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1、武汉科技大学本科毕业论文本科毕业设计题目：地下矿山充填体强度设计理论及评价 学 院:资源与环境工程学院专 业:采矿工程学 号:201501124046学生姓名:欧齐指导教师:姚囝 日 期:二一九年五月23摘 要在地下开采中，随着回采工作面的进行，留下的采空区得逐步用充填材料填充，以便维护采空区；利用所形成的充填体进行地压管理，以便防止围岩崩落和地表下沉等带来的安全问题，为后续的回采工作奠定基础。本文以安全技术经济为原则介绍充填体强度设计理论的目的，充填体的作用机理，强度理论。通过深入了解以及充填体物理力学性质以及对物体强度理论和理论在实践中的工程应用。不管是国内矿山还是国外矿山对充填体强度的设
2、计都投入大量人力物力，与理论结合。摘取单轴抗压实验，扭转剪切实验等实验数据作为参考，并用类比，数值分析提供可靠度；然后将各种理论进行评价并在在实践中得以应用。在经过类比和数值分析并且评价之后得出相应的充填体强度对应的配比和灰砂比，使得充填体强度承受不同矿山围岩应力，并依旧保持稳定。关键词：充填体；充填体强度；理论；围岩应力；实验；类比；数值分析AbstractIn underground mining, the goaf left should be filled with filling materials gradually along with the mining working fa
3、ce, so as to maintain the goaf.The formed backfill is used for ground pressure management, so as to prevent safety problems caused by surrounding rock collapse and surface subsidence, laying a foundation for subsequent mining work.In this paper, the purpose of backfill strength design theory, backfi
4、ll action mechanism and strength theory are introduced based on the principle of safety, technology and economy.Through in-depth understanding of the physical and mechanical properties of backfill and the theory of object strength and theoretical application in practice engineering.Both domestic and
5、 foreign mines put a lot of manpower and material resources into the design of backfill strength, which is combined with theories.The experimental data of uniaxial compression test and torsion shear test were taken as reference, and the reliability was provided by analogy and numerical analysis.Then
6、 the various theories are evaluated and applied in practice.After analogy and numerical analysis and evaluation, the matching ratio and lime-sand ratio corresponding to the strength of backfill are obtained, so that the strength of backfill can withstand the stress of surrounding rock of different m
