关于:《充填理论基础》我的见解 n X 4R
1、研究内容 uT'_}cw
1.1、充填体种类 :W]?6=
充填体分为两种：低标号混凝土充填体和细纱胶结充填体。 ^,u0kMG5l
低标号混凝土充填体由于粗骨料集中、充填体强度低、整体粘结差，故易发生碎块状冒落，冒落高度可能是整个进路高度。从而对工人的安全造成威胁。 +13h *
高强轻质泡沫砂浆是近年开发的一种新型充填材料，它在矿山上的应用主要是利用定量水泥与水发生反应后生成坚固的水泥石，将集料颗粒牢固地粘结成整体，使胶结充填体具有一定强度，产生抗压能力，限制顶板及上、下盘围岩移动。因此它的优点是：节省水泥、矿石材料；减少井下溢流水，从而减少了污染；减少对输送管路的磨损。 ,<?iL~> %
1.2、研究背景及内容 \$:KfN>WY
以金川矿区采矿技术条件为工程背景。因三矿区采用下向分层（每层厚4m）胶结充填开采。随着下向胶结开采厚度的增加，其采场围岩和充填体的应力也发生变化，因此，将研究不同回填层（回填厚度）采场围岩和充填体的应力分布规律。分析、泡沫砂浆充填体和普通充填体的主要区别在于普通充填体的不接顶率大于泡沫砂浆充填体，因此，首先进行普通充填体的不接顶率对采场稳定和岩层移动影响分析。 *z[G+JX
2、研究方法 CvfX m
2.1、矿体开采模拟模型的建立 :*bv(~FW
2.1.1模型及边界条件 8|^dM $
地质模型选取金川二矿具有典型代表性的14行剖面，为建立计算所需的力学模型，根据矿体的特点、采场布置形式及采矿进度，以矿体为中心向左右延伸250m, 即7100m～7600m；上边界取至地表以下200m, 下边界取至地表以下700m,即1500m～1000m； 整个模型计算范围为500m×500m,共划分成100×125个单元。单元网格划分计算模型如下图所示。 }/~%Ysl
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其边界条件为：模型两侧限制水平位移，模型底部限制垂直位移，模型上部边界应力施加相应埋深的垂直荷载。模型变形设置为大变形。采用摩尔—库伦准则。 <X[TjP
2.1.2地应力
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地应力是存在于地层中未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。国内外大量实测结果表明，地应力是引起地下采矿开挖工程变形和破坏的根本作用力，是决定采矿岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现采矿设计和决策科学化的必要前提条件。根据以往金川二矿地应力测试结果，本模型采用以下公式计算原岩应力： j
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2.2模拟方案 S Y\ UuZ
2.2.1原岩应力模拟 }
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岩体是一种预应力体，其中早存在由于各种原因形成上覆岩层自重、构造应力等的应力场，特点是“先开挖，后加载”。要模拟采矿的过程，第一步必须进行原岩应力的模拟，也就是使岩体中存在预应力，模拟时边界约束和地应力如前所述。该步骤无任何开挖充填过程，给所建的模拟施加自重应力及构造应力，在整个模型中形成自重应力场及构造应力场，为后续开挖和分析奠定基础。矿体中有自重应力场和构造应力场作用,竖直方向应力从模型的顶部向下依次增大,呈水平状态，具体见图1 x ,$N!X
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图1 垂直应力分布云图 vSty.:bY\p
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2.2.2开采模拟方案 Q#C;4)e
为了分析泡沫充填体力学参数以及充填接顶率对采场稳定性以及地表沉降的影响，采用正交实验设计方法对此进行研究，本次正交设计共考虑5个影响因素，分别是泡沫充填密度、弹性模量、内聚力、内摩擦角以及充填接顶率。 fxfzi{}uj
3、模拟结果分析 C
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根据正交实验表进行数值计算后，为对采场进行安全评价，分别提取了采场安全系数，模型表面最大垂直位移、最大主应力、最小主应力、采场最大水平位移、采场顶板的垂直位移以及底板底鼓位移等指标，其中最大水平位移、采场顶板的垂直位移以及底板底鼓位移用于计算单位厚度的体积收缩率 L% ](C
3.1完全充填接顶情况下，两种充填体作用机理对比研究 @3`:aWda
（1）最大主应力对比 H QHFD0hv
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图5 泡沫充填体充填作用下采场最大主应力云图 ] jbQou@
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图6普通充填体充填作用下采场最大主应力云图 VBc[(8o
从图5和图6可以看出，在完全接顶的情况下，两种充填体充填后最大主应力主要集中在矿体开挖的底板部位，且底板与上盘围岩接触处应力最大，泡沫充填体引起的应力集中范围比普通充填体引起的应力集中范围要大；在充填区产生了应力降低区，成椭圆形，由边界向中心减小。可见充填体的存在，使得主应力的分布趋于均匀、连续，充填体对周围岩体的作用相当于全断面的柔性支护。 *hVbjI $
（2）塑性区对比 LhM{LUi
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图7 泡沫充填体充填作用下采场塑性区图 yM dEH-?/
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图8普通充填体充填作用下采场塑性区图 /H#- \r&r
从图7和图8可以看出，在完全接顶的情况下，泡沫充填引起的塑性区明显大于普通充填体充填引起的塑性区，且集中在所开挖矿体左下角与上盘围岩交接处、所开挖矿体右侧与下盘围岩交接处及所开挖矿体顶板处，并导致在上盘围岩中产生一条较大的贯通的塑性带，而普通充填体仅在所开挖矿体的底板出现塑性区。 5
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3.2不同充填接顶情况下，两种充填体作用机理对比研究 !iKR~&UpAL
由于受数值软件的限制，并参考金川三矿泡沫与普通充填体接顶率取值，选择80%和90%两种接顶率进行对比分析。 (vte8uQe
（1）最大主应力对比 fR_
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图9 泡沫充填体充填后最大主应力图 u\ YH,
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图10 普通充填体充填后最大主应力图 6#~"~WfP Q
从图9和图10可以看出，两种充填体充填后最大主应力场基本相似，应力集中主要集中在矿体开挖的底板部位，且底板与上盘围岩接触处应力最大。应力由边界向中心减小。在充填区应力最低。由此可见充填体可以调节周围岩体的应 ~wnTl[:
力状态，使得周围岩体的应力分布趋于均匀和连续，减小了应力集中的程度。 RjS; Ck@;
（2）塑性区对比 ,# 3}TDC
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图11 泡沫充填体充填作用下采场塑性区图 n}==
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图12 普通充填体充填作用下采场塑性区图 qW]gp7jK4
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图11和图12分别为两种充填体作用下的采场塑性区分布图，泡沫充填体充填所引起的塑性屈服面积及剪切屈服面积均比普通充填体的大。与完全接顶情况对比，充填不接顶的塑性区及剪切屈服面积均较大。在开采充填区未出现大面积的剪切屈服，仅在与上下盘围岩接触处出现零星的剪切屈服，整个采场均未出现拉伸屈服，故采场是稳定的。但泡沫充填体作用下其开采顶板上部的充填区出现了面积较大的剪切屈服。
