中厚急倾斜破碎矿体开采人工假顶结构研究与应用.pdf

中图分类号工旦墨望 U D C 硕士学位论文 学校代码 Q 3 3 密级 公五 中厚急倾斜破碎矿体开采人工假顶结构研究与应用 S t u d ya n da p p l i c a t i o no f t h ea r t i f i c i a lr o o fs t r u c t u r e f o rm e d i u mt h i c k n e s ss t e e pf r a c t u r e do r e m i n i n g 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 范文录 采矿工程 采矿工艺 资源与安全工程学院 李夕兵教授 论文答辩日期2 呈垒苎多答辩委员会主 中南大学 2 0 1 3 年5 月 原创性声明 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。 作者签名堑叁塞 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。 ⋯名一导一U 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 开磷集团用沙坝矿急倾斜中厚破碎磷矿体品位高且质量好，但矿 体回采存在作业安全性差，生产能力难以发挥、开采成本高等问题， 针对以上困难，应用“人工假顶下向高分段胶结充填采矿法”进行回 采，其创新点在于预构筑高强度人工假项防护结构并增加分段高度， 使用中深孔爆破回采，确保安全高效回采。这其中，人工假顶防护结 构是实现急倾斜破碎矿体安全高效回采的关键技术，直接影响着“人 工假顶下向高分段胶结充填采矿法’’的成功应用。考虑到地下矿岩特 性、地质条件及地下矿山施工过程中的复杂与不确定性等因素，应对 人工假顶结构承载强度设计及构筑方法进行探讨，并进行稳定性分 析，本文就此展开深入研究，得出以下成果 1 设计出主梁承载以及吊筋悬吊承载两种人工假顶承载方案， 并从施工难易程度及矿山实际条件等方面进行分析比较，优选出吊筋 悬吊承载人工假顶方案。 2 给出了人工假顶分别在充填体或冒落矿岩荷载作用下荷载 计算方法，并推导出人工假顶所受最大弯矩计算公式；分析得出薄 “板“ 力学模型适用于人工假顶失稳机理计算，且根据“软支弱板” 结构可知，人工假顶设计中应重点考虑的破坏形式是弯曲拉伸破坏。 3 完成了不同分段人工假项在自重和上部荷载作用下的强度 设计、配筋设计及锚索承载力设计；推导出人工假项造价函数，研究 出不同厚度下人工假顶的合理配筋率；进行了详细的人工假顶施工设 计与工艺流程设计。 4 运用A N S Y S 软件完成了人工假顶结构稳定性分析，得出 金属网在提高人工假项的整体强度和承载能力发挥重要作用，并且验 证人工假顶设计厚度分别为0 ．8 m 与0 ．4 m ，合理配筋率对应分别为 O ．3 3 ％与0 ．3 2 5 ％时，人工假顶能保证稳定可靠承载。 5 通过人工假顶的现场施工，得出了人工假顶施工经验；且 人工假顶成功应用于矿房回采试验中，矿山多回收矿石近3 0 0 0 t ，创 良好经济效益，人工假顶试验获得成功。 关键词急倾斜破碎矿体；人工假顶；吊筋悬吊；承载强度；配筋设 计；结构稳定性 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T A B S T R A C T T h es t e e pt h i c kb r o k e n p h o s p h a t eo r e b o d y o fK a i l i n G r o u p Y o n g s h a b am i n ep o s s e s s e ss o m ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g h - v a l u ea n d g o o dq u a l i t y , h o w e v e rt h eo r e b o d ym i n i n ge x i s t sf o l l o w i n gp r o b l e m s s u c ha sp o o r - s a f e t y ，l o w p r o d u c t i v i t ya n dh i g h - m i n i n gc o s t ．F o rt h e d i f f i c u l t i e sm e n t i o n e da b o v e ，t h ea r t i f i c i a lr o o fd o w n w a r ds u b l e v e l c e m e n t e d ．m e t h o di sa p p l i e dt oe x p l o i ti t ．T h ei n n o v a t i v et e c h n o l o g yo f t h em e t h o di sa d o p t i n gt h en e ww o r k i n gp r o c e d u r e ．F i r s tp r e b u i l d i n ga h i g h i n t e n s i t yp r o t e c t i v e a r t i f i c i a lt o ps t r u c t u r ea n di n c r e a s i n gt h e s u b l e v e lh e i g h t ，a n dt h e nu s i n gm e d i u m l e g h t hh o l eo r eb l a s t ．