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中图分类号 旦墨鱼2 U D C6 2 2 硕士学位论文 学校代码l Q 蔓3 三 密级垒五 锚索废石混凝土胶结充填矿柱稳定性研究 S t a b i l i t yR e s e a r c ho nC a b l e sW a s t eR o c k C o n c r e t e C e m e n t e dF i l l i n gP i l l a r 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 朱飞 矿业工程 采矿工程 资源与安全工程学院 余健教授 论文答辩日期功衅 答辩委员会主席羞型潞 中南大学 二零一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明 I l l ll n l W l l l l l l l i l l l l l l l l l l l l Y 2 6 8 8 8 7 6 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已在论文中作了明确 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 墀翌 ． 日期迦f 虹年上月五日 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_ 旺 日期雌年』月璐日日期雌年上- 月冶日 万方数据 锚索废石混凝土胶结充填矿柱稳定性研究 摘要低品位缓倾斜厚大矿体的开采是采矿行业公认的难题之一，实 现低品位矿产资源的综合利用，又是矿业发展必须面临的问题。 大红山铜矿为缓倾斜、多层、厚大低品位铜铁共生矿床，为了充 分利用这些矿产资源，玉溪矿业联合中南大学提出了玉溪矿业大红 山铜矿铜铁合采可行性研究方案，采用高分段、大直径崩矿，嗣后 充填采矿法。本方案中形成的矿柱沿倾向长1 0 0 m ，平均高度5 0 m ， 宽5 m ，采用C 1 0 废石混凝土进行充填，同时沿矿柱长度方向每隔l m 布置一根长锚索，即形成锚索废石混凝土胶结充填体矿柱。保证矿柱 的稳定是该方案能够取得成功的关键环节之一，因此本文研究的主要 内容是长锚索在废石混凝土矿柱中所起的力学作用和锚索废石混凝 土胶结充填体矿柱稳定性研究。 本文在总结前人成果的基础上，分析了锚索与废石混凝土之间的 粘结原理，进而分析长锚索在整个充填体矿柱中起的力学作用以及整 个充填体矿柱的稳定性。 对矿柱稳定性分析，分别从两个方面进行 1 利用理论力学的 知识，将矿柱看作一个底端固定约束、顶端铰接约束的梁，分析矿柱 受到的力沿高度方向的变化。 2 利用有限元分析软件M i d a s ／G e n 对 矿柱进行建模，分析整个矿柱在自重、顶部松散岩体和侧面尾砂充填 体三个力的作用下，整个矿柱内部应力分布及大小和矿柱的位移分布 及大小。 分析结果显示整个矿柱的受到应力最大的部分集中在矿柱底部， 其值小于C 1 0 废石混凝土抗压强度，因此矿柱不会因为自身材料破 坏而导致自身不稳。矿柱的最大位移出现在整个矿柱中心部分，最大 为1 3 ．5 9 m m ，然后向四周逐渐减小，因此矿柱也不会因为变形过大而 发生侧向倒塌，所以整个充填体矿柱是稳定的。 锚索废石混凝土充填技术是一项全新的采矿工艺，本文用不同的 方法对充填体矿柱稳定性进行分析，通过比较，得出锚索废石混凝土 胶结充填体矿柱是稳定的，从而保证该方案能够取得预计的成果。 关键词锚索废石混凝土；胶结充填矿柱；稳定性；应力；位移； M i d a s ／G e n 分类号T D 8 6 2 万方数据 S t a b i l i t yR e s e a r c hO i lC a b l e sW a s t eR o c kC o n c r e t eC e m e n t e d F i l l i n gP i l l a r A b s t r a c t I ti s a c c e p t e d i n m i n i n g s e c t o rt h a t l o w g r a d e a n d g e n t l y i n c l i n e d t h i c ko r e b o a y i sd i f f i c u l tt o m i n e ．A c h i e v i n g c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fl o w - g r a d em i n e r a lr e s o u r c e si s ap r o b l e m t h a tw em u s tf a c ei nm i n i n gd e v e l o p m e n t ． I t i s g e n t l y i n c l i n e d ，m u l t i l a y e r , h e a v yl o w g r a d ec o p p e ra n di r o n d e p o s i t s i n s y m b i o s i s i n D a h o n g s h a nC o p p e rM i n e ．