嗣后充填充填料室內(nèi)試驗與目錄前言采空區(qū)破壞機(jī)理研究充填配比優(yōu)化及作用機(jī)理空區(qū)與充填體匹配研究1.2.3.4.CentralSouthUniversity1、前言2004年05月，甘肅山丹吳濤煤礦透水事故，該礦在采煤過程中與周邊礦井老采空區(qū)貫通，導(dǎo)致老空區(qū)積水涌入礦井；2004年06月，湖北鵬凌礦業(yè)一銅礦發(fā)生特大透水事故，11人遇難2004年10月，四川雅安宇通石材公司礦山坍塌事故，13人死亡，9人受傷2005年11月，河北邢臺石膏礦空區(qū)坍塌，36人死亡，33人受傷2005年12月，吉林省長春市長嶺煤礦采空區(qū)透水，6人受傷2006年08月，湖南石門縣蒙泉鎮(zhèn)天子崗村天德石膏礦老采空區(qū)突然發(fā)生大面積整體垮塌，共有6人遇難，另有4人下落不明2007年03月，遼寧撫順礦業(yè)集團(tuán)公司老虎臺煤礦發(fā)生特大透水事故，造成22人死亡、

7人下落不明2008年06月，造成６死１０傷的“６·１８余杭礦難”原因采空區(qū)未經(jīng)處理形成蓄水空間，在強(qiáng)降雨氣候條件下，大量雨水滲入礦洞引發(fā)透水事件采用空場法開采后遺留下大量的空區(qū)，空區(qū)的存在給礦山的安全生產(chǎn)帶了隱患?？諈^(qū)危害高階段充填1）原巖應(yīng)力高，巖石的應(yīng)變能高度聚集，并在瞬間成爆炸性釋放，其破壞性極為劇烈，并可能導(dǎo)致地震活動，因此充填體的主要功能將是阻止或減緩這種能量瞬間的釋放，這就對充填體強(qiáng)度和質(zhì)量有更高的要求；

２）深井開采，充填倍線?。?～3），這為輸送高濃度漿體、提高充填體質(zhì)量創(chuàng)造了必要條件。因此，研究高濃度漿體管道輸送特性，根據(jù)充填料漿特性，分析料漿制備與輸送系統(tǒng)的適應(yīng)性，是實現(xiàn)高濃度充填料輸送，提高充填體強(qiáng)度的關(guān)鍵之一；

３）為了實現(xiàn)高濃度充填漿體的自流管道輸送，必須研究深井兩相流輸送技術(shù)，即料漿特性、料漿配合比、密度、粘度等高濃度漿體管輸特性對臨界流速的影響及相應(yīng)的管道水力參數(shù)的計算；

(1)采空區(qū)穩(wěn)定性分析非煤礦山大量的事故表明空區(qū)治理應(yīng)該引起人們的注意，由于空區(qū)的存在，給礦山安全生產(chǎn)帶來了隱患。理論分析和數(shù)值模擬兩個方面出發(fā)，綜合評定采空區(qū)穩(wěn)定性。(2)不同配比尾砂膠結(jié)充填體破壞模型與最佳充填體強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計選擇合適的充填材料，實現(xiàn)高質(zhì)量充填對深部高階段采礦具有重要的意義。為此，有必要探討充填體強(qiáng)度的影響因素，對充填體強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高膠結(jié)充填體強(qiáng)度，實現(xiàn)高質(zhì)量充填。(3)高階段分層充填體力學(xué)模型及與深部巖體的匹配分析探討充填體與巖體的合理匹配，為充填設(shè)計提供理論指導(dǎo)。從另個方面探討充填體的優(yōu)選。本文的研究內(nèi)容

采空區(qū)破壞機(jī)理研究2.1

空區(qū)穩(wěn)定性分析方法成拱分析法依據(jù)地質(zhì)條件、工程實例及經(jīng)驗判斷結(jié)構(gòu)力學(xué)分析法頂板坍塌自行堵塞估算法荷載傳遞線交匯法數(shù)值計算法彈性理論應(yīng)力分析空區(qū)空區(qū)穩(wěn)定性主要分析方法《巖土工程手冊》中所采用的方法

