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废石尾砂充填结构体应力分布与覆岩变形移动规

文章出处:培新矿机责任编辑:suqing作者:网络人气: 发表时间:2022-10-20 09:55 字体大小:【
废石尾砂交替充填采场由废石和尾砂构成的充填结构体支撑采场顶板,其承载特性无法简单地由某一种材料的变形和强度参数描述,为了探究该充填结构体的应力分布与覆岩变形移动规律,利用大尺寸相似模拟装置对典型缓倾斜薄矿床废石尾砂交替充填开采过程进行模拟,采集、处理并分析采场顶板应力、未采矿岩应力、地表沉降、充填体承载情况和安全系数等指标的演化特征,在此基础上分析了废石尾砂充填结构体的承载和稳定状态。结果表明:废石尾砂充填结构体中由废石充填体承载采区顶板施加的大部分荷载,而尾砂充填体未充分发挥其承载作用,充填效率不高;借鉴高应力巷道柔性支护有效调动围岩自承载能力的理念提出了基于柔性接顶的应力协调思路,即利用弹性模量低于废石充填体的柔性材料前期收缩变形释放顶板一部分压力,调动矿岩和尾砂充填体承载能力并对废石充填体进行卸压。该思路有助于改善废石尾砂充填结构体的不均匀承载状态,提高采场整体安全性和充填效率。 

随着我国对矿山环境保护的日趋重视,充填法逐渐成为地下矿山的主要采矿方法。矿山在选矿后 形成的尾砂、废石等废料极易污染当地的生态环境,合理处置大量的固体废弃物成为当前矿山企业亟待解决的问题。利用这部分废料搭配水泥等黏合剂混合制成废石胶结充填骨料与尾砂胶结充填骨料交替充填采空区,即可形成由强弱介质交替组合的废石尾砂充填结构体。由于废石尾砂充填结构体内不同力学强度介质的变形特性存在差异,导致其在采场围岩荷载环境下表现出的力学行为更为复杂。不同强弱介质在交界面上相互约束,矿岩和充填体实际上处于外加荷载和约束应力的多项受力状态下,废石尾砂充填结构体的承载特性无法简单地通过某一种材料的变形参数进行描述。因此,需对废石尾砂充填结构体的应力分布与覆岩变形移动规律进行系统研究,以保障采矿作业安全和节约充填成本。

缓倾斜矿体赋存范围广,地下开采对覆岩的扰动范围大,其开采后围岩应力与覆岩移动规律是学者们研究的重点,研究对象多聚焦在空场法或单一介质充填开采对围岩应力与覆岩变形的影响。关守安等”针对缓倾斜中厚矿体下行充填开采过程中的岩层移动和地表塌陷规律展开了研究,结果表明,充填开采能有效抑制岩层移动和地表塌陷。周晓超等运用FLAC3软件建立三维模型,模拟地表沉降规律,为分析地下矿体开采对地表村庄的影响提供了一定的理论依据。杨宁等提出了中深孔菱形矿房分段充填采矿法,实现了缓倾斜中厚不稳固矿体的安全、高效回采。兰晓平采用矿柱一空区岩体结构理论力学分析、矿床地质分析与微震监测技术手段相结合的方法,大致圈定了整体采空区的应力集中区域。池秀文等"分析了不同条件下缓倾斜中厚矿体开采时的采场顶底板、充填条带的应力变形,提高了采场围岩的稳定性。
目前针对充填体承载特性的研究,学者们倾向于研究充填体自身的力学性质,部分学者的研究重点在于充填体与围岩所构成的复合支撑体系的力学体系和承载特性。代少军等、王浩等”分别通过单轴压缩试验对灰砂比不同的充填材料组合体的力学特性及协同变形特征开展研究,得到充填体的动力学特性及损伤度。杨啸等“采用低成本的戈壁砂、选矿尾砂和棒磨砂作为骨料开展了不同配比的充填体强度试验,得到最大充填强度配比值,解决了金川矿山充填成本高的难题。何建元等、程爱平等”分别通过配比试验和单轴压缩试验,确定了尾砂充填体的最优配比区间。张金等对比分析了不同配比及浓度的胶结充填体试样,研究表明,充填体强度与硬石膏掺人量呈正相关。易雪枫等分析了不同废石含量下的金属矿尾废胶结充填体的细观损伤、开裂及破裂演化的内在机制,为尾废胶结充填体的长期稳定性预测提供了理论支撑。LU等通过不稳定性判据的能量模型探究了充填体与岩体的相互作用关系,为充填体的合理强度设计提供了科学依据。目前学者多探讨单一充填介质的力学性质及对围岩的耦合作用,鲜有分析两种及以上力学性质不同的充填材料与围岩所构成的复杂支撑体系的稳定性问题。