T ot a k e f u l l a d v a n t a g eo ft h e s em i n e r a lr e s o u r c e s ，Y u 妇M i n i n gC o r p o r a t i o na n d C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yp r o p o s e d ‘ F e a s i b i l i t yS t u d yo nC o m b i n e d E x p l o i t a t i o no fC o p p e ra n dI r o ni nY u x iM i n i n gC o r p o r a t i o nD a h o n g s h a n C o p p e rM i n e ”p r o g r a m ，a d o p t e dh i 曲b r e a k ，l a r g ed i a m e t e rm i n ec o l l a p s e a n ds u b s e q u e n tf i l l i n gm i n i n gm e t h o d ．1 1 1 ep i l l a r si nt h ep r o j e c ta r e10 0 m i nl e n g t h ，5 0 mi nh e i g h ta n d5 mi nw i d t h ，t h e nf i l l i n gw i t hCIOw a s t e r o c kc o n c r e t e ，s i m u l t a n e o u s l y , a r r a n g i n gal o n gc a b l ep e rm e t e ri nt h e l o n g i t u d i n a ld i r e c t i o no ft h ep i l l a r s ，c a l l e dc a b l e sw a s t er o c kc o n c r e t e c e m e n t e df i l l i n gp i l l a r ．E n s u r i n gt h e s ep i l l a r ss t a b l ei so n eo ft h ek e yo f t h ep r o j e c tt o S u c c e s s ，S Ot h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ra r et h e m e c h a n i c a la c t i o no fc a b l e si nw a s t er o c kc o n c r e t ea n dt h es t a b i l i t yo f c a b l e sw a s t er o c kc o n c r e t ec e m e n t e df i l l i n gp i l l a r s ． O nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gp r e v i o u sr e s u l t s ，t h i sp a p e rf o c u s e so n a n a l y z i n gb o n dp r i n c i p l eb e t w e e nc a b l e sa n dw a s t er o c kc o n c r e t e ，a n d t h e nt h em e c h a n i c a la c t i o no fl o n gc a b l e si nt h ew h o l eb a c k f i l lp i l l a r sa n d t h es t a b i l i t yo ft h ew h o l eb a c k f i l lp i l l a r s ． A n a l y z i n gt h es t a b i l i t yo ft h ep i l l a rf r o mt w oa s p e c t s 1 w i t ht h e k n o w l e d g eo ft h e o r e t i c a lm e c h a n i c s ，c o n s i d e r i n gt h ep i l l a ra sag i r d e r w i t ho n ee n d sf i x e dc o n s t r a i n t sa n dt h eo t h e ra r t i c u l a t e dc o n s t r a i n t s ，t h e n a n a l y z i n gt h ef o r c ev a r i a t i o no ft h ep i l l a ri nt h eh e i 曲td i r e c t i o n ； 2 m o d e l i n go n t h e p i l l a r w i t ht h eF i n i t eE l e m e n tA n a l y s i sS o f t w a r e M i d a s ／G e n ，a n a l y z i n gt h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n ds i z ei nt h ei n t e r i o ro f t h e e n t i r ep i l l a r , a n dt h e nt h ed i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o na n ds i z eo ft h ep i l l a r ． T h er e s u l t ss h o w t h e l a r g e s t s t r e s st h a tt h e p i l l a r s u f f e r e d c o n c e n t r a t e so nt h eb o t t o mo ft h ew h o l ep i l l a r , a n dt h ev a l u ei sl e s st h a n l T 万方数据 t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fw a s t er o c kc o n c r e t e ．