深井矿山充填体与采场围岩力学作用机理及研究

摘要

充填采矿法作为深井复杂特殊条件下一种行之有效的开采方法，已有约半个世纪的历史，由于它能有效地实现对开采区域的岩层控制，并兼具环境保护、将矿山废料变废为宝和提高矿石回收率的三重功效，在金属矿山得到愈来愈广泛的应用，而矿山充填体力学是矿山岩体力学的一个新分支，发展迅速。目前由于对深井充填体力学作用机理及其相关理论缺乏系统的研究，深井充填设计大都采用经验法或经验类比法，往往造成不必要的水泥浪费或充填体强度达不到工程实际要求。另一方面，随着开采深度的增加和开采范围的扩大，不少地下矿山的空区数量和暴露面积都在不断增加，如不及时处理，就有可能使得应力重新分布超过围岩强度而引起空区失稳和顶板大面积来压。为此，本文根据深井充填采矿工艺特征，建立深井胶结充填体与围岩相匹配的模型，开展降低成本的优化设计研究，以实现深部资源安全高效开采。
　　本文主要研究内容如下：
　　（1）根据水泥、粉煤灰浆体的水化反应特性建立水化反应过程模型，根据水泥、粉煤灰、磷石膏硬化体的形成过程特性，分析了粉煤灰-水泥-磷石膏浆体是一个多矿物化合、分阶段的水化反应过程。
　　（2）对水泥-粉煤灰-磷石膏胶结充填体进行力学试验，建立不同配比胶结充填体损伤本构方程，分析了不同配比胶结充填体损伤规律。
　　（3）从深部岩体释放能量与充填体储存变形能近于相等的原则研究了充填体与深部岩体的合理匹配。结果表明，岩体的弹性模量越小，原岩应力越高，岩体开挖后释放的能量越多，必须用强度较高的充填体与之匹配，反之，可采用低配比充填体与之匹配。
　　（4）运用“刚模”力学模型，分析深部开采胶结充填矿柱所需应力，并以焦家金矿为例，确定矿床所要求的充填体强度(2.1MP a)，经计算分析，采用配比为1:1:6、质量浓度为63％的胶结充填体是可行的。

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第 1 章 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外充填技术研究现状

1.3 论文主要研究内容及意义

第 2 章 充填材料配合比及胶凝性能研究

2.1 充填材料选择及配比优化的原则

2.2 水泥-粉煤灰的水化反应机理

2.3 本章小结

第 3 章 胶结充填体试验及优化

3.1 试验目的和主要试验材料

3.2 充填材料配比试验

3.3 试验结果及分析

3.4 胶结充填体破坏规律分析

3.5 充填材料配比的优化

3.6 本章小结

第 4 章 充填体损伤模型建立及与深部岩体的匹配

4.1 充填体损伤模型研究

4.2 水泥-粉煤灰-磷石膏胶结充填体损伤模型建立

4.3 胶结充填体与深部岩体的匹配

4.4 胶结充填矿柱所需应力设计

4.5 本章小结

第 5 章 结论与展望

5.1 全文结论

5.2 进一步研究展望

参考文献

致谢

附 件 A

附 件 B

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