本文關(guān)鍵詞：中關(guān)鐵礦大水下充填開采充填體圍巖匹配及沉降控制

  更多相關(guān)文章： 尾砂-煤矸石 充填體 采場穩(wěn)定 強度匹配 沉降控制

【摘要】：礦產(chǎn)資源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),隨著我國人口急劇增長、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,資源供需形勢日趨嚴峻,制約經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。我國目前正以前所未有的規(guī)模和強度開發(fā)礦產(chǎn)資源,隨著地下開采規(guī)模的增大,容易開采及開采條件較好的礦體大部分已經(jīng)被開采殆盡或正在開采。因此,礦山開采逐漸向“三下”礦體和深部礦體轉(zhuǎn)移。由于我國采礦工業(yè)存在先天不足、采礦工藝技術(shù)落后、研究基礎(chǔ)薄弱、環(huán)保意識不強,導(dǎo)致開采引發(fā)的安全和環(huán)境等負面影響日益突出。充填開采是作為綠色開采體系的重要組成部分,是目前解決復(fù)雜條件下礦體開采的主要技術(shù)途徑。為了解決大水下礦體安全開采間題,本文在調(diào)研和分析已有相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,以中關(guān)鐵礦大水下礦體充填開采為工程背景,主要開展了以下研究工作：(1)尾砂膠結(jié)充填材料配比及膠凝機理通過現(xiàn)場取樣,實驗室試驗,分析充填材料中配合物材料的物理性質(zhì),進行配比試驗,分析充填體的力學(xué)特性及微細觀結(jié)構(gòu),揭示充填材料膠凝機理,指導(dǎo)優(yōu)化配比。(2)“礦柱-充填體”組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析通過實驗室試驗測定矽卡巖巖石力學(xué)參數(shù),利用數(shù)值模擬軟件研究分析不同的充填體(礦柱)寬高比和充填體強度對“礦柱-充填體”組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。為設(shè)計采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和優(yōu)化充填材料配比提供參考。(3)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和回采順序?qū)Σ蓤龇�(wěn)定性的影響對井下采場周圍礦巖進行質(zhì)量評價；以中關(guān)鐵礦井下實際條件為背景,采用數(shù)值模擬軟件全面了解不同的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和回采順序?qū)﹄A段嗣后采場開采過程中應(yīng)力、變形的影響規(guī)律,從而確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和回采順序。(4)充填體與圍巖相互作用機理分析充填體與采場頂部巖體和側(cè)向巖體力學(xué)響應(yīng)特征以及充填體與圍巖相互作用時間效應(yīng),揭示充填體與圍巖相互作用機理,進行充填體強度動態(tài)匹配設(shè)計,指導(dǎo)優(yōu)化充填材料配比。(5)充填開采地表沉降預(yù)測在調(diào)研井下地質(zhì)資料和井上建(構(gòu))筑物分布情況的基礎(chǔ)上,對充填開采后地表沉降進行預(yù)測,并評價地表沉降結(jié)果對地表建(構(gòu))筑物的影響。本文綜合采用大量現(xiàn)場調(diào)研實測、實驗室測試、數(shù)值計算和理論分析,圍繞中關(guān)鐵礦大水下充填開采充填體圍巖匹配和沉降控制兩個關(guān)鍵問題,分別對尾砂-煤矸石膠結(jié)充填材料配比和膠凝機理、礦柱-充填體組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和回采順序?qū)Σ蓤龇�(wěn)定的影響規(guī)律、充填體與圍巖相互作用機理及充填體強度匹配設(shè)計、充填開采地表沉降對建筑物的影響等問題結(jié)合中關(guān)鐵礦實際條件開展了一系列的研究,取得了如下結(jié)論：(1)充填材料是礦山進行充填的基礎(chǔ),考慮到中關(guān)鐵礦礦石品位高,選礦后尾砂量少,以及附近煤礦矸石山堆積問題,中關(guān)鐵礦采用尾砂-煤矸石膠結(jié)充填材料進行充填。為了指導(dǎo)充填材料配比,在實驗室內(nèi)測定了水泥的細度、標準稠度用水量和凝結(jié)時間；分析了尾砂和煤矸石的主要成分,并分別測定了其密度和細度。在膠結(jié)充填材料配比時采用煤矸石替代部分水泥,共20種配合比方案,根據(jù)充填體試塊28d單軸抗壓強度,結(jié)合料漿塌落度、泌水和離析情況初步優(yōu)選出水灰比為0.44,煤矸石取代水泥量為20%的配比作為最優(yōu)配比。