T h e r e f o r et h ep i l l a rw i l l n o tb eu n s t a b l eb e c a u s eo fi t so w nm a t e r i a l sd a m a g e ．T h em a x i m u m d i s p l a c e m e n ta p p e a r si nt h ec e n t r a lp a r to ft h ee n t i r ep i l l a r , t h ev a l u ei s 13 ．5 9m i l l i m e t e r ．t h e ng r a d u a l l yr e d u c e dt of o u rw e e k s ．S ot h ep i l l a rw i l l n o t c o l l a p s e t oo n es i d eb e c a u s et h eo v e r s i z et r a n s f o r m a t i o n ． C o n s e q u e n t l y , t h eb a c k f i l lp i l l a ri Ss t a b l e ． C a b l e sw a s t ec o n c r e t ef i l l i n gi sab r a n dn e wm i n i n gt e c h n o l o g y ． R e s e a r c h i n go nt h es t a b i l i t yo ft h eb a c k f i l lp i l l a r sw i t hd i f f e r e n tm e t h o d ， b yc o m p a r i n g ，g e t t i n gar e s u l tt h a tt h e s ep i l l a r si ss t a b l e ，t h u st oe n s u r e t h a tt h ep r o g r a mc a l la c h i e v et h ee x p e c t e do u t c o m e s ． K e y w o r d s c a b l e sw a s t er o c kc o n c r e t e ；c e m e n t e df i l l i n gp i l l a r ；s t a b i l i t y ； s t r e s s ；d i s p l a c e m e n t ；M i d a s ／G e n C l a s s i f i c a t i o n T D 8 6 2 I I I 万方数据 目录 l 绪论⋯⋯．．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。l 1 ．1 研究背景、目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．1 背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．2 目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．1 ．3 意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．1国内研究发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 国外研究发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．3 锚索与混凝土粘结性能研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 本文研究类容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 井下废石混凝土胶结充填工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯j ⋯．6 2 ．1 井下废石混凝土制备站⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．1 ．1 制备站的组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 ．2 制备站的功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 泵送混凝土充填方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 。1 充填方案的简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．2 充填站生产能力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 矿柱回采及长锚索的布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．3 ．1 矿柱回采方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．3 。