7、ines and remain stable.Key words: Filling body Backfill strength Theory Surrounding rock stress The experiment Analogy Numerical analysis目录1 前言62强度设计理论目的63 充填体作用机理74充填体强度理论分析84.1 物体强度基本理论84.1.1 最大拉应力理论（第一强度理论）84.1.2 最大伸长线应变理论（第二强度理论）84.1.3 最大切应力理论（第三强度理论）94.1.4 形状改变比能理论94.1.5 莫尔强度理论94.1.6 评价104.2 充填
8、体强度理论分析104.2.1 充填体物理力学性质104.2.2 充填体的力学性质104.2.3 充填体结构面的力学性质114.2.4 矿山地应力、围岩应力的测量114.3 充填体力学数值分析134.3.1 有限元法134.3.2 边界元法134.3.3 有限差分法134.3.4 评价144.4 类比法144.4.1 概述144.4.2 特点144.4.3 作用154.4.5 类比154.4.6 评价175 工程应用176 结语207 参考文献218 致谢221 前言采矿工程这一技术学科是近代、现代工业发展的重要基本。以及在农业、服务业上的进步也离不开采矿的重要分支。国家的进步、繁荣以及世界文明
9、的发展都与采矿行业息息相关。其中，充填是采矿工程一道重要流程，在不同采矿方法中扮演举足轻重的地位；对采矿中采准，切割，回采以及后续的回填处理有承上启下，或综上，又或致力于发展矿山前景做铺垫。并且随着时代的变迁，绿色、经济、可持续发展成为当代矿山的经营理念。经济技术上的提高使得矿山有着不同先进的采矿方法；同时衍生了各种各样的充填设计理论。每一种理论都是以矿山安全发展为核心，企业为主体，全面预防灾害事故发生去设计。提出的方案都得思虑周到，以“安全第一、预防为主、综合治理”为方针，经济合理，技术可靠去治理矿企业。每一种充填体强度设计理论既对过去的总结，也是对当下或者未来研究提供了数据、经验基础。2
10、强度设计理论目的历史上很早就出现的采矿，有露天开采，同时存在开采深度不深的地下开采，也出现了不同程度的采矿方法，例如充填采矿技术方法；时开采虽然只是靠人力挖、掘等作业，但是也是一整套完整的系统，包括提升、运输、排水、通风等。近几年来国家的经济和人民的生活水平突飞猛进对矿产资源的需求量也是与日俱增，采矿行业以及相关技术也在不断进步突破。深知采矿行业是一项高危行业，过去在矿产的开采过程频频出现灾害事故，随着采矿技术的发展和广大矿业员工的不懈努力，我国的矿山的安全现状整体稳定，但形势仍然不容乐观，特大事故还时有发生。充填采矿是人类历史上比较长远技术方法，首先这一方法等够帮助我们尽可能的利用矿产资源，
11、使资源最大化；然后保护了自然资源，进一步降低对自然的损耗。充填材料可以是矿山开采废弃的矿渣，膏土，尾砂或者是混凝土等等。将废弃的资源填埋在矿山的采空区中，得达到有效控制由地应力、围岩，顶帮等一系列的不安全的因素引起的不安全问题，同时要得将有限资源最大化是极其重要的。3 充填体作用机理在地下开采过程中，围岩地应力将会呈现一定的变化规律，并发现：采矿井下开挖将对井巷四周围岩的稳定性产生影响，其中影响程度决定于对采空的空间是否进行充填（充填材料可为废石、矿渣、尾砂等）。如果没有对采空区充填的状况之下接着开挖、采掘，次数越多则对围岩稳定性越大。相反，次数越少，对围岩稳定性影响越小。那么充填体和充填体四
12、周的围岩将会存在互相作用的应力，可以将这些的在那个户作用总结为三各方面1：（1）充填体2力学作用充填体被填充到地下采场采空区后，将会使得充填体四周的围岩已经存在的应力作用发生较大的变化，应力状态也得到改变。很大程度上改善地应力与围岩的互相作用状态，让围岩更加稳定不易遭到破坏，进而矿山采场结构趋于稳定。（2）充填体结构作用岩体或者充填体会受到自身结构的影响，影响程度不一，例如节理、裂隙。它本来是可以保持稳定的“几何不变体”，当变成了“几何可变体”那么围岩稳定性受到破坏，导致采场的稳定性随之产生影响。因此采场采空区需要充填体充填，尽管采空区充填后，充填体强度与围岩强度有或大或小的差别，但是充填后也
