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深部开采高阶段尾砂充填体力学与非线性优化设计

刘志祥  
【摘要】:充填体力学是随着充填采矿技术发展而形成的一门新型学科。VCR采矿法与高阶段嗣后充填工艺相结合,扩大了充填采矿技术的应用领域,在深部厚大矿床安全高效开采具有广阔的应用前景,同时也为充填体力学增加了新的研究内容。目前由于对高阶段充填体力学机理及其相关理论缺乏系统的研究,高阶段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。为此,有必要根据深部高阶段充填工艺特征,建立高阶段充填体力学模型,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: 对尾砂胶结充填体进行了力学试验,建立了不同配比胶结充填体损伤本构方程,分析了不同配比充填体力学特性与能量释放规律。根据充填体损伤本构模型,从岩体开挖释放能量与充填体峰值应力变形能相近的原则探讨了充填体与深部岩体的合理匹配,并确定了冬瓜山矿床深部开采所要求的充填体强度,论证了安庆铜矿深部矿体采用最小充填配比1:12是可行的。 为实现深部开采高质量充填,用分形理论研究了分级尾砂级配。通过对大量尾砂充填矿山的试验数据分析,建立了分级尾砂强度与水泥含量、浓度、孔隙分维数及分维数相关率的神经网络模型,从大量研究数据中揭示了尾砂级配与其强度的内在规律。研究结果表明,分级尾砂颗粒间孔隙分维数减小,充填体强度增高;尾砂分维数相关性越好,充填体强度越高。根据尾砂级配模型,用混沌优化方法研究了使充填体达到最佳强度的选矿尾砂合理分级。该模型与理论应用于安庆铜矿选矿尾砂分级设计,不仅提高了充填体强度,而且增加了尾砂使用率,节约了充填成本。 针对高阶段嗣后充填工艺特点,分析了深部开采围岩对充填体的力学作用,建立了高阶段分层充填体力学计算模型,研究了充填体可暴露任意高度的力学条件,并用分形树和重整化群方法建立了深部开采充填体强度模型。基于深部开采的复杂性和充填体强度的不确定性,根据所建立的高阶段充填体力学模型,用可靠性理论和博弈树方法,成功解决了高阶段充填体配比优化难题。该研究方法应用于安庆


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