本文關鍵詞：中關鐵礦大水下充填開采充填體圍巖匹配及沉降控制

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【摘要】：礦產(chǎn)資源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質基礎,隨著我國人口急劇增長、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學技術的快速發(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”礦體和深部礦體轉移。由于我國采礦工業(yè)存在先天不足、采礦工藝技術落后、研究基礎薄弱、環(huán)保意識不強,導致開采引發(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,是目前解決復雜條件下礦體開采的主要技術途徑。為了解決大水下礦體安全開采間題,本文在調研和分析已有相關研究成果的基礎上,以中關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,進行配比試驗,分析充填體的力學特性及微細觀結構,揭示充填材料膠凝機理,指導優(yōu)化配比。(2)“礦柱-充填體”組合結構穩(wěn)定性分析通過實驗室試驗測定矽卡巖巖石力學參數(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”組合結構穩(wěn)定性的影響。為設計采場結構參數(shù)和優(yōu)化充填材料配比提供參考。(3)采場結構參數(shù)和回采順序對采場穩(wěn)定性的影響對井下采場周圍礦巖進行質量評價；以中關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構參數(shù)和回采順序對階段嗣后采場開采過程中應力、變形的影響規(guī)律,從而確定合理的采場結構參數(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向巖體力學響應特征以及充填體與圍巖相互作用時間效應,揭示充填體與圍巖相互作用機理,進行充填體強度動態(tài)匹配設計,指導優(yōu)化充填材料配比。(5)充填開采地表沉降預測在調研井下地質資料和井上建(構)筑物分布情況的基礎上,對充填開采后地表沉降進行預測,并評價地表沉降結果對地表建(構)筑物的影響。本文綜合采用大量現(xiàn)場調研實測、實驗室測試、數(shù)值計算和理論分析,圍繞中關鐵礦大水下充填開采充填體圍巖匹配和沉降控制兩個關鍵問題,分別對尾砂-煤矸石膠結充填材料配比和膠凝機理、礦柱-充填體組合結構的穩(wěn)定、采場結構參數(shù)和回采順序對采場穩(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計、充填開采地表沉降對建筑物的影響等問題結合中關鐵礦實際條件開展了一系列的研究,取得了如下結論：(1)充填材料是礦山進行充填的基礎,考慮到中關鐵礦礦石品位高,選礦后尾砂量少,以及附近煤礦矸石山堆積問題,中關鐵礦采用尾砂-煤矸石膠結充填材料進行充填。為了指導充填材料配比,在實驗室內測定了水泥的細度、標準稠度用水量和凝結時間；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,造成充填體復雜的內部微觀結構；由于高強度膠結充填體內水泥的水化產(chǎn)物多,充填體內的孔隙被占據(jù),與低強度膠結充填體相比內部結構較致密。(2)采用ABAQUS數(shù)值軟件,建立“礦柱-充填體”組合結構模型,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”組合結構,研究分析了充填體強度分別為1MPa、3MPa、5MPa、7MPa和9MPa時組合結構的穩(wěn)定性。綜合分析可知,當充填體強度為3MPa時,組合結構結構已處于穩(wěn)定狀態(tài),再提高充填體強度,組合結構穩(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)關系式：礦柱內部最大Mises應力y與充填體強度x之間的函數(shù)關系式：礦柱與充填體交界面上最大Mises應力y與充填體強度x之間的函數(shù)關系式：充填體上端面最大Mises應力y與充填體強度x之間的函數(shù)關系式：充填體內部最大Mises應力y與充填體強度x之間的函數(shù)關系式：(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果,對中關采場礦巖進行質量評價,得出中關鐵礦的礦巖穩(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力和礦房頂板最大豎直位移與礦房寬度的函數(shù)關系。隔一采一時,礦柱最大應力y與礦房寬度x的函數(shù)關系為：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)關系為：隔二采一時,礦柱最大應力y與礦房寬度x的函數(shù)關系為：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響應特征,得出充填體與采場頂部巖體的作用主要為被動性支護,限制卸壓圈內巖體繼續(xù)產(chǎn)生拉應力變形；充填體與側向巖體的作用則為主動性支護作用,限制圍巖側向變形；礦體采出后,充填越及時對采場圍巖的控制效果越好。