13、能在一定程度上为岩体提供支撑，维护采场稳定不易破坏。（3）充填体让压作用3充填体与岩石的强度差距很大，但是在采场采空区的围岩产生形变的过程中能够有效的限制地压应力的释放，减小其应力能量扩散。为后期的采矿作业提供安全的环境，增强矿山的稳定性，控制了地表的塌陷，维护了当地人与自然。4 充填体强度理论分析各种各样的材料，如杆件、钢架、岩石、或者充填体都存在这自身的最大承受应力强度4，当受到外界应力过大，超过自身最大承受强度，那么就会出现现象，材料或者系统的稳定性或者维系两者之间的平衡就会被打破，可能会造成较大的损失和伤害。所以我们得了解这些强度理论并合理的运用它们，在采场充填过程中，我们有必要对充填
14、体进行强度理论分析，以便于采空区充填并控制围岩应力或者地应力，使得井下作业更安全。4.1 物体强度基本理论4.1.1 最大拉应力理论（第一强度理论）在这一理论中，杆件、物体、材料由于受到各种各样的应力，主要是拉应力，导致材料等发生破坏。只要材料本身所能够承受强度的某一个临界点数值小于最大拉应力，那么材料的稳定性就会被破坏，将会断裂5。这样，可以根据这一理论知道材料在不同环境中受到的不同应力状态，每当最大拉应力1等于或者大于临界强度b，就会发生断裂。故，推出断裂条件为:1。此理论范围有限，没有考虑其它方向主应力，同时在无拉应力情况之下是无法使用的，例如是单侧受到压缩力作用，三侧受到压缩力作用等等
15、。4.1.2 最大伸长线应变理论（第二强度理论）在这一种理论中，如果物体材料受到外力而发生应变，其中主要的角色是最大伸长线应变。另外，环境中当物体材料在受到应力时，就会发生应变。这个应变值理应小于极限应变值，相反，物体材料将会发生破坏。相应的表达式为u=b/E1=b/E再由广义虎克定律得1=1-u2+3/Eb=1-u(2+3)按最大伸长线应变强度理论得到的强度条件为1-u2+34.1.3 最大切应力理论（第三强度理论）在这一种理论中，自然界中物体材料外力可能会发生“屈服”，影响这一现象的主要扮演角色是最大切应力。这种理论认为无论什么应力状态，只要最大切应力maax大于或者等于的极限切应力0，材
16、料就要发生屈服破坏。maax=0。材料轴向拉伸斜截面上的应力公式可知0=s/2(s为横截面上的正应力)由公式得:max=s=(1- 3)/2。所以破坏条件改写为1- 3=s。按第三强度理论的强度条件为: 1- 3。4.1.4 形状改变比能理论在这一理论之中，物体材料受到作用后，物体材料可能会发生“屈服”，导致物体失去原有的稳定性而被破坏，其中“畸形能密度”是罪魁祸首。不管在受到什么应力状态，只要这个密度参数达到材料所能承受的的极限值，材料就要发生屈服破坏。发生破坏的条件，按性状改变比能强度理论的得出：sqrt(12+22+32-12-23-31) 。4.1.5 莫尔强度理论莫尔强度理论是综合实
17、验结论而得出理论，这一理论认为不管什么样子的应力状态之下，材料物体发生应力破坏所对应的的主应力，并且以这这些应力做出圆图形。然后按照圆的切点再画出由切线而连接而成的曲线就是所求包络线。这个包络线便是许可应力状态的最大极限。当三个应力状态对应的圆在包络线之下，因此没有达到失效状态，相反材料屈服或者断裂失效。所以莫尔强度理论的条件为：1=c，1-3。采场中地下采空区的受到地应力，围岩应力的环境较为复杂，充填体填入采空区将会受到来至不同方向上，应力大小不均的压应力。故第三强度理论。第四强度理论与莫尔强度理论较为采场计算分析3。4.1.6 评价 物体强度理论为工程提供理论基础，为强度理论设计提供依据和
18、奠定基础。不同的强度理论对应着不同的应力分布和承受的力学性质。在地下开采过程中，对采空区的充填，充填体承受着来至围岩以及结构上的应力时，第一、第二强度理论表现出来的不足以支撑数据分析，但是能够为后面数值分析提供相应的计算数值；后面的几种基本理论适用面较为广泛，不管是连续、不连续物体，还是均质还是不均质结构都能有良好的适用。故，在复杂的工程问题中，得从实际出发，有简单向复杂过度。4.2 充填体强度理论分析通过上面的充填体强度理论分析，有必要进一步了解和分析在地下矿山开采中充填体强度的设计理论并且结合矿山给予评价。4.2.1 充填体物理力学性质物理力学学性质指的是矿岩密度、容重、比重、孔隙率、渗透