2 矿柱采空区长锚索的安装⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 矿柱废石胶结充填工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 ．1 废石胶结充填方案的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．4 ．2 废石胶结充填工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 锚索与混凝土的粘结原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 万方数据 3 ．1 粘结的基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1 ．1 粘结应力的概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1 ．2 粘结应力的类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1 ．3 粘结应力的组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．1 ．4 粘结破坏模式⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．1 9 3 ．2 混凝土的性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．2 ．1 混凝土集料的来源⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 ．2 混凝强度对粘结性能的影响的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．3 锚索与混凝土粘结性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 ．1 钢筋与混凝土粘结性能的研究发展⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．2 l 3 ．3 ．2 影响锚索与混凝土粘结性能的因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．3 ．3 粘结强度的计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 4 锚索在废石混凝土中的力学作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．1 锚索作用机理的简述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．1 ．1 锚索的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．1 ．2 预应力锚索工作机理简述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．2 锚索的设计原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 ．2 ．1 矿柱开采设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 ．2 ．2 矿柱中锚索的布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 ．3 顶板岩层中锚固段的受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．3 ．1 锚索与砂浆之间挤压作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．3 ．2 锚索锚固段轴向荷载和剪应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 4 ．4 锚索在混凝土充填体中作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 l 4 ．4 ．1 长锚索下段自由段的受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 4 ．4 ．2 长锚索中间段剪应力的分析．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．3 6 5 废石胶结充填矿柱稳定性理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 5 ．1 废石胶结充填矿柱抗压强度分析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．3 7 V 万方数据 5 ．1 ．1 废石胶结充填矿柱顶端松散岩石压力计算⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．3 7 5 ．1 ．2 尾砂充填体对矿柱侧压计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．1 ．3 废石胶结充填墙体自重计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．2 废石胶结充填矿柱受力分析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 5 ．2 ．1 废石胶结充填体受力分析⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．2 ．