（采矿工程专业论文）充填体对采场稳定性的影响.pdf

昆明理工大学工程硕士学位论文 摘要 摘要 本文根据多年的生产和科研实践，结合本单位2 6 8 矿体块石水泥 浆胶结充填法、1 4 5 4 矿体上向水平分层磨砂胶结充填法和3 2 4 矿体硷 充填法的充填工艺技术特点、优势互补性及在不同的采场结构参数、 不同的回采顺序、不同的充填类型等条件下采场项板围岩的稳定性状 态，深入分析和研究了充填体的性质、采场顶板冒落的原因、充填体 支撑围岩和控制地压活动的力学作用机理及其对采场稳定性的影响。 关键词：充填材料充填体采场稳定性力学作用机理 昆明理工大学工程预士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h i st e x tp r a c t i c e ，j o i nt o g e t h e rt h i su n i tw i t hs e c t i o na c c o r d i n gt o t h e p r o d u c t i o n o fm a n yy e a r s2 6 # i t l i l e p i e c em e c h a n i c sf u n c t i o n m a c h i n ef o rr e a s o n k i n df o rs t a b i l i t ya p p e a r a n c ef o rr o c k w a t e rm u d g u mk n o tf i l l i n gt h em e t h o d 14 5 群n l i n et h et o pw h e tt h es a n dg u mk n o t t ol e v e ll a y e r i n gt of i ut h em e t h o dw i t h3 2 # m i n em u d f i l l i n gt h em e t h o d f i l l i n gt h ec r a f tt e c h n i q u et h ec h a r a c t e r i s t i c s ，a d v a n t a g ew i t he a c ho t h e r r e p a i r i n g t h es e xa n du n d e r d i f f e r e n t l ya d o p t f i r s tt h ef i e l dt h e c o n s t r u c t i o nt h en u m b e r , d i f f e r e n t l yr e t u l t lt oa d o p ti np r o p e ro r d e r l y , t h e d i f f e r e n t 丘1 1t h e t y p et ow a i tt h et e r ma d o p t i n gt h ev j a n ko fac r e s t r o u n d i n gt h er o c k ，d e e p l yi n t oa n a l y s i sw i t hs t u d y i n gt h ef i l l i n g ， a d o p t i n gac r e s tt h ep l a n kf i l l i n gp r o pu p p i n gr o u n d i n gt h er o c kw i t h c o n t r o l i n gt h eg r o u n dp r e s s i n gt h ea c t i v i t ya n di t si n f l u e n c ea d o p tf i r s t f i e l ds t a b i l i t y k e y w o r d s ：f i l l st h em a t e r i a l 矗no b j e c t a d o p tas t a b i l i t y m e c h a n i c sf u n c t i o nm a c h i n e i i 昆明理工大学工程硕士学位论文原创性声明 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究，竞果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声名的法律结果由本人承担。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 沦文的全部或部分内容，可以采用影印或其他手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：做作者签名继 日期：办叶年岁月版 日 够一 名 剖 秒 割 牟 作 晔 姊 肼 沧 k 倒 期 学 日 昆明理工大学工程硕士学位论文第一章文献综述及课题研究目的意义 第一章文献综述及课题研究日的意义 1 1引言 采矿业是一项古老的行业，为人类社会的发展作出了重要贡 献。