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中图分类号 U D C 硕士学位论文 学校代码 Q 5 三圣 密级公珏 膏体充填采矿关键安全问题研究 R e s e a r c ho nC r i t i c a lS e c u r i t yI s s u e so fP a s t eF i l l i n g T e c h n o l o g y 作者姓名何发龙 学科专业矿业工程 研究方向安全技术及工程 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师胡汉华 副指导教师 论文答辩日期逝且j i ≥答辩委员会主席丝 中南大学 2 0 1 3 年5 月 原创性声明 l M iI l l I I I I I E I I I I I I II I I i l l I I I I I I l Y 2 4 2 5 3 3 8 本人声明，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 大学或其他单位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。 作者签名{ 马坠鱼 日期丝年’[ 月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者妊牡导师签名尊望日期．皿年』月盥 硕士学位论文 摘要 膏体充填采矿关键安全问题研究 摘要通过文献调研和现场调查的方式，全面系统的分析国内外充填工艺 技术的发展现状和趋势，介绍了充填体的作用机理及其材料性能性能研究 现状和重点。在此基础上，梳理出影响膏体充填采矿过程安全性的相关的 指标，针对膏体充填采矿系统关键安全问题，本文主要开展了以下工作。 1 以系统安全分析方法为基础，建立膏体充填工艺系统安全性指标 体系，划分膏体充填采矿系统指标安全性等级，建立基于集对分析法的膏 体充填采矿系统集对分析模型。 2 将膏体充填采矿系统集对分析模型，应用于某矿膏体充填采矿系 统改造，应用集对分析法分析系统安全性指标的集对势、联系度、不确定 性，找出该工艺系统中的关键安全性问题。 3 以关系到开采过程矿岩及充填体环境稳定性的关键安全问题为研 究对象，采用数值计算，将充填采矿过程中环境稳定性相关的关键安全性 问题参数化建模，构建不同回采方案、布筋参数、进路结构参数的多种组 合模型共1 7 组，以安全、经济、高效为判断指标，分析模拟结果。 4 为探究采矿过程中，膏体充填材料标准养护条件下和井底养护环 境下的特征属性，以及标准养护条件下试块强度与井下环境养护条件下充 填体工程强度之间的关系，分别进行了实验室标准养护强度试验和井下充 填块体常规和饱水强度试验。 在系统分析、数值模拟试验研究的基础上，本文主要研究结论如下 1 通过集对分析法分析得出，该矿膏体充填工艺关键安全性问题包 括充填体强度、钢筋网度、钢筋直径、回采方案、充填采场湿度、充填采 场温度、矿岩稳固性、充填材料特性、充填管道、充填挡墙等，涉及膏体 充填采矿环境稳定性、充填材料特性和充填质量管理三个部分。 2 数值模拟结果表明，开采过程充填体与围岩接触区域薄弱面顶角 局部、进路靠未采进路纵向中心部位以及进路靠未采进路侧的顶角处易产 生应力集中；最大位移出现在充填体假顶的中心位置，向四周辐射减小； 薄弱面的存在使得充填体中钢筋网主要承受充填体白重。在开采过程中， 应采取相关技术措施防止局部应力集中。综合考虑安全、经济、高效等因 素，模拟得出安全合理的膏体充填采矿工艺。 3 在试验数据统计分析的基础上建立和验证了标准养护条件下充填 1 1 I 硕士学位论文 摘要 体试块的时间．强度关系，标准实验室强度高于井下环境养护强度，对于 该矿井的井下环境需进行强度折减，相对折减系数取值范围为0 ．5 3 , - - , 0 ．6 8 ； 饱水组试验表明，饱水后充填体试块强度明显低于常规组，相对折减系数 取值范围为0 ．4 0 - 4 ．6 0 ；进路入口至尾部充填体强度呈现出下降趋势。 图4 0 幅，表2 6 个，参考文献8 1 篇 关键词膏体充填；系统安全；集对分析；数值模拟；工程特性 分类号 I V 硕士学位论文 R e s e a r c ho nC r i t i c a lS e c u r i t yI s s u e so fP a s t eF i l l i n gT e c h n o l o g y A b s t r a c t T h r o u g h l i t e r a t u r e s u r v e ya n df i e l di n v e s t i g a t i o n ，t h i sp a p e r c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h e p a s t ef i l l i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d ，a n di n t r o d u c e dt h ef i l l i n g f u n c t i o nm e c h a n i s ma n dp e r f o r m a n c er e s e a r c hf o c u s ．F o ram i n e m a i n l y c a r r i e do u tt h ef o l l o w i n gw o r k ．O nt h i sb a s i s ，t ot e a s eo u tt h ee f f e c to fr e l e v a n t s a f e t yi n d i c a t o r si np a s t ef i l l i n gm i n i n gp r o c e s s ，a i m i n ga tt h ek e ys e c u r i t y i s s u e so fp a s t ef i l l i n gm i n i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rc a r r i e do u tt h ef o l l o w i n g w o r k s ． 