UDEC、3DECFlacAnsys定性評價半定量評價a空區(qū)頂板穩(wěn)定性的理論分析

空區(qū)頂板的穩(wěn)定性分析空區(qū)水平頂板看做是兩端固定的梁，巖梁的自身重量作為載荷，由此計算巖梁的最大拉應(yīng)力簡化成兩端固定梁拱形頂板空區(qū)的穩(wěn)定性分析拱形空區(qū)在頂板內(nèi)形成破裂拱，假定拱在垂直面上成拋物線形狀并沿其中心軸線對稱，由此計算頂板底腳最大壓應(yīng)力和中心最大拉應(yīng)力破裂拱中心線及坐標(biāo)系拱形空區(qū)頂板破裂拱Z方向應(yīng)力云圖Z方向位移云圖最大位移出現(xiàn)在空區(qū)上邊界，初始平衡狀態(tài)下圍巖最大位移量約為0.086m，最大位移發(fā)生在頂板上方圍巖處空區(qū)的存在使空區(qū)圍巖發(fā)生應(yīng)力的重新分布，空區(qū)正上方圍巖和頂板底部出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，空區(qū)邊界由于應(yīng)力集中產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。b采空區(qū)數(shù)值模擬分析分析

對空區(qū)真實準(zhǔn)確的反映，最理想的方法就是數(shù)值建模，為合理的礦山空區(qū)災(zāi)害治理提供依據(jù)，具體實施步驟：先用Surpac軟件對空區(qū)地表、地下礦體及地下空區(qū)群進(jìn)行三維可視化建模；其后，以Surpac軟件中建立模型為基礎(chǔ)，可以應(yīng)用前處理功能較強(qiáng)的MIDAS軟件或FLAC-3D軟件建立礦區(qū)的有限元數(shù)值計算模型，并結(jié)合地質(zhì)資料及巖石力學(xué)參數(shù)，對模型施加邊界約束后進(jìn)行數(shù)值計算，從而獲得地下采空區(qū)圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變值及位移值等；最后對空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評估。2.2采空區(qū)失穩(wěn)評判對關(guān)鍵礦柱及頂板進(jìn)行應(yīng)力、位移和聲發(fā)射實時監(jiān)控關(guān)鍵礦柱示意圖深基點位移測站用來監(jiān)控巖體的變化情況的設(shè)備主要是用聲發(fā)射儀，可以通過他繪制巖石的各種特征，以達(dá)到監(jiān)測巖石的變化情況，大寶山銅礦用的就是這種設(shè)備，與電腦連起來的，從電腦上可以清楚的知道地下每個地方的巖石情況。

空區(qū)穩(wěn)定性時序分析，時序分析就分析空區(qū)隨著時間的位移、應(yīng)力的變化，穩(wěn)定性也會隨著變化，將監(jiān)測到得結(jié)果建立數(shù)據(jù)庫，利用突變理論分析空區(qū)的穩(wěn)定性。礦柱破壞概率系統(tǒng)失穩(wěn)與否

運用重整化群方法，從系統(tǒng)的角度對空區(qū)群穩(wěn)定性問題進(jìn)行整體穩(wěn)定性研究，給出空區(qū)礦柱系統(tǒng)整體失穩(wěn)臨界概率，為多空區(qū)礦山安全評判及其開采布置方式選擇提供理論指導(dǎo)方法

對空區(qū)群系統(tǒng)進(jìn)行整體穩(wěn)定性評判充填法充填法即利用地表中露天剝離的廢石或選礦尾砂，建立充填系統(tǒng)，然后通過至采空區(qū)的鉆孔或天井將塊石（尾砂）自流充填至井下采空區(qū)。充填法用于采空區(qū)處理，具有效果好、見效快、充填密實等優(yōu)點。但充填法存在施工難度大，成本高，作業(yè)安全性差等缺點，更重要的是嚴(yán)重影響露天礦下步的開采，容易造成礦石的大量貧化與損失2.3采空區(qū)處理——封、堵、充、崩井下強(qiáng)制崩落法井下崩落礦柱方案，是指在原有的采空區(qū)中，在礦柱的適當(dāng)位置開鑿鑿巖硐室或利用原有巷道，在礦柱中鉆鑿深孔爆破處理采空區(qū)，對于老采空區(qū)，井下大部分巷道與礦柱都會遭到不同程度的破壞，安全條件極差，雖然技術(shù)可行，但施工存在很大難度充填配比優(yōu)化及作用機(jī)理

