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中关铁矿大水下充填开采充填体围岩匹配及沉降控制

李贞芳  
【摘要】:矿产资源是人类社会赖以生存和发展的物质基础,随着我国人口急剧增长、工农业生产和科学技术的快速发展,资源供需形势日趋严峻,制约经济的可持续发展。我国目前正以前所未有的规模和强度开发矿产资源,随着地下开采规模的增大,容易开采及开采条件较好的矿体大部分已经被开采殆尽或正在开采。因此,矿山开采逐渐向“三下”矿体和深部矿体转移。由于我国采矿工业存在先天不足、采矿工艺技术落后、研究基础薄弱、环保意识不强,导致开采引发的安全和环境等负面影响日益突出。充填开采是作为绿色开采体系的重要组成部分,是目前解决复杂条件下矿体开采的主要技术途径。为了解决大水下矿体安全开采间题,本文在调研和分析已有相关研究成果的基础上,以中关铁矿大水下矿体充填开采为工程背景,主要开展了以下研究工作:(1)尾砂胶结充填材料配比及胶凝机理通过现场取样,实验室试验,分析充填材料中配合物材料的物理性质,进行配比试验,分析充填体的力学特性及微细观结构,揭示充填材料胶凝机理,指导优化配比。(2)“矿柱-充填体”组合结构稳定性分析通过实验室试验测定矽卡岩岩石力学参数,利用数值模拟软件研究分析不同的充填体(矿柱)宽高比和充填体强度对“矿柱-充填体”组合结构稳定性的影响。为设计采场结构参数和优化充填材料配比提供参考。(3)采场结构参数和回采顺序对采场稳定性的影响对井下采场周围矿岩进行质量评价;以中关铁矿井下实际条件为背景,采用数值模拟软件全面了解不同的采场结构参数和回采顺序对阶段嗣后采场开采过程中应力、变形的影响规律,从而确定合理的采场结构参数和回采顺序。(4)充填体与围岩相互作用机理分析充填体与采场顶部岩体和侧向岩体力学响应特征以及充填体与围岩相互作用时间效应,揭示充填体与围岩相互作用机理,进行充填体强度动态匹配设计,指导优化充填材料配比。(5)充填开采地表沉降预测在调研井下地质资料和井上建(构)筑物分布情况的基础上,对充填开采后地表沉降进行预测,并评价地表沉降结果对地表建(构)筑物的影响。本文综合采用大量现场调研实测、实验室测试、数值计算和理论分析,围绕中关铁矿大水下充填开采充填体围岩匹配和沉降控制两个关键问题,分别对尾砂-煤矸石胶结充填材料配比和胶凝机理、矿柱-充填体组合结构的稳定、采场结构参数和回采顺序对采场稳定的影响规律、充填体与围岩相互作用机理及充填体强度匹配设计、充填开采地表沉降对建筑物的影响等问题结合中关铁矿实际条件开展了一系列的研究,取得了如下结论:(1)充填材料是矿山进行充填的基础,考虑到中关铁矿矿石品位高,选矿后尾砂量少,以及附近煤矿矸石山堆积问题,中关铁矿采用尾砂-煤矸石胶结充填材料进行充填。为了指导充填材料配比,在实验室内测定了水泥的细度、标准稠度用水量和凝结时间;分析了尾砂和煤矸石的主要成分,并分别测定了其密度和细度。在胶结充填材料配比时采用煤矸石替代部分水泥,共20种配合比方案,根据充填体试块28d单轴抗压强度,结合料浆塌落度、泌水和离析情况初步优选出水灰比为0.44,煤矸石取代水泥量为20%的配比作为最优配比。借助扫描电镜(SEM)分析了尾砂-煤矸石胶结材料胶凝机理,得出尾砂、煤矸石、水泥和水混合之后,他们相互之间的水化反应是个渐进的过程;充填体在胶凝过程中会形成大量的孔隙和孔洞,分布在胶凝产物周围,造成充填体复杂的内部微观结构;由于高强度胶结充填体内水泥的水化产物多,充填体内的孔隙被占据,与低强度胶结充填体相比内部结构较致密。(2)采用ABAQUS数值软件,建立“矿柱-充填体”组合结构模型,研究分析了充填体(矿柱)宽高比分别为1/5、1/4、1/3、1/2和1/1时组合模型的稳定性,综合分析不同宽高比时组合模型的应力和位移变化,得出合理的宽高比为1/3,并拟合出充填体竖直位移y与充填体宽高比k之间的函数关系式:采用充填体(矿柱)宽高比为1/3时的“矿柱-充填体”组合结构,研究分析了充填体强度分别为1MPa、3MPa、5MPa、7MPa和9MPa时组合结构的稳定性。综合分析可知,当充填体强度为3MPa时,组合结构结构已处于稳定状态,再提高充填体强度,组合结构稳定效果增加不明显。考虑到充填成本间题,初步优选充填体强度为3MPa,并拟合出以下函数关系式:矿柱内部最大Mises应力y与充填体强度x之间的函数关系式:矿柱与充填体交界面上最大Mises应力y与充填体强度x之间的函数关系式:充填体上端面最大Mises应力y与充填体强度x之间的函数关系式:充填体内部最大Mises应力y与充填体强度x之间的函数关系式:(3)根据帷幕注浆T26号钻孔岩芯数据和大量的岩芯点载荷强度实验结果,对中关采场矿岩进行质量评价,得出中关铁矿的矿岩稳定性级别可分为不稳定、中等稳定到稳定三级。采用FLAC 3D数值模拟软件分析了矿块宽度为14m、18m、22m、26m,分别按着“隔一采一”和“隔二采一”时(8种组合方案)的采场矿岩应力和位移变化,得出合理的矿块宽度为18m,优先采用隔二采一的回采顺序;并得出了不同的回采顺序时矿柱最大垂直应力和矿房顶板最大竖直位移与矿房宽度的函数关系。隔一采一时,矿柱最大应力y与矿房宽度x的函数关系为:隔一采一时,矿房顶板最大竖直位移与矿房宽度x的函数关系为:隔二采一时,矿柱最大应力y与矿房宽度x的函数关系为:隔二采一时,矿房顶板最大竖直位移与矿房宽度x的函数关系为:通过分析阶段嗣后充填采场中矿柱的受力状态,以及常见的破坏情况和工作状态得出采场失稳机理,并总结出矿柱载荷、宽高比、承载时间和充填体支护作用是影响矿柱受力状态的主要因素。(4)通过分析充填体与采场围岩之间的力学响应特征,得出充填体与采场顶部岩体的作用主要为被动性支护,限制卸压圈内岩体继续产生拉应力变形;充填体与侧向岩体的作用则为主动性支护作用,限制围岩侧向变形;矿体采出后,充填越及时对采场围岩的控制效果越好。在总结分析经典充填体强度设计方法的基础上,提出充填体与围岩动态匹配设计的思想,充填体强度既要满足自立性的要求,又要有足够的强度能够经受剧烈采动的影响。(5)在总结中关铁矿矿床地质和开采技术条件的基础上,分析了金属矿山地表沉陷形成机理和岩层变形破坏过程。采用FLAC 3D数值模拟软件,对中关铁矿采用空场嗣后充填开采时的地表沉陷情况进行预测分析,得出地表变形参数;结合国家颁布的《有色金属采矿设计规范》,可知地表变形在允许范围之内,能够保证地表建(构)筑物的稳定。中关铁矿采用帷幕注浆和充填开采是实现中关铁矿大水下安全开采的关键。


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