1 B a s e do ns y s t e ms a f e t ya n a l y s i sm e t h o da st h ef o u n d a t i o n ，t h i sp a p e r e s t a b l i s h e dt h es e c u r i t yi n d e x e so fp a s t ef i l l i n gp r o c e s st e c h n o l o g ys y s t e m ， d i v i d e dt h ep a s t ef i l l i n gm i n i n gs y s t e ms a f e t yl e v e l ，a n db u i l tt h ea n a l y s i s m o d e lo f p a s t ef i l l i n gm i n i n gs y s t e mw h i c hb a s e do ns e tp a i ra n a l y s i s ． 2 T h i sp a p e ra p p l i e dt h ep a s t ef i l l i n gm i n i n gs y s t e ms e tp a i ra n a l y s i s m o d e lt ot h er e c o n s t r u c t i o no fam i n ep a s t ef i l l i n gm i n i n gs y s t e m ，w i t ht h e a p p l i c a t i o no fs e tp a i ra n a l y s i ss y s t e ms e c u r i t yi n d e x ，s u c ha ss e tp a i rp o t e n t i a l ， c o n n e c t i o nd e g r e e ，u n c e r t a i n t y , t of i n do u tt h ek e ys a f e t yi s s u e so ft h ep r o c e s s s y s t e m ． 3 A st h eo b j e c to fs t u d yi nr e l a t i o nt ot h ek e ys e c u r i t yi s s u e si nm i n i n g p r o c e s so fr o c ka n df i l l i n gb o d ye n v i r o n m e n ts t a b i l i t y , u s i n gn u m e r i c a l c a l c u l a t i o nt ot r a n s l a t et h ek e ys a f e t yi s s u e so ff i l l i n gm i n i n gp r o c e s s e n v i r o n m e n t a ls t a b i l i t yt op a r a m e t e r i z e dm o d e l i n g ，t h i sp a p e rc o n s t r u c t e d v a r i o u sc o m b i n a t i o n so fm o d e l sf o rd i f f e r e n tr e c o v e r ys c h e m e s ，r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r s ，r o u t es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，a n dat o t a lo f17g r o u p s ．W i t ht h e j u d g m e n ti n d e x e s o fs a f e t y , e c o n o m ya n dh i g he f f i c i e n c yt oa n a l y z et h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ． 4 F o re x p l o r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ca t t r i b u t e so fp a s t ef i l l i n gu n d e rc u r i n g c o n d i t i o na n db o t t o mm a i n t e n a n c ee n v i r o n m e n ti nt h em i n i n gp r o c e s s ，a sw e l l a st e s t i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb l o c ks t r e n g t hu n d e rs t a n d a r dc u r i n g c o n d i t i o n sa n dp a s t ef i l l i n ge n g i n e e r i n gs t r e n g t hu n d e rt h ec u r i n gc o n d i t i o n ， r e s p e c t i v e l yc a r r i e d o nt h el a b o r a t o r ys t a n d a r dc u r i n gs t r e n g t ht e s