在社会文明高度发展、科学技术突飞猛进的今天，人类生存、 社会发展对资源需求的数量日益扩大，需求的品种更加多样化， 要求更加合理，有效地开发利用不可再生的矿产资源，为矿业的 发展展示了巨大的前景，也为采矿技术的不断进步提出了更高要 求。 矿业是云南省的支柱产业之一，锡资源是云南省矿业开发中 的优势矿种。云南锡产业在国内及国际市场中占有重要地位，云 锡公司是中国锡工业的龙头企业，是我国最大的锡生产、加： 和 出口基地，锡的年产量占全国总产量的1 4 ，占世界总产量的1 9 ， 除生产锡外，还生产铜、铅、银、钨、铋、硫等金属和非金属产 品。老厂锡矿是云锡公司下属的井下大型主力矿山之一，年产锡 铜铅金属占云锡公司的一半左右，具有1 0 0 多年的开采历史，开 采技术先进全面，几乎涵盖了国内外所有的采矿方法。随着地表 砂矿的消失，地下脉矿的增大开采，矿石储量逐年减少，为充分 回收资源，延长矿山服务年限，充填采矿愈来愈被广泛的使用。 1 2 充填法的应用现状及发展方向 随着采矿技术的发展和生产力水平的不断提高，为矿山最大 限度地回收利用地下矿产资源提供了技术上的可能性，伺时也给 矿山的安全问题提出更高更具体的要求，由于开挖矿体不可避免 地破坏了原岩应力的平衡，使空区围岩应力重新分布，局部产生 应力集中，当集中应力超过岩体的极限强度时，就产生了地压显 性，导致采矿顶板冒落、矿柱失控。近十几年来无轨采掘设备的 广泛应用使得充填技术得到快速发展和进步。特别是在市场经济 的今天更能发挥其优越性。一般对于品位较高，开采价值较大的 矿体都可采用充填法。充填法的应用越来越广泛，有色金属矿山 应用的更为普遍。 1 2 1 充填类型 1 2 1 1 按运送动力分为： 融明理工大学工程硕士学位论文第一章文献综述及课题研究目的意义 人力充填、自溜充填、机械充填、风力充填和水力充填。 前四种方法运送并充入采场的充填材料都是松散的干料，故 又统称为干料充填。 后一种方法是用水作为输送介质，充填料充入采场后必须脱 水才能形成坚实的充填体，该类材料均为湿料，又叫湿料充填。 1 2 1 2 按胶结性能分为： 胶结充填和非胶结充填。其中 胶结充填又分为细骨料胶结充填( 多用尾砂，又叫尾砂胶结 充填) 和粗骨料胶结充填( 多用块石加砂子，又叫砼充填) ； 非胶结充填又分为干式充填和水砂充填。 1 2 1 3 按回采方式分为： 分次充填和一次充填。 1 2 1 4 按回采顺序分为： 上向分层充填、下向分层充填和嗣后充填。 1 2 1 5 按骨料粒径分为： 细骨料充填和粗骨料( 包括块石) 充填。 1 2 1 6 按充填高度分为： 分层充填、分段充填和阶段充填。 1 2 1 7 按充填体刚度分为： 刚性充填和弹性充填。 1 2 2 应用现状 充填法是随着无轨铲运设备的应用，充填新工艺、新技术、 新设备的逐步推广而发展起来的高效采矿方法，近2 0 多年来， 由于解决了充填料管道输送工艺，采场无轨运输及支护等难题， 对于上部不允许陷落，品位较高，有自燃自爆可能的金属矿山使 用本法逐年增加，6 0 年代以来，国内甘肃金川镍矿采用全尾砂 膏体泵送胶结充填，广东凡口铅锌矿采用全尾砂高浓度胶结充 填，湖北铜录山铁矿、山东招远金矿采用全尾砂高水速凝固化胶 结充填，7 0 年代以后，安徽凤凰山铜矿，湖南柏坊铜矿、黄沙 坪铅锌矿、锡矿山锑矿，江西武山铜矿、东乡铜矿，甘肃小铁山 铅锌矿和云锡老厂锡矿等有色金属矿山也采用了胶结充填法，取 昆明理工大学工程硕士学位论文 第一章文献综述及课题研究目的意义 得了成功的经验和理想的技术经济指标。 块石胶结充填是根据砼理论，在废石干式充填和砂浆胶结充 填基础上发展起来的一种新充填方法，该法始予7 0 年代澳j 穴利 妲芒特艾萨矿，我国8 0 年代末开始系统研究，现已得到全面发 展，主要分为块石砂浆、块石水泥浆和碎石水泥浆等3 种不同的 块石胶结充填工艺。 f 1 ) 块石砂浆胶结充填是以水泥砂浆包裹块石形成胶结充填 体，由于充填体中的部分砂浆被块石替代，不但提高了充填体的 整体强度，而且显著降低了充填成本，该工艺充填能力大，机械 化程度高，适用于空场采矿法的嗣后充填，块石粒径小于 3 0 0 m m 。比较有代表性的如大厂铜坑锡矿块石棒磨砂胶结充填、 红透山铜矿块石尾砂胶结充填和济铡张马屯铁矿块石全尾砂胶 结充填。 ( 2 ) 块石水泥浆胶结充填是以井下自然级配块石包裹水泥浆 的一种充填工艺，块石粒径小于3 0 0 m m ，适用范围广，既可用 于大空场采场的嗣后充填，也可用以小采场的充填，比较有代表 性的如加拿大基德克里克矿，纳缪湖镍矿、惫儿山金矿，金山金 矿，云锡老厂锡矿。 ( 3 ) 碎石水泥浆胶结充填是水泥浆混合碎石形成砼充填体， 由于充填体中的部分砂浆被碎石替代，提高了充填体的强度，降 低了充填成本，该工艺充填能力大，机械化程度高，可用砼泵输 送，适用于空场采矿法的嗣后充填，碎石粒径小于1 5 0 m m 。比 较有代表性的如奥地利布莱保铅锌矿、德国德莱斯赖重晶石矿和 车山铜矿等。 9 0 年代中期采用全尾砂高水速凝固化胶结充填，包括甲乙 科，甲料为凝结硬化成分，主要由硫铝酸盐水泥及缓凝剂等组成； 乙料为速凝成分，主要由石膏、石灰、速凝剂、解凝剂、平衡剂、 悬浮剂等组成，特点是固水能力强，单浆悬浮性、流动性好，凝 同速度快，强度增长速度快。 