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伴随着采矿技术的发展,充填采矿法作为一种新的技术手段在国内外矿山广泛使用。充填采矿法日益成熟的同时,充填体稳定性问题也逐渐受到国内外学者的关注。目前充填体稳定性方面研究成果多基于理论分析和数值模拟方法,结合矿山实际开采现状和地表变形特征来分析充填体稳定性的理论还很不成熟。 本文研究对象为金川镍矿的主力矿山一金川二矿区,该区域矿山工程地质条件复杂,断层及软弱结构面发育,构造活动剧烈,岩体破碎严重,工程岩体稳定性问题非常突出。因此,影响充填体稳定性的地质因素极其复杂,增加了论文课题的研究难度。通过收集地质资料、工程地质调查、地表岩移GPS监测、理论分析、计算机数值模拟等手段和方法,分析金川二矿区充填体稳定性及其相关的影响因素。 金川二矿区充填体主要由尾砂、戈壁砂、棒磨砂组成,室内粒度测定结果显示金川二矿区充填材料不均匀系数大于5,具有良好的级配特征,有助于优化充填体内部结构,提高力学强度。除了颗粒级配,充填体料浆的浓度及配比对其强度具有显著影响。为了确定合适的充填体料浆浓度及配比,需同时考虑充填体料浆的流动性。料浆浓度越高,充填体强度越大,流动性越差。试验表明,充填体料浆浓度为79%时,即具备较好的流动性,强度指标也达到矿区对充填体各龄期强度要求。充填体料浆充入采空区,其力学性质受复杂工程地质条件影响而发生改变。从深部采取老充填体样品抗压强度为5.09MPa,抗拉强度为0.61MPa,远小于28龄期充填体强度,在充填体稳定性分析中,选取老充填体力学参数为参照指标。 根据岩石力学理论,矿区地表岩体移动特征与充填体稳定性分析密切相关。对比分析金川二矿区H行监测点(平行于矿体走向)和14行监测点(垂直于矿体走向)沉降量,表明地裂缝存在对地表变形存在明显的控制作用。以地裂缝为界,靠近矿体一侧地表岩体移动变形远大于远离矿体一侧。因此,可以假设地裂缝与矿体连线作为充填体稳定性分析的滑移面。 应用理论方法分析充填体稳定性的前提条件是存在明确的滑移面。前人许多优秀的研究成果基于考虑充填体与围岩接触面即为滑移面,但将接触面作为滑移面分析充填体稳定性缺少数据支持。在本论文中,根据金川二矿区地表变形特征假设滑移面与矿体(充填体存在一定夹角),进而解析得到充填体内部竖向应力微分表达式。 考虑到工程地质条件的复杂性,采用解析法分析充填体稳定性几乎不可能。数值模拟方法因其强大功能受到国内外学者的关注。在本论文中,根据金川二矿区特征剖面(14行剖面),建立数值简化模型,采用金川二矿区实际采矿中的双中段开采法回采矿体。监测充填体地板最大主应力和最小主应力,并绘制莫尔圆,应用摩尔-库伦破坏准则判定充填体是否发生破坏及可能的破坏位置。模拟结果表明,对于双中段开采的上部采空区,充填体发生变形破坏的可能位置位于两侧角点;对于开采的下部采空区,变形破坏位置稍有扩大,但也集中在两侧角点附近。 影响充填体稳定性因素很多,本论文中主要探究矿体倾角、几何形态及开采方式对其影响。数值模拟结果表明,矿体倾角不仅影响最大位移值大小,同时对最大位移所在位置也有影响,最大位移位置与矿体倾角呈线性相关关系。相比于矿体倾角,矿体几何形态对充填体位移场影响更大,在实际矿山开采中应重点关注矿体几何形态。 为了提高采矿量,金川二矿区采用双中段开采代替单中段开采。据现场调查,14行附近盘区开采位于1058m分段五分层和978m分段五分层。针对金川二矿区特殊的双中段开采,应用数值模拟方法对比分析单、双中段开采充填体位移和应力场变化。双中段开采可以有效减缓上部采空区的应力集中,有利于上部充填体稳定;但会造成下一中段充填体的应力集中加剧。