1、LOGO 嗣后充填充填料室内试嗣后充填充填料室内试验与验与1ppt前言 采空区破坏机理研究采空区破坏机理研究充填配比优化及作用机理充填配比优化及作用机理空区与充填体匹配研究空区与充填体匹配研究1 1.2 2.3 3.4 4.Central South University1ppt1 1、前言前言20192019年年0505月月，甘肃山丹吴涛煤矿透水事故，该矿在采煤过程中与周边矿井老采空区，甘肃山丹吴涛煤矿透水事故，该矿在采煤过程中与周边矿井老采空区 贯通，导致老空区积水涌入矿井；贯通，导致老空区积水涌入矿井；20192019年年0606月月，湖北鹏凌矿业一铜矿发生特大透水事故，湖北鹏凌矿业一铜
2、矿发生特大透水事故，1111人遇难人遇难20192019年年1010月月，四川雅安宇通石材公司矿山坍塌事故，四川雅安宇通石材公司矿山坍塌事故，1313人死亡，人死亡，9 9人受伤人受伤20192019年年1111月月，河北邢台石膏矿空区坍塌，河北邢台石膏矿空区坍塌，3636人死亡，人死亡，3333人受伤人受伤20192019年年1212月月，吉林省长春市长岭煤矿采空区透水，吉林省长春市长岭煤矿采空区透水，6 6人受伤人受伤20192019年年0808月月，湖南石门县蒙泉镇天子岗村天德石膏矿老采空区突然发生大面积，湖南石门县蒙泉镇天子岗村天德石膏矿老采空区突然发生大面积 整体垮塌，共有整体垮塌，
3、共有6 6人遇难，另有人遇难，另有4 4人下落不明人下落不明20192019年年0303月月，辽宁抚顺矿业集团公司老虎台煤矿发生特大透水事故，造成，辽宁抚顺矿业集团公司老虎台煤矿发生特大透水事故，造成2222人死亡、人死亡、7 7人下落不明人下落不明20192019年年0606月月，造成死伤的造成死伤的“余杭矿难余杭矿难”原因采空区未经处理形成蓄原因采空区未经处理形成蓄 水空间，在强降雨气候条件下，大量雨水渗入矿洞引发透水事件水空间，在强降雨气候条件下，大量雨水渗入矿洞引发透水事件采用空场法开采后遗留下大量的空区，空区的存在给矿山的安全生产带了隐患。采用空场法开采后遗留下大量的空区，空区的存在
4、给矿山的安全生产带了隐患。空空区区危危害害1ppt1 1）原岩应力高原岩应力高，岩石的应变能高度聚集，并在瞬间成爆炸性释放，其破坏，岩石的应变能高度聚集，并在瞬间成爆炸性释放，其破坏性极为剧烈，并可能导致地震活动，因此充填体的主要功能将是阻止或减性极为剧烈，并可能导致地震活动，因此充填体的主要功能将是阻止或减缓这种能量瞬间的释放，缓这种能量瞬间的释放，这就对充填体强度和质量有更高的要求这就对充填体强度和质量有更高的要求；）深井开采，充填倍线小（深井开采，充填倍线小（1 13 3），这为输送高浓度浆体、提高充填体），这为输送高浓度浆体、提高充填体质量创造了必要条件。质量创造了必要条件。因此，研究
5、高浓度浆体管道输送特性，根据充填料因此，研究高浓度浆体管道输送特性，根据充填料浆特性，分析料浆制备与输送系统的适应性，是实现高浓度充填料输送，浆特性，分析料浆制备与输送系统的适应性，是实现高浓度充填料输送，提高充填体强度的关键之一；提高充填体强度的关键之一；）为了实现高浓度充填浆体的自流管道输送，必须研究深井两相流输送为了实现高浓度充填浆体的自流管道输送，必须研究深井两相流输送技术，技术，即料浆特性、料浆配合比、密度、粘度等高浓度浆体管输特性对临即料浆特性、料浆配合比、密度、粘度等高浓度浆体管输特性对临界流速的影响及相应的管道水力参数的计算界流速的影响及相应的管道水力参数的计算；1ppt）研究
