r a m e t e r so f t h eb a c k f i l lr o o ff o rs t o p i n gt h ec r o w na n ds i l lp i l l a r r e s i d u a lo r e b o d yi nF a n k o ul e a d z i n cM i n e A b s t r a c t T h ek e yo fc r o w na n ds i l lp i l l a ro r e b o d y m i n i n gi st h es t a b i l i t y o ft h eb l a c k f i l lr o o f , As t o p i n gm a t h o dw h i c hu s e dT r o l l e yo n c e d r i l l i n g - b l a s t i n ga n du s e dr e m o t e c o n t r o l l e dL H Dt oo r ed r a w i n gw a s p r o p o s e di nF a n k o uL e a d - Z i n cM i n e ．O r eb o d ym i n i n gs t o p er o o ff o r b l a c k f i l lr o o f , r o o fs t a b i l i t yi st h ep r e c o n d i t i o no fs a f e t ym i n i n g ．T h i s p a p e rb a s e do nt h er e s e a r c ha b o u tT r o l l e yS t o p et h eC r o w na n dS i l lP i l l a r O r e b o d yt e c h n o l o g yi nf a n k o ul e a d - z i n cm i n e ，o nt h eb a s i so fs i t e i n v e s t i g a t i o n ，l i t e r a t u r ec o n s u l t i n g a n df i e l dt e s t ，C a r r i e do u tt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，m a t h e m a t i c a lm e t h o da n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o d ，s t u d i e do ff i l l i n gt e c h n o l o g y 、s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n ds t a b i l i t y o nb a c k f i l lf a l s er o o f , t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s 1 B yu s i n gt h em e t h o do fl a b o r a t o r yt e s tf o rm i n ef i l l i n gm a t e r i a l a n dt h e f i l l i n g o ft h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n ds t r e n g t hw e r es t u d i e d ，p r o v i d ep a r a m e t e rb a s i sf o rm i n e f i r s tl a y e rb a c k f i l ls t a b i l i t ys t u d y ． 2 A n a l y z e dt h em a i nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h es t a b i l i t yo ff i l l i n g b o d yf a l s er o o f , a n dt h e14m a j o rf a c t o r sw a sa s s e s s e db yt h eA H P m e t h o l d ．I ti sc o n c l u d e dt h a tf i l l i n gb o d ys t r e n g t h ，t h et h i c k n e s so ft h e f i r s tl a y e rb a c k f i l l ，t h ef a l s er o o fe x p o s u r et i m e ，t h ei n f l u e n c eo fb l a s t i n g a n dt h ef i n i n gt e c h n o l o g yw e r ec r i t i c a lf a c t o r s ． 3 A n a l y z e dt h ef o r c e sa n d l o a d sc a l c u l a t i o nm e t h o d sb e t w e e nr o o m a n dp i l l a rm i n i n gs t o p ef o rt h ef a l s er o o f ；B yu s i n gt h et h i nb o a r da n d b e a mt h e o r yt or e s e a r c ht h em e c h a n i c sm e c h a n i s ma n di n s t a b i l i t y m e c h a n i s mo f b a c k f i l lf a l s er o o f ． 4 P r o p o s e da ne f f i c i e n t ，l o w - c o s tf i r s tl a y e rf i l l i n gp r o c e s s ，u s i n g b a m b o oi n s t e a do fp a r to fs t e e lb a r s ，v e r i f i e db a m b o or i b sa n ds t e e l r e i n f o r c e df a l s er o o fr e s t o r a t i o n sf e a s i b i l i t y ． 