ta n d N 硕士学位论文 u n d e r g r o u n df i l l i n gb l o c kc o n v e n t i o n a la n ds a t u r a t e ds t r e n g t ht e s t ． B a s e do ns y s t e ma n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h em a i n l yr e s e a r c hc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 T h r o u g hs e tp a i ra n a l y s i sm e t h o da n a l y s i s ，w ed r e wa c o n c l u s i o nt h a t t h ek e ys e c u r i t yi s s u e so ft h em i n ep a s t ef i l l i n gt e c h n o l o g yi n c l u d i n gf i l l i n g b o d ys t r e n g t h ，b a rn e td e g r e e ，b a rd i a m e t e r ，r e c o v e r ys c h e m e ，f i l l i n gs t o p e h u m i d i t y , f i l l i n gs t o p et e m p e r a t u r e ，s t a b i l i t yo fm i n er o c k ，f i l l i n gm a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c s ，f i l l i n gm a t e r i a l s ，f i l l i n gp i p ea n df i l l i n gr e t a i n i n gw a l l ，e t c ． I n v o l v i n g t h r e e p a r t s o f p a s t ef i l l i n gm i n i n g e n v i r o n m e n t a l s t a b i l i t y , c h a r a c t e r i s t i c so ff i l l i n gm a t e r i a la n df i l l i n gq u a l i t ym a n a g e m e n t ． 2 T h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h el o c a t i o n sa r ee a s y s t r e s sc o n c e n t r a t i o n ．w h i c hc o n t a i nt h et o pc o m e ro fi n t e r f a c eb e t w e e nb a c k f i U a n dw a l lr o c k ，l e n g t h w a y sc e n t r a lp o r t i o no fu n m i n e dd r i f t ，t h et o pc o m e ro f u n m i n e dd r i f t ．M a x i m u md i s p l a c e m e n tl o c a t e sa tt h ec e n t e ro fb a c k f i l ll a y e r , a n dr a d i c a l l yd e c r e a s e s ．T h er e i n f o r c i n gm e s hm a i n l yc a r r i e st h ew e i g h to f b a c k f i l lb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fw e a ki n t e r f a c eb e t w e e nb a c k f i l la n dw e a k r o c k ．I nt h em i n i n gp r o c e s s ，w es h o u l dt a k er e l e v a n tt e c h n i c a lm e a s u r e st o p r e v e n tt h el o c a ls t r e s sc o n c e n t r a t i o n ．W i t hc o n s i d e r a t i o no ff a c t o r ss u c ha s s a f e t y , e c o n o m y , h i g he f f i c i e n c y a n do t h e rf a c t o r st os i m u l a t eas a f e t y r e a s o n a b l ep a s t ef i l l i n gm i n i n gt e c h n o l o g y ． 3 T e s td a t aw e r ea n a l y z e ds t a t i s t i c a l l ya n dt i m e - i n t e n s i t yr e l a t i o n s h i po f b a c k f i Uw e r ee s t a b l i s h e da n dc a l i b r a t e d ．