19、性等固有的物质组成和结构特征的基本属性。不同矿山所处在的地理环境不一，或许气候，降水量等等差别较大，导致矿岩的密度、容重、比重、孔隙率、渗透性等基本属性不一样，进一步影响有需要充填的采场的围岩应力，这时候采用的充填材料也有所区别，不同的充填材料的灰水比也存在差异导致的充填体强度大小相差较大6。4.2.2 充填体的力学性质充填体在各种状况的应力之下，承受应力直到自身稳定性被破坏的极限强度。同时为了找到充填体承受的极限强度临界值，这里有单轴抗拉强度试验，在充填体某一个方向上受到最大拉应力而使得充填体稳定性遭到破坏所对应的极限值；也有三轴抗压强度试验，充填体在三个方向上受到压应力，从而使得材料稳定性
20、被破坏所能够承受的最大压应力值；还有扭转剪切试验，充填体在剪切应力的作用下找到破坏失去稳定性而承受的最大剪切应力值7。同过三种不同的试验并与上述充填体强度理论结合，知道充填体在矿山充填强度的模拟数值，从而选定并制作相应的充填材料和充填方案8。4.2.3 充填体结构面的力学性质充填体的作用机理不同，当自身结构的裂隙节理而导致充填体的强度不一样，那么充填效果也会差异明显9。当充填体受到来至于环境中的压迫力如围岩，而导致自身结构破坏，破坏面为结构面。那么结构面受到的应力关系为：=121 + 2 + 121 - 3cos2=121 + 2sin2结构面强度曲线服从库伦准则=c + tan其中，c黏结力
21、内摩擦角；当充填体没有受到任何应力作用下而发生破坏，破坏面为结构面，那么充填体强度就等于充填体的强度，结构面受到的应力关系为：0=4 + 023=3 + 2(c0 + f03)(1 - f0cot)sin2式子中f0=tan0、c0、0分别为充填体的黏结力和内摩擦角。4.2.4 矿山地应力、围岩应力的测量在大型的铁矿地下开采中，地应力严重影响地下井巷开挖工程，它能够引起地下开挖空间的变形和破坏10。地应力的成因异常复杂，构造应力场和重力应力场为现今地应力场的主要组成部分5。当今的开采技术不能够完全杜绝由于地应力带来的影响，但是能够减小其带来的危害。这里可以采用测量方法将井巷空间的围岩的未受扰动
22、岩体的地应力测出，进而制定合理的支护手段和采空区得充填11。当下，随着科技的发展，技术的进步，测量地应力的方法层出不穷。其中由于测试的方案区别就可以有直接与间接测量。4.2.4.1 直接测量法这种方法有相应仪器设备与对应的使用方法找到并记录多种应力，然后用这些应力与岩体应力之间的联系纽带，或解析方程、或线性代数，；利用运筹学思维建立相应的数学模型，通过计算获得岩体应力12。其中测试方法多样，如水压致裂法等。4.2.4.2 间接测量法在这种方法中，只能通过第三方的介入，将介入的值作为参考。当然介入的测量量与咱们所求的对应量也是有相应的联系。通过试验、建立数学模型求解所需要的关联量，再通过关联量计
23、算岩体应力值13。其中套孔应力解除法在当下工程运用较为广泛较为典型，此外还有孔隙变形和孔壁应变法。4.2.4.3 测量方法的特点不管是直接测量还是间接测量都属于就地取材，实验操作，数据处理，数据对比分析的一种典型，工程上运用广泛，值得工程人员比较信服试验模拟方法。4.2.4.4 水压致裂法该法在20世纪50年代被广泛应用，在实践过程中，这种方法能够测量用于地应力测量。从弹性力学角度观看，当一个位于无限体的钻孔受到无穷远处二维应力场的作用时，那么与钻孔端部一定距离的部位是一种平面应变状态18。在水压致裂法中，将钻孔的一部分封隔，并注入高压水，知道孔壁稳定性被破坏而发生开裂的极限值，这一极限值接近
24、于元岩应力值。通过后期的整理分析，便可以得到充填体的抗压强度7。4.2.4.5 评价地下矿开采设计是一项严谨、严格而又极富想象力、创造力与创新的工作。那么测量数据通常会给带来直观并且具有说服力提供支撑基础。测量方法中，可以将矿山某个应力问题拿到实验室进行实验说明，同时会有合理的数值分析，形象直观将问题得以体现，并制定相应的、合理的应对策略14。但是它也存在一定的局限性，测量过程中因素较多，人为的、外界的、设备的等等，可能会对结果造成影响，从而混淆决策。4.3 充填体力学数值分析充填体虽然是一般的材料，但是充填后，便可以作为一种地质结构体，那么一般解析方法无法解决它的力学问题，与解析方法对比，数