6、高压流动浆体对管道的动力磨损机理，实现对深井管道磨损程度研究高压流动浆体对管道的动力磨损机理，实现对深井管道磨损程度的预测的预测，合理采用降低管道磨损的技术对策，对延长管道的服务年限，降，合理采用降低管道磨损的技术对策，对延长管道的服务年限，降低成本同样十分重要。低成本同样十分重要。）深井管输系统深井管输系统，由于地表与井下高差大、充填倍线小、料浆在输送过，由于地表与井下高差大、充填倍线小、料浆在输送过程中，流速大，将对管道形成较高的压力，因此必须解决系统减压问题，程中，流速大，将对管道形成较高的压力，因此必须解决系统减压问题，否则将严重影响到管输系统的安全运行；否则将严重影响到管输系统的安全
7、运行；）深井自流管输系统由于料浆运行速度高深井自流管输系统由于料浆运行速度高，将对管道垂直段产生严重的，将对管道垂直段产生严重的冲击磨损，因此研究满管流输送技术，实现深井充填系统满管流输送，降冲击磨损，因此研究满管流输送技术，实现深井充填系统满管流输送，降低冲击磨损具有非常重要的工程意义；低冲击磨损具有非常重要的工程意义；1ppt(1)(1)采空区稳定性分析采空区稳定性分析非煤矿山大量的事故表明空区治理应该引起人们的注意，由于空区的存在，给矿山安全生产带来了隐患。理论分析和数值模拟理论分析和数值模拟两个方面出发，综合评定采空区稳定性。(2)(2)不同配比尾砂胶结充填体破坏模型与最佳充填体强度优
8、化设计不同配比尾砂胶结充填体破坏模型与最佳充填体强度优化设计选择合适的充填材料，实现高质量充填对深部高阶段采矿具有重要的意义。为此，有必要探讨充填体强度的影响因素影响因素，对充填体强度进行优化设计优化设计，提高胶结充填体强度，实现高质量充填。(3)(3)高阶段分层充填体力学模型高阶段分层充填体力学模型及与深部岩体的匹配分析及与深部岩体的匹配分析探讨充填体与岩体的合理匹配充填体与岩体的合理匹配，为充填设计提供理论指导。从另个方面探讨充填体的优选。本文本文的研究内容的研究内容1ppt 采空区破坏机理研究采空区破坏机理研究1ppt2.12.1 空区稳定性分析方法空区稳定性分析方法成拱分析法成拱分析法
9、依据地质条件、工程实例及经验判断依据地质条件、工程实例及经验判断结构力学分析法结构力学分析法顶板坍塌自行堵塞估算法顶板坍塌自行堵塞估算法荷载传递线交汇法荷载传递线交汇法数值计算法数值计算法弹性理论应力分析空区弹性理论应力分析空区 空空区区稳稳定定性性主主要要分分析析方方法法岩土工程手册岩土工程手册中所采用的方法中所采用的方法 UDEC、3DECFlacAnsys定性评价定性评价半定量评价半定量评价1ppta 空区顶板稳定性的理论分析空区顶板稳定性的理论分析 空区顶板的稳定性分析空区顶板的稳定性分析空区水平顶板看做是两端固空区水平顶板看做是两端固定的梁，岩梁的自身重量作定的梁，岩梁的自身重量作为
10、载荷，由此计算岩梁的最为载荷，由此计算岩梁的最大拉应力大拉应力简化成两端固定梁简化成两端固定梁22mLd拱形顶板空区的稳定性分析拱形顶板空区的稳定性分析拱形空区在顶板内形成破裂拱，假定拱形空区在顶板内形成破裂拱，假定拱在垂直面上成抛物线形状并沿其中拱在垂直面上成抛物线形状并沿其中心轴线对称，由此计算顶板底脚最大心轴线对称，由此计算顶板底脚最大压 应 力 和 中 心 最 大 拉 应 力压 应 力 和 中 心 最 大 拉 应 力破裂拱中心线及坐标系破裂拱中心线及坐标系22max022cos()lim2sinxzqxAtnxbztAtnxbmax()22 sinqbztAtnb拱形空区顶板破裂拱拱形