1 2 3 发展方向 块石胶结充填跟传统的磨砂胶结充填与令尾砂高水速凝同 昆明理1 ：大学工程硕士学位论文第一章文献综述及课题研究目的意义 化胶结充填相比，由于工艺简单，充填成本低，无需脱水脱泥无 污染，能够充分利用井下废石、减少提升运输费等特点，在国内 外矿山充填法中采用的比例逐年增加，是今后充填的发展方向。 1 。3 课题研究的目的意义 随着人类对矿产资源大规模开发和利用，地表及地下浅部矿 矛i 逐渐枯竭，矿山开采对象正转向深部矿体及复杂难采矿体，地 脉控制问题将日益突出，并成为实现深部安全高效开采的主要障 碍。充填技术是解决深部地压控制、维护采空区稳定、保障安全 作业的最有效的途径之一，专家预言，充填采矿法将成为2 1 世 纪最具有发展前景的开采方法。近几年来充填技术的研究大多集 中在充填材料、管道输送、充填站设计等方面，关于充填体对采 场顶板稳定性影响的研究很少。由于i i 步骤回采矿柱是以i 步骤 f 采后的充填体作为人工矿柱即采场开挖后应力转移的承载体， 其强度比矿岩强度小得多，因此分析和研究充填体对采场稳定性 的影响对于有效利用和控制地压、维护采空区的稳定、提高深部 和复杂应力条件下的安全生产具有重要的现实意义。 垦明理王盍堂王捏亟堂位途塞筮三重直基签复匾萎厘盈 第二章充填体与原岩应力 2 1 岩体的认识 ( 1 ) 岩体是非均质各向异性的，这是由于它的形成和存在 均受地质构造力作用的结果，故大大增加了研究工作的复杂性； ( 2 ) 岩体内存在原始应力场主要是重力和地质构造力，重 力场以铅垂直应力为主，构造应力场以水平应力为主； ( 3 ) 岩体内存在个裂隙系统，它既是断裂的又是连续的。 因此，岩体既不是理想的弹性体，又不是典型的塑性体，既 不是连续介质，又不是松散介质，而是一种特殊的复杂的介质。 2 2 矿山地压与采矿工程 开采矿床必须要在岩体中开挖各种各样的空间( 如巷道、硐 室、采场) ，这就破坏了岩体的自然平衡状态，未经开挖和采动 影响的岩体，在原始应力场作用下，处于一种相对稳定状态，即 自然平衡状态。当岩体被开挖和采动之后，由于采掘空间对岩体 应力场的扰动，改变了岩体原始应力场的分布状态。岩体受到扰 动后出现的应力场称为次生应力场。岩体在所出现的不平衡的力 场作用下，就要发生变形，甚至破坏或移动，一直达到新的平衡 为止。通常把次生应力场引起的岩体变形，破坏和移动的全过程 称为矿山压力的显现，地压的显现从采矿工程开始开挖就出现， 贯穿于矿山开采工程的全过程。矿山地下工程只要求其在开采期 间不致破坏，在开采后能维持平衡状态不影响地表安全即可，故 在计算精度、安全系数及岩体加固等方面的要求，均低于水利、 国防等方面的标准。但是由于矿山工程地质条件复杂，又受矿体 赋存条件的限制，矿山地下工程结构物的位置选择性不大，同时， 采掘工作面千变万化，因此，矿山采矿工程问题不仅是个技术问 题和经济问题，而且是个安全问题。 2 3 岩石力学拱型柱理论 岩体在开挖后，岩体的重力荷载会呈抛物线分布横向转移到 开挖巷道两侧的支撑压力带一一“桥墩”上，而不是垂直于巷道 上方。1 9 8 2 年国外比尔和米克先生将拱柱理论开发用于井下开 采的人工假顶上，确定人工假项可以被认为如同一个会最终产生 邑盟理王去堂工猩塑堂焦迨塞笠三垂直埴住兰厘蚩厘丑 第二章充填体与原岩应力 2 1 岩体的认识 ( 1 ) 岩体是非均质各向异性的，这是由于它的形成和存在 均受地质构造力作用的结果，故大大增加了研究工作的复杂性； ( 2 ) 岩体内存在原始应力场主要是重力和地质构造力，重 力场以铅垂直应力为主，构造应力场以水平应力为主； ( 3 ) 岩体内存在一个裂隙系统，它既是断裂的又是连续的。 因此，岩体既不是理想的弹性体，又不是典型的塑性体，既 不是连续介质，又不是松散介质，而是一种特殊的复杂的介质。 2 2 矿山地压与采矿工程 开采矿床必须要在岩体中开挖各种各样的空间( 如卷道、硐 室、采场) ，这就破坏了岩体的自然平衡状态，未经开挖和采动 影响的岩体，在原始应力场作用下，处于一种相对稳定状态，即 自然平衡状态。当岩体被开挖和采动之后，由于采掘空问对岩体 应力场的扰动，改变了岩体原始应力场的分布状态。岩体受到扰 动后出现的廊力场称为次生应力场。岩体在所出现的不平衡的力 场作用下，就要发生变形，甚至破坏或移动，一直达到新的平衡 为止。通常把次生应力场引起的岩体变形，破坏和移动的全过程 称为矿r 1 压力的显现，地压的显现从采矿工程开始开挖就出现， 贯穿于矿山开采工程的全过程。矿山地f 工程只要求其在开采期 问不致破坏，在开采后能维持平衡状态不影响地表安全即可，故 在计算精度、安全系数及岩体加固等方面的要求，均低于水利、 国防等方面的标准。但是由于矿山工程地质条件复杂，又受矿体 赋存条件的限制，矿山地下工程结构物的位置选择性不大，同时， 采掘t 作面千变万化，因此，矿山采矿工程问题不仅是个技术问 题和经济问题，而且是个安全问题。 2 3 岩石力学拱型柱理论 岩体在开挖后，岩体的重力荷载会呈抛物线分布横向转移到 开挖巷道两侧的支撑压力带一一“桥墩”上而不是垂直于巷道 | 二方。