金川二矿区下向分层采矿充填体力学行为及其作用的研究

摘要

金川二矿区是金川集团最大的主力矿山，为了在矿岩稳固性差且地应高的采矿环境下安全有效回收宝贵资源，二矿区采用机械化下向分层水平进路胶结充填采矿法开采。多年的生产实践证明，使用该方法开采二矿区矿体是安全、经济和高效的。随着二矿区开采深度向下延伸，地层中的原岩应力呈随开采深度增加而增大的趋势。进路胶结充填体是采矿生产作业的直接顶板，关乎人员和设备安全、企业效益。然而，在高水平构造应力条件下，充填体的稳定性机制至今仍缺少深入系统的研究，探索下向分层充填法中充填体的力学行为及其作用，具有重要意义。
　　 本文通过现场调研，采用理论分析、室内材料试验、基于FLAC3D二次开发的三维力学数值分析相结合的方法，主要根据金川二矿区下向分层充填采矿的生产实践，对充填体力学行为及其作用进行了系统研究，主要研究内容如下:
　　 (1)采用结构理论中的三弯矩方程，研究相邻分层进路不同布置条件下，胶结充填形成的人工假顶结构（注:抽象为连续梁）中的内力（M、FQ）状态，得到了相邻分层进路垂直交错布置、相邻分层进路斜交及平行交错布置下，人工假顶结构内力的分布状态方程，为人工假顶设计逐渐由经验设计阶段向定量设计过渡提供了可能。初步揭示了竖向约束（支座）的变化，对人工假项内力变化产生影响的趋势;建议设计人工假顶时，应采用合理技术措施，如留中间支座、相邻进路充填体采用抗剪连接，以期消除假项截面中因最大弯矩和最大剪力过度集中而产生的张拉、剪切失效的隐患。
　　 (2)目前大多数简化充填体模型没有考虑带筋充填体中的材料构造，难以适应因采动影响产生的复杂加载方式，也无法客观反映加载路径变化产生的影响。针对这些简化模型存在的问题，本文根据金川二矿区生产实际，把进路充填体的主要力学作用，归结由砂浆固结后形成的胶结体和其中的构造钢筋（吊筋和底筋）共同承担，率先提出金川二矿区充填体的基本结构是一种二元结构，也就是，充填体基本结构由砂浆胶结体连续介质（简称“充填体”）和连续介质中的钢筋构件组成;进一步地，根据充填体内钢筋构件主要受拉和受压的力学特点，利用FLAC3D中锚索结构单元，对钢筋构件进行力学数值模拟，进而建立起更接近于实际情况的基于二元结构的充填体FLAC3D数值力学模型。
　　 (3)利用Google Earth(GE)，通过在线提取二矿区周围地形地表高程的方法，获得了一定网度的地形三维坐标，形成矿山外围地形图及模型地表DTM模型。解决了已收集地表地形数据范围不足以覆盖模型表面的问题，为二矿区大范围全局建模提供了前提条件。
　　 利用矿业软件Surpac建立了金川二矿区富矿、贫矿、地表等部分的实体模型、含矿块体单元数据库、地表块体模型及各类约束条件。采用分步建立各部分块体模型的方法，通过坐标变换、数据圆整等措施保证各部分块体模型衔接部分精确对接，再将Surpac含矿块体模型、地表块体模型数据转化FLAC3D数据，加上发散过渡部分最终生成FLAC3D力学模型。克服了直接采用FLAC3D建立复杂地质体模型的困难，为利用FLAC3D程序进行矿山生产过程的力学仿真奠定了基础。
　　 (4)应用VC++、数据库技术、Fish语言和FLAC3D相关命令集，开发出FLAC3D力学仿真程序代码生成系统(generating code system for FLAC3D，GCS)。该系统按空间、次序、结构功能及工程地质体属性，对金川二矿区回采、充填等生产过程进行剖分，形成可编程的组件;着重解决了模型单元质心定位、单元捕捉、重组和应用程序变量到FLAC3D变量、函数、语句、数据结构之间映射等问题;
　　 开发的GCS应用程序，以模型单元数据库为数据源，通过一系列与用户交互的界面，由用户对回采过程所需步骤和参数进行选择和确认，并将这些步骤和参数传递给仿真代码生成系统，由系统自动完成FLAC3D力学仿真代码的生成，能实现金川二矿区生产顺序、回采过程、充填进路布置、钢筋布设、充填等主要生产过程的三维力学仿真。该系统可大大提高编制FLAC3D三维力学仿真代码的效率，降低程序编制的出错率。
　　 (5)基于金川二矿区生产过程的FLAC3D数值模拟，对下向分层充填采矿的采动影响下，采空区中胶结充填体、临时矿柱、近矿围岩等介质的应力重新分布特点、位移规律、地表岩移趋势、充填体破坏状态、钢筋受力状态变化等因素，以及这些因素之间相互作用的力学行为，进行了系统分析和归纳，获得结果初步揭示了维护金川二矿区充填体稳定性的机制。
　　 (6)通过室内试验，对比研究不同充填材料在布筋和不布筋两种构造下所形成试件的抗折强度，进一步对比研究了有/无抗剪连接梁拼板试件的抗剪强度，结果表明:①布筋可明显提高试件的抗折强度，加筋试件破坏特征更接近于弹塑性材料，而无配筋试件的破坏特征表现为脆性材料。②同不设置抗剪连接筋的梁拼板试件相比，在梁拼板试件增设抗剪连接筋，明显增加了梁充填体界面之间的抗剪强度;适度施加正压力，对梁充填体界面之间的抗剪强度有一定影响。材料试验结果间接证明:在进路充填体中配筋，以及在同一分层相邻进路充填体界面之间增设抗剪连接筋，对提高用作人工假顶的充填体强度和稳定性，起着积极的重要作用。
　　 本文密切结合现场重要技术难题，立足于学科前沿，综合运用结构理论、材料试验、GE和三维矿业软件、基于FLAC3D二次开发的三维力学数值仿真等方法，建立了一整套针对下向分层充填采矿之复杂生产过程的三维力学分析方法，获得了系统性的有益成果，具有重要的理论意义和工程应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 文献综述

