一种矿山条带充填开采采场的应力协调方法

1.本发明涉及矿山充填开采技术领域，更具体的说是涉及一种矿山条带充填开采采场的应力协调方法。


背景技术：

2.充填法开采是地下矿山绿色开采的关键，它不仅能够有效控制采场地压防止地表陷落，提高回采率，而且还能减少地表废弃物的排放。在缓倾斜矿床两步骤条带充填开采过程中，一般将矿体划分为矿房条带和矿柱条带，分两步骤回采，隔一采一，一步骤回采矿房条带后多采用强度较高的废石胶结充填体充填矿房条带，所有矿房条带回采和充填结束后进行二步骤回采矿柱条带，二步骤回采矿柱条带后则会充填强度较低的尾砂充填体，不同强弱介质交替充填的形成复合结构体共同承担顶板荷载。
3.由于复合结构体中不同强弱介质的变形特性存在差异，在采场刚性顶板约束下，不同强弱介质垂直方向上的变形差别不大，但复合结构体内各区域所受的荷载差异明显，呈现出高度不均匀的应力分布特征。相对柔性的尾砂充填体所受荷载较小，相对刚性的废石充填体所受荷载较大，复合结构体呈现出极不均匀受载，支撑荷载大部分集中在废石充填体上，复合结构体中各相支撑介质所承受的荷载与其能承受的极限荷载不匹配。且所有矿房回采和充填结束后再进行二步骤回采矿柱和充填，废石充填体长期独立承受顶板荷载，导致损伤并不断发展，乃至支撑失效，复合结构体支撑力降低，甚至造成采场整体失稳；而尾砂充填体尚无法充分发挥其承载能力。这种高度不均匀的应力分布状态不利于充填体和采场顶板的稳定性，地压管理效率低。
4.最直接的提高复合结构体稳定性的方式有：(1)增加废石充填体的强度等级以提高安全系数；(2)提高柔性充填体变形模量或降低刚性充填体变形模量，以降低材料间变形特性的差异，将部分荷载转移到柔性充填体上，实现应力协调。但存在以下问题：
5.若直接增加尾废石充填体的强度等级来维持采场稳定，尾砂充填体和矿岩所受荷载将部分转移至废石充填体，使得废石充填体所受荷载进一步增加，采场的相对稳定性并未得到相应幅度提高，充填成本也大为增加。
6.提高尾砂充填体变形模量在一定程度上可改善复合结构体应力的不均匀分布，但要大幅提高尾砂充填体变形模量，需要大量加入水泥等胶凝材料，充填成本将急剧增加；而如果降低废石充填体的变形模量，其强度也相应降低，废石充填体的安全系数并未得到明显提高。因此，通过直接提高柔性充填体变形模量或降低刚性充填体变形模量来改善复合结构体应力不均匀分布的方式，经济上不合理或者效果不理想。
7.因此，如何提供一种既不改变废石充填体强度、也不改变废石或尾砂充填体弹性模量、又能有效将部分荷载转移到尾砂充填体的应力协调方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供了一种矿山条带充填开采采场的应力协调方法，旨在解决上述技术问题。
9.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.一种矿山条带充填开采采场的应力协调方法，包括以下步骤：
11.s1、条带划分：根据顶板的稳定性，将待开采盘区划分为偶数个条带，每个条带的宽度为5～10m，每个条带与矿体的走向垂直；
12.s2、回采：第一条带回采时，以切割上山为作业空间，沿所述第一条带上向式回采；第一条带回采结束后，继续回采第二条带；第n条带回采时，以n-1条带回采形成的空区为作业空间，沿第n条带上向式回采；第n条带回采结束后，继续回采第n+1条带；每一条带回采的时间为m1天；n为≥2的整数；
13.s3、废石注浆充填：第k条带回采结束后，沿条带上向式废石注浆充填第k-1条带开采后形成的空区；每一条带废石注浆充填的时间为m2天；k为≥2的偶数；
14.s4、废石铺底：第一条带回采结束后，在上一盘区倒数第一条带开采后形成的空区中，采用废石混凝土浇筑一层废石铺底体；第k+1条带回采结束后，在第k条带开采后形成的空区中，采用废石混凝土浇筑一层废石铺底体；每一条带开始浇筑废石铺底体到废石铺底体初凝的时间为m3天；m2≤m1，m3+m4≤m1；
15.s5、尾砂充填：第k条带废石铺底体初凝后，沿条带上向式尾砂胶结充填第k条带开采后形成的空区；每一条带尾砂胶结充填的时间为m4天。
16.废石铺底体的厚度与采空区高度的关系式为：
[0017][0018]
其中，l为废石铺底体厚度(m)；σ1为废石条带单轴抗压强度(mpa)；σ2为尾砂条带单轴抗压强度(mpa)；e1为废石胶结充填体的弹性模量(mpa)；e2为尾砂胶结充填体的弹性模量(mpa)；h为采场高度(m)。
[0019]
通过采用上述技术方案，在尾砂胶结充填体底部预先采用废石混凝土浇筑一层废石铺底体，如果将尾砂胶结充填体和废石铺底体视为整体，尾砂充填条带整体的等效弹性模量提高，会对顶板提供更强的支护效果，调动尾砂充填条带自身的承载能力，且可以对废石充填条带进行卸压，将部分荷载转移到尾砂充填体上，协调了复合结构体的应力状态，复合结构体中各相支撑介质所承受的荷载与其能承受的极限荷载相匹配，降低了充填成本。
[0020]