T h u st h e a p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g ye n s u r e ss a f e t ya n dh i g h e f f i c i e n c y ．T h e a r t i f i c i a lr o o fp r o t e c t i v es t r u c t u r ei sak e yt e c h n o l o g yw h i c hd i r e c t l y a f f e c t sw h e t h e rt h em i n i n gm e t h o dc a nb es u c c e s s f u l l ya p p l i e df o rt h i s k i n do fs t e e pt h i c kb r o k e no r e b o d y ．B a s e do nt h ec o m p l e x a n d u n c e r t a i n t yo fu n d e r g r o u n dr o c kp r o p e r t i e s ，g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，a sw e l l a st h em i n i n gc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h eb e a n n g s t r e n g t h ，c o n s t r u c t i o nm e t h o da n dt h es t a b i l i t y o ft h ea r t i f i c i a lr o o f s t r u c t u r e ．T h i sp a p e rm a k e sad e p t hs t u d yo nt h e ma n da c h i e v e sf o l l o w i n g r e s u l t s 1 T h eg i r d e rb e a r i n ga n dt h eh a n g i n g - b a r ss u s p e n s i o nc a r r y i n gt w o a r t i f i c i a lr o o fb e a r i n g d e s i g np r o g r a m sa r ea c h i e v e da n dc o m p a r e d b e t w e e nc o n s t r u c t i o nd i 伍c u r i e sa n dm i n i n gc o n d i t i o n si nt h i ss t u d y ． F i n a l l yt h eh a n g i n g - b a r ss u s p e n s i o nc a r r y i n ga r t i f i c i a lr o o fp r o g r a mi s s e l e c t e d ． 2 A r t i f i c i a lr o o fl o a dc a l c u l a t i o nm e t h o du n d e rt h ef i l l i n gb o d y l o a do rc a v i n gr o c kl o a di sp r o p o s e da n dt h ec o n c l u t i o n st h a tt h i nb o a r d m e c h a n i c sm o d e li ss u i t a b l ef o ra r t i f i c i a lr o o fi n s t a b i l i t ym e c h a n i s m a n a l y s i sa n da r t i f i c i a lr o o fd e s i g ns h o u l df o c u so nt h eb e n d i n gt e n s i l e f a i l u r eb a s e do nt h ew e a kb o a r ds o f ts u p p o r ts t r u c t u r ea r eo b t a i n e d ． 3 T h ea r t i f i c i a lr o o fs t r e n g t hd e s i g n ，r e i n f o r c e m e n td e s i g na n db o l t b e a r i n gc a p a c i t yd e s i g n u n d e rt h eg r a v i t ya n dt h eu p p e rl o a d i n gi s c o m p l e t e d ；a n dt h ea r t i f i c i a l r o o fc o s tf u n c t i o ni sd e r i v e d ，a n dt h e I I I 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T a r t i f i c i a lr o o fr e a s o n a b l er e i n f o r c e m e n tr a t i ow i t hd i f f e r e n ta r t i f i c i a lr o o f t h i c k n e s si s c a l c u l a t e d ．