25、值法更是具有代表性和应用广泛性12。数值法分析能够模拟研究对象所体现的的应力特性和结构特性，也能够清晰的分析井下作业、巷道施工、，采空区充填，并且能够对相应的工程进行预测和预报9。主要用于人为开挖、自然环境变化而导致的围岩应力的力学特性。当下，常用的数据模拟分析方法有有限元、边界元以及有限差分法等等。4.3.1 有限元法这种方法在工程上运用的比较多，它是通过建立相应的物理、力学、数学模型来替代物体结构微观上的单个体收到的应力特性。然后试验对比，经过各种方法求解模型的未知量，从而进一步计算物体微观体的值，再以小推大，求解出整个物体结构的应力，或者参考数值11。4.3.2 边界元法边界元法是一种将
26、岩体受到应力后发生状况改变的极限用数学积分代替并解决的过程方案。在这个方法中表示咱们可以将物体受到的宏观上的极限值问题换成有微观上小个体的结构所受到的应力极限，再反推，然后就可以求解边界区域内任意一点的场变量。这种方法对于连续性结构问题，解析便捷，计算简单，效率高；但是对于非连续结构，非线性问题显得较为不足。4.3.3 有限差分法在这种方法中有必要用数学上的代数方法来解决不能够求解的数学模型、或方程。该法中有一些不确定的或待求的数值，这些未知的值咱们可以用当下较为简单而有权威性的代数模型方程求答。此外其他的数值分析方法都是将岩体受到的复杂的应力特性，转换成更加形象的分析过程或者分析模型14。4
27、.3.4 评价数值分析能够最大程度上帮助工程人员解决矿山工程问题，有理有据的为理论设计，方案制定，具体工程实施提供供强有力数据支撑。同时帮助决策人员正确快速指定工程开采方向。但是数值分析有自己局限性，往往有数据而使得方案具有说服力，因此工程人员过于依赖。这得要求实验模型很高，数据处理不容得失误。4.4 类比法4.4.1 概述在矿山生产中，方案设计往往根据以前的、其他的矿山作业方式找到两者之间关联点，对象间的相同点越多，设计的方案结论就更加可靠；同时将类似矿山与设计矿山进行比较，往往会得到更为接近正确的数值或者方案，从而减小误差15。相反，如果比较的对象与设计对象相差较大，不具有本质性，那么两者
28、之间的类比就不具有代表性，得到结论误差较大，不可靠。4.4.2 特点类比法的主要特点是先进行比较，然后在进行演算推演。类比法的基础是首先将比较的失误进行比较，而这个“比”既要有共同点也要“比”不同点。需要进行比较的事物、材料等两者、三者或更多，它们之间要有一定的共性，同时还需要有差别，这是类比方法的基础理论。如果它们之间没有共同点的是无法进行类比推理的，强行比较是没有任何意义，也没有说服力的。4.4.3 作用类比法的主要作用是通过两者或者更多事物、材料的比较，由已知道的事物而后了解到后者也有相应的性质。所以常常认为被比较者是基础前提，比较一方则就是结论。这种类比的思考过程就是一种推理、推演，结
29、果正确或者错误。以往的想法是尽可能找到比较的对象之间的相同点，并且知道一方的存在的某种状况，然而没有发现另一方也出现相同的情况11。这时大脑就会进行类比推理，由此认为另一对象也出现这种状况。现在的类比法能够做到由前者而得到后者，两者之间经过了一个归纳和推演的过程。从已知对象的某些问题从而归纳出此类事物同样具有着类的状况，进而推演出另一对象也同样存在这种情况。在矿企业中，安全问题被放在首位，每当进行类比的时候，比较的对象往往不会局限于一两个对象，涉及的对象范围很广，数量多，推演的情况更加真实可靠。4.4.5 类比4.4.5.1 按对象分根据类比中对象的差别，类比可以分为多种类型，以下几种就是比较
30、典型以及具有代表性的几类，类别如下：个别性类比：个别性类比是类比法的比较典型用且途广泛以及涉及范围多、直白明了的一类，也是生活中、工程上最常用、最常见的类型，遍及范围较广。这种类比方法也是比较简易的，但是存在于为数不多的例子中；就好比在简单运算中二加一等于三，然后知道结果为三的简单加法中海油零加三。也就是有一种事物的特殊而推出相应的结果。特殊性类比：这种类比方法的提前了解局中的对象，就好比有四个苹果分两个小箱子存放，其中已经知道一个箱子有苹果两个，那么就可以推出另一个箱子有两个苹果。普遍性类比：这种方法得要求两对象之间有着相互联系的纽带，使得二者之间能够良好的沟通。然后就可以通过其中的一者和联