5 U s i n gF L A C 叫t os i m u l a t et h ed i f f e r e n tf i l l i n gs t o p er o o f t h i c k n e s so fb o t t o mc o l u m n ，t h ep r o c e s so ft h ef i l l i n gr o o ms t o p eg r o u n d I I I 万方数据 l a y e r s ，t h eo p t i m a lt h i c k n e s so f2m ，f a l s er o o fp i l l a rs t o p ef i l l i n gb o d y b e t w e e nt h eo p t i m a lt h i c k n e s si s6m ． 6 S e l e c tF a n k o uL e a d - Z i n cM i n eS h n - 3 2 0 mS O l 拌p i l l a rm i n i n g s t o p e 嬲t e s ts t o p e ，b o t t o mc o l u m ns a f e t ym i n i n ga n d r o o fo ff i l l i n gb o a y a r en o tm a j o rd a m a g e ．T e s t ss h o wt h a tt h ef i r s tl a y e ro ff i l l i n g c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dp a r a m e t e r sm e e tt h eo r e b o d ys t o p i n gm i n i n g a v o i d a n c e sc o l u m no fr o o fs t a b i l i t yr e q u i r e m e n t s ． F i g u r e5 2 ，t a b l e18 ，r e f e r e n c e s9 0 K e y w o r d s c r o w na n ds i l lp i l l a ro r e b o d y ；f i l l i n gb o d ys t a b i l i t y ；t h ef i r s t l a y e rb a c k f i l l ；r o o fo ff i l l i n gb o d y ；s t o p es t a b i l i t y ；F L A C 3 D C l a s s i f i c a t i o n T D 8 5 3 I V 万方数据 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题的由来、研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 。l 充填体力学研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 _ 2 井下工程人工假顶研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 主要研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3 ．2 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 凡口矿首层充填技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 凡口矿项底柱矿体回采工艺简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．1 台车高效回采工艺简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．2 顶底柱回采关键技术分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 2 ．2 凡口铅锌矿充填情况介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．1 充填工艺简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．2 首层充填简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 充填材料性能试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．1 物理化学性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．2 充填体力学性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．3 充填体强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 充填体假顶承载原理及关键技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 ．1 假顶承载原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 ．2 首层充填关键技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 影响充填体假顶稳定性因素综合分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 充填体稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．2 ．1 充填体的材料特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．2 ．2 充填料的配比对充填料浆的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．2 ．3 充填体的力学性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 V 万方数据 3 ．3 影响充填体稳定性的因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 ．1 充填体受的原岩应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 ．2 下料点位置的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 ．3 矿房宽高比的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．