S t a n d a r dl a b o r a t o r ys t r e n g t hW a s h i g h e rt h a nt h a to fd o w n h o l ee n v i r o n m e n t ，S Od o w n h o l ee n v i r o n m e n ts t r e n g t h m u s ta c c e p th a i r c u tf i g u r eb e t w e e nO ．5 3 - - 0 ．6 8 ．F u l lw a t e rg r o u pe x p e r i m e n t s s h o w e dt h a tt h es t r e n g t ho fb a c k f i l lW a sc o n s i d e r a b l yb e l o wt h en o r m a la f t e r 如l lw a t e r , m e a n w h i l eh a i r c u tf i g u r ew a sb e t w e e n0 ．4 0 o ．6 0 ．T h eb a c k f i n s h o w e dl o w e r i n gt r e n dn e a ri t st a i l ． K E YW O R D SP a s t ef i l l i n g ，s y s t e ms e c u r i t y , s e tp a i ra n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s C l a s s i f i c a t i o n 中南大学硕士学位论文目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一I I I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯V 目勇乏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V I I 1 绪{ 念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 膏体充填及其安全性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．2 ．1 膏体采矿技术发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 系统安全及其在充填采矿安全性分析的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．2 ．3 充填体材料特性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．2 ．4 文献综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1l 1 ．3 研究内容及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 ．4 技术路线及章节安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 膏体充填采矿系统安全性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 5 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．2 膏体充填采矿系统安全分析模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 5 2 ．2 ．1 膏体充填采矿系统安全分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．2 ．2 膏体充填采矿系统安全分析步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．2 ．1 膏体充填采矿系统安全指标体系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 膏体充填采矿法系统安全性集对分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3 ．1 集对分析理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l8 2 ．3 ．2 膏体充填采矿法集对分析模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．3 工程研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．3 ．4 系统安全性集对分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．4 结果讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 膏体充填采矿过程数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 盘区工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．1 矿体特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．2 中段回采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．3 矿体及顶底板围岩稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 V Ⅱ 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．3 数值模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 ．