“三下”矿体开采全尾砂胶结充填体强度研究

【摘要】“三下”矿体安全开采一直是采矿界不断探索的重要课题，充填采矿法因其独特的优势，在“三下”开采矿山得到重视并不断发展起来，但是对充填体强度方面的研究一般只停留在充填材料试验方面，而充填体强度与采场稳定性、地表沉降等相关研究较少。本论文以河南杨家湾铁锌矿二期采矿工程作为研究背景，该矿山属于典型的“三下”矿山，矿体位于公路与河床下，矿体及围岩稳固性较差，截至2012年底开采造成地表3处塌陷，地表移动边界距矿区西侧公路约42m。若继续使用无底柱分段崩落法开采，地表岩石移动范围将进一步扩大，进而引起公路、河流等的破坏。因此本文采用全尾砂胶结充填法，研究充填体充入采空区的力学特性、充填体与围岩等的作用机理以及对地表沉降等稳定性影响，以解决该矿山公路、河流下开采存在的问题。研究的主要内容及创新如下：首先收集矿山全尾砂进行全尾砂胶结充填材料试验。以充填材料试验为支撑得出充填体强度的形成机理、规律及其力学参数和充填料浆的流变和输送特性等，为数值模拟分析提供基础数据。试验结果还可指导矿山的充填系统设计与建设和充填采矿工艺的顺利实施。根据矿山生产现状、地质条件等，选用影响采矿方法选择的多种因素将其定量化、数值化的模糊数学综合评判手段，在技术、经济、安全等方面对初选的4种充填采矿方法进行综合评判优选，推荐上向进路充填采矿法作为矿山的主要采矿方法，提高了所选采矿方法的可靠性、先进性，该方法回采顺序为由下向上分层开采，每一分层划分成若干进路，每个进路为一个采场，进行回采与充填。中段高度为50m，设5个分段，分段高度10m，采场（进路）长度40m~50m，进路的规格为3.0m×3.0m。该采矿方法能够适应矿岩稳固性差，保证作业安全，能够降低回采贫化损失率，提高综合经济效益。首次采用计算分析法结合FLAC3D对“三下”开采充填体强度进行数值模拟分析，对维持采场稳定性及地表沉降大小问题进行定量化分析，突破了传统经验主义的局限性。首先模拟开挖充填过程中不同强度充填体对采场及围岩的应力及位移变化的作用，得出充填体强度达到0.6MPa以上时就能起到支撑作用，可以保证采场及围岩的稳定性。再以《有色金属采矿设计规范》9.24、9.25章节中对“三下”采矿的地表变形及允许值为标准，采用计算分析法记录地表的移动变形，研究不同强度充填体对地表沉降变形的作用。结合充填材料试验得出的强度与灰砂比、料浆浓度关系曲线，得出当充填体强度≥0.9MPa时，才能满足保护地表公路和河流变形的要求。采用PC32.5水泥作为胶凝材料时满足矿山安全开采，同时保证地表河流和公路不破坏的料浆浓度为72%，灰砂比为1:4~1:6。本文结合充填材料试验、模糊数学以及计算分析及数值模拟软件FLAC3D对适合该矿山的充填采矿法进行综合研究分析，最终得出了适合矿山开采的充填体强度，进一步丰富了充填体强度研究的手段，为矿山安全生产提供了理论支撑，减缓了地表沉降，保护了矿山生态环境，对矿山的可持续发展具有重要意义。
【作者】徐飞；
【导师】褚洪涛；
【作者基本信息】长沙矿山研究院，采矿工程，2014，硕士
【关键词】“三下”矿体；全尾砂胶结充填；模糊数学；FLAC3D数值模拟；充填体强度；

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