废石铺底体厚度越大，应力协调效果越好，但当废石铺底体厚度大于l后，应力协调效果不再明显，上述技术方案确定l为最佳废石铺底体厚度，控制了应力协调成本。
[0021]
采用分条带连续开采和充填，尾砂充填体能够尽早提供支撑力，降低废石充填条带承载。
[0022]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种既不改变废石充填体强度、也不改变废石或尾砂充填体弹性模量、又能有效将部分荷载转移到尾砂充填体的应力协调方法，具有提高充填体承载效率高、降低充填成本的特点，尤其适用于废石量充足的地下矿山。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0024]
图1附图为本发明用于某一盘区未开采时示意图；
[0025]
图2为图1中a-a向的剖面示意图；
[0026]
图3为本发明用于某一盘区开采结束时示意图；
[0027]
图4为图3中b-b向的剖面示意图。
[0028]
其中：
[0029]
1－未采矿岩；2－废石胶结充填体；3－尾砂胶结充填体；4－废石铺底体；5－废石充填条带；6－尾砂充填条带。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
实施例1：
[0032]
本发明实施例公开了一种矿山条带充填开采采场的应力协调方法，包括以下步骤：
[0033]
s1、条带划分：
[0034]
本实施例的矿山顶板属极稳固性顶板，将待开采盘区划分为10个条带，每个条带的宽度为10m，每个条带与矿体的走向垂直，如图4所示。
[0035]
s2、回采：
[0036]
第一条带回采时，以切割上山为作业空间，沿第一条带上向式回采，第一条带回采结束后，继续回采第二条带；第n条带回采时，以n-1条带回采形成的空区为作业空间，沿第n条带上向式回采，第n条带回采结束后，继续回采第n+1条带；每一条带回采的时间为5天；n为≥2的整数。
[0037]
s3、废石注浆充填：
[0038]
第k条带回采结束后，沿条带上向式废石注浆充填第k-1条带开采后形成的空区；每一条带废石注浆充填的时间为4天；k为≥2的偶数。
[0039]
s4、废石铺底：
[0040]
第一条带回采结束后，在上一盘区倒数第一条带开采后形成的空区中，采用废石混凝土浇筑一层废石铺底体4；第k+1条带回采结束后，在第k条带开采后形成的空区中，采用废石混凝土浇筑一层废石铺底体4；每一条带开始浇筑废石铺底体4到废石铺底体4初凝的时间为2天。
[0041]
s5、尾砂充填：
[0042]
第k条带废石铺底体4初凝后，沿条带上向式尾砂胶结充填第k条带开采后形成的
空区；每一条带尾砂胶结充填的时间为3天。
[0043]
本实施例中的矿山，所采用的废石胶结充填体2的弹性模量e1＝2440mpa、尾砂胶结充填体3的弹性模量e2＝423mpa，采场高度h＝6m，废石条带的单轴抗压强度σ1＝31mpa，尾砂条带的单轴抗压强度σ2＝5mpa，则废石铺底体4的厚度为：
[0044][0045]
实施例2：
[0046]
本发明实施例公开了一种矿山条带充填开采采场的应力协调方法，本实施例与实施例1的不同之处在于：
[0047]
本实施例的矿山顶板属较稳固性顶板，将待开采盘区划分为20个条带，每个条带的宽度为5m。
[0048]
本实施例在回采步骤中的每一条带回采的时间为4天，在废石注浆充填步骤中的每一条带废石注浆充填的时间为4天，在废石铺底步骤中的每一条带开始浇筑废石铺底体4到废石铺底体4初凝的时间为1.5天，在尾砂充填步骤中的每一条带尾砂胶结充填的时间为2.5天。
[0049]
本实施例中的矿山，所采用的废石胶结充填体2的弹性模量e1＝1980mpa、尾砂胶结充填体3的弹性模量e2＝380mpa，采场高度h＝9m，废石条带的单轴抗压强度σ1＝25mpa，尾砂条带的单轴抗压强度σ2＝4mpa，则废石铺底体4的厚度为：
[0050][0051]
本实施例的其他内容与实施例1一致，在此不再赘述。
[0052]
在实施例1和实施例2中，在尾砂胶结充填体3底部预先采用废石混凝土浇筑一层废石铺底体4，如果将尾砂胶结充填体3和废石铺底体4视为整体，尾砂充填条带6整体的等效弹性模量提高，会对顶板提供更强的支护效果，调动尾砂充填条带6自身的承载能力，且可以对废石充填条带5进行卸压，将部分荷载转移到尾砂胶结充填体3上，协调了复合结构体的应力状态，提高了尾砂胶结充填体3的承载效率、降低了充填成本。
[0053]
本发明既不改变废石充填体强度、也不改变废石或尾砂充填体弹性模量、又能有效将部分荷载转移到尾砂充填体的应力协调方法，提高充填体承载效率，降低充填成本。
[0054]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0055]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。