31、系的纽带就可以推出另一者。就好比a等于b，b等于c，就可以推出a等于c。4.4.5.2 按断定分这种类比方法因为断定的方式不一样，从而导致对它的划分也是不一样的，简单的说有正、负、正负三类。接下来对这三类进行区分和说明。正类比：这种类比方法和上述普遍性类比方法有相似之处，都是由共性相同的两对象之间，其中的一方还存在某一种状况，那么另一者也会也这一种状况。就好比a=b，a=c，那么就可以推出b也等于c。负类比：这一种类比方法和上述正类比是相反的，简单的理解是a不等于b，a也不等于c，那么b也不会与c相等。正、负类比：这一种类比方法是上述正类比和负类比的综合，比较对象之间得同时考虑多方面因素，找到
32、相似相同或者不同的地方。4.4.5.3 按内容分根据类比中的内容差异，类比可分为下面三类比较方法。性质类比：性质类比的另一种叫法是质料类比，这种方法和上面的类比方法比较相似，都是通过比较物体拥有的共同之处而进行下一步对比。关系类比：这一种类比方法是建立在比较双方有关系的基础之上的，如果没有关系，那么它们之间比较是不存在的。条件类比：而这一种类比方法，比较双方或者三方是有某个约束条件的或者是相互联系的条件因素。4.4.5.4 按结论对象分该类比划分由要求进行类比的事物性质、属性区分，可以分为同、异类两个方面。前者就是以人来推理人，用物体来推理物体，动物来推理动物的性质过程；后者就是不同性质属性事
33、物之间进行比较，例如人推理物体之类的等等。以人推理人这样的类比方法就是用自己或者其他人来对另外的任务进行推理。例如，我自己看着很帅，很年轻，年龄是22岁，当我又看到另外的以年轻人与我的情况类似，因此可以推出另外的那个人年龄也是22岁。相反，如果某一个人好吃懒做，并且不爱运动，然后长得很胖那么可以推出，自己如果和他一样不锻炼，好吃，那么我也会长得很胖。 同理，用物体推理物体，人推理物体，物体推理人也是一样的道理。4.4.6 评价当我们在进行地下矿山充填体强度设计的时候，选取的方法选取是至关重要的；不同的方法差生的误差也有大或有小，我们得尽可能减小误差，让方案更加安全可靠。类比法的优点，在矿山设计
34、过程中，为工作人员提供了有价值的数据参考，方案选择，系统优化等12。为后期的设计工作或者管理，治理都提供了参考依据，使得矿山这个大系统更加完善、完整。同时它也暴露了自己的不足，类比法得出结论是推理而出，存在检验的必要性，具有风险性。5 工程应用李楼铁矿是我国较大的地下开采的铁矿山，矿山储量较大，达到2亿吨，矿走向较长，矿体中段最长可达4004.20m，面积最大可达177403.3913m2，矿体下限埋深最高为187.25m，赋存标高达到最低767.53m。矿区周围有良好的自然环境，人员聚集村子、城镇；在李楼铁矿附近不远处还有吴集铁矿，大面积开采势必给周围环境造成较大破坏，给国家带来较大的损失。
35、因此，对采场的嗣后充填是非常有必要的。充填体选取也是至关重要的，充填体的强度是否能够承受得住来至于围岩，结构带来的应力，以及充填体配比也影响着自身强度8。矿区比较大，为了兼顾安全可靠、技术可行、经济合理，充填体就地取材就较为可靠。在矿区采场中，尾砂、废石、矿渣等均可以作为充填材料。李楼铁矿采区上下盘的岩层错动角经过计算之后是65度，而李楼铁矿的围岩为白云质大理岩。然而白云质大理岩又是因为地层变质作用而形成的。各种类别的岩石种类比例也是挺高的，李楼采区的岩层还是比较稳固的14。并且这一些变质岩的化学成分里面含有硅的氧化物，铝的氧化物，铁的氧化物，锑的氧化物和锰等之类的氧化物。如二氧化硅，三氧化二
36、铝，三氧化二铁，氧化铁，氧化锰以及氧化钙等等共同组成16。李楼铁矿采用胶结充填，那么适用于矿山胶结充填的水泥主要有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质。硅酸盐水泥所含的成分比经过查阅资料和一些参考文献可以了解到氧化钙比二氧化硅比三氧化二铝，以及与三氧化二铁然后就是其他物质的比为64比21比4比2比9。并且知道水泥的作用机理当水泥接触倒水并快速溶解，随着水溶液的继续进行，溶液迅速凝结，达到相应的强度。其中，水泥颗粒的表面积与水接触并溶解是至关重要的，颗粒表面积大，那么溶解的速度也就越快。水泥与废石之间的成分大致相似，导致两者的强度相差较小，它们之间的结合之后的充填体强度与围岩的强度相近，对于
