采场中充填料排水的三维模拟试验

本文描述了嗣后充填空场法采场的充填和泄水的计算机模型。早期开发的二维模型是简单参数模型,它只对采场的几何形状进行二维模拟。把充填料当均质体考虑,新开发的三维模型比早期开发的二维模型进了一步。开发新的三维模型的目的是,将多种因素结合起来考虑,以便更好地模拟实际采场泄水并更接近实际。随着更多的现场数据的积累,现在已使上述目的成为可能民。特别是,三维模型能够模拟不规则采场几何形状和非均质充填料以及预测在采场内某一定位置的压力和流量,因此,三维模型比早期二维模型具有更广泛的应用前景。采场的几何形状和充填体内的水流量用基本单元法进行模拟,随时间和空间而变化的采场内充填料的位置也可以进行模拟。流态模拟包括对饱和和分饱和状态的模拟,对非饱和区的模拟使用了一个合理的比例,虽然使用的时间间隔较长,还是单元尺寸较大,但是特别注意考虑到了保持数字变化的稳定性。模型试验表明,开发三维模型并考虑有局部饱和流存在,对模拟充填的泄水过程具有重大的意义。该文给出了模型的应用示范实例。了解在水砂充填期间采场中孔隙压力的产生和消失,对充填作业的设计和挡墙设计意义很大。开发简化的二维模型已有相当长一段时间了。实践表明使用它是有效的,该模型在实际采场中的使用积累了相当的经验,并获得了与实际生产有关的大量数据。二维模型提供了采场泄水方面有价值的一般性资料,这些资料已经用于充填方案的设计,但是这种模型无法提供在采场充填体中特定位置(挡墙背后)孔隙压力发展的专门信息,此外,用一个可信的标准对模型进行校核是困难的,因为很明显水流的三维性充填体中的水流有重要的影响。鉴于这些缺点,芒特艾萨矿山有限公司决定开发一个改进模型用于分析采场充填泄水的三维状态,本文就是描述这个改进的模型。     

阶段空场嗣后充填体三维拱应力及强度需求模型

在地下厚大金属矿体的两步骤阶段空场嗣后充填采矿法中,合理平衡一步骤矿房采场胶结充填体的揭露稳定性及其强度需求对安全经济充填采矿影响重大。为获取该采矿法中胶结充填体强度需求的三维解析模型与方法,解决类似矿山确定充填体强度需求主要采用经验类比、缺乏科学合理计算方法的问题,本文借鉴土力学应力拱理论,分析了两步骤采充时序过程中的相邻采场充填体空间接触关系,分别研究了二步骤采场非胶结充填体、一步骤采场胶结充填体(揭露后)的应力分布模式,基于Marston拱应力二维模型,拓展建立了各采场充填体的三维拱应力解析模型,得出了非胶结充填体-胶结充填体-采场围岩之间的应力传递规律及接触力学边界解析方法,并通过FLAC3D模拟的拱应力分布结果进行了三维拱应力解析模型的对比验证。进一步将提出的拱应力解析方法应用至Mitchell强度需求解析模型中,考虑了三维成拱作用下非胶结充填体对胶结充填体的侧向推力作用、采场上下盘围岩对胶结充填体的接触摩擦作用,以底部滑动面方向角、滑动体与围岩接触面摩擦力方向角的不同取值情况,定量表征了揭露后胶结充填体的潜在破坏模式,并据此提出了4种胶结充填体安全系数和强度需求的三维解析模型与方法。再利用FLAC3D开展了不同采场尺寸(长度、宽度、高度)、不同充填体参数(容重、内摩擦角)等条件下的充填体强度需求数值解搜索计算,与4种解析方法计算的强度需求结果进行了对比验证,得出了当胶结充填体底部滑动面方向角α=45°+φ_c/2且滑动体与围岩接触面摩擦力方向角β=45°-φ_c/2时,胶结充填体强度需求的三维解析解和三维数值解吻合度最佳,最终获取了最优的一步骤采场胶结充填体强度需求三维解析模型与方法。     

采场充填体强度数值模拟优化分析

针对采场采用不同充填体强度,在节约矿山生产成本的基础上,对采场围岩的稳定性进行了分析。根据某多金属矿山提供的地表等高线及矿体剖面图,利用3Dmine与ANSYS建立了该矿山的大型三维精细模型,通过FLAC3D进行数值模拟分析,得到不同灰砂比充填体下地表移动变形和采场围岩的位移、应力及塑性区云图,对比分析了3种充填方案下采场的稳定性情况。研究表明,充填体强度对采场稳定性有着支护稳定的作用,充填体强度越高,采场越稳固;在降低成本前提下,1,2步采场采用料浆浓度70%、灰砂比1:6的充填体,3,4步采场采用料浆浓度70%、灰砂比1:20的充填体可以保证采场的稳定性。     