2 废石胶结充填体外墙最大拉应力⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．4 7 5 ．2 ．3 废石胶结充填体顶部最大剪应力⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 。2 。4 废石胶结充填体墙体底部最大压应力及最大拉应力．⋯⋯⋯．．4 8 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 6M i d a s ／G e n 对矿柱建模稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．1 M i d a s ／G e n 有限元数值分析软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 6 ．1 ．1 M i d a s 的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．5 0 6 ．1 ．2M i d a sG e n 的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．2 盘区整体模型的建立⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 6 ．2 ．1 废石混凝土试块试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 6 ．2 ．2 模型的建立思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．2 ．3 矿柱整体模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 6 ．3 矿柱单体建模分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 6 ．3 ．1 矿柱单体模型建立⋯⋯⋯⋯‘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 6 ．3 ．2 荷载的施加⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯5 6 6 ．3 ．3 边界条件的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 6 ．3 ．4 矿柱应力分布⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 6 ．3 ．5 矿柱位移变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 6 ．4 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．⋯⋯⋯⋯6 6 6 ．4 ．1 应力结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．6 6 6 ．4 ．2 位移结果分析．⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．⋯．6 7 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯6 7 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．⋯⋯⋯．．⋯⋯6 8 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．6 8 万方数据 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 参考文献⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯⋯．．7 0 攻读硕士期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景、目的和意义 1 ．1 ．1 背景 随着采矿、选矿等技术的不断提高和我国浅部矿产资源的逐渐开采殆尽，如 何充分利用低品位矿产资源，以实现矿产资源的综合利用，是我国矿业未来发展 所必须考虑的【1 ．3 l 。以铜、铁资源为例，我国铜矿资源储量居世界第六位，但是 平均品位并不高，只有0 ．8 7 ％，而其中品位在1 ％和2 ％以上的铜矿床，分别占铜 资源总储量的3 5 ．9 ％和4 ％1 4 。5 】，2 0 0 万吨以上的金属储量的大型铜矿平均品位更 低，基本都在1 ％以下。目前我国铁矿探明储量有2 0 0 亿吨左右，但是含铁品位 在3 3 ％以下的铁矿床占9 7 ．5 ％，属于不好直接利用的贫矿，而含铁品位大于5 5 ％ 的富矿仅仅占总铁矿储量的2 ．5 ％。特别是近5 0 年的不断开发利用，品位较高的 资源基本已开采完毕，如何有效的开采利用品位较低的矿床资源将是我国采矿工 业必须长期面临，也是亟待解决的问题。图1 ．1 为全球铜资源储量分布情况。 图1 - 1 全x , - l t 铜储量分布图 在这种资源紧缺有限的情况下，传统的“高消耗、高排放、低效率”的“两高 一低”的粗放型开采模式逐渐被淘汰，相应的转向高效低耗无废开采。高效，就 是要实现大规模的机械化开采，而且越来越得到大多数国家以及业内人士的认可， 矿山开采是指对土地资源的临时征用[ 6 - 9 】，要尽可能的迅速开采，然后才能尽快 恢复到原来的生态环境；低耗，就是提高资源的回收率、利用率，降低贫化率， 改变大矿小开、采富弃贫浪费资源的现象【m 1 2 l ；无废，即提高资源的综合利用率， 最大比例的回收有价值的部分，最大限度的减少废料的产出排放量或变废为宝 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 D 3 - 1 5 3 。 