1 数值计算原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 ．2 矿山模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．3 数值模型参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．3 ．4 基本假定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．3 ．5 初始及边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．4 数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．5 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 3 ．5 ．1 矿体开采顺序安全性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 3 ．5 ．2 充填体布筋安全性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．5 ．3 充填体结构参数安全性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 膏体充填材料工程特性试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l 4 ．2 标准养护条件膏体块体特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 4 ．2 ．1 试验准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 4 ．2 ．2 采场膏体材料流变性能相关性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．2 ．3 膏体充填体强度特性试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．2 ．4 试验强度影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．3 膏体充填块体特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 4 ．3 ．1 试验准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 4 ．3 ．2 常规组试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 4 ．3 ．3 饱水组实验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 l 5 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 5 ．2 创新与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 5 ．2 ．1 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 5 ．2 ．2 不足与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 5 附录一 表目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．81 附录二图目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 攻读硕士期间发表的学术论文及成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 7 V m 硕士学位论文绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景 矿业是人类文明进步和社会经济发展的重要组成部分。人类对矿物原料的开发利 用对社会发展与文明进步起着巨大的推动作用。然而，现代社会正处在现代科学高速 发展、现代工业高速推进以及社会经济高速发展的重要时期，人类对矿产资源开发利 用是前所未有的，矿产资源开采正由浅表易采向深部难采方向发展，采矿作业面临深 部开采的众多复杂难题，如冲击地压、地表塌陷、深部岩爆、高成本等安全经济、生 态环境、地质灾害等问题，人们一直在不断寻求安全、经济、高效、环保的采矿方法 来解决这些难题。 根据地压管理方式不同可将采矿方法分为空场法、崩落法和充填采矿法，与其他 传统采矿方法相比，充填采矿的主要优点表现在减少矿石贫化率、提高通风效率、预 防井底火灾、控制岩爆和地表塌陷等【1 4 1 ，充填采矿方法已经在德国格兰德矿、澳大利 亚芒特艾萨铜矿、加拿大新布罗肯希尔矿、俄罗斯加尹铜矿、南非克莱顿铜镍矿、爱 尔兰塔拉铅锌矿、西班牙鲁比尔斯铜铅矿和中国的金川公司、凡口铅锌矿、会泽铅锌 矿、湘西金矿、济南张马屯铁矿等矿山成功应用。从大量生产实践和实验研究中人们 总结出，目前充填采矿法是安全性相对较高的一种采矿方法，但同时其采矿成本相对 其他传统采矿法较高。因此，在采用充填采矿法时，需要结合安全、经济、高效等因 素，对充填采矿系统工艺进行完善优化。目前充填采矿法正朝着无轨机械化、连续化 回采、新型充填材料、充填材料添加剂、充填设备和检测仪器、充填体力学性能监测、 充填料浆流变性能等研究方向发展。 充填采矿方法由干式充填法、风沙充填法、水砂充填法、胶结充填法、高水速凝 充填法、似膏体充填法发展为膏体充填采矿法，德国G r u n d 矿于上世纪8 0 年代初首 次成功应用了膏体充填技术【5 1 ，所谓膏体是指固体颗粒物、胶凝材料和水混合后的一 种抗离析能力强、无临界流速、自立能力好的高浓度混合物，含水量一般在1 0 0 ／ 旷2 0 ％ 之间。