影響尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度的因素有：膠結(jié)劑種類與其加入量、充填料漿濃度、尾砂級配組成、攪拌時間、養(yǎng)護(hù)齡期、養(yǎng)護(hù)環(huán)境及尾砂化學(xué)成份等。礦山實踐證明采場充填在控制采區(qū)地壓、防止地表沉降與塌陷、預(yù)防深井巖爆災(zāi)害、提高礦石回收率、降低貧化率等方面具有顯著的作用，但對于充填體力學(xué)作用機(jī)理，迄今尚無共識。3.1充填體強(qiáng)度的影響因素圖1-2不同濃度尾砂充填體強(qiáng)度不同濃度尾砂充填體強(qiáng)度圖1-1尾膠料中添加水淬爐渣養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度曲線尾膠料中添加水淬爐渣養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度曲線

運用正交實驗原理，基于配比(水泥與尾砂的重量比)為1：4、1：8、1：10和1：12的充填體在礦山比較常用，濃度為60~75%(與安慶銅礦采場充填濃度一致)。所配制的試塊在20℃標(biāo)準(zhǔn)恒溫養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，28天后，在MTS剛性壓力機(jī)上進(jìn)行了充填體試塊單軸抗壓試驗，在DSS-10T伺服控制試驗機(jī)上進(jìn)行了充填體試塊抗拉試驗。試驗前將試件上下端磨平，使其平行度符合規(guī)范與要求。按照貼應(yīng)變片要求，將電阻應(yīng)變片用粘膠劑貼在試件的軸向和環(huán)向上(各一片)。采用YJ-5型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測試試塊應(yīng)變，得到試塊抗壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。3.2充填體力學(xué)參數(shù)試驗圖2-1尾砂膠結(jié)充填體細(xì)觀結(jié)構(gòu)示意圖

損傷力學(xué)或連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)（ContinumDamageMechanics-CDM），主要研究材料內(nèi)部微觀缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展所引起的宏觀力學(xué)效應(yīng)及最終導(dǎo)致材料破壞的過程和規(guī)律。Kachanov于1958年首次提出“連續(xù)性因子”和“有效應(yīng)力”的概念，Abotnov在1963年進(jìn)一步引進(jìn)了“損傷因子”的概念。直到1976年損傷力學(xué)被Dougill引入巖石力學(xué)領(lǐng)域，在上世紀(jì)80年代初Drogen和Krajcinovic等人在巖石連續(xù)損傷和脆性材料損傷本構(gòu)關(guān)系等方面作了大量的研究?？梢愿鶕?jù)損傷力學(xué)建立充填體本構(gòu)方程。尾砂膠結(jié)充填體細(xì)觀結(jié)構(gòu)示意圖尾砂膠結(jié)充填體可看成是非均質(zhì)但卻連續(xù)的損傷介質(zhì)。按照復(fù)合材料力學(xué)方法，尾砂膠結(jié)充填體可看成是三相復(fù)合材料，第一相為尾砂骨料和水泥凝膠(固相)，第二相為毛細(xì)水(液相)，第三相為空氣(氣相)。尾砂膠結(jié)充填體獨特的材料組成，決定了它復(fù)雜的力學(xué)特性。3.3充填體理論研究3.4區(qū)域支護(hù)充填評價標(biāo)準(zhǔn)--能量耗散原理

1）控制參數(shù)--能量耗散的空間速率EERR和平均礦柱應(yīng)力

充填配合函數(shù)

充填質(zhì)量因數(shù)

2）充填配合函數(shù)膠結(jié)充填料充填體應(yīng)力

特性應(yīng)力系數(shù)

臨界應(yīng)變值

充填體應(yīng)變

非膠結(jié)充填料最初表現(xiàn)顯著的充填體承載時的瞬間應(yīng)變

3）充填質(zhì)量因數(shù)M

M=EERR(充填)/EERR(不充填)膠結(jié)充填料：M≤0.25非膠結(jié)充填料：M≥0.35

空區(qū)與充填體匹配研究

充填體上部與兩側(cè)受力分析

底部按圍巖移動角劃分巖體與充填體力學(xué)作用范圍，上部按自然平衡拱劃定巖體與充填體力學(xué)作用區(qū)域。根據(jù)上述分析，充填體兩側(cè)承受來自移動角范圍內(nèi)的圍巖側(cè)壓力，上部承受自然平衡拱內(nèi)礦巖自重壓應(yīng)力

深部巖體在未采動以前存在高地應(yīng)力，礦石被挖走后，圍巖卸載而釋放能量。開挖的采空區(qū)被充填后，圍巖變形壓縮充填體，充填體產(chǎn)生抗反力，抑制圍巖變形，同時充填體內(nèi)蓄積應(yīng)變能。因此，可從能量的角度探討充填體穩(wěn)定性，并分析充填體與深部巖體的合理匹配?；?/p>