[发明专利]两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型的构建方法

摘要

本发明涉及两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型的构建方法，属于采矿技术领域。本发明提供的胶结充填体的内聚力计算公式、单轴抗压强度计算公式和抗剪强度计算公式，形成完整的强度计算体系——两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型，全面地计算胶结充填体所需强度。通过本发明模型得到的胶结充填体强度，不仅能保证胶结充填体的稳定性为二步骤回采提供安全可靠的作业环境，而且按胶结充填体所需强度与高度之间的关系将胶结充填体设计为分层充填可降低水泥耗量，以最小充填成本实现矿产资源安全高效回采，实现矿山无废或低废开采，促进矿山环保，利于控制矿山灾害。

主权项

两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)，将采场顶板平衡拱冒落区域以及采场围岩片帮区域视为与胶结充填体相互作用的力学范围，同时，将作用于胶结充填体顶部松散岩体的重力设为等于矩形岩柱CDIG的重力，则得到作用于胶结充填体顶部松散岩体的重力G1＝γ1b1WL；其中，γ1—胶结充填体顶部松散岩体容重，MN/m3；b1为自然平衡拱高度，m；W—胶结充填体与围岩之间的接触尺寸，m；L—胶结充填体与水砂充填体的接触尺寸，m；步骤(2)，在侧帮发生滑移岩体的极限平衡状态下，胶结充填体对侧帮围岩的水平阻力N与侧帮围岩对胶结充填体的作用力NS为一对平衡力，则可得到极限平衡状态下N和NS的值：其中，γ2—采场侧帮围岩容重，MN/m3；H—胶结充填体的高度，m；γ1—胶结充填体顶部松散岩体容重，MN/m3；W—胶结充填体与围岩之间的接触尺寸，m；为侧帮围岩的内摩擦角，°；b1为自然平衡拱高度，m；步骤(3)，非胶结尾砂在采场内完成脱水后，将其看作是松散介质，设尾砂的内聚力为零，同时假设尾砂与胶结充填体接触面上的单元体在σ1砂和σ3砂应力条件下处于极限平衡状态，其中，σ1砂为单元体上覆尾砂的重量，σ3砂为非胶结尾砂对胶结充填体的侧向压力；则分级尾砂对胶结充填体侧压力的合力F为：其中，—非胶结尾砂的内摩擦角，°；L—胶结充填体与水砂充填体的接触尺寸，m；γh砂—尾砂容重随高度变化的函数，MN/m3；H—胶结充填体的高度，m；步骤(4)，两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型包括胶结充填体内聚力模型、胶结充填体单轴抗压强度模型和胶结充填体抗剪强度模型；具体构建方法如下：设胶结充填体滑移面上三维楔形体的平衡状态受顶板平衡拱内松散岩体的重力、胶结充填体自身的重力、非胶结充填体的侧向压力、胶结充填体滑动面上的抗滑阻力和充填体两侧受到围岩或其他充填体的作用力五个方面力的影响，则可到胶结充填体所需内聚力c的模型：之后设均为1；则接着由于胶结充填体单轴抗压强度则得到胶结充填体单轴抗压强度模型：再根据莫尔‑库仑理论则得到胶结充填体的剪切强度模型：因此，得到如式(Ⅰ)、式(Ⅱ)和式(Ⅲ)所示的两步骤空场嗣后充填大体积充填体强度模型；其中，G＝γHaWL；G1＝γ1b1WL；Ha＝H；b1=L12f=L+2Hcotθ2f=L/2+Hcotθf;]]>c—胶结充填体所需内聚力，MPa；σc—胶结充填体所需单轴抗压强度，MPa；τ—胶结充填体所需剪切强度，MPa；H—胶结充填体的高度，m；W—胶结充填体与围岩之间的接触尺寸，m；L—胶结充填体与水砂充填体的接触尺寸，m；L1—平衡拱跨度，m；γ—胶结充填体容重，MN/m3；γ1—胶结充填体顶部松散岩体容重，MN/m3；γ2—采场侧帮围岩容重，MN/m3；γh砂—尾砂容重随高度变化的函数，MN/m3；α—胶结充填体滑动角，为胶结充填体的内摩擦角，°；θ—侧帮围岩滑动角，为侧帮围岩的内摩擦角，°；f—侧帮围岩普氏坚硬性系数；—围岩壁与胶结充填体之间的内摩擦角，°；k—等于0.6‑1.0；c2为围岩壁与胶结充填体之间的内聚力，MPa；—非胶结尾砂的内摩擦角，°。