借助掃描電鏡(SEM)分析了尾砂-煤矸石膠結(jié)材料膠凝機理,得出尾砂、煤矸石、水泥和水混合之后,他們相互之間的水化反應(yīng)是個漸進的過程；充填體在膠凝過程中會形成大量的孔隙和孔洞,分布在膠凝產(chǎn)物周圍,造成充填體復(fù)雜的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)；由于高強度膠結(jié)充填體內(nèi)水泥的水化產(chǎn)物多,充填體內(nèi)的孔隙被占據(jù),與低強度膠結(jié)充填體相比內(nèi)部結(jié)構(gòu)較致密。(2)采用ABAQUS數(shù)值軟件,建立“礦柱-充填體”組合結(jié)構(gòu)模型,研究分析了充填體(礦柱)寬高比分別為1/5、1/4、1/3、1/2和1/1時組合模型的穩(wěn)定性,綜合分析不同寬高比時組合模型的應(yīng)力和位移變化,得出合理的寬高比為1/3,并擬合出充填體豎直位移y與充填體寬高比k之間的函數(shù)關(guān)系式：采用充填體(礦柱)寬高比為1/3時的“礦柱-充填體”組合結(jié)構(gòu),研究分析了充填體強度分別為1MPa、3MPa、5MPa、7MPa和9MPa時組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。綜合分析可知,當充填體強度為3MPa時,組合結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)已處于穩(wěn)定狀態(tài),再提高充填體強度,組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定效果增加不明顯�？紤]到充填成本間題,初步優(yōu)選充填體強度為3MPa,并擬合出以下函數(shù)關(guān)系式：礦柱內(nèi)部最大Mises應(yīng)力y與充填體強度x之間的函數(shù)關(guān)系式：礦柱與充填體交界面上最大Mises應(yīng)力y與充填體強度x之間的函數(shù)關(guān)系式：充填體上端面最大Mises應(yīng)力y與充填體強度x之間的函數(shù)關(guān)系式：充填體內(nèi)部最大Mises應(yīng)力y與充填體強度x之間的函數(shù)關(guān)系式：(3)根據(jù)帷幕注漿T26號鉆孔巖芯數(shù)據(jù)和大量的巖芯點載荷強度實驗結(jié)果,對中關(guān)采場礦巖進行質(zhì)量評價,得出中關(guān)鐵礦的礦巖穩(wěn)定性級別可分為不穩(wěn)定、中等穩(wěn)定到穩(wěn)定三級。采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件分析了礦塊寬度為14m、18m、22m、26m,分別按著“隔一采一”和“隔二采一”時(8種組合方案)的采場礦巖應(yīng)力和位移變化,得出合理的礦塊寬度為18m,優(yōu)先采用隔二采一的回采順序；并得出了不同的回采順序時礦柱最大垂直應(yīng)力和礦房頂板最大豎直位移與礦房寬度的函數(shù)關(guān)系。隔一采一時,礦柱最大應(yīng)力y與礦房寬度x的函數(shù)關(guān)系為：隔一采一時,礦房頂板最大豎直位移與礦房寬度x的函數(shù)關(guān)系為：隔二采一時,礦柱最大應(yīng)力y與礦房寬度x的函數(shù)關(guān)系為：隔二采一時,礦房頂板最大豎直位移與礦房寬度x的函數(shù)關(guān)系為：通過分析階段嗣后充填采場中礦柱的受力狀態(tài),以及常見的破壞情況和工作狀態(tài)得出采場失穩(wěn)機理,并總結(jié)出礦柱載荷、寬高比、承載時間和充填體支護作用是影響礦柱受力狀態(tài)的主要因素。(4)通過分析充填體與采場圍巖之間的力學(xué)響應(yīng)特征,得出充填體與采場頂部巖體的作用主要為被動性支護,限制卸壓圈內(nèi)巖體繼續(xù)產(chǎn)生拉應(yīng)力變形；充填體與側(cè)向巖體的作用則為主動性支護作用,限制圍巖側(cè)向變形；礦體采出后,充填越及時對采場圍巖的控制效果越好。在總結(jié)分析經(jīng)典充填體強度設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,提出充填體與圍巖動態(tài)匹配設(shè)計的思想,充填體強度既要滿足自立性的要求,又要有足夠的強度能夠經(jīng)受劇烈采動的影響。(5)在總結(jié)中關(guān)鐵礦礦床地質(zhì)和開采技術(shù)條件的基礎(chǔ)上,分析了金屬礦山地表沉陷形成機理和巖層變形破壞過程。采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件,對中關(guān)鐵礦采用空場嗣后充填開采時的地表沉陷情況進行預(yù)測分析,得出地表變形參數(shù)；結(jié)合國家頒布的《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》,可知地表變形在允許范圍之內(nèi),能夠保證地表建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定。中關(guān)鐵礦采用帷幕注漿和充填開采是實現(xiàn)中關(guān)鐵礦大水下安全開采的關(guān)鍵。
【關(guān)鍵詞】：尾砂-煤矸石 充填體 采場穩(wěn)定 強度匹配 沉降控制
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD861.1
【目錄】：