大红山铜矿为缓倾斜、多层、中厚铜铁共生矿床，共有三层含铁铜矿体，四 层含铜铁矿体，铜铁资源相当丰富，是玉溪矿业公司的主力矿山。据统计，从上 个世纪末期年投产至今，铜资源综合利用率只有4 3 ．2 ％，而铁资源仅仅利用了伴 生在铜矿体的部分。根据大红山铜矿资料显示，矿床从5 0 0 米水平至3 0 0 米水平 的储量统计，铜资源储量比较贫乏，仅为2 0 万吨左右，铁资源储量也不富裕， 仅有7 8 0 万吨左右。地质资料显示，大红山铜矿床矿体越到深部资源越少{ 1 6 - 1 7 】， 因此，大红山铜矿资源储存状况并不是很好。 从以上分析可知，大红山铜矿虽然资源丰富但低品位铜铁资源均未得到充分 的开发利用，导致资源综合利用水平低，企业高速发展对资源的巨大需求与资源 综合利用水平低的矛盾十分突出。针对这一严峻的现实，玉溪矿业公司提出了依 靠科技进步和科学管理，寻求工艺创新和管理创新，走“大规模、高效率、低成 本”之路，充分利用大红山铜矿低品位铜铁资源，实现公司可持续发展的战略思 路。为此，玉溪矿业公司具体提出了D H 一3 1 工程计划，以“规模经济”为理论基 础，通过技改实行铜铁合采，综合利用大红山铜铁矿床的低品位资源扩大生产规 模，实现年产3 万t 精矿含铜1 0 0 万t 铁精矿的目标。 为了实现上述目标，玉溪矿业公司技术中心开展了初步可行性研究，即大 红山铜矿铜铁合采可行性研究。实行高分段、大直径炮孔、高效率的采矿方法， 将矿体划分为矿房、矿柱，矿柱平均高度达到5 0 m ，沿倾向平均长度达到l O O m ， 而厚度只有5 m ，整个矿柱犹如一面高大的墙体。矿柱采矿后进行废石胶结充填， 为后续能够安全开采矿房，废石胶结充填矿柱的稳定性是至关重要的，也是能够 实现“大规模、高效率、低成本”采矿的关键【1 8 - 2 0 】，更是整个铜铁合采能否成功的 主要因素。因此，对该高大墙体式废石混凝土充填体稳定性研究是本文的主要内 容。 1 ．1 ．2 目的 缓倾斜厚大矿体是采矿行业公认的难采矿体之一【2 1 。2 4 1 。大红山铜矿采用高分 段、大直径爆破，嗣后空场充填采矿方法，在该方案中留下的高大矿柱沿矿体倾 向长1 0 0 m ，平均高度达到5 0 m ，厚度为5 m ，然后采用井下废石混凝土进行充填， 形成的充填体矿柱即为高大墙体式锚索废石混凝土矿柱。本文主要对该高大墙体 式锚索废石胶结充填体进行稳定性研究。充填矿柱的作用主要有两个一是对空 区顶板进行支撑，防止顶部岩层垮塌，维持采空区的稳定；二是阻止已充填矿房 的尾砂充填体进入待采矿房，保证相邻矿房的回采的安全性。为了达到这两个目 的．充填矿柱必须满足需要的抗压强度，且整个矿柱的位移必须在允许范围内。 废石混凝土充填体只能承受压应力，不能承受拉应力，因此本方案中在充填体矿 万方数据 中南大学硕士学位论文 l 绪论 柱中布置了长锚索，使其能够承受一定的抗拉能力。充填矿柱体要承受压力主要 有三个顶部松脱岩层对矿柱的压力、侧面尾砂充填体对矿柱产生的压力、矿柱 自身重力产生的压力，在这三个力的作用下，废石胶结充填矿柱体必须保证自身 稳定。 1 ．1 ．3 意义 锚索废石混凝土胶结充填法一种全新的采矿工艺，改变了传统的充填方法。 它不但大大提高了充填体的强度，在充填体中布置长锚索也改变了混凝土充填体 不能够承受拉应力这一弊端，很大程度上提高了充填矿柱的整体稳定性。而废石 胶结充填体矿柱稳定性是整个铜铁合采方案能否取得成效的关键，它具有很多现 实意义 1 推进了这种“大规模、高效率、低成本”采矿方法的应用，很好的解决 了低品位、缓倾斜厚大矿体的开采问题，有利于废石胶结充填工艺在其它相似矿 山的推广； 2 本次由中南大学与玉溪矿业公司联合提出的铜铁合采方案，可以大大 降低井下废石运出地表的费用、减少地表废石堆放场地和选矿场尾砂在地表的排 放，大大减小地表废石和尾矿对地表环境的破坏，是一种比较环保的回采工艺； 3 根据本方案提出的矿房矿柱布置形式，先采矿柱再采矿房，矿柱回采 结束后，用长锚索和废石混凝土充填采空区，这样就可以形成人为制造的矿柱来 维护项板，避免顶板垮塌，这种方案的很明显的优点是，可以将以前因为采矿工 艺本身的原因损失的矿柱进行大量回收，将现有工艺5 4 ．6 ％的回收率提高到 7 6 ．7 ％。 4 本方案采用的高分段、大直径深孔嗣后充填方案，配合无轨机械化出 矿设备，将大规模采矿技术与高效率出矿技术相结合，可大大提高盘区生产能力。 1 ．2 国内外研究现状 废石胶结充填技术继承了粗骨料胶结充填体具有较高力学强度、无需采场脱 水的优点，使得充填体的强度得到大大的提高，改变尾砂胶结充填体强度低的缺 点，同时也克服普通混泥土胶结充填方式的物料配合要求高、需经机械混合和输 送难度大的缺点，因而将会被越来越多的矿山采用【2 5 ‘2 6 1 。 1 ，2 。1 国内研究发展 废石胶结充填技术的发展大概经历了三个阶段[ 2 7 ．2 9 1 。第一个阶段要追溯到 2 0 世纪五、六十年代，直接把井下的废石倒入采空区进行充填，即所谓的废石 干式充填技术。当时该充填工艺在地下有色金属矿产占到3 8 ．2 ％左右。但是废石 干式充填效率低下、生产能力小而且劳动强度大，因此在国内地下充填矿山中占 的比例越来越少。第二个阶段为2 0 世纪9 0 年代，由于采矿工业的不断发展，原 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 有的充填技术己经满足不了回采工艺的需求，再加上国家对环境保护的力度越来 越大，因而出现一种新的充填工艺，即胶结充填工艺。