1．2．1 充填体力学性质、力学模型与作用原理研究现状

1．2．2 基于结构理论研究下向分层充填采矿人工假顶工程力学问题的现状

1．2．3 三维地质体几何建模、FLAC3D应用与二次开发研究现状

1．2．4 采矿活动对地表岩体移动影响研究现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 二矿区下向分层充填采矿假顶内力状态的结构力学分析

2．1 引言

2．2 二矿区的矿山地质及其对采矿方法选择的影响

2．2．1 矿山地质状况

2．2．2 二矿区采矿方法的变革及下向分层充填采矿法技术参数的确定

2．3 基于结构理论的人工假顶内力状态分析

2．3．1 结构理论中三弯矩方程(Equation of three moments)

2．3．2 人工假顶内力状态分析

2．3．3 相邻分层不同进路布置方式对人工假顶内力状态的影响

2．4 关于人工假顶稳定性设计的探讨

2．5 本章小结

第三章 二元结构充填体模型及FLAC3D数值实现

3．1 二元结构充填体模型

3．2 充填体二元结构模型的FLAC3D实现原理

3．2．1 FLAC3D简介

3．2．2 FLAC3D的基本原理和方程

3．2．3 钢筋--锚索等效原理

3．3 二矿区充填体FLAC3D模型参数确定

3．3．1 模型范围与单元尺寸

3．3．2 二矿区地应力场与矿岩力学参数

3．3．3 本构关系与破坏准则

3．3．4 模型边界与初始条件

3．3．5 锚索(布筋)参数确定

3．4 二矿区地表三维几何模型的建立

3．4．1 由原始CAD数据生成地表DTM模型

3．4．2 由GE数据生成地表DTM模型

3．5 二矿区矿体实体模型

3．5．1 Surpac实体模型

3．5．2 实体建模流程

3．5．3 二矿区实体模型实现

3．6 块体模型

3．6．1 Surpac块体模型

3．6．2 二矿区块体模型方案

3．6．3 统一块体模型

3．6．4 分步块体模型

3．7 数据转换

3．7．1 模型坐标系

3．7．2 坐标变换

3．7．3 数据圆整

3．7 生成FLAC3D几何模型

3．7．1 FLAC3D几何模型生成程序

3．7．2 生成FLAC3D模型

第四章 二矿区生产过程三维力学仿真代码生成系统

4．1 FLAC3D指令与FISH语言体系

4．1．1 前处理模块

4．1．2 后处理模块

4．1．3 FISH语言

4．1．4 直接采用FISH语言编程存在的困难

4．2 基于数据库的数据组织

4．2．1 FLAC3D中单元数据组织的特点

4．2．2 基于数据库组织单元数据的必要性

4．2．3 基于数据库组织单元数据进行仿真程序开发的可行性

4．3 FLAC3D力学仿真代码生成系统开发

4．3．1 二矿区生产过程的划分

4．3．2 开发环境和工具

4．3．3 FLAC3D力学仿真代码生成系统基本原理

4．3．4 系统结构

4．3．5 系统功能设计

4．3．6 仿真代码生成器中的类结构

4．3．7 代码实现

4．4 仿真程序扩展

4．4．1 集成环境扩展

4．4．2 功能扩展

4．5 本章小节

第五章 二矿区充填体力学行为及其作用

5．1 充填体应力分布规律与应力状态

5．1．1 采矿活动引起充填体应力分布变化规律

5．1．2 充填体内应力状态与塑性破坏区

5．1．3 充填体内应力与塑性破坏区变化规律

5．2 充填体位移变化

5．3 充填体内钢筋的受力状态变化

5．4 本章小结

第六章 充填采矿作业对二矿区地表变形影响

6．1 地下采矿活动在地表产生的变形演变规律研究

6．2 地下采矿活动在地表产生的垂直方向变形规律研究

6．3 二矿区地表变形规律的内在机理分析研究

6．3．1 充填体变形规律研究

6．3．2 矿体顶部回采充填水平应力变化规律研究

6．4 本章小结

第七章 充填材料模型试验

7．1 材料模型试验原理

7．1．1 材料模型试验的意义

7．1．2 材料模型试验理论基础

7．2 单一充填进路模型抗折对比试验

7．2．1 材料抗折试件制作

7．2．2 无布筋试件抗折试验

7．2．3 布筋试件抗折试验

7．2．4 布筋与无布筋试件抗折性能对比

7．3 梁拼板模型抗剪对比试验

7．3．1 抗剪试验目的和方案

7．3．2 试验结果及分析

7．4 本章小节

第八章 结论与展望

8．1 论文主要结论

8．2 论文主要创新点

8．3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要的研究成果