A c c o r d i n gt ot h ea b o v er e s u l t s ．a r t i f i c i a lr o o f c o n s t r u c t i o nd e s i g na n dp r o c e s sd e s i g ni sm a d e ． 4 T h ea r t i f i c i a lr o o fs t r u c t u r es t a b i l i t yi Sa n a l y z e db yt h eA N S Y S s o f t w a r e ，w h i c hi n d i c a t e st h em e t a lm e s hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n i m p r o v i n gt h ea r t i f i c i a lr o o fo v e r a l ls t r e n g t ha n dl o a dc a p a c i t ya n dw i t h t h ed e s i g nr o o f - t h i c k n e s s0 ．8 ma n d0 ．4 m ，r e i n f o r c e m e n tr a t e0 ．3 3 ％a n d 0 ．3 2 5 ％c a ne n s u r e st h ea r t i f i c i a lr o o fs t a b l ea n dr e l i a b l e ． 5 T h ea r t i f i c i a lr o o fc o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c ei so b t a i n e db y a r t i f i c i a lr o o fs i t ec o n s t r u c t i o n ；a n dt h ea r t i f i c i a lr o o fs u c c e s s f u l l yi S a p p l i e dt ot h es t o p er e c o v e r yt e s t ，n e a r l y3 0 0 0 tO r ei Sr e c y c l e d ．S ot h e a r t i f i c i a lr o o fc r e a t e sg o o de c o n o m i cb e n e f i t ． K e yw o r d s S t e e pb r o k e no r e b o d y ；A r t i f i c a lr o o ￡H a n g i n gb a r s s u s p e n s i o n ；B e a r i n gs t r e n g t h ；R e i n f o r c e m e n td e s i g n ；S t r u c t u r a ls t a b i l i t y I V 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。V 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ，l 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1 中厚急倾斜破碎矿体开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 人工假顶结构研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 本文主要研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 第二章人工假顶方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 人工假顶承载原理与设计思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．1 ．1 人工假顶承载原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 ．2 人工假顶设计思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 人工假顶承载方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 ．1 主梁承载方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．2 吊筋悬吊承载方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3 人工假顶方案分析与比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．