此时的废石胶结充填即将 废石和水泥用铲运机拌合后卸入采空区或者直接将废石倒入空区，然后在废石层 上撒水泥浆，虽然相比最初的干式废石充填提高了充填体的强度，但是这种拌合 也会出现废石和混凝土混合不均匀的情况，强度提不上去，而且效率低。第三个 阶段为2 l 世纪初期，即现在的井下废石胶结充填工艺，他是一种全新的充填工 艺，将井下的掘进废石经过机械破碎，达到满足要求的粒级，然后和水泥浆经过 机械搅拌均匀后，最后通过混凝土泵送入采矿区。这种废石胶结充填工艺不但大 大提高了充填体的强度，而且降低了采矿成本，实现了废石不出坑，减少地表环 境破坏。其最初是在云南大红山铜矿取得成功，由于其优势明显，将会被越来越 多的国内外矿山采用。 1 ．2 ．2 国外研究发展 在国外矿山中，废石尾砂复合集料胶结充填较早的被应用在加拿大基德克里 克矿的岩层支护中，当时数据显示，废石胶结充填体的强度达到7 M P a ，就能保 证高1 2 0 m 、长7 0 m 已暴露的充填体不坍塌。1 9 8 3 年，A r i o g l u 在做实验进行研 究时，在胶结尾砂料浆中加入一定废石，从而达到改进胶结充填体的强度的目的， 但是水泥的含量和水灰比才是影响混凝土胶结充填体强度的主要因素，骨料级配 对混凝土胶结充填体强度起的作用并不大。2 0 世纪末期，T ．RY u 发现几种不同 性能的胶结材料，其中含有5 ％～1 0 ％的砂子或尾砂称为“胶结”充填。可以基本看 作是废石胶结充填的雏形1 3 0 - 3 2 】。 然而在井下建立破碎充填站，将井下的掘进废石进行破碎后，达到满足要求 的粒级组成，然后采用混凝土搅拌机进行搅拌，将骨料和水泥浆混合均匀，配制 成高强度的废石混凝土充填体送入采矿空区进行充填，在国外，这种充填工艺还 没有。而在废石混凝土充填体中加入锚索来提高矿柱的抗拉力和整体稳定性，这 种新的工艺，在国外也没有出现过，从而更加体现出本文研究的重要性。 1 ．2 ．3 锚索与混凝土粘结性能研究现状 1 研究现状 目前研究锚索与混凝土之间粘结锚固性能的主要方法还是试验方法，而且绝 大数的试验研究都是在静荷载作用下进行的，通过试验的方法整理数据、拟合曲 线得到经验公式，而且这些公式只是在针对试验所在条件下适用，不具有通用性。 1 发展趋势 随着社会的发展，人们逐渐将关注点转向钢绳的耐久性上，进而更多的对锈 蚀后钢绳粘结性能进行研究，也成为学术界研究热门之一。随着技术水平条件的 不断提高，新品种的钢绳与高性能混凝土层出不穷，特别是近年来，在混凝土中 4 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 加入硅粉、稻谷灰、纤维等大大提高了混凝土的强度和性能，随之钢绳的强度也 有了较大的提高，他们之间的粘结性能也是研究热点之一。目前对粘结性能的研 究，绝大数是在静荷载作用下的试验，今后会逐渐加大对动荷载下粘结性能的研 究，以更好的研究在地震、爆破震动作用下钢绳和混凝土之间的动力反应。， 1 ．3 本文研究类容 本文在总结前入对钢筋和混凝土之间粘结性能研究成果和锚杆锚固段受力 理论分析的基础上，将其理论研究方法应用到对长锚索的研究。分析了长锚索与 废石混凝土之间的粘结原理，进而分析了长锚索在废石混凝土中的力学机理以及 对废石胶结矿柱稳定性的影响，最后分别利用理论力学的知识和有限元分析软件 M i d a s ／G e n 分别对矿柱进行建模，分析矿柱应力分布以及位移分布情况。 l 、在理论分析方面 1 改变传统的以拉拔试验来分析钢筋与混凝土之间 的粘结应力值，根据充填体在空区中与锚索粘结情况，将长锚索在混凝土中的受 力分为两部分进行分析，其中最主要的是上段锚固于稳定岩层中的部分和下段先 凝固部分的受力情况，上段采用M i n d l i n 理论进行分析，下段采用静力学平衡和 本构关系进行推导，二是中间段，由于长锚索两端已经固定，上段固定于稳固岩 层中，下段先与废石混凝土粘结，最后中间部分再和废石混凝土粘结在一起，因 此中间可以直接看成锚索与混凝土堆砌粘结的过程，即他们之间只有相互的化学 胶合力。然后分别做出顶部锚固段和下段先粘结段的剪应力沿轴向分布的图。 2 对整个充填矿柱进行理论力学分析，利用理论力学的知识，将其看作一根上端铰 接约束和下端固定约束的梁，然后判断矿柱各部位应力分布情况。 2 、在数值建模方面 1 利用有限元分析软件M i d a s ／G e n 对盘区进行建模， 即5 拌、6 拌、7 拌矿柱与其相邻矿房的整体建模； 2 然后对单个废石混凝土胶结 充填体矿柱建模，分别在顶部施加恒荷载，作为模拟松脱岩层的压力，在充填体 墙侧面施加线性面荷载，模拟侧壁尾砂充填体对矿柱产生的作用力，然后施加充 填体自重荷载，分析整个矿柱的应力分布及大小以和位移分布及大小，确定充填 矿柱的稳定情况。 万方数据 中南大学硕士学位论文 2 并下废石混凝土胶结充填工艺 2 井下废石混凝土胶结充填工艺 铜铁合采方案中的井下废石混凝土胶结充填工艺主要分以下几部分井下废 石破碎系统、混凝土搅拌系统、泵送混凝土充填工艺、锚索的安装、矿柱的回采 和矿柱废石胶结充填体工艺。首先是长锚索的安装及矿柱的回采，然后将井下的 掘进废石经过破碎系统破碎到满足要求的粒级组成，由混凝土搅拌系统完成混凝 土的配合，经过混凝土拖泵完成矿柱废石胶结充填。‘ 2 ．1 井下废石混凝土制备站 铜铁合采方案的关键是要保证废石混凝土胶结充填矿柱的稳定。因此，矿柱 采空区充填前除了在空区放入长锚索和安装锚杆外，还要求废石混凝土胶结充填 体具有足够的抗压强度。为了确保废石混凝土胶结充填体达到C I O 的强度，除 要求充填料的配比合适外，还要求废石先破碎到设计的粒度，为此，废石混凝土 制备站的设计至关重要。 2 ．1 ．1 制备站的组成 整个制备站主要分为四个分层5 0 4 分层的掘进废石卸料硐室，4 8 0 分层的 一级破碎硐室，4 6 7 分层的二级
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