矿区地下采场回填应力分布的数值模拟研究

【摘要】矿产资源是影响我国乃至世界工业化进程、国内经济布局和国民经济建设的重要因素，在带来巨大经济效益的同时，也存在着破坏矿区生态环境的严重问题，如地表沉陷，地下水污染等。既要满足国民生产生活所需，又要秉着可持续发展的思想，这就对采矿业提出了更高的要求。利用矿山废料对采空区进行充填的采矿方法对控制区域地质稳定和减少矿难的发生具有重要意义，不仅可以充分地回收矿产资源，而且还能达到不破坏地表环境的目的，符合可持续发展的战略要求。为了保护充填体自身和围岩的稳定，合理地去设计回填方法、工序和材料，研究回填采场内部的应力分布情况是相当有必要的。目前，采场回填中，不管对于高新回填材料还是常规回填材料，粘合剂水泥都是充填料中的重要组成部分。控制粘合剂的添加量对保证回填稳定性和降低回填成本十分重要。据了解，当采用胶结充填料时，矿山充填的费用接近总采矿生产成本的一半，而其中粘合剂水泥的费用几乎占充填费用的一半。本篇论文以导师申请的自然科学基金为基础，着重研究矿区地下采场的应力分布规律，利用数值模拟验证采场内部应力拱效应的存在以及准确分析出各种物理力学参数对应力分布和应力拱效应的影响。最终的目的和实际意义在于在回填设计中充分利用应力拱效应，减少回填量，降低回填材料要求，从而节省了粘结剂水泥，控制了充填法采矿中最大的费用支出，为充填法的普及提供理论支持。本篇论文主要进行了如下内容：（1）解析法一直是研究应力分布情况的主要手段之一，是验证充填体内部存在拱效应的先行方法，文中在解析法理论模型的基础上建立了本文的数值模型，采用数值模拟软件FLAC3D进行数值分析，通过对比验证了数值模拟的可靠性。最终用数值模拟验证了回填采场内部是存在应力拱效应的，与解析法一致；（2）由于解析法中一直包含有一些比较强的假设和简化，数值模拟则可以完全避免这类问题，得到的数值模拟结果显示马斯顿理论低估了回填采场内部的竖向应力及水平应力，分析原因，找到马斯顿理论在应用过程中的一些局限性。（3）通过数值模拟结果分析得知，回填次数对地下采场的回填应力分布有着重要的影响，随着回填次数的增加，同一深度下，竖向应力越小。（4）应用拱效应对狭窄的竖向地下采场充填体内部的竖向应力展开分析研究，通过改变地下采场宽度、充填材料内摩擦角、粘聚力、弹性模量、泊松比等物理力学参数获得其对应力拱形状和回填应分布的影响。
【作者】张洪岩；
【导师】于清杨；
【作者基本信息】吉林大学，地质工程，2014，硕士
【关键词】回填采场；解析法；数值模拟；应力拱；参数分析；

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