11、空区顶板破裂拱1pptZ方向应力云图方向应力云图 Z方向位移云图方向位移云图 最大位移出现在空区上边界，最大位移出现在空区上边界，初始平衡状态下围岩最大位初始平衡状态下围岩最大位移量约为移量约为0.086m，最大位移，最大位移发 生 在 顶 板 上 方 围 岩 处发 生 在 顶 板 上 方 围 岩 处空区的存在使空区围岩发生应力的重新分布，空区的存在使空区围岩发生应力的重新分布，空区正上方围岩和顶板底部出现较大的拉应空区正上方围岩和顶板底部出现较大的拉应力，空区边界由于应力集中产生较大的压应力，空区边界由于应力集中产生较大的压应力。力。b 采空区数值模拟分析分析采空区数值模拟分析分析 对空区真
12、实准确的反映，最理想的方法就是数值建模对空区真实准确的反映，最理想的方法就是数值建模，为合理的矿山空区灾害治理提供依据，具体实施步骤：先用先用SurpacSurpac软件对空区地表、地下矿体及地下空区群进行三维可视化建模；其后其后，以Surpac软件中建立模型为基础，可以应用前处理功能较强的MIDASMIDAS软件或软件或FLAC-3DFLAC-3D软件软件建立矿区的有限元数值计算模型，并结合地质资料及岩石力学参数，对模型施加边界约束后进行数值计算，从而获得地下采空区围岩的应力、应变值及位移值等；最后对空区稳定性进行评估空区稳定性进行评估。1ppt2.2 2.2 采空区失稳评判采空区失稳评判对
13、关键矿柱及顶板进行应力、位移和声发射实时监控对关键矿柱及顶板进行应力、位移和声发射实时监控关键矿柱示意图关键矿柱示意图深基点位移测站深基点位移测站 用来监控岩体的变化情况的设备主要是用声发射仪，可以通过他绘制岩石的各种特征，以达到监测岩石的变化情况，大宝山铜矿用的就是这种设备，与电脑连起来的，从电脑上可以清楚的知道地下每个地方的岩石情况。空区稳定性时序分析，时序分析就分析空区随着时间的位移、应力的变化，稳定性也会随着变化，将监测到得结果建立数据库，利用突变理论分析空区的稳定性。1pptabcde矿柱破坏概率矿柱破坏概率cSdokp系统失稳与否系统失稳与否213141683nnnnpppp 运用
14、重整化群方法，从系统的角度对空区群稳定性问题进行整体稳定运用重整化群方法，从系统的角度对空区群稳定性问题进行整体稳定性研究，给出空区矿柱系统整体失稳临界概率，为多空区矿山安全评判及性研究，给出空区矿柱系统整体失稳临界概率，为多空区矿山安全评判及其开采布置方式选择提供理论指导方法其开采布置方式选择提供理论指导方法 对空区群系统进行整体稳定性评判对空区群系统进行整体稳定性评判1ppt充填法充填法 充填法即利用地表中露天剥离的废石或选矿尾砂，建立充填充填法即利用地表中露天剥离的废石或选矿尾砂，建立充填系统，然后通过至采空区的钻孔或天井将块石（尾砂）自流充填系统，然后通过至采空区的钻孔或天井将块石（尾
15、砂）自流充填至井下采空区。充填法用于采空区处理，具有效果好、见效快、至井下采空区。充填法用于采空区处理，具有效果好、见效快、充填密实等优点。但充填法存在施工难度大，成本高，作业安全充填密实等优点。但充填法存在施工难度大，成本高，作业安全性差等缺点，更重要的是严重影响露天矿下步的开采，容易造成性差等缺点，更重要的是严重影响露天矿下步的开采，容易造成矿石的大量贫化与损失矿石的大量贫化与损失2.3 2.3 采空区处理采空区处理 封、堵、充、崩封、堵、充、崩井下强制崩落法井下强制崩落法 井下崩落矿柱方案，是指在原有的采空区中，在矿柱的适当井下崩落矿柱方案，是指在原有的采空区中，在矿柱的适当位置开凿凿岩
