[发明专利]一种高阶段胶结充填体强度优化配置方法及应用

说明书

本发明涉及一种高阶段胶结充填体强度优化配置方法及应用，包括有以下步骤：基于极限平衡理论，综合考虑胶结充填体自身力学特征、上下盘围岩与二步骤非胶结充填体力学作用、顶板荷载及分层结构面等多因素的影响，建立单侧揭露三侧受压的分层结构胶结充填体强度模型；分析各因素对需求强度的影响；计算出合适的需求强度；本发明的特点是既考虑了实际采场胶结充填体的受力状况及分层结构面，又能适用于采场尺寸的变化，并在此基础上进行了强度与结构优化，提出了充填成本控制对策。

技术领域

本发明涉及采矿工艺技术领域，尤其是一种高阶段胶结充填体强度优化配置方法及应用。

背景技术

阶段嗣后充填采矿法以其高效、环保等方面的显著优势，正被越来越多矿山所采用。该方法分为两步骤回采，第一步回采矿房，然后采用尾砂胶结充填充填采空区，形成具有一定强度的人工矿柱，使人工矿柱起到支撑采场安全回采的作用，第二步回采相邻矿柱，然后进行非胶结充填。在进行高阶段大尺寸采空区充填时，一次性完成整个空区的充填将会造成底部充填挡墙承受压力过大，存在一定安全隐患；且大多数矿山由于充填站无法实现连续制浆导致难以一次性完成大体积空区充填，通常会采用分层充填，即先在其底部采用高灰砂比料浆充填，再进行中间层充填，最后采用高灰砂比进行顶部充填，最终形成分层胶结充填体结构。

在回采过程中，胶结充填体的稳定决定着整个采场的安全回采。针对完整胶结充填体的研究相对成熟，而针对“分层胶结充填体”的研究相对滞后，如果在充填采矿作业中顶、中、底三层均选择强度较高的胶结充填体，会导致充填成本过高，直接影响矿山的经济效益，若采用强度较低的胶结充填体，则可能影响回采作业安全。因此，需要建立一种科学合理的高阶段分层胶结充填体的强度优化配置方法，保证充填体稳定性，为井下人员和设备提供安全可靠作业环境的同时经济成本最优。

发明内容

本发明的目的就是针对上述情况，提供一种高阶段胶结充填体强度优化配置方法及应用，本发明构建了单侧揭露三侧受压的分层结构胶结充填体三维强度模型，比较了多种情况下的胶结充填体稳定性并对其相关的性能指标进行了分析，在此基础上进行了强度与结构优化，提出了充填成本控制对策。

本发明的具体方案是：一种高阶段胶结充填体强度优化配置方法，包括有以下步骤：

S1：进行单侧揭露三侧受压的分层结构胶结充填体三维强度模型构建：

基于Mohr-Coulomb强度准则，考虑胶结充填体结构特性、顶部超载、右侧压、侧壁摩擦力因素，建立胶结充填体大深宽比条件下的三维强度模型；

S2：进行分层胶结充填体受压破坏面分析：

根据建立的三维强度模型，分析不同宽度D的胶结充填体，受压破坏面会出现三种不同的情况，即受压破坏面完全位于底部分层、受压破坏面贯穿底部及中间分层和受压破坏面贯穿全部分层；

S3：进行分层结构胶结充填体稳定性影响因素分析：

根据建立的三维强度模型，三种情况下受压破坏面的分析，分析影响充填体稳定性的因素；

S4：进行分层结构胶结充填体滑动模型安全系数和强度需求对比分析：

根据三维强度模型，受压破坏面分析及稳定性影响因素，控制顶部、底部分层充填体灰砂比不变，进行中间分层充填体的安全系数及强度需求对比分析，以验证上述结构特征的三维强度模型的合理性并计算充填体强度。

进一步的，本发明中步骤S1中三维强度模型：顶部充填体受到自身重力及上覆压力作用，前后两侧受到围岩产生的摩擦力，右侧受到非胶结充填体的侧压力，胶结充填体分为顶部、中间、底部三层，胶结充填体单侧揭露。