4 基于A H P 的充填体假顶稳定性影响因素综合评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．4 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．4 ．2 构建层次分析模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．4 ．3 运用层次分析法确定指标权重的步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．4 ．4 充填体假顶稳定性影响因素综合评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 充填体假顶强度研究与构筑设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．1 充填体假顶受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．1 ．1 矿房采场充填体假顶荷载分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．1 ．2 间柱采场充填体假顶荷载分析⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．O l lO IIOIlllQIQIOI0 1 3 1 4 ．2 基于薄板理论的充填体假顶力学研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．2 ．1 充填体假顶薄板力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．2 ．2 充填体假顶薄板模型失稳机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．3 基于简支梁理论的充填体假顶力学研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 ．1 充填体假顶简支梁力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 ．2 充填体假顶简支梁模型失稳机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．4 充填体假顶经济优化措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．5 充填体假顶骨架 竹筋 可行性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．5 ．1 竹筋的力学性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．5 ．2 竹筋充填体强度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 充填体假顶安全厚度的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 数值模拟软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．1F L A C 3 D 软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．2F L A C 3 D 的求解流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．3 摩尔．库仑本构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．3F L A C 3 D 数值模拟过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 5 ．3 ．1 模型的建立及材料参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．3 ．2 边界和初始条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 V I 万方数据 5 ．3 ．3 监测点的布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．3 ．4 数值模拟结果分析原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．4 矿房采场下底柱回采假顶厚度模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．4 ．1 数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．4 ．2 底柱一步骤采场回采模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．4 ．3 底柱二步骤采场回采模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．4 ．4 模拟结果综合分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．5 矿柱采场下底柱回采假顶厚度模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．5 ．1 数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．5 ．2 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 工程应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 6 ．1S - I N ．3 2 0 MS O ．1 群采场首层充填⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 6 ．1 ．2 首层充填工艺要求与技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 6 ．1 ．3 首层充填工艺过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 - 2 底柱试验采场工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 6 ．2 ．1 设计范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 6 ．