三山岛金矿采场充填脱水工艺改进措施

采场充填脱水效果对充填体初凝时间及其短期和长期强度产生较大影响,三山岛金矿采用溢流管溢流脱水和充填挡墙的土工布渗透脱水,脱水效率不能满足现场工作要求。为此,在充填脱水理论研究的基础上,分析了影响充填脱水速度的主要因素,提出了多项充填脱水改进措施。增设竖直或倾斜的脱水管,更有效地排出充填采场中的重力水,同时避免充填料浆中细粒级颗粒堵塞脱水管。改进充填挡墙设计和滤水布的选取,避免细粒级颗粒短时间内聚集在滤水布附近,影响渗透脱水效果。设计充填管道滤水器,在充填料浆进入采空区前,过滤充填料浆中的部分自由水,提高了充填采场中料浆的浓度,减小了采场充填脱水工作量。改变矿山简单脱水方式,进一步提高采场充填脱水效率,避免影响下一步开采工作的顺利开展。     

采场二步骤回采充填体稳定性分析研究

阿舍勒铜矿采用大直径深孔嗣后充填法二步骤回采工艺,矿房充填体作为二步骤采场回采时的围岩,其强度和稳定性关系到二步骤采场回采的安全和经济效益。本文以0 m中段北1 #采场为试验采场,采用多种理论计算方法对矿房充填体的稳定性进行了计算和分析,建立数值计算模型,基于Phase2软件从位移、应力及塑性区进行模拟计算分析,综合分析得出：矿房采场的设计充填强度能满足二步骤采场回采强度要求,试验采场开挖后,其两侧帮充填体整体位移量较小,最大主应力普遍小于充填体的极限抗压强度,塑性区分布范围有限,且拉伸破坏区域未出现大范围相互贯通,说明矿房充填体稳定性较好,二步骤开采出现充填体大范围垮塌、冒落的可能性小。     

大规模采场开采稳定性模拟预测与实测验证

针对某地下金属矿山采场采用大直径深孔分步爆破开采的实际, 为了掌握采场围岩稳定性情况, 运用二维有限元模拟软件Phase²对采场回采过程进行了分步数值模拟, 分析采场的稳定性, 对采场可能发生冒落或垮塌处进行预测。运用空区三维激光探测系统(CMS)对采场进行了现场探测, 以CMS实测数据为基础生成采空区三维模型, 提取采空区二维实际边界与数值模拟的结果进行对比分析, 进而实现对采场稳定性模拟预测结果的实测验证。实践表明, 实测结果与预测结果基本一致, 验证了这种模拟预测方法的可靠性和有效性。该方法能有效地预计到大规模采场开采稳定性情况, 并据此进一步改进大爆破回采工艺, 从而实现安全、高效率开采。     

阿舍勒铜矿二步骤采场回采充填体稳定性分析

阿舍勒铜矿采用大直径深孔阶段空场嗣后充填法回采工艺,矿房充填体作为二步骤采场回采时的围岩,其强度和稳定性关系到二步骤采场回采的安全和经济效益。以0m中段北1#采场为试验采场,采用多种理论计算方法对矿房充填体的稳定性进行了计算和分析。建立数值计算模型,基于Phase 2软件从位移、应力及塑性区进行模拟计算。结果表明,矿房采场的设计充填强度能满足二步骤采场回采强度要求。采场开挖后,其两侧帮充填体整体位移量较小,最大主应力普遍小于充填体的极限抗压强度,塑性区分布范围有限,且拉伸破坏区域未出现大范围相互贯通,矿房充填体稳定性较好,二步骤开采出现充填体大范围垮塌、冒落的可能性小。     

破碎顶板垮塌采场胶结充填治理

针对金厂河多金属矿一步骤破碎顶板垮塌治理难题,采用三维激光扫描的方式,探明了采场顶板垮落形态特征,构建了破碎顶板垮塌采场三维可视化模型。通过对金厂河矿胶结充填体强度需求的理论计算,设计一步骤胶结充填体整体强度为3.0 MPa。基于充填料浆配比试验、扩展度试验和流变试验,综合确定充填工艺参数为:料浆质量浓度为68%～72%,灰砂比为1∶8。结合21^#采场三维空区模型和形态,合理布置了充填挡墙和充填下料工程,进而保障了破碎顶板垮塌采场胶结充填体的稳定性。     