16、硐室或利用原有巷道，在矿柱中钻凿深孔爆破处理位置开凿凿岩硐室或利用原有巷道，在矿柱中钻凿深孔爆破处理采空区，对于老采空区，井下大部分巷道与矿柱都会遭到不同程采空区，对于老采空区，井下大部分巷道与矿柱都会遭到不同程度的破坏，安全条件极差，虽然技术可行，但施工存在很大难度度的破坏，安全条件极差，虽然技术可行，但施工存在很大难度1ppt充填配比优化及作用机理充填配比优化及作用机理1ppt 影响影响尾砂胶结充填体强度的因素尾砂胶结充填体强度的因素有：有：胶结剂种类与其加入量胶结剂种类与其加入量、充充填料浆浓度填料浆浓度、尾砂级配组成尾砂级配组成、搅拌时间搅拌时间、养护龄期养护龄期、养护环境养护环境及及
17、尾砂化尾砂化学成份学成份等。矿山实践证明采场充填在等。矿山实践证明采场充填在控制采区地压控制采区地压、防止地表沉降与塌防止地表沉降与塌陷陷、预防深井岩爆灾害预防深井岩爆灾害、提高矿石回收率提高矿石回收率、降低贫化率降低贫化率等方面具有显著等方面具有显著的作用，但对于充填体力学作用机理，迄今尚无共识。的作用，但对于充填体力学作用机理，迄今尚无共识。3.1 3.1 充填体强度的影响因素充填体强度的影响因素图1-2 不同浓度尾砂充填体强度不同浓度尾砂充填体强度 图11 尾胶料中添加水淬炉渣养护强度曲线 12345616%12%8%12%8%抗压强度/MPa养 护 时 间 /d024682856112
18、189无 炉 渣尾胶料中添加水淬炉渣养护强度曲线 1ppt 运用正交实验原理，基于配比(水泥与尾砂的重量比)为1：4、1：8、1：10和1：12的充填体在矿山比较常用，浓度为6075%(与安庆铜矿采场充填浓度一致)。所配制的试块在20标准恒温养护室养护，28天后，在MTS刚性压力机上进行了充填体试块单轴抗压试验，在DSS10T伺服控制试验机上进行了充填体试块抗拉试验。试验前将试件上下端磨平，使其平行度符合规范与要求。按照贴应变片要求，将电阻应变片用粘胶剂贴在试件的轴向和环向上(各一片)。采用YJ5型静态电阻应变仪测试试块应变，得到试块抗压应力应变关系曲线。3.2 3.2 充填体力学参数试验充填
19、体力学参数试验1ppt图2-1 尾砂胶结充填体细观结构示意图 损伤力学或连续介质损伤力学损伤力学或连续介质损伤力学（Continum Damage Mechanics-CDMContinum Damage Mechanics-CDM），主），主要研究材料内部微观缺陷的产生和发展所引起的宏观力学效应及最终导致材料要研究材料内部微观缺陷的产生和发展所引起的宏观力学效应及最终导致材料破坏的过程和规律。破坏的过程和规律。KachanovKachanov于于19581958年首次提出年首次提出“连续性因子连续性因子”和和“有效应力有效应力”的概念，的概念，AbotnovAbotnov在在19631963
20、年进一步引进了年进一步引进了“损伤因子损伤因子”的概念。直到的概念。直到19761976年损年损伤力学被伤力学被DougillDougill引入岩石力学领域，在上世纪引入岩石力学领域，在上世纪8080年代初年代初DrogenDrogen和和KrajcinovicKrajcinovic等人在岩石连续损伤和脆性材料损伤本构关系等方面作了大量的研究。可以根等人在岩石连续损伤和脆性材料损伤本构关系等方面作了大量的研究。可以根据损伤力学建立充填体本构方程。据损伤力学建立充填体本构方程。微 孔 隙(或 气 泡)微 裂 纹尾 砂 骨 料水 泥 凝 胶尾砂胶结充填体细观结构示意图 尾砂胶结充填体可看成是尾砂胶