2 - 2 地质情况与采场基本情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 6 ．2 ．3 采场综合评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．3S r n , i ．3 2 0 MS O ．1 撑底柱采场回采设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 6 ．3 ．1 技术方案与回采风险⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 6 ．3 ．2 炮孔设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 6 ．3 ．3 爆破设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 6 ．3 ．4 充填体顶板控制措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 6 ．3 ．5 试验效果评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 7 ．1 全文主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 7 ．2 下一步工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 4 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 V Ⅱ 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题的由来、研究目的及意义 矿产资源是人类生存发展，经济建设和社会发展繁荣的重要物质基础。作 为国民经济建设发展的基础产业，矿业在人类历史上，为人类发展与社会文明做 出了巨大贡献。然而绝大多数矿产资源是不可再生的，节约并合理有效地利用矿 产资源是全社会的共同责任【1 1 。在可持续发展战略的倡导下，人们不仅要最大限 度的进行矿产资源的开采为社会发展提供充足的生产资料，而且应该尽可能的节 约矿产资源，保证供给的持久性。在以往矿产资源开采过程中，由于缺乏环境治 理意识和手段，存在过度开采和资源浪费严重的情况，矿产资源总量不断减少， 同时生态环境也受到较为严重的破坏，产生地表下沉、塌陷、工业“三废”等一系 列的环境问题[ 2 】。地下矿山随着开采深度的不断增加，地压控制难度加大，甚至 发生岩爆，对矿山安全及正常生产造成了比较严重的影响。而充填采矿法具有安 全、高回采率、能有效控制深井开采地压活动对表生态环境能起到很好的保护等 一系列优点【3 J ，因而受到了国内外矿业界的普遍亲睐，该方法在世界各国的应用 越来越广。我国从2 0 世纪5 0 年代引进充填采矿技术，经历废石干式充填，水砂 充填，尾砂胶结充填，高浓度充填技术、膏体充填、废石胶结充填和全尾砂胶结 充填新技术4 个发展阶段【4 】，在充填材料、充填工艺、充填体力学等【5 ，6 】方面取得 了一系列成就。我国，充填采矿法在地下开采的有色金属矿山中的使用比例越来 越大，达到2 3 ％左右【7 】 空场法嗣后充填除外 ；对地下开采的黄金矿山来说，采 用充填采矿法的比重更高【8 】。就国外而言，加拿大采用充填采矿法的矿山是比较 多的，4 0 ％以上的矿山采用充填法，如果算上空场嗣后充填的话，则占到采用采 矿方法的7 0 ％P 8 0 - ，- 。[ 9 ] 。在采矿业比较发达的南非，充填采矿法和壁式空场法嗣 后充填是深井黄金开采的主流采矿方法。 凡口铅锌矿于1 9 5 8 年开始建设，1 9 6 8 年正式投产，经过近5 0 年的开采， 已经成为中度危机矿山。受早期勘探条件、所选采矿方法以及开采技术水平的限 制，在各个中段留下了一大批顶、底柱矿体，根据凡口铅锌矿提供的2 0 1 1 年一 季度末矿量报表统计，共有4 5 3 条底柱矿体可以回采，保有矿量3 5 0 多万t ，金 属量P b 为1 8 万t 、Z n 为3 4 万t 。这些顶底柱矿石品位高，总量较大，对补充矿 山日益枯竭的资源，增加矿山的经济效益，提高矿山资源的利用率，从而延长矿 山开采年限有不可替代的作用【l ⋯。 顶底柱回采时由于上部矿体回采完毕，岩石的受力结构和整体稳定性受到了 破坏，同时由于爆破的影响，矿岩的稳固性和矿石自身的整体粘性降低，并且顶 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 底柱回采在上部充填体下作业，这些条件都加大了回采的难度。充填体的不确定 性和环境的复杂性对项底柱安全回采提出了挑战，必须采取有效的措施增加顶板 充填体的强度，确保回采的安全性。为了回采顶底柱的需要，很多矿山在对矿房 充填时，首层充填体一般采用高强度水泥、高配比的灰沙比，有时还加钢筋构成 高强度的人工假顶。假顶要求有足够的强度，能够支撑上部充填体的自重，同时 要能够确保顶底柱回采的安全，人员在假顶下面作业，假顶应该有足够的安全允 许暴露时间，确保下面作业的顺利进行。开展对高强度充填体人工假顶的研究， 对于矿山安全回收难采顶底柱，降低充填成本，改进充填工艺，提高资源的回收 率和企业的经济效益，实现矿山资源可持续发展具有重大的研究意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 充填体力学研究现状 随着充填采矿法在地下矿山的广泛应用，充填力学作为矿山工程力学的一个 分支迅速发展。充填力学研究的对象是地下充填采场以及地下采场组成的地下开 采体系的力学性能及特征，充填体力学研究是充填力学研究的核心内容。充填体 力学的研究范围相当的广泛，研究内容主要涉及土力学、岩体力学、流体力学、 散体力学、弹塑性力学、流变学等诸多力学问题，这些学科相互交织，相互联系， 组成一个充填研究相关学科体系，见图1 ．1 。 图1 ．1 矿山充填力学研究框图 1 充填体与围岩的力学作用机理 关于充填体与围岩的作用机理，国际上最早的研究学者主要有B r o w n ．E ．T 【1 1 1 、南非学者H ．A ．D ．K i r s t e n 和T ．R ．S t a c e y 。前者总结充填体对围岩的作用为支护 作用 表面支护、局部支护、总体支护 ，并且研究了深井条件下的充填体力学 机理，将其归纳为①充填体支撑顶板围岩，保持项板围岩的完整性；②充填体 能够作为地震波的传播衰减通道；③充填能够封闭围岩中的节理裂隙【1 2 】三个方 2 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 面。在上述几位研究者的基础上，后来的学者也对充填体与围岩的作用机理展开 了一系列的研究，具有代表性的有M o 崩1 0 【1 3 】、B l ig h t 和C l a r k e 1 9 8 9 [ 1 4 1 、SW a l l 和Bo a r d 1 9 8 9 t D J 等。 