高阶段全尾砂胶结充填体强度特性及充填体配比设计研究

高阶段全尾砂胶结充填体强度特性及充填体配比设计研究

李楼铁矿是国内大型的地下黑色金属矿山之一,采用1OOm高阶段空场嗣后充填采矿法,分矿房矿柱两步骤回采。由于高阶段、高分段而形成的大结构采场,单个采场空区体积达10～16万m3,在高阶段两步骤回采过程中,一步回采与二步回采的时间衔接、充填体配比及其强度性能、充填体强度在采场中的空间分布规律等方面严重制约采场的安全性和经济性。因此,本文以李楼铁矿为项目依托,通过现场工程地质调查、室内力学实验、理论分析、数值模拟、井下原位强度检测和电镜扫描等多种方法研究高阶段胶结充填体的强度特性及充填配比。主要内容如下:(1)通过工程地质调查和室内力学试验,获取了矿区岩体优势结构面的产状与矿岩力学参数,经过对矿岩的力学参数分析,得到了相关岩体的力学参数,为后续的数值模拟计算和分析奠定了基础。

现场调查发现二步回采矿柱时,充填体破坏垮落严重,且破坏部位分布不均匀,突显了充填体料浆配比、强度性能、强度的空间分布及二步回采时间等对二步回采安全性有重要的影响。(2)通过全尾砂材料性能试验研究,建立了全尾砂胶结充填体固化强度与养护龄期之间的数学表达式。在高阶段嗣后充填法中,引入表征胶结充填体的变形比能与矿柱回采释放比能关系的能量匹配系数,获得了该系数与矿石的弹性模量、垂直应力与充填体固结强度的关系,揭示了胶结充填体固化时间与矿柱能量的内在联系,定量分析了二步骤回采矿柱的合理时间。(3)通过分析胶结充填体与围岩的力学接触状态,推导了胶结充填体强度极限侧压状态下的三维力学模型,揭示了充填体应力拱效应的分布规律。

采用FLAC两步骤数值模拟,分析了不同配比参数下胶结充填体应力场、位移场和塑性破坏区。综合矿山充填工程布置、三维力学模型以及两步骤数值模拟回采,提出了高阶段采场充填配比设计方案。(4)基于李楼铁矿充填体强度检测和微观电镜扫描实验,对井下原位强度与地表试件进行差异化分析,获得了高阶段采场充填体强度呈“驼峰”分布规律,从微观孔隙结构发育特征揭示了自重压力与采场排水布置对高阶段胶结充填体固化强度的作用机理。在采场充填配比优化区内,实现安全开采的同时,降低了充填成本,提高了经济效益。