下向回采和充填顺序对采场稳定性影响的模拟研究

以某矿下向六角形进路回采胶结充填采场为研究对象,根据现场实测工程地质力学数据,选取4种不同的进路回采和充填顺序,运用FLAC模拟分析进路周围介质应力场、位移场和塑性区分布,研究采场结构介质应力应变规律、几何变形特征和结构承载性能受不同采充顺序扰动的影响。研究结果表明：采场进路从中间开始回采、逐步向上盘推进,先上盘后下盘、分段回采充填的顺序,使采场结构介质稳定性受采充扰动影响较小,是安全可靠、技术可行、经济合理的。同时应注意加强上下盘进路腰部和底板围岩应力集中区的监控和支护,确保顶板充填体强度指标。     

下向嗣后充填采场高度优化及充填配比参数设计

喀拉通克矿在350~405 m水平的矿体采用下向小分段空场嗣后充填法开采,目前采场跨度8 m,高度8 m时,采场稳定性较好。为提高矿山生产能力,增加经济效益,对采场结构参数进行优化。本文采用数值模拟手段,基于室内岩石力学试验结果,结合现场工程地质调查研究成果,制定3种模拟方案获得极限采场高度,并依据本矿山相关充填体研究成果进行优化采场充填配比参数初设。结果表明,在采场跨度8 m工况下,采场高度为14 m时,采场塑性区范围较大,位移突变较大,在采场高度12 m时,采场塑性区范围较小较为稳定,采场结构参数的优化可为矿山提高经济效益,安全防护提供可靠性的依据。     

盘区二步骤采场嗣后胶结充填对岩层移动影响分析

为了确定永平铜矿南部-100m中段近地表盘区二步骤采场回采过程中,嗣后胶结充填的作用及其对岩移的影响,首先基于嗣后充填岩移理论进行了初步分析和计算,然后基于AutoCAD、3DMine等软件建立了开采区域的三维可视化模型,并进一步采用3DEC对盘区二步骤采场采-充全过程进行了模拟和对比分析。结果表明:嗣后胶结充填能够有效控制二步骤采场回采后的岩层移动变形大小及范围,充填后岩层移动角得到明显改善,采动影响范围显著减小,对地表露天坑不构成安全威胁。     

深井矿山复杂边界矿柱回采研究

采用充填法两步骤回采的深井矿山,由于采场爆破设计、现场施工偏差或采空区的部分垮塌等原因,矿柱边界会极不规则,回采时往往存在充填体部分垮塌、矿柱贫损严重等问题。结合冬瓜山铜矿实际,在采用RFPA2D软件对矿柱进行稳定性模拟分析的基础上,利用CMS实测得到的空区数据,借助Surpac软件建立-730水平2个相邻采空区的三维模型;通过将空区模型与矿柱设计模型复合,得到了实际可供开采的矿柱设计模型;分析预测了矿柱回采时爆破动载对充填体的影响,阐述了边界炮孔到充填体距离、边界孔装药的选择与矿柱回采的密切关系;利用Surpac软件剖切得到的矿柱剖面作为爆破设计的依据,获得了爆破设计的合理范围,实现了矿柱的优化回采。     

充填采场支承压力分布特征及冲击灾害控制机理

为深入分析采场覆岩运动与支承压力分布特征,构建了充填采场支承压力计算力学模型;对充填工作面应力分布进行了现场实测,并以此为基础,分析了充填开采冲击灾害控制机理。研究表明:充填采场支承压力范围与集中程度较传统开采小,一般不会出现塑性区,支承压力范围与充填体对覆岩的承载系数Kc成反比,充填体承载系数Kc越大,充填体对覆岩的支承作用越大,采场支承压力范围也越小;充填采场煤体储存压缩弹性能和坚硬顶板储存弯曲弹性能较小,不易发生冲击灾害。     

胶结充填采矿法充填作用机理与稳定性研究

结合金川二矿区的充填采矿工艺，采用现场观测方法及三维有限元分析方法研究了机械化下向分层水平进路胶结充填和无底柱大面积连续开采的充填机理和稳定性，研究表明充填体承受采场地压和变形，盘区间以不留矿柱为宜，推荐采用交错布置的回采与充填方式。     