在總結分析經(jīng)典充填體強度設計方法的基礎上,提出充填體與圍巖動態(tài)匹配設計的思想,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)在總結中關鐵礦礦床地質和開采技術條件的基礎上,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,對中關鐵礦采用空場嗣后充填開采時的地表沉陷情況進行預測分析,得出地表變形參數(shù)；結合國家頒布的《有色金屬采礦設計規(guī)范》,可知地表變形在允許范圍之內,能夠保證地表建(構)筑物的穩(wěn)定。中關鐵礦采用帷幕注漿和充填開采是實現(xiàn)中關鐵礦大水下安全開采的關鍵。
【關鍵詞】：尾砂-煤矸石 充填體 采場穩(wěn)定 強度匹配 沉降控制
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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 論文研究內容與研究方法24-27
• 1.3.1 主要研究內容24
• 1.3.2 研究方法及技術路線24-27
• 第二章 尾砂-煤矸石膠結充填材料配比及膠凝機理27-49
• 2.1 膠結充填材料及主要性質27-31
• 2.1.1 膠結充填材料27-28
• 2.1.2 膠結充填材料的主要性質28-31
• 2.2 尾砂-煤矸石膠結充填材料配比31-44
• 2.2.1 實驗材料與實驗參考標準31
• 2.2.2 實驗材料物理性質實驗31-40
• 2.2.3 膠結充填材料配比試驗40-44
• 2.3 尾砂-煤矸石膠結材料膠凝機理44-46
• 2.3.1 水泥的膠結作用44
• 2.3.2 尾砂、煤矸石與水泥膠凝機理44-46
• 2.4 本章小結46-49
• 第三章 礦柱-充填體組合結構穩(wěn)定性分析49-73
• 3.1 矽卡巖巖石力學實驗49-51
• 3.1.1 試件制備與加載49-50
• 3.1.2 實驗結果50-51
• 3.2 ABAQUS有限元軟件簡介51-52
• 3.3 充填體（礦柱）寬高比對組合結構穩(wěn)定性的影響52-61
• 3.3.1 本構模型的確定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 結果分析54-61
• 3.4 充填體強度對組合結構穩(wěn)定性的影響61-70
• 3.4.1 數(shù)值模型61
• 3.4.2 結果與分析61-70
• 3.5 礦柱-充填體組合結構穩(wěn)定性分析70-71
• 3.6 本章小結71-73
• 第四章 采場結構參數(shù)與回采順序對采場穩(wěn)定性的影響73-95
• 4.1 巖體質量評價73-79
• 4.1.1 結構面調查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)值模擬結果分析83-90
• 4.4.1 回采順序為隔一采一時數(shù)值模擬結果83-85
• 4.4.2 回采順序為隔二采一時數(shù)值模擬結果85-90
• 4.5 采場失穩(wěn)機理90-92
• 4.6 本章小結92-95
• 第五章 充填體與圍巖相互作用機理95-109
• 5.1 充填體力學作用機理概述95-97
• 5.2 充填體與圍巖力學響應特征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101-103
• 5.4 充填體強度的動態(tài)匹配設計103-107
• 5.4.1 經(jīng)典充填體強度設計方法103-105
• 5.4.2 充填體強度匹配設計105-107
• 5.5 本章小結107-109
• 第六章 中關鐵礦充填開采地表沉陷預測與工程設計109-125
• 6.1 礦床地質及開采技術條件109-114
• 6.1.1 地層、構造及巖漿巖109-110
• 6.1.2 礦體地質特征及礦床成因類型110-111
• 6.1.3 礦石質量特征111-112
• 6.1.4 開采技術條件及水文地質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 地表沉陷預測114-120
• 6.3.1 地表移動變形過程114-115
• 6.3.2 地表沉陷預測結果分析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124-125
• 第七章 結論與展望125-129
• 7.1 主要結論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
• 在學期間發(fā)表的學術論文139
• 在學期間參加科研項目139-140
• 主要獲獎140

【參考文獻】

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本文編號：1077062