21、结充填体可看成是非均质但非均质但却连续的损伤介质却连续的损伤介质。按照复合材料力学。按照复合材料力学方法，尾砂胶结充填体可看成是三相复方法，尾砂胶结充填体可看成是三相复合材料，第一相为尾砂骨料和水泥凝胶合材料，第一相为尾砂骨料和水泥凝胶(固相固相)，第二相为毛细水，第二相为毛细水(液相液相)，第三，第三相为空气相为空气(气相气相)。尾砂胶结充填体独特。尾砂胶结充填体独特的材料组成，决定了它复杂的力学特性。的材料组成，决定了它复杂的力学特性。3.3 3.3 充填体理论研究充填体理论研究1ppt 1）控制参数）控制参数-能量耗散的空间速率能量耗散的空间速率EERR和平均矿柱应力和平均矿柱应力 充填
22、配合函数充填配合函数 充填质量因数充填质量因数 2）充填配合函数）充填配合函数胶结充填料胶结充填料baf充填体应力充填体应力 特性应力系数特性应力系数 临界应变值临界应变值 充填体应变充填体应变 非胶结充填料非胶结充填料)0()(2ttab且最初表现显著的充填体最初表现显著的充填体承载时的瞬间应变承载时的瞬间应变 1ppt3）充填质量因数）充填质量因数M M=EERR(充填充填)/EERR(不不充填充填)胶结充填料：胶结充填料：M0.25非胶结充填料：非胶结充填料：M0.35 01dM1ppt空区与充填体匹配研究空区与充填体匹配研究1pptABCDL1HLLb101p1p2p2p围 岩 移 动
23、 角 充填体上部与两侧受力分析 底部按围岩移动角划分岩体与充填体力学作用范围，上部按自底部按围岩移动角划分岩体与充填体力学作用范围，上部按自然平衡拱划定岩体与充填体力学作用区域。根据上述分析，充然平衡拱划定岩体与充填体力学作用区域。根据上述分析，充填体两侧承受来自移动角范围内的围岩侧压力，上部承受自然填体两侧承受来自移动角范围内的围岩侧压力，上部承受自然平衡拱内矿岩自重压应力平衡拱内矿岩自重压应力顶 板 围 岩胶砂砂砂砂砂填充结非结填填充结充胶胶非填填结充胶结充胶尾 尾 尾 尾尾尾砂非胶结充填砂填结充胶尾砂 砂 砂结结填填充填充结胶充胶非胶非尾尾尾矿 柱矿 房矿 柱矿 柱矿 房矿 房矿 柱矿
24、柱矿 房矿 柱矿 房1ppt 深部岩体在未采动以前存在高地应力，矿石被挖走后，围岩卸载而释放能量。开挖的采空区被充填后，围岩变形压缩充填体，充填体产生抗反力，抑制围岩变形，同时充填体内蓄积应变能。因此，可从能量的角度探讨充填体稳定性，并分析充填体与深部岩体的合理匹配。基于岩体的刚度与弹性模量比充填体高，岩体采用线弹性模型，充填体采用前面建立的损伤本构模型。考虑高阶段采矿过程中，充填体至少一侧暴露，考虑最危险的情况并对模型加以简化，即分析一维的情形。04.1 4.1 充填匹配理论分析充填匹配理论分析1ppt000ErUpppU岩体能量释放分析 充填体变形能量分析 1ppt4.2 4.2 充填匹配数值模拟充填匹配数值模拟 根据充填根据充填试验得出的充试验得出的充填体有关力学填体有关力学参数，模拟空参数，模拟空区为充填、空区为充填、空区充填（不同区充填（不同的充填）稳定的充填）稳定性分析，在考性分析，在考虑成本条件下，虑成本条件下，得出最佳的得出最佳的空空区充填匹配区充填匹配。LOGO