基于爆破振动的极限边孔排距的确定方法研究

在金属矿山,当采用两步骤嗣后充填采矿方法回采矿体时,二步骤矿柱的回采会面临两侧为充填体的工况,导致矿石贫化率和损失率难以得到有效控制。为了应对阿舍勒铜矿二步骤采场面临的贫化损失问题,基于爆破振动波传播规律,设计了现场爆破振动效应试验,采用微震传感器对采场爆破振动波进行了有效采集,分析与研究了矿、充填体中的振动波衰减规律,结合爆轰压理论,计算了采场爆破不影响两侧充填体稳定性的极限边孔排距,并选取试验采场进行了工业试验。优化边孔排距的二步骤试验采场顺利回采后,经三维激光扫描,未见采场两侧有矿石挂壁或充填体大面积垮落现象,采场贫化率5.94%、损失率3.99%,应用效果显著。     

下行中深孔空场嗣后充填采场结构参数优化研究

充填体下进行矿体回采时采场的稳定性至关重要,合理的采场结构参数对保障采场安全高效的回采起重要作用。以喀拉通克铜镍矿2_^#矿床东段矿体为工程背景,基于现场充填体假顶厚度,通过荷载传递交汇线理论、跨厚度比法、国外经验图表法和经验类比法预估采场极限跨度,并利用FLAC_^3D数值模拟软件对7 m、8 m和9 m 3种采场跨度方案进行数值模拟研究,分析不同采场跨度对围岩位移场与应力场变化及塑性区扩展规律的影响,确定在充填体假顶作用下最优的采场结构参数。研究结果表明：当采场跨度为8 m时,既能保证采场稳定性,又能最大程度发挥采场生产能力。     

毛坪铅锌矿采场热环境影响因素研究

矿井热害是矿井深部开采面临的重要问题。以毛坪铅锌矿为工程案例,采用现场测试与数值模拟相结合的方法,研究了不同热源对深部矿井采场热环境的影响。基于现场实测的采场地温梯度与热环境参数,构建了毛坪铅锌矿采场物理模型,采用COMSOL软件分析了较低地温条件下风流温度、人体热源、机电设备以及充填体四种热源对采场及围岩温度的影响,并通过现场温度测量数据对数值计算结果进行验证。结果表明：毛坪铅锌矿目前开采水平地温为21.60℃,地温梯度为1.66℃/hm;灰砂比是影响充填体放热的重要因素,充填体产生的热量不仅会借助风流直接传至采场,还能通过围岩传导至巷道壁面,造成采场温度升高;地温对采场温度影响较大,采场温度随着地温的增大呈线性增加;毛坪铅锌矿中各个热源对采场环境的影响程度不同,其中风流能显著提高采场温度,充填体和机电设备次之,人体热源对采场温度的影响最小。     

深井矿山充填体强度分布规律研究

针对深井矿山采场充填的实际情况,充填料浆复杂的流动沉积及离析作用,致使充填体表现出极大强度分布的不均匀性。为此,进行了实验室尾砂胶结充填模拟试验,研究原位充填体的强度与实验室标准试块强度的差异,得出了采场尾砂胶结充填体强度分布规律。在此基础上,对采场充填体强度分布划分为强度增强区和强度减弱区,可改进二步骤回采的深井矿山采场充填管路布置方式,以指导矿山生产实践。     

白象山铁矿采场结构参数的数值模拟优化

白象山铁矿的水文地质条件复杂,采用分层进路充填法开采。利用FLAC3D模拟软件建立流固耦合模型,分析了采场跨度、进路宽度、分层高度和充填体类型对采场顶板稳定性的影响。对模拟结果的极差分析表明,采场跨度对采场顶板的最大沉降量、最大拉应力和塑性区破坏高度起决定性作用,其次是充填体类型、分层高度和进路宽度;最优方案为采场跨度30m,进路宽度10m,分层高度10m,用灰砂比1∶8的胶结尾砂进行充填。     

基于SVM的充填体强度与采场稳定性需求智能匹配研究

为解决矿山充填体强度的设计问题,提高矿山充填体的强度动态调整能力,本文通过调查国内百座矿山现场充填体强度实际数据,采用SVM方法建立充填体强度智能预测模型,对70组训练样本数据进行训练,采用BP神经网络模型与SVM模型的预测结果进行比较。结果表明：SVM预测模型的最大误差为3.52%,平均误差为2.41%。BP预测模型的最大误差为10.98%,平均误差为7.01%。SVM模型比BP模型预测精度更高,误差更小。采用SVM模型对三山岛金矿充填体强度进行预测,一步骤回采矿房充填体强度1.02MPa,推荐灰砂比1:12,二步骤回采矿房充填体强度0.86MPa,推荐灰砂比1:16。现场采场充填效果良好,未发生充填体失稳现象。基于SVM的充填体强度智能匹配模型能够在满足采场稳定性的前提下,减少充填成本,提高矿山的经济效益。