• 摘要4-8
• Abstract8-17
• 第一章 緒論17-27
• 1.1 問題的提出17-18
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-24
• 1.2.1 充填材料研究現(xiàn)狀19-20
• 1.2.2 充填體與圍巖相互作用機理研究現(xiàn)狀20-22
• 1.2.3 礦山開采沉陷及控制研究現(xiàn)狀22-24
• 1.3 論文研究內(nèi)容與研究方法24-27
• 1.3.1 主要研究內(nèi)容24
• 1.3.2 研究方法及技術(shù)路線24-27
• 第二章 尾砂-煤矸石膠結(jié)充填材料配比及膠凝機理27-49
• 2.1 膠結(jié)充填材料及主要性質(zhì)27-31
• 2.1.1 膠結(jié)充填材料27-28
• 2.1.2 膠結(jié)充填材料的主要性質(zhì)28-31
• 2.2 尾砂-煤矸石膠結(jié)充填材料配比31-44
• 2.2.1 實驗材料與實驗參考標準31
• 2.2.2 實驗材料物理性質(zhì)實驗31-40
• 2.2.3 膠結(jié)充填材料配比試驗40-44
• 2.3 尾砂-煤矸石膠結(jié)材料膠凝機理44-46
• 2.3.1 水泥的膠結(jié)作用44
• 2.3.2 尾砂、煤矸石與水泥膠凝機理44-46
• 2.4 本章小結(jié)46-49
• 第三章 礦柱-充填體組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析49-73
• 3.1 矽卡巖巖石力學(xué)實驗49-51
• 3.1.1 試件制備與加載49-50
• 3.1.2 實驗結(jié)果50-51
• 3.2 ABAQUS有限元軟件簡介51-52
• 3.3 充填體（礦柱）寬高比對組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響52-61
• 3.3.1 本構(gòu)模型的確定53
• 3.3.2 載荷及邊界條件53
• 3.3.3 單元選取與網(wǎng)格劃分53-54
• 3.3.4 結(jié)果分析54-61
• 3.4 充填體強度對組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響61-70
• 3.4.1 數(shù)值模型61
• 3.4.2 結(jié)果與分析61-70
• 3.5 礦柱-充填體組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析70-71
• 3.6 本章小結(jié)71-73
• 第四章 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與回采順序?qū)Σ蓤龇�(wěn)定性的影響73-95
• 4.1 巖體質(zhì)量評價73-79
• 4.1.1 結(jié)構(gòu)面調(diào)查74-75
• 4.1.2 巖芯點荷載強度實驗75-77
• 4.1.3 礦巖穩(wěn)固性分級評價77-79
• 4.2 數(shù)值模擬軟件79-80
• 4.3 數(shù)值模擬研究的具體方案80-83
• 4.3.1 數(shù)值模型的建立80-81
• 4.3.2 邊界條件的確定與礦巖力學(xué)參數(shù)的選取81-82
• 4.3.3 數(shù)值模擬方案82-83
• 4.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析83-90
• 4.4.1 回采順序為隔一采一時數(shù)值模擬結(jié)果83-85
• 4.4.2 回采順序為隔二采一時數(shù)值模擬結(jié)果85-90
• 4.5 采場失穩(wěn)機理90-92
• 4.6 本章小結(jié)92-95
• 第五章 充填體與圍巖相互作用機理95-109
• 5.1 充填體力學(xué)作用機理概述95-97
• 5.2 充填體與圍巖力學(xué)響應(yīng)特征97-101
• 5.2.1 充填體與頂部巖體相互作用特征97-98
• 5.2.2 充填體與側(cè)向巖體相互作用特征98-101
• 5.3 充填體與圍巖相互作用的時間效應(yīng)101-103
• 5.4 充填體強度的動態(tài)匹配設(shè)計103-107
• 5.4.1 經(jīng)典充填體強度設(shè)計方法103-105
• 5.4.2 充填體強度匹配設(shè)計105-107
• 5.5 本章小結(jié)107-109
• 第六章 中關(guān)鐵礦充填開采地表沉陷預(yù)測與工程設(shè)計109-125
• 6.1 礦床地質(zhì)及開采技術(shù)條件109-114
• 6.1.1 地層、構(gòu)造及巖漿巖109-110
• 6.1.2 礦體地質(zhì)特征及礦床成因類型110-111
• 6.1.3 礦石質(zhì)量特征111-112
• 6.1.4 開采技術(shù)條件及水文地質(zhì)112-113
• 6.1.5 采礦方法及空區(qū)處理方式113-114
• 6.2 數(shù)值模型的建立及模擬方案114
• 6.3 地表沉陷預(yù)測114-120
• 6.3.1 地表移動變形過程114-115
• 6.3.2 地表沉陷預(yù)測結(jié)果分析115-120
• 6.4 地表沉陷對建筑物的影響120-121
• 6.5 工程設(shè)計121-124
• 6.5.1 充填系統(tǒng)121-122
• 6.5.2 礦井排水122-124
• 6.7 本章小結(jié)124-125
• 第七章 結(jié)論與展望125-129
• 7.1 主要結(jié)論125-127
• 7.2 創(chuàng)新點127-128
• 7.3 展望128-129
• 參考文獻129-137
• 致謝137-139
• 作者簡介139
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文139
• 在學(xué)期間參加科研項目139-140
• 主要獲獎140