1 9 8 2 年国外比尔和米克先生将拱柱理论开发用于井下开 采的人工假顶卜，确定人工假顶可以被认为如同一个会最终产生 采的人二【：假顶上，确定人工假顶可以被认为如同一个会最终产生 垦塑堡王盔堂王霆亟土堂鱼论塞 箍三童杰趱佳复匾蚩廛当 自重稳定性的拱型来看待( 拱型柱) ，稳定拱型柱上方的物料都 有应力，对横向支撑带来自我支撑的拱型，而低于拱柱下面的物 料都有张力，需要辅助支撑，矿山目前解决该张力的办法是采用 术支架支撑假顶，作用在支架上的压力p 等于拱内岩体重量，即 p ：专宰t m 式中 p 一每米巷道项板岩石作用在支架上的压力t m a 一跨度的一半m r 一岩石容量t m 3 f 一普氏坚固系数f = s c 1 0 0 s c 一岩石单轴抗压强度 2 。4 充填体作用的两种观点 目前充填体对围岩或矿柱地压维护的作用存在两种观点 是认为矿岩属于脆性介质，因为充填体对围岩或矿柱内部 应力分布影响很小，从这一观点出发，充填体对阻止围岩或矿柱 的破坏作用是不大的，但充填体对已经破裂或疏松的围岩或矿柱 还是起到使之不扩大破坏范围的作用。 二是认为充填体对围岩或矿柱的作用可以看成一个侧压力 ( 主动侧压力) ，由连续介质理论可知，岩石的抗压强度随侧压 力条件的增大而增大，故如果围岩或矿柱被充填体所堆满，即给 围岩或矿柱造成了一定的侧压力，可使矿柱的抗压强度增大，尽 管目前对侧压力的大小与增强岩石抗压强度的关系还不能完全 用数值表示，但矿房中如果有足够强度的充填体，可使围岩或矿 柱的承载能力提高是无疑的。 2 。5 原岩能量释放 对于松散矿体当采场开采完后，其应力得到释放，转移到周 围矿岩中去，围岩承受的应力明显大于松散矿体承受的应力，这 主要是由于氧化矿的强度和弹性模量远低于充填体强度和弹性 模量所致，这与理论上的结论是一致的，即在同一应力场中，岩 石储存的变形能与岩石的变形模量成正比，变形模量越大的岩 石，储存的变形能越大，所受应力也越大。 星咀理王盔堂王霆塑堂焦途塞 筮三塞壹夔馇生厘蚩廑力 从原岩释放能量角度看，因应力释放随时被充填体“消化吸 收”而表现为充填体压缩，原岩中无能量积聚，故变形均匀而微 小，反之原岩矿柱支护覆岩层时，应力积聚在矿柱上，即使矿柱 数量和强度足够，但因覆岩中应力分布不均匀和矿柱负担支护面 积的不相等而导致覆岩临界面各处应力分布不均匀，最后局部开 裂、冒落、变形，故某些时候i i 步骤回采比i 骤步更安全。 第三章昆明理工大学工程硕士学位论文第三章充填材料及制备 第三章充填材料及制备 3 ，1 充填材料概述 矿山充填是用各种砂、石及其它物料将采过的空间填满，借 以达到支撑围岩，防l j 二或限制围岩大面积移动和地表沉陷；在分 层采矿时，充填体可作为继续回采的工作平台或人工假顶。矿山 充填的最终目的是为了最大限度地采出矿石，保证安全生产并获 得最佳经济效果。在采出矿石后，充入采场或空区的砂、石等物 料统称为充填材料。 充填材料按照制备工艺、输送及充填方法可分为：干式充填 料、水砂充填料和胶结充填料。 3 1 1 予式充填料 由于块度级配要求不严，充入采场后孔隙率大，所形成的充 填体不密实，沉降量大。如山砂、碎石、井巷掘进废石等 3 1 2 水砂充填料 与干式充填料相比，水砂充填料的粒级组成要求较严，其形 成的充填体比较密实，沉降率较小。 如山砂、碎石、河砂、磨砂、尾砂、水淬渣等，其中山砂、 碎石属于粗粒充填料，粒度大于5 m m ，在我国多用于煤矿的水砂 充填；尾矿属于细粒级充填料，粒径为0 0 1 6 5 r a m ，我国风凰 l h 东乡、红透山等都成功地使用选厂尾矿作为充填材料；充填 体中粒径小于l m m 的细砂会呈现毛细现象或具有毛细力，有利于 充填体的自然沉降，但过多的细粒或细泥又影响充填体的透水性 能，渗水系数过小，充填体呈塑性；对于粗粒水砂充填料，粒径 小于1m m 的细粒称为“泥”，要求其含量不超过1 0 1 5 ，以 保持良好的透水性能；对于尾砂，小于2 0 um 的细粒称为细泥， 一一般认为用于充填的尾砂具有大于l o c m h 的渗透系数就可以保 讧e 正常生产和较好的充填体质量，否则应进行脱泥处理，以保证 其脱水性能。 3 t 3 胶结充填料 胶结充填料的骨料来源、种类与水砂充填料相同，主要区 别是在这些材料中加入了胶结剂，国内目前主要是硅酸盐水泥， 第三章昆明理工大学工程硕士学位论文第三章充填材料及制备 其形成的充填体比较密实，由于配比不同，特别是高标号水泥 加入使充填体强度随之增大，可以承受很大的压力和剪切，力。 用管道输送时具有很好的流动性，但长距输送时，一般不用粗 骨料，因此，尾矿胶结充填料在国内外应用比较广泛。 充填法中除部分方案外，采空区均需要用充填料填满。据统 计水砂充填料的开采、加工费用占总成本2 0 4 0 ，非胶结充填 料的充填费用不超过总采矿生产成的1 0 ，通常占5 左右；但是 当采用水泥含量高的胶结充填料时，矿山充填费用接近总采矿生 产成本的4 0 ，其中水泥费用几乎占充填成本的一半。因此寻求 数量充足、经济合理的充填材料及水泥代用品具有十分重要的现 实意义。 