随着绿色开采技术的发展,以及国家固体非能源矿产"三率"评价标准的推行,充填采矿法必将得到广泛的应用。盘区机械化连续开采、安全高效、低成本及低贫损是充填采矿技术的核心研究主题。两步骤的空场嗣后充填法是开采矿石围岩中等稳固、中厚及以上矿体的主体采矿方法。该法分两步骤回采,矿柱胶结充填,矿房非胶结充填。为最大限度提高矿石回收率,该法已发展为无矿柱连续开采模式。稳定的胶结充填体形成的支撑框架是回采矿房的安全保障。如何科学合理地确定胶结体强度是空场嗣后充填法的关键,也关系到降低充填成本的现实要求。当前,缺乏对该类胶结充填体所需强度的系统研究,其强度设计大多采用经验类比法等,往往造成充填体强度与工程实际要求不符。有的矿山因充填体强度不足发生充填体崩塌,有的矿山则因充填体强度过高而造成充填成本居高不下影响效益,可见科学合理的胶结体强度,直接影响到矿体安全、高效开采及矿石开采率指标。因此,有必要根据两步骤空场嗣后充填法的工艺特点,基于充填体的受力状态,建立胶结充填体的强度模型,这对深化充填采矿理论研究和指导矿山生产实践都具有重要意义。本文通过分析两步骤空场嗣后充填法开采步骤的变化对胶结充填体受力状态的影响,结合充填体作用机理的研究现状,认为胶结充填体的力学作用主要表现为改善顶板岩体受力状态支撑顶板破碎岩体、为侧帮卸载岩块的滑移趋势提供侧限压力、抵抗采场闭合和限制尾砂流动,基于胶结充填体为"自立性人工矿柱"特点开展建模及研究工作。研究方法及成果如下:(1)通过对大红山铜矿空场顶板跨落实测结果的统计分析,建立了平衡拱高度与采场结构尺寸、围岩稳定性的关系。将采场顶板平衡拱与胶结充填体接触部分对应拱顶石重力视为岩层作用于胶结充填体顶部的压力,确定了胶结充填体顶部压力的计算方法。(2)以滑移角确定采场围岩片帮范围,指出侧帮围岩滑移面上抗滑阻力与胶结充填体作用力共同保持具有滑移趋势的三维楔形体稳定,采用楔体滑动理论建立了采场侧帮滑移块体的极限平衡状态方程,并推导了采场侧帮对胶结体的压力。(3)根据尾砂三联杆高压固结实验结果,分析得出尾砂密度随压力的变化关系满足幂函数特征。通过分析自重条件下采场内任意高度尾砂微元体的平衡条件,建立了大体积尾砂充填体自压密规律(即尾砂密度随高度的变化关系)。采用Fluent模拟采场内尾砂密度的分布状态,结果表明,相同高度条件下数值模拟结果与模型计算结果密度最大差值为0.062t/m3,最小差值为0.001t/m3,平均密度相差0.011t/m3,结果高度吻合。(4)采用莫尔-库仑准则及楔体滑动理论,分析胶结体和尾砂充填体接触面上尾砂单元体极限应力状态以及尾砂三维楔形体的极限平衡状态,结合尾砂自压密规律,分别建立了尾砂充填体对胶结体侧压力的计算方法,两种分析方法虽然不同,但却能推导出相同的结果。(5)综合以上研究内容,建立了两步骤空场嗣后胶结充填体最不利状态下(一侧临空、一侧受非胶结尾砂侧压力条件下)的强度模型,包括内聚力计算模型、抗压强度计算模型和抗剪强度计算模型。模型充分考虑了胶结充填体结构尺寸、顶板松散岩体重力、围岩作用力、胶结充填体与围岩之间的接触条件以及尾砂充填体对胶结体侧压力等因素,更符合采场实际情况。(6)采用FLAC 3D建立了大红山铜矿385中段48-54线区段的数值模型,根据空场嗣后胶结体强度模型计算结果(强度随高度的变化关系),对区段内胶结矿柱分层赋值强度参数。根据试块强度实验和应力应变实验结果,选择胶结矿柱分层变形参数。选用Model morh(本构模型为莫尔-库仑模型)进行计算。结果表明,385中段48-54线区段内胶结矿柱按设计的强度参数及分层充填方式条件下,在区段回采过程中均能保持稳定。(7)本文研究成果应用于大红山铜矿48-54线区段大盘区空场嗣后充填连续开采的生产实践。经矿山统计,共采出矿石2238919t,平均品位0.45%,贫化率10.03%,回收率87.5%,盘区生产能力达2487t/d。区段内胶结矿柱服务至整个区段回采结束未发生大规模垮塌。工业应用证明,依据本文建立的胶结充填体强度模型设计的充填体强度及配合比符合大红山铜矿生产实践要求。论文研究成果对深化充填采矿理论研究具有重要意义,对相似矿山具有较高的应用和推广价值。