3 ．1 主梁承载方案分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3 ．2 吊筋悬吊承载方案分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 ．3 人工假顶方案比较与选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．4 吊筋悬吊承载方案难点分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 第三章人工假顶结构强度与构筑研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．1 人工假顶受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 ．1 人工假顶自重及冒落矿岩载荷分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 ．1 ．2 人工假顶自重及充填体载荷分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．2 人工假顶失稳机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．2 ．1 简支“梁”力学模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 3 ．2 ．2 薄“板”力学模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．2 ．3 人工假顶软支弱板结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．3 人工假顶强度设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 V 中南大学硕士学位论文目录 3 ．3 ．1 人工假顶最大弯矩计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．3 ．2 人工假顶最大弯矩必一分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 ．3 人工假顶最大压应力分析与计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 3 ．3 ．4 混凝土强度等级确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 人工假顶经济配筋率研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 ．1 配筋率计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 3 ．4 ．2 人工假顶单筋截面经济配筋率设计研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．5 人工假顶厚度与配筋优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．5 ．11 0 8 0 分段人工假顶厚度与配筋计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 3 ．5 ．2 造价函数凡关于h 和6 关系曲线描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．5 311 0 0 分段人工假顶厚度与配筋计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 3 ．5 ．4 锚索、锚杆承载设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 3 ．6 人工假顶构筑方法研究与施工设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．6 ．1 人工假顶配筋与构筑设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 3 ．6 ．2 人工假顶施工设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 3 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 第四章人工假顶数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，4 9 4 ．1 数值模拟的目的与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 。2 有限单元法基本计算原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 有限单元法计算软件A N s Y s 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．4 数值计算模型、基本参数和计算内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．