3 2 充填材料选择 3 2 1 选择充填材料的要求： 就地取材； 无火灾无有毒有害成分； 具有一定的强度，能维护采空区的稳定； 运输贮存方便，充入采场能很快形成稳定的充填体且化学稳定 性好； 水砂充填料颗粒形状应规则不带尖锐棱角，以便减少管道磨 损，含泥率也应适当，以减少井巷污染和排污量； 水力输送时，骨料粒径不超过管径的1 3 ，以减少堵管； 砂浆充入采场后，能在3 4 h 内渗滤完毕，形成比较密实的充 填体； 水砂比应小于3 5 ，以减少矿井排水费用； 渗透系数k l o c m h 。 3 2 2 充填料的主要物理化学性质 充填料的物理化学性质对整个充填工艺影响很大，优质充填 料应有一定的强度和最小的沉降压缩率( 沉缩率) 。 3 2 2 1 充填料的化学成分 充填材料中主要有石灰石、方解石、白云石、尾砂和磨砂等， 其化学成分主要是$ i 0 。、f e 。0 。、a 1 。0 。，、c a o 、m g o 、s 等，其中 笫三章昆明理工大学工程硕士学位论文第三章充填材料及制备 a j 。0 ”c a o 、m g o 含量高的充填料充填后，充填体具有一定的胶 绪凝聚和承压能力，s i o 。水中沉降快，渗透性好，承压能力好， 但无胶结功能。 普通硅酸盐水泥主要化学成分为：3 c a o s i 0 。( 硅酸三钙) 、 2 c a o s i o 。、3 c a o a 1 。0 。( 铝酸三钙) 和4 c a o a l 。0 。f e 。0 。( 铁铝 酸四钙) ，它们是使水泥产生强度的主要化合物，水和水泥混合 产生水化作用导致水泥浆凝结和硬化，化学反应方程式为 3 c a o s i 0 2 + 2 h 2 0 = 2 c a o s i 0 2 h 2 0 + c a ( o h ) 2 2 c a o s i 0 2 + h 2 0 = 2 c a o s i 0 2 h 2 0 其中2 c a o s i o 。h 。0 为胶凝物 3 2 2 2 充填料的物理性质 主要指粒径和级配，比重、容重和孔隙率，沉降速度和沉缩 率以及渗透性等。 粒径及其粒级组成 粒径是表示固体颗粒大小的量度，常用筛析法确定；粒级组 成是指充填料中各粒径范围颗粒的相对含量，各级含量用占总重 量的百分数表示。 比重r 。、容重r 。和孔隙率n 比重指固体物料在密实状态下单位体积的重量( k g m 3 或 t m 3 ) 容重指固体物料在松散或自然堆积状态下单位体积的重量 ( k g m 3 或t m 3 ) 孔隙率指充填料中孔隙体积与总体积之比。 比重、容重和孔隙率对水力输送、充填质量和充填能力都有 直接影响，而容重和孔隙率随充填料的压缩而变化，自然堆积的 充填料的容重最小而孔隙率最大；充入采场的充填料随着水的排 出和时间的延长，在自重作用下充填体逐渐沉缩，孔隙率减小而 容重增大；当充填料受到地压作用或在崩矿、铲运机行走等外力 作用f ，充填体受到进一步的压缩，孔隙率减小而容重增大。三 者之间的关系为：r 。：r 。( 1 - n ) 沉降速度v 。和沉缩率( i ) 第三章昆明理工大学二1 5 程硕士学位论文第三章充填材料及制备 沉降速度又称水力粒度或水力粗度或浮速度，是指在两相流 巾，固粒在静水中等速下沉的速度( m m s ) v 。= 5 4 5 ( r 1 1 ) d 2 式中 r 。一物料比重d 一物料粒径 沉缩率是指水力输送松散物料时由于水浸、自重和压力作用 而发生的体积缩小量与原体积之比。即 ”一( v 。- v ) v 。 v 。一充填体原始体积 v 一充填体初始下沉压缩后体积 沉缩率和孔隙率极大地影响着充填质量，即使是胶结充填 料，在凝固过程中也要产生体积收缩，因此选择沉缩率最小的充 填料，是保护地表和防止岩移的重要条件。 渗透性 渗透性是指水通过充填料集合体的速度( c m h ，哑h ) 。 采后充填时只要保证产生的静水压力不致压坏滤水构筑物， 其渗透系数无严格要求：分层充填时必须选取渗透系数的合理 值，否则排不于的水使充填料呈半流态，将对充填体中构筑的井 巷和脱水隔墙产生很大的静水压力，可能压垮构筑物，引起砂浆 阻塞巷道，影响回采作业。 3 3 胶结充填材料的研究现状及存在问题 在国内外充填采矿中，传统的低浓度胶结充填和近十几年出 现的高浓度全尾砂胶结充填、块石砂浆充填、碎石小泥浆充填和 膏体泵压输送充填，胶结剂主要是普通硅酸盐水泥，其费用占充 填成本的4 0 左右，为了降低充填成本，可用高炉炉渣( 水渣) 、 粉煤灰、石膏、赤泥和黄泥等低廉材料作为水泥代用品；高水速 凝固化膨胀充填材料( 水灰比为3 ) 由于配比要求很严，固化材料 ( 胶结剂) 成本较高( 5 0 5 元m 3 ) 而难以推广；砂土固结充填材料 目前正在研究中。 星型堡王杰鲎王捏堡堂焦途塞笠四重匿握住艘左堂性厘丛往旦搬理 第四章充填体的力学性质及作用机理 充填体从作为工作平台的角度来看，要求它能迅速排除输送 它的水分，同时还要求它具有必要的强度，以便在充填体表面上 能尽快地行人，移动设备和进行采矿作业；从维护安全角度看， 除要求具有必要的强度外，还要求它的自然沉降和压缩沉降率 小，以便起到坚强的维护安全的目的。