一种地下采场胶结充填体强度动态设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及充填法开采领域，尤其涉及大型地下矿床充填法开采的充填体强度设 计。
【背景技术】
[0002] 采矿作业是个动态演化过程，充填体的受力环境复杂多变，且本身是个非线性复 杂多相介质体。充填体与围岩作用关系不仅与采场开采强度、开采深度等因素相关，同时 还与充填体配比和充填质量相关，因此充填体强度选择是个动态匹配设计的过程。充填 体的配比和强度是节约充填成本和保障采场安全作业重点因素之一，特别是一些对充填 体早期强度要求较高的充填采方法；在确定采场充填体强度方面，国外的充填强度值约 为l-2MPa，而国内的有色冶金类矿山作业规范里明确规定，下向充填法的充填体强度须上 5.OMPa以上；对于其它的各种充填采矿方法的充填体强度值的选定，设计院及相关科研单 位通常依据经验推荐充填体强度4-5MPa(金川镍矿选4. 5MPa)，因而致使国内充填体的强 度通常比国外选取的强度值高，直接导致国内矿山充填成本高，目前还没有一个精确、合适 的设计方法来确定采场充填体强度。
[0003] 充填体的三向受力状态往往被研宄人员忽视，认为充填体本身只须满足自立性， 这会影响研宄充填体与围岩作用关系，从而影响充填体强度的选择。由此，根据矿床开采深 度、开采强度及充填质量等多方面对充填体与围岩作用特性影响，将充填体与围岩相互作 用力学模型简化为侧压相同的三维受力问题，设计出不同采矿强度、开采深度条件下的充 填体强度动态确定方法，旨在为矿山设计提供合理指导和依据。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种地下采场胶结充填体强度动态的设计方法。该方法可依 据矿床开采深度、开采强度及充填质量等条件，将充填体与围岩相互作用力学模型简化为 侧压相同的三维受力问题，对采场胶结充填体的强度进行动态设计，且设计出的胶结充填 体的强度即能满足充填体三向受力条件，又能维持自身稳定性。
[0005] 一种地下采场胶结充填体强度动态设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006] (1)根据采场埋藏深度，通过静水压力理论计算出采场充填体顶部受力值和侧向 受力值；
[0007] 所述设计方法的对象是随机的，可依据任何采场的实际埋藏深度计算出充填体顶 部和侧向受力值，根据静水压力理论，由下式计算出采场周边应力状态，
[0008] 充填体顶部受力公式：
[0009] 〇v=yH(1)
[0010] 式⑴中y为采场上覆岩层的密度；
[0011] H为采场的埋藏深度；
[0012] 充填体侧向受力公式：
[0013]
【主权项】
1. 一种地下采场胶结充填体强度动态设计方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 根据采场埋藏深度，通过静水压力理论计算出采场充填体顶部受力值和侧向受力 值； 所述设计方法的对象是随机的，可依据任何采场的实际埋藏深度计算出充填体顶部和 侧向受力值，根据静水压力理论，由下式计算出采场周边应力状态， 充填体顶部受力公式： O V= γΗ (I) 式（1)中γ为采场上覆岩层的密度； H为采场的埋藏深度； 充填体侧向受力公式：
式⑵中λ为构造系数，通常取I. 1~1. 3 ; 其中，所述公式（2)中，以
之比作为充填体侧向受力的修正系数； (2) 将充填体与围岩相互作用力学模型简化为侧压相同的三维受力问题，采场充填体 的破坏遵循Hoek-Brown经验强度破坏准则； Α、对地下采场空区进行充填时，保证充填体与采场周边围岩接触良好，与顶部围岩完 全接顶； Β、将置于地下采场的充填体受力情况进行分解：顶部受到垂直应力，侧向受到相同侧 压大小的水平应力； C、 将力学模型中顶部岩体产生的外界力〇v和侧向压力〇 a分别视为充填体发生破坏 时的最大主应力和最小主应力，并满足以下准则：
式（3)中〇。为充填体单轴抗压强度； m，s为无量纲参数，代表充填体的完整性，与充填颗粒类型、摩擦角、充填质量以及开采 强度有关，通常s = 0~(λ 9, m = (λ 0001~25. 0。 D、 当采场开采强度一定时，开采扰动对引起围岩能量变化是一定的，充填体的作用只 需提供足够弥补开采产生的形变能就能保持围岩的稳定。 (3) 根据不同条件的充填采场对胶结充填体的质量要求，确定胶结充填体的完整性指 标； Α、对充填体质量等级划分； Β、根据采场充填采矿方法类型赋予现场所需充填体的完整性指标； (4) 将满足在特定充填质量要求下的胶结充填体强度值与同时满足采场充填体自立要 求时的强度值对比，取二者间最大值。 Α、将确定好的指标代入式（3)中进行充填体强度计算。 Β、地下采场充填体亦须满足其自立性要求，计算公式如下： (4)
式中〇d作用在充填体底部的垂直应力； h充填体的高度； w充填体的宽度； P充填体容重。 C、选择两种方法计算得到的最大值，此值即为采场充填体所需的最佳值。
2. 根据权利要求1所述的一种地下采场胶结充填体强度动态设计方法，其特征在于： 所述步骤（1)的核心是通过静水压力理论明确充填体顶部受力和侧向受力，实现充填体实 际受力状态的规范化；确定了充填体的受力状况与采场的埋深存在联系。
3. 根据权利要求1所述的一种地下采场胶结充填体强度动态设计方法，其特征在于： 所述步骤（2)的核心是要求胶结充填体的破坏遵循Hoek-Brown经验强度破坏准则。
4. 根据权利要求1所述的一种地下采场胶结充填体强度动态设计方法，其特征在于： 所述步骤（3)可以根据针对不同的充填法类型对充填体的要求，赋予充填体的完整性指 标；不同的充填体完整性指标，体现的充填体强度值不同，充填质量越好，即充填体越完整， 所需的充填体的强度值也越小。
5. 根据权利要求1所述的一种地下采场胶结充填体强度动态设计方法，其特征在于： 所述步骤（4)的核心是设计的充填体动态强度必须满足以下两条件：准则一是要满足充填 体自身稳定性要求；准则二是满足多因素条件下的三向应力强度准则，并取二者间的最大 值。
【专利摘要】本发明公开一种地下采场胶结充填体强度动态设计方法，属充填法开采领域。该设计方法包括以下步骤：(1)根据采场埋藏深度，通过静水压力理论计算出采场充填体顶部受力值和侧向受力值；(2)将充填体与围岩相互作用力学模型简化为侧压相同的三维受力问题，采场充填体的破坏遵循Hoek-Brown经验强度破坏准则；(3)根据不同条件的充填采场对胶结充填体的质量要求，确定胶结充填体的完整性指标；(4)将满足在特定充填质量要求下的胶结充填体强度值与同时满足采场充填体自立要求时的强度值对比，取二者间最大值。本发明的特点是既考虑了实际采场的胶结充填体顶部受力状况及现场充填质量，又能适应采场尺寸变化对胶结充填体的强度值进行动态设计。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104750940
【申请号】CN201510166900
【发明人】徐文彬
【申请人】中国矿业大学(北京)
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年4月10日