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 曹帥;杜翠鳳;譚玉葉;付建新;;金屬礦山階段嗣后充填膠結(jié)充填體礦柱力學(xué)模型分析[J];巖土力學(xué);2015年08期

2 江文武;徐國元;李國建;;高構(gòu)造應(yīng)力下充填采礦引起的地表變形規(guī)律[J];采礦與安全工程學(xué)報;2013年03期

3 孟中華;;MAPGIS在金屬礦山地表巖層移動監(jiān)測分析中的應(yīng)用[J];礦業(yè)研究與開發(fā);2011年02期

4 王金安;紀洪廣;張燕;;不整合地層下開采覆巖移動變異性研究[J];煤炭學(xué)報;2010年08期

5 宋衛(wèi)東;杜建華;尹小鵬;唐國友;;金屬礦山崩落法開采頂板圍巖崩落機理與塌陷規(guī)律[J];煤炭學(xué)報;2010年07期

6 趙海軍;馬鳳山;丁德民;高建科;楊長祥;盧耀軍;;急傾斜礦體開采巖體移動規(guī)律與變形機理[J];中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2009年05期

7 黃平路;陳從新;肖國峰;林健;;復(fù)雜地質(zhì)條件下礦山地下開采地表變形規(guī)律的研究[J];巖土力學(xué);2009年10期

8 繆協(xié)興;錢鳴高;;中國煤炭資源綠色開采研究現(xiàn)狀與展望[J];采礦與安全工程學(xué)報;2009年01期

9 王新民;趙彬;張欽禮;;全廢料膠結(jié)充填的可行性研究[J];湖南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2008年02期

10 楊澤;侯克鵬;喬登攀;;我國充填技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J];礦業(yè)快報;2008年04期

，

本文編號：1077062