但是组成充填体的充填料 是由松散介质组成，其物理性质与连续介质不同，松散材料最初 呈松散的分布体，它由各种不同的颗粒组合在一起，颗粒之间有 一定的孔隙，孔隙中充满了水或空气，随后由于含水的渗出，以 及自重和外载荷的作用下发生沉降和压缩，从而表现出一定的强 度，可见充填强度和沉降率都与空隙有关，因此，研究充填体的 力学性质，必须首先分析充填体的透水性、沉降率和强度。 4 1 充填体的含水与透水 在采场进行水砂充填或水砂胶结充填时，充填料被水力输送 采场后，运送充填料的水除少部份以泾流的形式在充填体表面排 出外，大部分以渗流的形式从充填体的孔隙中渗透而出。 4 2 充填体的渗透性能 就细粒充填体来说，从提高其透水性能出发，总是力图降低 其最大毛细力，从而可不需要多大渗出压力就可使含水渗出，达 到提高充填体渗透系数的目的，因此应正确选择充填材料、粒径 尺寸、孔隙率、颗粒粒级组成及砂浆浓度等充填参数，以保证充 填料能迅速脱水，并形成稳固的充填体。同时应采取加速滤水措 施，如适当加入粗粒物料或在充填体中埋设渗水管( 木质或砼花 管) 并与滤水井连通。 4 3 充填体的沉缩率 充填体属于松散介质，它在外载荷作用下使孔隙率变小而产 生压缩沉降，如果采场中充填体的沉降过大，则失去维护两帮围 岩和顶板稳定性的作用，充填体初始下沉的结果是使充填体与采 场顶板之间形成一个悬空空间，致使顶板一旦发生破坏时具有突 然性，充填体的二次下沉是地层压力作用在充填体上的结果，是 一个逐渐的和缓慢的过程，采场顶板下沉也是逐渐的缓慢的完 垦堕堡王态堂王程亟土堂焦途塞墓暇墅蠹丝签艘盘堂惶瘗照使用赳墼 成。因此充填体的沉缩主要是指垂直载荷作用下孔隙率减少引起 的初始下沉，初始下沉量过大是造成采场顶板塌落的主要因素 之一，用沉缩率表示为： 2 ( v o - v ) v 。，式中 v 。一充填体原始体积 v 充填体初始下沉压缩后体积 采取的措施是： 提高充填体容重，减小孔隙率； 采场发生初始下沉后，应立即进行二次补充充填。 4 4 充填体的强度与配比 4 4 1 充填体的作用 充填体的主要作用是：形成回采的工作平台或假顶，支撑矿 体上下盘岩石，提高矿柱的承载能力( 由于矿柱支撑的载荷重新 转移分配给相邻充填体) ，控制岩移片邦冒顶，为i i 步骤回采创 造条件。 采用胶结充填建造人工矿柱时，充填体的自立性和强度是决 定i i 步骤回采能否安全进行的前提，否则充填体冒落和垮塌将加 大损失和回采难度。 4 4 2 松散型充填体和固结型充填体 充填材料按照制备工艺、输送及充填方法可分为于式充填 料、水砂充填料和胶结充填料三种。 由水砂充填料或干式充填料充填形成的充填体叫做松散型 充填体；由胶结充填料充填形成的充填体叫做固结型充填体。因 为这两种充填体的充填致密程度、强度和可压缩性不同，故两种 充填体支撑围岩所产生的次生应力场及应力值也不同；而可压缩 性又影响到充填体的密实接顶和承载效果。实践证明i i 步骤回采 时，矿柱的承载能力和稳定性随矿房充填体的密实程度和强度的 提高而提高。 松散型充填体一旦部分或全部解除边界约束，就会产生破 坏，并造成采场内大量矿石的损失和贫化。 星明理三e 太堂王猩亟堂焦迨塞 箍四望峦撼焦鲤应堂世魔丛往题熟璺 固结型充填体因含有一定比例的胶结剂，自身具有足够的强 度和整体性，如果部分或全部去掉边界约束，也不可能坍塌。因 而；i 步骤回采矿房胶结充填后再进行i l 步骤矿柱回采，可大大提 高矿石的回采率及采场生产效率，这是采矿工业中具有深远意义 的场变革。 4 。4 3 充填体强度 充填体强度是充填工艺的主要技术指标，既要考虑经济效 益，又要考虑具有一定的自立性和足够的承载力，能承受由于 开挖引起的地应力载荷，确保i i 步骤回采的安全。充填体作为 松散介质，其固体颗粒之间的粘结力远小于固体颗粒自身的强 度，故充填体在外载荷作用下的破坏，主要是充填体颗粒之间 发生相对剪切和位移，而不是固体颗粒本身发生破坏，构成其 抗剪强度的因素有两个：固体颗粒之问的摩擦力和固体颗粒之 间当存在胶结物质时形成的粘结力( 又称内聚力或凝聚力) 。根 据库仑定律：t = ot g 巾+ c ，式中 t 一抗剪强度 士一内摩擦角 。一正应力 c 一粘结力 松散型充填体粘结力c 很小，抗剪强度t 主要决定于内摩擦 角由的大小，增大内摩擦角由的途径是： ( 1 ) 用加压、震捣的方法来提高充填体的容重( 即降低孔 隙率) ； ( 2 ) 改变充填料粒级组成； ( 3 ) 控制充填体的含水量。 固结型充填体因加入水泥胶结剂而使粘结力c 较大，抗剪强 度主要决定于粘结力c 的大小。增大粘结力c 的途径是： f 1 )增加胶结剂； ( 2 )改变充填骨料配比。 4 4 4 充填体强度分类 按照回采工艺对充填体强度的不同要求，充填体强度分为： 屋盟堡三太堂王摆殛土堂焦监塞蔓四室疲基链数左堂蛙廑丛佳明拯堡 ( 1 ) 高标号充填体 强度大于或等于4m p a ，主要用于下向分层充填的人工假顶、 采场人工底板以及在水体、建( 构) 筑物“f 开采需要保护地表的 充填。 ( 2 ) 中标号充填体 强度等于2m p a 左右，主要用于仁向分层进路的回采，上向 水平分层的铺面及房柱采矿法i 步骤回采矿房后的充填。 ( 3 ) 低标号充填体 强度小于lm p a ，主要用于空场法嗣后充填空区以及i i 步骤 回采的充填。 