本研究根据典型废石尾砂交替充填采场的实际情况,分析变形特性差异较大的废石胶结充填骨料与尾砂胶结充填骨料交替充填所构成的充填结构体的承载特性,探讨废石充填体与尾砂充填体这两种力学性质不同的充填介质协同作用下的采场稳定情况,揭示该类充填结构体应力集中程度的变化规律,为提升废石充填体与尾砂充填体的协同充填作用提供一定的理论依据。

1 采场概况

位于湖北省宜昌市的晒旗河矿区的含磷矿层是典型的缓倾斜矿体,如图1所示。该地区其他矿区开采资源量较丰富且长期以房柱采矿法开采为主,而晒旗河矿区位于河流下方,“三下”开采要求采用充填采矿法,导致该矿区未被及时开采。为控制上置岩层移动、减少矿产资源浪费且充分利用开采过程中产生的部分废石和大部分尾砂,拟采用废石尾砂交替充填法进行开采,如图2所示。



将该缓倾斜矿体划分为盘区,将待开采盘区划分为10个条带,每个条带与矿体走向垂直;上分段铲运机道的底部矿体作为顶柱,下分段铲运机道的底部矿体作为底柱。在1号条带开采时,以切割上山为作业空间,沿1号条带上向式回采。2号条带开采时,除了作业空间外,其余同1号条带,即2号条带的作业空间为1号条带开采后形成的空区。3号条带及以


 

后各条带的开采方式为,所开采条带的作业空间为上一条带开采后形成的空区,沿本条带上向式回采;同时在采空区内相邻一个条带宽度的区域充填形成条带充填体;各条带充填作业方向和速度与开采作业一致,宽度与条带矿体宽度相等。1号条带充填体是以废石胶结充填骨料为介质充填形成的废石充填体,后续充填介质以尾砂胶结充填骨料和废石胶结充填骨料交替充填形成条带充填体,以此类推,盘区开采完毕形成的两个条带宽度的采空区也按照上述方法充填,直至盘区充填完毕。为评估交替充填方案的适用性,本研究以晒旗河矿区为例,采用相似模拟试验进行分析,探讨废石尾砂充填结构体对采场稳定性的影响。
2 试验设计
2.1 相似模型构建
根据研究区范围和模型试验架尺寸,确定几何相似比为
C,=1:300;;模型相似材料选用普通河砂作为骨料,华新32.5复合硅酸盐水泥和石膏作为胶结料。试验室配制的相似材料密度范围一般为1500—2 000kg/㎡实际矿山的岩体密度一般为2 500~3 000kg/㎡,故确定密度相似比C=1:1.5,时间相 似比C=1:10,基于相似准则确定应力相似比C=1 :450。晒旗河矿区实际开采范围共6个岩层,其中5号岩层为本次试验开采的含磷矿层,各个岩层和废石、尾砂充填体的配比号和抗压强度如表1所示。矿区典型开采断面如图3所示。


 
试验模型由下至上按照岩层分层连续浇筑,每次装填料20~50mm厚度;每浇筑完一层岩层后,采用云母粉进行分层处理,模拟岩层弱节理面;待模型浇筑完毕7d定型后进行拆模,再养护28 d达到开采作业强度,并在模型表面用不同颜色的颜料区分岩层。模型仅在垂直方向上考虑岩层自重影响,不额外施加应,力,模型两侧与背面分别施加水平约束,正面则施加自由约束。

未完待续


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一、膏体充填核心技术:

 

  膏体配比参数的实验研究和确定,可根据充填目的,优化充填体强度参数,根据流动性能、凝固性能和强度要求,优化灰沙比。

  采矿方法和充填工艺的可行性、充填综合成本的研究,选择合适特性的膏体充填工艺技术方案。

  确定全尾砂脱水方式与装备,膏体搅拌制备方式与装备,膏体输送方式与装备,保证膏体均质和活化。

  确定膏体管道泵送的流变特性、临界流速、阻力损失等核心参数。

  选择合理的控制方式,确保膏体充填系统的连续稳定工作。

  膏体充填系统的调试使所有工艺设备达到设计的最佳工作状态。

二、干堆尾砂工业流程

 

 

三、湿排尾砂工业流程

 

 

四、技术参数

 









 

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keyword:尾砂充填,矿山尾砂充填系统,矿山尾砂充填设备

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