4 ．1 基本假定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 4 ．4 ．2 参数选定及建立计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．4 ．3 计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 4 ．5 数值模拟计算分析结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 4 ．5 ．1 计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 4 ．5 ．2 分析结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 第五章人工假顶现场施工与应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 5 ．1 现场施工条件与布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．2 入工假顶现场施工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．2 ．1 巷道平场、排水及两帮浮石处理施工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．2 ．2 预留碎矿垫层和铺设隔水塑料施工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 5 ．2 ．3 锚索和锚杆施工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 0 V I 中南大学硕士学位论文目录 5 ．2 ．4 钢筋加工与吊筋挂接施工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 5 ．2 ．5 钢筋网铺设与绑扎旌工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 5 ．2 ．6 混凝土浇筑施工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 5 ．3 人工假顶施工总结与应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 5 ．3 ．1 人工假顶旋工工序总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 5 ．3 ．2 人工假顶施工作业总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 5 ．3 ．3 人工假顶应用与效果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 5 ．4 人工假项施工技术经济分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 第六章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 0 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ⅥI 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 引言 第一章绪论 本课题来源于中南大学与开磷集团校企合作项目“用沙坝矿急倾斜破碎矿 体采矿方法研究”。结合在用沙坝矿S 4 盘区1 0 8 0 分段S 3 蹴验矿房实施的“人 工假项下向高分段胶结充填采矿法”[ 1 。7 ] 工业试验，选取所需构筑的人工假顶结 构为研究对象，对人工假顶强度设计、构筑方法及稳定性进行研究。 用沙坝矿是贵州开磷集团矿业总公司主体矿山，主导矿体为倾斜中厚破碎磷 矿体，厚度3 - 8 m ，平均6 m ，平均倾角3 0 0 ，走向长度超过3 0 0 0 m ，磷矿石不仅 品位高，而且质量好，是目前国内唯一不经选矿可直接生产磷肥的优质资源⋯0 1 。 目前矿山采用机械化盘区分段充填采矿法【1 1 】开采占主导地位的倾斜中厚矿体， 该采矿法具有效率高、生产能力大且作业安全等特点。但对于矿体两翼走向长近 4 0 0 m 的急倾斜 5 0 - - - 9 0 。 中厚破碎矿体，鉴于矿体稳固性大幅度下降，且矿体 倾角变陡，用现有方法开采存在以下问题，主要表现在 1 矿体极其破碎，作 业安全性差； 2 矿体倾角变陡，矿石自行滚落，生产能力难以发挥； 3 开采 效率低且成本高。针对上述急倾斜中厚破碎矿体开采技术难题，通过对安全性、 回采效率、贫损率等多方面技术经济指标分析，并进行现场调研与研究后，提出 “人工假顶下向高分段胶结充填采矿法”方案，如图1 ．1 所示。 止生 i 黧；麓。’～ 黧“～ 5 ■S I t r ∞吲自E6 ∞E t7 j h m 图1 - 1 人工假顶下向分段胶结充填采矿法 上丛／ 中南大学硕士学位论文第一章绪论 该采矿法基本思路是，将矿体按中段划分2 ～3 个分段，分段高度增加到 1 5 ～2 0 m ，沿矿体走向划分矿房矿柱；由脉外斜坡道、分段巷道、出矿联络横巷、 脉内凿岩巷道及出矿溜井构成矿体无轨采准系统；分段凿岩巷沿脉内布置，在分 段凿岩巷内预先构筑高强度钢筋混凝土人工假顶；采用自上而下的回采顺序；本 分段预筑的人工假底作为下分段或下中段矿体回采的人工假顶；矿体由位于底部 的分段凿岩巷进行凿岩爆破出矿；采用中深孔凿岩，铲运机出矿；矿房采完后， 采用磷石膏充填料【1 2 。