矸石充填充填摘录.docx

充填开采力学作用机理在充填体对采场围岩的支护作用方面，布雷迪和布朗在《深井充填技术》中提出以下三种充填机理：1）表面支护作用：通过对采场边界关键块体的位移施加运动约束，充填体可以防止在低应力条件下近场岩体在空间上的渐进破坏；2）局部支护作用：充填体在周围围岩压力作用下发挥了被动抗体的作用。作用在充填体与岩块交界面的支护压力允许在采场周围发生很高的局部应力梯度。并且已经证明，小的表面荷载对摩擦型介质的屈服区范围可能产生重大影响；3）总体支护作用：如果充填体受到适当的约束，它在矿山结构中可以起到一种总体支护作用。也就是说，在岩体与充填体交界面上采矿所诱导的位移将引起充填体的变形，而这类变形又导致了整个矿山近场区域中应力状态的降低。上述三种机理代表了充填体在矿山结构中不同的支护作用，即表面的、局部的和总体支护。北京大学于学馥教授针对金川矿区采用的充填材料与充填工艺，研究提出了充填体的三种作用机理：1）应力转移和吸收充填体进入采空区，最初不受力，以后随着充填体强度的提高，具备了吸收应力和转移应力的能力，从而参与采动岩体的自组织系统和活动。2）应力隔离机理充填体对围岩稳定的应力隔离有两种情况：隔离水平应力和隔离竖直应力。3）系统共同作用充填体进入地下空间后，由于充填体、围岩、地应力、开挖等共同作用，特别是开挖系统的自组织机能，使围岩变形得到了有效的控制，围岩能量耗散速度得到了减缓，矿山结构和围岩破坏发展得到了控制。目前试验研究主要得出以下结论：（1）矸石的压实过程可分为颗粒滚动、平动、破碎压实等几个阶段。压实过程具有蠕变特征；颗粒接触从点-点接触到点-面接触过渡；当矸石破碎后又由点-面接触过渡到点-点接触，以此类推，宏观上表现为应变随压实过程呈现趋势减小，逐步波动的特征。图2-2为文献[135]( [135]马占国.采动破裂岩体变形特性及其对地表沉陷的影响研究[D].中国矿业大学，2008.)试验得出的破碎岩体蠕变曲线。同时，矸石压缩模量与其密度密切相关，随着密度的增加，矸石压缩模量也急剧增加。（2）矸石压缩过程中产生一定的破碎，破碎率与压力、原岩强度、颗粒级配具有一定的关系，破碎压力在10MPa左右。（3）矸石压缩率与颗粒粒径大小有关；一般来讲，粒径越大则相应压力下的应变也越大。图2-3为笔者根据试验得出的砂岩类矸石不同压力下粒径与应变的关系，从图上可以看出，10MPa以下时，不同粒径压缩性能差异较大，以5.2MPa为例，0～5mm组的应变比20～25mm组应变小4.7%，两者相差26%，主要原因是矸石压缩初期为空隙的压实，相应的大粒径组空隙率较大；10MPa以上时，5mm以上粒径组压缩变形相差不大，但趋势仍是随粒径增大而应变增大，主要是经过第一阶段压实后仍有一定的残余空隙；0～5mm粒径组压缩变形普遍较小，主要原因是小粒径组颗粒分配均匀和板结效应所致。（4）矸石本构模型可采用非线性弹性模型、弹塑性模型或散体力学模型进行描述。（5）矸石的内聚力、摩擦角与围压、颗粒破碎、粗料含量关系较大。（6）矸石变形特性与堆石、碎石、无粘性土等具有较强的相似性。相对而言，煤矿充填条件下的矸石工况特征与土木工程领域差别较大，主要表现为：（1）充填条件下的煤矸石处于复杂的应力环境中，高应力、饱水、渗流、重复采动影响是其主要特征。（2）充填矸石级配特征相对固定。由于井下工作、充填材料加工的复杂性以及充填成本控制的必要性，不大可能在井下进行大规模的级配重组，更多的是对现有级配进行有限范围的改良以期获得更好的充填效果；这与土木工程领域可自由控制级配差异较大。（3）为获得高强度充填体，往往要对矸石材料采用注浆、添加粘结剂等处理方式，浆液、粘接剂的添加量与矸石级配、空隙率等具有较强的相关性。（4）变形实测数据获取困难。由于采空区内工作条件复杂，矸石充填体的变形实测数据获取相当困难；埋设的监测设备极易遭到破坏。（5）充填体压实困难。充入采空区内的矸石主要依靠自重和上覆岩层的荷载进行压实，很难做到类似于土工领域中采用的反复压实以获得较高刚度。虽然目前开发的矸石充填机能对充填体进行一定的冲击、挤压，但作用效果较小。上覆岩层弹性模量对荷载分担的影响表6-7为不同上覆岩层弹性模量对地表、充填体和煤柱下沉的影响；表6-8为不同上覆岩层弹性模量条件下煤柱、充填体的垂直应力以及相应的荷载分担比。分析表6-7和表6-8可以看出，随着上覆岩层弹性模量的增加，充填体和地表的下沉逐步减小；煤柱下沉逐步增加；煤柱上方的垂直应力逐步增加；充填体上方的垂直应力逐步减小；荷载分担比逐步增加。这主要是因为随着上覆岩层弹性模量的增加，上覆岩层的挠度减小，充填体参与承载幅度减小，相应的其下沉量也逐步减小；同时使得垂直应力向煤柱上方转移，使得煤柱的压缩量有所增加。煤层采厚对荷载分担的影响表6-9为不同采