磷石膏再结晶充填材料破坏特性与充填采场安全性研究

摘要

工业副产磷石膏给人类和环境带来了很大危害，为响应国家建立资源开发与生态、环境保护和谐统一矿山的号召，本文将磷石膏简易煅烧处理后制成再结晶材料，充填于采空区，实现无水泥充填，既能实现磷石膏大量、有效地资源化利用，又能解决采空区处理的问题，提高磷矿资源的回收利用率，降低充填成本。论文围绕磷石膏再结晶材料制备及再结晶体力学性能测试试验，进行了以下研究:
　　 1)分析各制备因素对再结晶体力学性能影响，获得制备具有最优力学性能再结晶材料的参数。利用正交试验法建立试验样本，借助遗传神经网络对再结晶体强度进行预测，为工程中制备磷石膏再结晶材料时制备参数的确定提供理论依据。
　　 2)基于充填体在采场中的作用机理，对磷石膏再结晶充填体在采场中的受力状态、内应力分布、自立强度以及自立高度进行分析。分析结果表明，该充填体具有很好的自立性，其强度能够保证采场具有较高的安全系数。
　　 3)分析试验中观察到的现象以及测得的磷石膏再结晶体单轴抗压应力～应变曲线，研究其破坏特征，借助统计力学和连续损伤力学理论，推导出两种再结晶体的损伤本构模型，并将模型与试验曲线进行对比分析和修正，修正后的模型能够很好拟合试验的全过程。
　　 4)采用FLAC3D数值模拟软件，结合马路坪矿工程实际，分别对磷石膏再结晶充填材料以及矿山原来所使用的充填材料的充填作业过程进行数值模拟，通过对比分析使用两种充填材料后采场顶底板受力、位移以及围岩塑性区变化，探讨了使用磷石膏再结晶充填材料的优点，为其工业运用提供理论依据。
　　 5)在综合研究影响采场安全性关键因素的基础上，以地质因素、工程因素及环境因素作为一级评价指标，以13个因素作为二级评价指标。运用多级模糊评判理论和层次分析法相结合的方式，建立了采场安全性二级模糊综合评价模型，对磷石膏再结晶充填采场的安全性进行了综合评价。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 研究目的和意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 充填材料及工艺研究

1．3．2 磷石膏处理及煅烧工艺研究

1．3．3 充填体力学及损伤力学研究

1．4 研究内容、方法

1．4．1 论文主要内容

1．4．2 研究方法

1．4．3 技术路线

第二章 磷石膏再结晶体力学特性研究

2．1 磷石膏基本物化特性研究

2．1．1 物化性质研究内容

2．1．2 测试方法和仪器

2．1．3 磷石膏基本物化性质

2．2 磷石膏再结晶试验研究

2．2．1 磷石膏再结晶机理

2．2．2 试验研究方法

2．2．3 试验仪器

2．2．4 试验方案设计

2．3 力学特性测试结果与分析

2．3．1 加热温度

2．3．2 加热时间

2．3．3 添加剂掺量

2．3．4 陈化时间

2．4 基于遗传神经网络的强度预测

2．4．1 BP学习算法的优化改进

2．4．2 学习训练样本

2．4．3 网络的结构及学习训练

2．4．4 预测模型的性能测试

2．5 本章小结

第三章 磷石膏充填体受力及损伤研究

3．1 充填体作用机理

3．2 采场中磷石膏充填体力学分析

3．2．1 充填体内应力计算方法

3．2．2 充填体力学分析

3．2．3 充填体自立强度

3．2．4 充填体自立高度

3．3 磷石膏充填体破坏形态特征分析

3．4 充填体损伤本构模型的建立

3．4．1 损伤本构模型建立依据

3．4．2 基于威布尔分布的损伤本构模型

3．4．3 基于对数正态分布的损伤本构模型

3．5 本章小结

第四章 磷石膏再结晶充填采场数值模拟研究

4．1 工程背景

4．1．1 矿段工程地质条件

4．1．2 采矿方法简介

4．2 充填采场数值模拟

4．2．1 FLAC3D软件介绍

4．2．2 模拟计算方案选取

4．2．3 计算模型建立

4．2．4 模拟参数确定

4．2．5 初始应力生成

4．3 模拟计算结果分析

4．3．1 应力分布分析

4．3．2 位移变化分析

4．3．3 塑性区分布分析

4．4 本章小结

第五章 磷石膏再结晶充填采场安全性综合评价

5．1 影响采场安全性因素

5．2 综合评价模型

5．2．1 模型建立

5．2．2 权重计算方法

5．2．3 隶属度计算方法

5．2．4 模糊综合评价

5．3 充填采场安全性综合评价

5．3．1 权重计算

5．3．2 一级模糊评价

5．3．3 二级模糊评价

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果