1 7 】 水泥粉煤灰磷石膏 按配比l 1 4 充填，形成强 度达2 M P a 的胶结充填体；矿柱采完后，采用低配比的水泥磷石膏胶结充填料进 行充填；回采时采场两侧的房柱或充填体与分段上下人工假顶、假底形成安全防 护结构，确保采场回采安全；工人在人工假顶保护下先回采矿房，充填养护后回 采相邻矿柱，待上分段房柱回采完毕并充填养护后，在人工假顶保护下开始回采 下分段对应矿房和矿柱；如此反复直至中段内矿体采完，之后即转向下中段回采。 根据该采矿法，为提高生产效率，减少采准工程量，设计将分段高度增加，而为 保护作业人员安全，构筑高强度人工假项结构，待下分段矿体采空后，人工假顶 在悬空条件下发挥承载作用，防止上部破碎矿岩垮塌，因此，人工假顶需具备足 够的强度和稳定的承载能力。这其中，人工假顶结构的构筑方法、强度设计以及 稳定性分析是安全高效生产的保证，也是顺利实施人工假顶下向高分段胶结充填 采矿法的关键性技术。 不同于其他进路法人工假顶构筑工艺，该采矿法中人工假项在下部矿体回采 完形成近2 0 m 高空区后仍能保持稳定及可靠的承载能力，因此人工假顶使用强 度达C 2 0 ～C 2 5 M P a 混凝土进行构筑；由于人工假顶在采场中主要承受弯矩产生 拉压应力作用，在构筑人工假顶过程中，为了提高混凝土人工假顶的抗拉能力， 抵抗受荷产生的弯曲拉伸破坏，通常在铺设假项前就布置受力钢筋[ 18 1 ，从而构 筑一层高强度的钢筋混凝土人工假顶承载层。 采用“人工假顶下向高分段胶结充填采矿法”，构筑人工假顶目的在于有效 防止上部充填体或破碎矿体垮落，工人可在人工假顶护顶下进行安全回采作业。 在用沙坝矿s 4 盘区1 1 0 0 分段以上为未采矿体，上中段矿体已回采完毕，且使用 废石充填，1 1 0 0 分段矿体作为保安矿柱不予回采。1 1 0 0 分段脉内巷道用于充填 下分段采空区，因此在1 1 0 0 分段脉内巷道进行人工假顶构筑，其目的是防止1 1 0 0 分段上部破碎矿体的跨落，保证上中段废石不跨落下来，安全高效回采1 1 0 0 分 段下部矿体，因此1 1 0 0 分段入工假顶构筑目的是承载起上部冒落矿岩的荷载， 保护下部矿体安全回采。用沙坝矿s 4 盘区1 0 8 0 分段至11 0 0 分段之间矿体为待 采矿体，矿体回采后使用磷石膏充填料充填采空区，由于充填体达到养护期后， 其下部矿体回采完毕形成采空区后，充填体强度不足以维持自稳状态，因此，在 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 0 8 0 分段脉内巷道构筑人工假顶，其目的是承载起上部充填体的载荷，防止充 填体向采空区跨落，为下中段矿体回采创造条件，同时人工假顶可代替矿石顶柱， 提高资源回收率。总结上述人工假项受荷情况，人工假顶承受载荷有冒落矿岩荷 载或低强度充填体荷载。因此，矿体回采前预先在脉内凿岩巷道构筑稳固可靠的 钢筋混凝土人工假顶目的是，防止上部低强度充填体或破碎矿体垮落，保证作业 人员在其护顶下对下部矿体进行安全回采。 采用“钢筋混凝土人工假顶下向高分段胶结充填采矿法”，构筑人工假顶意 义在于一、急倾斜中厚破碎矿体开采中，使用高强度的钢筋混凝土人工假顶代 替矿石顶柱，可以做到对资源进行最大程度的回收，降低贫化损失率；二、在钢 筋混凝士人工假顶保护下，预防上部低强度充填体或破碎矿体垮落，从而保证作 业人员生命安全，做到安全高效回采。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 中厚急倾斜破碎矿体开采研究现状 国内外针对中厚急倾斜破碎矿体 或极破碎矿体 【1 9 之2 1 这一难采矿体的开采， 目前广泛采用下向分层胶结充填采矿法，分段崩落法或者迸路充填法等，如专利 c N l 0 1 7 1 8 1 9 6 A 号“一种松软破碎矿体开采方法”采用无底柱分段崩落法进行回 采，该方法工艺简单、安全性高、生产能力大，但缺点是贫化损失率大，对于 高品位矿体这是不允许的，且容易造成地表塌陷专利C N 8 5 1 0 9 1 3 7 号“金属矿 床下向分层开采法”，该法人工强制崩落围岩松散垫层，以金属网假顶、铰接顶 梁与高强度可缩性支架为支护结构，在其支护下，使用浅孔爆破自上而下进行回 采，该法贫损率低，但生产能力不足，且对地表环境破坏大。专利C N l 0 1 1 3 9 9 3 0 A 号“高进路转低进路提前降低顶板的方法”采用下向进路胶结充填法，安全性好， 贫化、损失率低，但进路采矿法机械化程度低，生产能力小，工序复杂。对于中 厚急倾斜破碎矿体，特别是矿体不稳固，且要求生产能力大、安全性高、贫损率 低的矿体开采，目前尚无适合的开采方法。随着本项目所实施的“人工假顶下向 高分段胶结充填采矿法”工业试验在开磷集团用沙坝矿中厚急倾斜破碎矿体开采 获得成功，使得工人在人工假顶框架结构保护下安全高效回采破碎矿体得以实 现，对中厚急倾斜破碎矿体的高安全性、高效率及低贫化损失开采。 1 ．2 ．2 人工假顶结构研究现状 在地下矿山工程中，人工假顶是使用特殊材料组合构筑成的人工顶板防护结 构，用于承受上部不稳定矿岩或充填体荷载，从而保证人工假顶下部作业人员的 安全。