急倾斜矿体覆岩放矿钢丝绳-混凝土柔性假顶作用机理研究

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覆岩下放矿的主要特征是大量崩落的废石与矿石直接接触,因而回采矿石的损失和贫化较大,实践证明,人工假顶能够较好的起到隔离废石的作用,但在大量崩落矿岩的崩落法中应用较少,同时对覆岩下放矿假顶的作用机理还缺乏进一步的试验与理论研究。本文在总结和分析大量文献的基础上,结合金属网柔性假顶与钢筋混凝土刚性假顶的作用特点,针对急倾斜矿体覆岩下放矿提出了钢丝绳-混凝土柔性假顶,假顶由钢丝绳(大网格)、钢筋网(小网格)和混凝土组成,拟在矿块最上分层切顶全面铺设假顶并形成覆盖层,然后在假顶下方大量崩落矿石,假顶四周边界无固定,在放矿过程中随矿岩界面逐渐下移和产生相应的变形,实现矿废隔离的放矿方式。假顶允许混凝土断裂成块状结构,利用钢丝绳和钢筋网的抗拉强度承担荷载,假顶呈现“局部刚性,整体柔性”的变形特性。本文针对钢丝绳-混凝土柔性假顶在放矿过程中的作用机理开展研究,首先在理论上建立了钢丝绳-混凝土柔性假顶的简化力学模型并分析其变形特性条件;其次通过室内放矿相似模拟试验展现钢丝绳-混凝土柔性假顶的作用过程;然后结合数值模拟分析了钢丝绳-混凝土柔性假顶在放矿过程中的受力状态并进行了对比分析。本文主要内容总结如下:1、针对急倾斜矿体覆岩下放矿提出了钢丝绳-混凝土柔性假顶的概念并阐述了作用形式,其具有以下特点:①允许混凝土在合力作用点破坏成若干块状结构;②利用钢筋网与混凝土的粘结作用,破坏后的混凝土块体仍然连接成一个整体;③充分利用钢丝绳和钢筋网的抗拉强度来承担荷载的作用;④钢丝绳一混凝土柔性假顶的“柔性”作用是相对的概念,并不是假顶材料为柔性,而是指混凝土破坏后假顶产生大变形的状态。2、基于土拱理论、土条理论、材料力学、结构力学以及弹性力学建立了假顶简化力学模型并分析了假顶“局部刚性,整体柔性”变形特性的验算条件,结合放矿相似模拟试验对假顶的变形特性进行了验证,结果显示假顶整体强度达到变形条件时可实现“局部刚性,整体柔性”。3、带柔性假顶单斗放矿的矿石放出量是废石覆盖层单斗放矿的4.4倍,多斗放矿矿石总体回收率提高了20%左右,带柔性假顶放矿对提高矿石的回收率具有明显的效果。单斗放矿假顶的最大下移量与放出量呈现良好的线性关系:S1=0.004560Qf,平均挠度与矿石放出量具有良好的对数关系:D=46.94ln(Qf)-397;多斗放矿假顶下移量与放出量也呈现良好的线性关系:SM=0.00406Qf。4、单斗放矿假顶的最大压力等效高度为废石层厚度的44.4%;多斗放矿假顶端部压力等效高度为废石层厚度的60%,中部的最大压力等效高度为废石层厚度的20%。总之,假顶的动态压力小于静态压力,有利于保持假顶的完整性。5、利用颗粒流程序对矿岩散体的流动规律及柔性假顶的受力状态进行了分析。①在矿体倾斜方向上,矿石颗粒运动轨迹平行于上下盘边界,假顶的运动轨迹、速度矢量和位移矢量与矿岩散体颗粒的运动轨迹方向一致,假顶与矿岩散体耦合运动;②放矿过程中假顶竖向应力总体上在一定范围内波动保持相对平稳;在横向受力方面,随着放矿的进行假顶受压区逐渐减小,放矿结束时假顶整体受拉,假顶最大拉力出现在与矿岩散体接触的区段而并非发生挠曲变形程度最大的悬空段;③假顶在下移过程中的拉力小于放矿结束时的拉力、多斗放矿假顶拉力小于单斗放矿。本文研究建立了急倾斜矿体覆岩下放矿钢丝绳-混凝土柔性假顶的力学模型及其变形特性的验算方法,有助于了解覆岩下放矿钢丝绳-混凝土柔性假顶的作用机理,为钢丝绳-混凝土柔性假顶的应用提供一定的理论指导。
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