国内岩石力学与工程学科权威学者于学馥通过长期试验研究，得出了充填体 与围岩的作用机理主要是表现在三个方面【l6 】①充填体吸收和转移地应力，与围 岩组成一个完整的系统共同承担地压；②充填体人工假顶起到隔离应力的作用， 把垂直应力隔离，确保下部作业的安全；③充填体、围岩、开挖系统的整体作用， 充填体改变采场帮壁的应力状态为三轴应力状态，极大的提高了围岩的整体强 度。同时，开挖系统具有自持维稳效能，能够对围岩的破坏起到抑制作用，减缓 了围岩和地下结构的破坏速度。 胶结充填体能够阻止和抵抗围岩的变形和位移，改善采矿区围岩应力分布及 应力性质，提高围岩自身强度，其作用方式主要有三种情况①对卸载岩块的滑 动趋势提供侧向压力 图1 - 2 a ；②支撑破碎岩体与原生破坏岩体 图1 - 2 b ；⑨ 抵抗采空区围岩的移动 图1 - 2 c 。 器留 a 彩 b 一破裂岩体膨胀引起的位移 2 一岩体刚体移动 3围岩淘合作用于充填体的应力 4 一充填体抵抗围岩作用的应力 C 图1 - 2 充填体阻止和抵抗围岩的作用方式 2 充填体稳定性研究 充填体的稳定性对于地下矿山开采具有非常重要的意义。国内对充填体的 稳定性研究主要侧重于充填体的自立高度研究和充填体强度方面，国外对充填体 的稳定性研究相对较多，研究的主体是一些采用大直径深孔采矿嗣后胶结充填采 矿法的矿山，比如澳大利亚的芒特艾萨矿，充填体的自立高度已近达到 1 6 0 - 2 2 0 m [ 9 1 。目前常用的充填体稳定性包括充填体自立高度的研究方法有 T h o m a s 公式、数值模拟、T e r z a g h i 公式、物理模拟以及现场实测等方法[ 1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 , 2 1 1 。 影响充填体稳定性的因素较多，除充填体自身强度外，还与所选用的采矿方法、 矿体赋存条件、充填环境条件、爆破震动、回采顺序等因素有关。对充填体稳定 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 性影响因素的研究，国内外学者做了大量工作，研究的方法主要有理论分析、室 内测试、现场监测、物理相似模拟以及数值模拟等。 刘志祥圆等提出基于混沌优化的可靠性计算方法，采用可靠性理论研究了高 阶段充填体的稳定性。研究表明缩短采场长度和增大采场宽度有利于充填体稳 定性和降低充填成本。并采用实验室料浆试验和采场充填体试验，对高阶段充填 体的稳定性做了科学评价。 张世超，姚中亮【2 3 】通过对安庆铜矿特大型采场充填配比和充填体受力进行分 析，得出来提高充填体稳定性的五个措施提高充填质量；研究合理的矿柱开发 顺序及方案控制矿房开采边界；强化矿柱开采；控制爆破回采矿柱。 王晓军[ 2 4 1 等通过对充填中横向与纵向布筋分别建立相似模拟试验，分析对试 验监测数据的分析，得出来顶板充填体破坏的机理，提出了增强顶板稳定性的合 理布筋方式。 林敏，苏成哲[ 2 5 1 等对安庆铜矿深部采场充填体进行了x 型剪切破坏、鼓帮． 裂皮．折断型破坏的宏观力学分析，利用测斜仪对不同深度进行监测，采用摩尔 准则建立充填体稳定分析模型，得出了充填体局部帮壁的垮塌规律，对矿山充填 体稳定性研究提供了重要指导作用。 赵伏军，李夕兵【2 6 】等应用薄板理论和能量原理对进路法回采顶柱时暴露充填 体假顶的稳定性进行了分析，对于指导新城金矿顶柱回采具有积极意义华心祝， 孙恒虎【2 7 】采用梁理论分析了焦家金矿充填体的稳定性，得出了该矿山下向胶结充 填采矿法主要技术参数。 3 充填体强度研究 1 充填体强度理论计算研究 T e r z a g h i 在1 9 4 3 年就对充填体强度的确定进行了研究，提出了十分有名的 T e r z a g h i 模型【2 8 猡】；T h o m a s 等‘1 刀研究了水砂充填材料与围岩壁间的摩擦力，提 出了充填体的成拱效应这一概念，并提出了T h o m a s 公式；我国学者卢平综合考 虑了充填体的几何尺寸、充填料的强度特性和充填料的容重对充填体强度的影 响，对T h o m a s 公式进行了补充修订【3 0 1 。 2 充填体强度要求 对于采用充填采矿法的矿山，充填体的强度是直接影响围岩和充填体的稳定 性的关键因素【3 1 1 。适宜的充填体强度不但能够满足矿山采矿工艺的要求，是矿山 安全回采的基础，而且还能影响充填成本，是降低充填成本的有效途径。因此， 安全生产和降低成本的关键技术难题是，合理确定充填体的强度及其结构，提高 充填体的充满率。不同的采矿方法对胶结充填体的强度的要求是不同的，在金 属采矿设计规范和有色金属矿山生产技术规程中规定采用下向分层充填 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 采矿法的矿山，要求分层假顶胶结充填体强度大于3 - - 4 M P a ；采用上向分层充填 采矿法的矿山，胶结充填体的强度应满足充填体保持自立和在承受爆破震动时 不塌落的要求，充填体强度一般大于1 M P a [ 3 2 , 3 3 ] 。 3 充填体强度设计 充填体强度设计是矿山生产中至关重要的工作，针对胶结充填采矿法充填 体强度的设计，国内外常用的方法包括 ①经验类比法。参考类比赋存矿岩类似、采矿方法相同或相似，地质构造相 近，胶结充填体暴露面积相当的矿山，参考其胶结充填体所需强度，并结合矿山 的具体情况，综合分析设计胶结充填体的强度值【3 4 】。该方法操作简单，在国内外 应用非常广泛，国内外超过5 0 ％的矿山【6 】采用该方法设计充填体的强度。 ②经验公式法。通过对典型矿山充填工艺和充填体设计强度的研究，取得经 验公式，来分析确定矿山所需的合理充填体强度。 ⑨弹性力学分析法。利用弹性力学理论，弹性梁理论和弹性板理论，结合所 设计矿山现场充填体实际情况，分析充填的受力情况及内部应力分布情况，计算 分析矿山所需的充填体强度。 ④物理模拟法。通过物理实验，建立与设计矿山相似的模型，通过模拟试验 来确定充填体的强度。 ⑤数值模拟分析法。采用数值模拟软件，设定设计矿山的充填体与围岩参数， 构建分析模型，分析充填体与围岩的相互作用和应力分布情况，确定设计充填体 强度。 1 ．2 ．2 并下工程人工假顶研究现状 在地下矿山工程中，人工假顶一般是使用高强度胶凝材料 如高强度水泥 加筋 钢筋或竹条 构筑成的高强度人工顶板结构，能够承受上部充填体荷载或 充填的废石荷载，支撑工作面，防止充填体或充填废石垮落，有一定的自承重能 力和自稳时间，起到保证假顶下部作业人员安全的作用。人工假顶技术在地下矿 山开采中使用比较广泛，国内外关于人工假顶的研究比较多，主要集中在人工假 顶材
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