4 4 5 充填体配比 充填体配比是充填工艺的关键技术指标，既要满足充填体强 度，又要满足输送要求，还直接关系到充填成本，影响矿体的开 采效益。 水泥与骨粒配比一定时，充填料水分过多容易造成离析现 象；水泥量过低，则胶结充填料在管道中的摩擦阻力大，输送困 难： 水灰比小，则料浆浓度大，流动性差，难于输送； 水灰比大，则浓度小，保水性差，易产生离析而沉淀； 含砂率小，则制备的砂浆不能完全包裹碎石，碎石直接摩擦 管壁，不仅阻力大，而且摩损管壁。 提高输送浓度可大大提高充填体强度，实践证明浓度由6 5 提高到7 5 时，充填体强度可提高1 5 2 0 倍。 4 5 充填体的侧压力 4 5 1 侧压力系数( x ) 充填体作为维护采场两帮围岩的手段，就要求知道充填体在 垂真应力和自重应力的作用下，水平侧应力的大小，通常称水平 侧应力与垂直应力之比为侧压力系数( ) ： 入：旦 6z 垦盟堡至盘堂兰猩亟堂焦途塞蕴四童在丝签鳇2 1 堂世透壁往旦拯理 、 5y 或 a 2 石式中 6x 、6y 一水平侧应力 sz 一垂直应力 充填体维护采场两帮岩层时，侧压力系数的大小标志着充填 体对围岩的维护能力，见表4 一l ： 表4 - 1 砂土侧压力系数 砂土种类 侧压力系数 备注 砂0 。3 3 0 ，4 3 适用于河砂、尾砂 卵石及砾石 0 1 8 硬粘土 o 2 5 0 4 3 适用于胶结材料 4 5 2 充填体的侧压力 ( 1 ) 主动侧压力 由于充填体可视为半无限体，故可以假定最大主应力等于充 填体的垂直重力即o1 = rh ，则最小主应力等于充填体的侧向水平 反作用力，当发生破坏时，充填体的运动方向必然指向充填体的 外部，此时充填体处于膨胀状态，充填体对围岩的侧压力为主动 侧压力，如图4 - 1 根据朗金土压力理论： p , h = r h t 9 2 ( 4 5 。一睾吼t g ( 4 5 。一 h 总侧压力：p ：。= ，xp 。d 。，式中 r - - 充填体容重 h 充填体内任一深度 h 一充填体高度 由一内摩擦角 c 一粘结力 2 ) 被动侧压力 当充填体周围压力很大，致使充填体处于受压状态，最大主 战力来自水平方向的围岩地层压力，而最小主应力等于充填体的 垦删壁工盔堂王捏缝主掌僮迨塞 箜四童左夔签的左堂挂厦丛佳扭塑i 理 垂直重力，此时充填体处于压缩状态，围岩对充填体的侧压力相 对于充填体而言为被动侧压力，如图4 - 2 根据朗金土压力理论： p b = r h t 9 2 ( 4 5 。+ + 2 c t g ( 4 5 。+ 车) 总侧压力：p 。= ，p 。d 。 图4 一l 充填体对围岩的侧压力 p b嬲 形时篙三专勺i 4 5 3 胶结充填体受力分析 胶结充填体受自重、侧向矿岩应力释放、顶板矿岩压力和采 场爆破冲击等力学环境的作用。这种作用具有复合性、反复性和 进展性。 ( 1 ) 开采初期，当围岩稳定性较好时，围岩自身可以承担大 部分因矿房开采而引起的原岩应力，此时矿房胶结充填体只要能 够承受充填体自重、矿柱侧压力和侧向爆破应力冲击的影响，就 能保证矿柱回采的安全； ( 2 ) 在开采中后期需要考虑原岩应力和上部充填体的压力对 充填体的影响； ( 3 ) 侧向矿岩应力释放规律是非常复杂的，与矿岩本身条件、 所处位置及回采顺序都有着内在的联系。铜陵有色公司对灰砂比 l ：4 和l ：1 0 两种试件在不同围岩不同加载速率三轴抗压试验 表明：胶结充填体抵抗外力破坏的强度随围压的增加而增加，随 力 垦塑堡友堂王程亟堂缱途塞箍四童盎缝签笪瘦堂性鹰丛往盟熟堡 擒载速率的增加而增加。因此从胶结充填体抵抗外力的强度与围 岩的关系来看，在一定程度上围岩可以为我们所用； ( 4 ) 采场爆破冲击对充填体的作用必须把握适当，从胶结充填 体抵抗外力的强度与承载速度的关系来看，胶结充填体在一定程 度j 二可以经受爆破的冲击，据有关矿山测试当外力达到胶结充填 体极限承载抗压强度即2 1 7 m p a 时，充填体开始受到破坏。 以上分析说明，减少爆破对充填体的破坏是回采矿柱的技术 关键之一。充填体受力如图4 3 所示： 4 6 充填体对密闭墙的作用力 非胶结充填时，充填料的内聚力是比较小的，地下水的不断 补给会使采场充填体长期处于饱和状态，影响到相邻采场的回 采，在i i 步骤相邻采场回采爆破振动的反复作用下，饱和充填体 很容易出现液化反应，一旦充填体发生液化现象，它就会象泥石 流一样不具有任何抗剪能力，对采场底部密闭墙和侧翼问柱施加 很大的压力。因此采场密闭墙必须设计可以承受充填体全分层或 全分段高度的压头。如图4 - 4 所示，作用在密闭墙上的力主要有 充填体对墙的侧压力p ( 垂赢方向里三角形分布) ，自重力w ， 基底反力f 。( 均匀分布) ，基底侧压力f 。( 三角形分布) ，四周摩 擦力f 。、f 。、f 3 、f 4 ，密闭墙顶面及两侧面防滑桩抗剪力a ，、a 。、 a ：，及巷道变形力b 。、b 。、b 。其中基底侧压力f 。和反力f ，忽略不 星堕堡王盔堂王程亟堂焦途塞箜四重褒基焦鲍盘堂挂瘗厦往旦熟堡 计，相当于增大安全系数；自重力w 岩基能承受无需考虑；因摩 擦系数难以确定，可忽略f ，、f 。、f 3 、，相当于增大安全系数； 由于密闭墙位置一般选取在岩体较好，无需支护地段，且巷道存 在时间较长，巷道周边变形能基本t ：自行得到释放。