在人工假顶构筑方法中，多使用高强度胶结材料配以抗拉强度较高的钢材 中南大学硕士学位论文第一章绪论 加以组合，构筑成高强度人工顶板防护结构。如专利C N l 0 2 5 8 7 9 1 5 A 号“人工 假顶下诱导崩落采矿法”中在采场顶板直接安装1 。2 层钢管桩并添加钢筋网后 注浆构筑，专利C N l 0 2 3 0 5 0 7 4 A 号“一种带钢混结构人工假顶的平底结构有底 柱分段崩落法”中人工假顶由底部底层型钢支托和上层的菱形钢筋网和混凝土浇 灌层组成，底层型钢与上层钢筋网进行焊接，工艺复杂【2 3 , 2 4 1 。以上两种构筑方法 缺乏理论分析和依据，大多根据类似工程经验，承载强度不尽合理，构筑成本相 对较高。由于相关工程经验与理论分析缺乏，传统方法不尽合理，因此本文对人 工假顶进行科学合理设计，保证其强度可靠、经济合理且操作可行。 在国内外人工假顶结构研究中，人工假顶的失稳破坏机理分析是设计人工假 项承载强度的前提，因此其失稳破坏机理是研究的重点与难点。随着岩石力学和 地下结构设计方法的发展，采用静力分析，以弹塑性理论为基础来考虑承载结构 体的稳定性【2 5 伽。目前，地下工程理论尚未成熟，处在发展阶段，因此，还没有 统一的方法和标准对地下结构进行判断，但总体来看，用于研究地下结构体稳定 性的方法大体有定性分析方法和定量分析方法。定性分析法主要以工程地质及水 文地质条件为基础，分析工程岩体结构的变形和破坏机制等，该方法评价较为粗 略，多用于小型工程的结构稳定性评价。定量分析方法是根据固体力学岩体力学 原理，采用解析分析法、数值模拟法和模型试验方法，分析不同条件下地下结构 的应力和变形，从而对其稳定性作出定量的评价。由于定性分析法较为粗略，对 于地下不稳定地质因素与复杂条件等难以掌握，因此定性分析法不适宜对人工假 顶结构等地下深埋工程进行评价分析。定量分析法则不同，针对地下特殊条件下 的工程结构展开理论分析、评价及数值模拟分析，从而实现对地下深埋工程进行 可靠分析与评价1 2 引。 综上，目前对于中厚破碎陡矿体尚无很好开采方法，而“人工假顶下向高分 段胶结充填采矿法”在用沙坝矿的成功试验，使得该类难采矿体能够实现安全高 效回采，而这其中人工假顶结构作为该采矿法的关键技术，则是本文的研究核心。 为此，本文对人工假项方案进行研究，设计出合理的人工假顶构筑方案，并使用 定量分析法对人工假顶进行强度设计与稳定性分析，即应用弹性力学理论与数学 分析方法对人工假顶进行分析与研究，设计出强度合理且造价最低构筑方案，并 通过数值模拟研究，验证人工假顶的稳定性，确保安全可靠。 1 ．3 本文主要研究内容与技术路线 本文通过参考相关文献，对类似工程进行研究，总结出地下矿山工程中人工 假顶结构的构筑方法，并进行理论分析，研究出适合于矿山特殊条件下人工假顶 的构筑方法，在达到承载强度的基础上，满足了矿山的经济性要求，提高了矿山 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的经济效益。 本文主要研究内容有， 1 参考类似工程结构原理，设计出人工假顶承载方 案，根据矿山实际条件并通过对各方案进行综合比较，优选出适合于用沙坝矿中 厚急倾斜破碎矿体条件下的人工假顶构筑方案； 2 对人工假顶进行力学分析， 确定各分段人工假顶所受荷载大小；分析人工假顶在荷载作用下的力学变化规 律，得出人工假项的破坏机理，并确定人工假顶的最危险点； 3 通过以上力学 分析及破坏机理研究，设计出人工假顶强度所需抗压强度及抗拉强度；由人工假 顶抗压强度和抗拉强度分别探讨、研究出混凝土配比及配筋率设计； 4 在满足 人工假顶承载强度需求下，分析人工假顶的构筑成本，通过各材料造价，构造出 人工假顶造价函数，从而分析出造价最低时，人工假顶结构的优化配筋率值和人 工假顶厚度值； 5 根据以上设计，对人工假顶进行稳定性研究，运用A N S Y S 软件建立人工假顶模型，模拟人工假顶受力后变化过程，验证人工假顶稳定性； 6 根据以上研究设计成果，完成人工假顶结构构筑设计，并通过人工假顶现 场施工，总结出人工假顶构筑方法以及工艺流程，确保人工假顶施工达到设计要 图1 - 2 技术路线图 中南大学硕士学位论文 第二章人工假顶方案研究 第二章人工假顶方案研究 2 ．1 人工假顶承载原理与设计思路 2 ．1 ．1 人工假项承载原理 在地下矿山工程中，人工假顶是使用高强度胶凝材料 如混凝土 与钢筋组 合构筑成的人工项板结构，用于承受上部充填体或冒落矿岩荷载，防止充填体或 冒落矿岩的垮落，从而保证人工假顶下部作业人员的安全。人工假顶承力原理是 人工假顶直接受到上部充填体或冒落矿岩荷载作用，通过构筑高强度特殊结构将 人工假顶与两帮围岩连接形成整体，当人工假顶下部矿体采空后，人工假顶处于 悬空状态，在人工假顶与两帮围岩之间的特殊结构连接下，人工假顶将所受荷载 传递到两帮稳固围岩中，实现人工假顶的承载作用【2 8 。3 0 】。 人工假顶承载原理表明其设计的关键是保证人工假顶满足强度需求以及连 接体结构达到可靠承力需求；当人工假顶满足强度需求后，人工假顶将所受上部 外界荷载及自重荷载通过特殊连接体结构传递至两帮围岩中，实现人工假顶承载 作用；人工假项承载结构中，人工假顶是直接受力体，而特殊连接体结构是载荷 传递体，并作为人工假顶承载结构主要承力部分，两帮围岩则是承载的基础。 2 ．1 ．2 人工假顶设计思路 对类似工程结构研究分析表明，人工假顶防护结构与桥梁承载结构【3 1 。3 4 】相 似，即两种结构通过构筑高强度承载板结构，并通过特殊连接体将承载顶板结构 可靠连接于