对比与传统的充填工艺，膏体充填采矿法具有如下特点 1 有利于环境保护，充填材料范围广，可采用全尾砂充填及其他矿山固体废弃 物。 2 提高充填体强度，膏体充填料较传统充填料浆具有较高密度，可形成具有良 好力学性能的充填体。 3 充填距离远，充填不受充填倍线控制，可泵送。 4 改善采场作业环境，膏体抗离析性能好，充入采场后无需脱水。 膏体充填采矿法已经在国内外众多矿山得到广泛利用，本次研究的矿山以其特殊 的工程地质条件也采用膏体充填采矿法进行采矿作业。从现场调查和该矿已有的地质 硕士学位论文 绪论 调查资料可知，该矿矿体赋存在河流以下，中上部主要矿体分布在河东，深部矿体则 处于河床下并延深到河西，且矿区存在状况不详的岩溶水，属于水体下矿床开采；矿 体上部存在有大量古采空区和民采空区，采空区的上方是峡谷高陡山坡，地形陡峻 自 然坡度5 5 “ ～6 5 0 ，基岩呈陡崖状裸露，侵蚀和剥蚀作用均较强烈，矿区曾多次发生采 空区冒落、垮塌，地面裂缝、塌陷，山体滚石、滑坡等地质灾害事故，虽然通过对采 空区和高陡山坡的初步整治，矿区采空区和高陡山坡己基本稳定，但主矿体的开采存 在诱导采空区和高陡山坡失稳“复活”地质灾害的可能性“河谷地区”地形复杂，难以 找到合适的矿山工业场地建设尾矿库和废石场，即使能建筑尾矿库和废石场，其安全 性也难以控制，而且，尾矿对高原峡谷地区脆弱的生态环境破坏大，对尾矿的进行综 合利用势在必行；开采范围内的矿体埋深达1 5 0 0 m 以上，原岩应力高，有岩爆破倾向； 矿区处于川滇南北向地震带边缘，地震活动频繁且震级较高，加之爆破震动，地下水 渗流动水压力等，构成了矿床复杂动荷载环境。 虽然膏体充填采矿法是一种安全性较高的方法，在该矿的复杂地质条件下是否使 用极其关键的安全问题有待进一步深入研究，因此，从系统学的角度对该矿膏体充填 采矿进行安全性分析，确定膏体充填采矿系统中的关键安全性问题，在此基础上，通 过不同手段研究安全性问题。 1 ．2 膏体充填及其安全性研究现状 1 ．2 ．1 膏体采矿技术发展 1 9 纪中叶之前，世界范围内大部分地下矿山开采都采用横撑支护的空场法，在地 质条件不复杂的环境下，可通过增加横撑数量和减小巷道断面等技术措施增加采场稳 定性，但对于地质条件复杂的环境，常见的崩落法和空场法都难以营造安全稳定的采 场作业环境，随着人类对资源的渴求以及安全意识的提高，充填采矿法作为一种新型 采矿方法在1 9 世纪中期诞生。1 8 6 4 年，美国首次使用水砂充填，以保护宾夕法尼亚 州的一个位于煤矿区的座教堂基础【6 1 ，这是充填技术在建筑和采矿行业的应用结合点， 这一举措拉开了充填采矿的序幕。 在随后的生产实践中，人们总结出充填采矿具有安全、可恢复、高效、环保、降 低贫化率、适用性强等诸多优点。充填采矿从诞生至今已有一百多年历史，发展为三 大采矿方法之一，该种采矿方法在许多不同地质环境下都有过成功应用的历史，也因 地质环境和采矿工艺的不同延伸出许多充填采矿技术。根据充填材料的不同将充填采 矿技术分为干式充填、水砂充填、混凝土充填、尾砂充填、尾砂胶结充填、废石胶结 充填、膏体充填、高水速凝充填和其他废弃物充填等。根据充填所需动力分裂可分为 机械充填、风力充填、水力充填、泵压充填等。根据回采工艺和方向不同可将充填采 矿法分为上向分层充填、上向进路充填、下向分层充填、下向进路充填、削壁充填、 壁式充填以及方框支架充填等多种充填技术形式。图1 ．1 所示为充填采矿方法分类简 2 硕士学位论文绪论 图。 图1 ．1充填采矿法分类 国外充填采矿技术发展起步较早，如前所述，早在1 8 6 4 年人们就已经认识到充 填技术可以控制地表沉陷等问题，随后在以美国、德国、南非、澳大利亚等国家的众 多矿山开展了充填采矿试验，并研究出多种充填采矿工艺。 1 9 3 0 年，霍恩公司进行采矿尾砂和炼铜炉渣回填至井下的干式充填试验，成功推 动了充填采矿法在矿山中的应用，并在随后一段时间内，许多国家的众多矿山都将矸 干式充填采矿法作为一种治理地表塌陷、处理堆弃废物的一种有效方法。 1 9 5 9 年至1 9 6 2 年，加拿大赢桥镍矿开展采用水泥尾砂砂浆替代替代充填料上层 的垫板作为人工假低的试验，开发出水泥固结水砂的充填技术，并首次将该技术应用 于F r o o d 矿山。1 9 6 9 年，澳大利亚M o u n tI s a 铜矿开展了采用水泥胶结充填体代替回 采底柱以及铅锌铜冶炼炉渣代替部分水泥的实验研究，这一尝试推动了胶结充填技术 发展，同时拉开了水泥替代品作为胶结料的研究。 1 9 7 8 年～1 9 8 3 ，德国P r e u s s a g 公司，投入大量资金开发出用于分层充填的高浓粗 细微少混合泵压充填系统，并在G n m d 铅锌矿以及随后的南非各大金矿中成功应用， 该技术的出现首次将膏体充填的概念引入充填采矿技术中，并在后期的采矿工艺中得 到了广泛的应用。 1 9 9 2 年，加拿大S u d b a r y 地区C r e i g h t o n 款山也引入了膏体充填技术应用于日常 采矿生产过程中。1 9 9 8 年，M o u n tI s a 铜矿建成膏体充填采矿系统，以开采该公司所 属的矿体。目前为止，膏体充填采矿技术以其独特的优点，如可使用全尾砂及其他固 硕士学位论文 绪论 体废弃物，充填体脱水量少，充填体强度高，水泥消耗量少，充填体易于接项，有效 降低井下污染和排水费用等，在世界范围内有了广泛的应用。 表1 - 1国外充填采矿发展节点表 我国充填采矿技术发展相比国外晚，但我国矿山众多，且大多数矿山地质条件复 杂，充填工艺与技术的应用形式类型众多，尤其是近些年来，我国矿山在新的充填工 艺技术开发和应用方面，都取得很大进步。我国最早充填技术起源于二十世纪5 0 年 代，东北华铜矿山首次采用了分层充填采矿法。 评述我国充填采矿技术发展的相关文献中，将我国充填技术发展分为五个阶段 1 以矿山堆弃废物为充填原料的干式充填阶段、其代表矿山
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