在充填过程 中围岩蠕变产生的变形可忽略不计，因此在岩性较好的地段，巷 道变形对密闭墙施加的作用力可以不考虑。密闭墙顶面及两侧面 防滑桩一般为锚杆，其抗剪力a ，、a 。、a 。强度足够。 综上所述，密闭墙设计中关键是确定充填体对密闭墙的侧压 力p 即可不考虑巷道粗糙度( 假定巷道表面光滑) 相当于增加 密闭墙安全系数，根据朗金土压力理论，按主动侧压力计算，如 图4 5 所示，充填体对密闭墙水平侧压力强度为： p z h = r h t 9 2 ( 4 5 。一等) 一2 c - t g ( 4 5 。一要) ，式中 二z r 一充填体容重 c 一充填体内聚力 中一充填体内摩擦角 h 一充填体内某点到充填体顶面的高度 图4 4 密闭墙受力示意图 左倒 ， v o 捌； f 3 a 2 垒d 摸制 乓爹 玉剥 4 ! 刮+ t ：7 p a 3 右佣1 _ 1 小 昆明堡王盔堂兰捏亟堂焦途毫箍四童褒攮住趁壶堂蛙厦厘佳坦越堡 图4 - 5 充填体对密闭墙的水平侧压力 密闭墙所受总侧压力： p ：喁，赫d h d 。 v - = 寺r b ( h 2 - h 0 2 ) t 9 2 ( 4 5 。书一2 b c ( h h 。) t g ( 4 5 。等 式中 h 一密闭墙底板到充填体顶面的高度 h o 一密闭墙顶板到充填体项面的高度 b 一密闭墙宽度 密闭墙所受总侧压力作用点在距底板1 3 墙高处。 4 7 充填体作用机理 在实际采矿充填过程中，围压对充填体的变形及刚度影响较 大。从充填体的微观结构可以看出，其内部结构具有较多的孔隙， 在围压作用下，孔隙闭合使充填体密实，随着围压的增大，充填 体压实程度变大。 4 7 1 充填体的稳定性 充填体刚度、弹模直接影响到充填体本身阻止周围矿岩发生 星塑堡王太堂王程亟堂焦逾塞 箍翊童杰撼签数瘦堂丝厦丛韭题扭堡 变形和位移的能力。弹模高、刚度大的充填体更能最大限度地阻 抗围岩破坏，维护矿岩的稳定性。刚度越大，二次应力状态获得 改善的区域愈大，缓解的程度也越大，抵抗变形、位移的能力就 越大，同时最大剪应力下降率也相应增加，有利于围岩的稳定。 盔矿岩与充填体相互作用的动态过程中，充填体本身的稳定性与 矿岩的稳定性是同等重要的。 4 7 2 充填体对围岩的作用方式 充填体能够阻止和抵抗围岩变形和位移，改善采空区围岩应 匀分布及应力性质，提高围岩自身强度，其作用方式主要有以下 3 种： 对卸载岩块的滑动趋势提供侧限压力如图4 6 ( 1 ) ； 支撑破碎岩体和原生破裂岩体如图4 - 6 ( 2 ) ； 抵抗采空区围岩的移动如图4 - 6 ( 3 ) 。 蒸 髦。， 器 o 习。 岔4 蕊 1 - - - 破裂岩体膨胀引起的位移 2 - - - 岩块刚体移动 3 - - - 场围岩闭合作用于充填体的 应力 4 - - - 充填体抵抗围岩闭合 图4 - 6 充填体阻止和抵抗围岩的作用方式 昆明堡二态堂：至程亟圭堂焦迨塞箍蛆重壅撼往照左堂性鹰及往崩熟墨 4 。7 3 充填体的破坏形式 由于充填体的弹模和刚度与矿岩相比很小，即相当于软岩， 所以充填体要发生破坏不外乎为以下两种形式： ( 1 )中间首先外鼓最后失稳； ( 2 )中间首先剥落最后整个充填体塌落； 4 7 4 充填体与围岩共同作用 充填采矿法中，维护采场稳定性的主体是围岩和充填体，当 充填体未进入采空区前，采场的稳定性主要取决予围岩的稳定性， 此时围岩完全承担全部载荷；当充填体进入采空区后，所有载荷 由二：者共同承担，充填的过程是充填体本身被压实的过程，它对 顶板及围岩的支撑是被动的，其支护作用是靠顶扳的下沉和围岩 的闭合实现的，因此，在实际充填工作中，要尽量使充填接顶， 当地压过大时，充填体又表现出一定的塑性，以适应围岩的变形， 使应力得到释放和缓瓣，达到控制地压的目的。 4 8 影响充填体稳定性的因素 充填体稳定性的影响因素很多，主要有充填体所承受的载荷 即原岩应力、充填体强度、充填料配比、爆破应力、矿房的宽高 比、水及下料点位置等。分述如下： 4 。8 1 充填体所承受原岩应力 根据有关研究：当埋深小于2 0 03 0 0 m 时，岩体中由自重 应力产生的水平侧向应力较小，约为垂直应力的1 0 2 0 ，即九 = 0 1 0 2 ，此时以自重应力主为； 当埋深为3 0 0 8 0 0 m 时，岩体中由自重应力产生的水平侧 向应力较大，约为垂直应力的2 0 4 0 ，即 = 0 2 o 4 ，此 时也以自重应力为主，但要考虑水平侧应力的影响。 4 ，8 2 水对充填体的影响 非胶结充填时，充填料的内聚力是比较小的，地下水的不断 补给会使采场充填体长期处于饱和水状态，这会影响到相邻采场 的回采，在i i 步骤相邻采场回采爆破振动的反复作用下，饱和充 填体很容易出现液化反应，一旦充填体发生液化现象，它就会象 泥石流一样不具有任何抗剪能力，对采场底部密闭墙和侧翼间柱 昆明理王盍堂王摆亟堂焦睑塞一_ 筮四童峦基盐鳆左堂性厦曩拄旦也墨 施加很大的压力。 根据国内外有关资料，在制备巍填料时“应采用与制备普通 砼相同的水质，才能避免水泥的水化作用，否则应该用石灰作添 加剂并除去没污及其它不利于水泥胶结的杂质。 胶结充填体能否及