37、围岩压力，应力传播、让压等都能够得到有效的控制14。通过充填体来维护围岩的自身强度，以避免遭到破坏，合理的利用并发挥围岩稳定性，有必要的时候得适当改善围岩威严的应力条件。一方面，当充填体遭到环境中的围岩应力的时候，自身的结构刚度也在慢慢地减小，直到自身的稳定性被破坏。然而在这一失去稳定的过程中，这与充填体的结构和性质有着密不可分的关系。另外，充填体所体现出来的抵抗应力的刚度，是随着年代的发展而减小，只有当我们找到与环境相似的材料，并用来充填，那么就会使得两者间的应力无限接近，直到契合17。此外，充填材料是一种有多种材料混合而成的混合型材料，合理配比将会使得强度更佳。那么，咱们的通过建立模型，实
38、验，类比确定合理的充填配比。另一方面，充填体的充填效果是否达到相应的的强度，很大程度上取决于充填配比或者灰砂比，因此提高充填强度在一定程度上是对充填配比的增大。由充填体的作用机理，清楚了解到围岩与充填体之间有必要做到一环扣一环，两者在采场中相互利用，使得采场更加稳定。在充填体强度的研究中，良好的配比和灰砂比会对其强度有更佳的作用18。从一定意义上来说，灰砂比越小，物体的强度也就越低，尽管强度不够的充填材料在进行对采空区的充填，它也能够在一定程度上对支护采空区和对围岩应力的控制得到限制，虽然限制效果较小。相反当灰砂比的值越高，那么充填强度也就越高，强度越高则会对采场稳定性也就越好。但也不是一昧的
39、使得灰砂比增高，过高的灰砂比不仅使得经济上浪费资源，成本增高，而且强度过高对于来至于环境中的应力缓冲降低，不利于稳定19。总之，应根据李楼矿山具体条件，选择理想的充填骨料及合理的配比，以获得合适的弹模和强度，取得较好的技术经济效果。为了取得较为合理的灰砂比，以便于控制围岩地压，可以通过类比其他的强度理论与已经做好的实验得出的数据找到充填配比20。首先得从李楼采取不同灰砂比的充填体，拿到实验室进行单轴抗压验、变形试验、伸长强度实验。然后得到相应实验的数据，并绘处对应的应力应变曲线，根据四种强度理论与莫尔强度理论，找到充填体失去稳定性的最大应力极限数值，进而得到应该采取的充填配比21。下表就为李楼
40、铁矿充填体物理力学参数测试结果汇总表。由于李楼铁矿矿体厚度比较大，矿体上下盘倾角也比较大。因此在围岩稳定不同的地段将采用的灰砂比也是不一样的。如果当充填材料在围岩稳定性较差的地层中进行充填，灰砂比过小，充填体即使能够维持回采作业的安全，也不能预防围岩后期发生形变，不利于整个矿山稳定。一般认为充填体的灰砂比越高，对地表岩移的控制就越有利，也不尽然。灰砂比太高，耗费大量的经济成本，充填体弹性模量会增大，导致在围岩应力作用之下，发生形变的范围减小，不利于让压、卸压22。因此李楼铁矿开采对地表稳定性的要求较高，将会采用较高灰砂比进行充填，但是也不能太高。在不同条件状态下，不管运用刚度多大的充填材料，依
41、旧达不到理想的维护作用。在这里就有几种特殊环境因素之下，不得不考虑加入其它维护，才能使得充填材料的充填效果达到最佳。一个是在矿体开采中采遇到矿体形态变化较大的地段，并要求充填，那么在此地段充填，会有应力集中的问题23。应力集中是极其危险的，这一种问题可能会导致该段的崩塌；为了避免这种情况，有必要对该段进行特殊的支护，在进行回采，充填。二是充填材料与矿体的强度存在较大差别，这样也会导致应力集中，对未开采矿体结构破坏，使得充填不佳，矿石贫化加大，不利于采场发展与稳定。当工程人员在进行采空区充填的时候，可以加入在不同空间位置对应的充填体强度不同，例如顶板位置，中间位置，底板位置24。只有做到对每个位
42、置的强度了解，才能得到优秀的充填配比，并按照方案进行作业。经过试验和数值分析得到底板，顶板的配比用1:4,效果比较好，中间用1:8效果更佳，也是可以通过计算得到平均配比为1:6：4。6 结语地下开采是一门集理论、实验以及实践的综合性学科。涵盖的知识面广泛对自身而言是一个全面环环相扣的系统。对于学习、今后在做工程上的工作时提供了知识和理论基础。在井下开挖、巷道支护，矿石切割、回采遇到的各种问题，有提升，运输，给排水，通风，通电，通气，支护，充填等等各种各样的问题；解决的方法也不尽相同，本着安全第一的原则，技术可靠的操作，经济合理的要求去解决问题，提升矿石生产效率，为矿市场竞争取得良好的优势。一名
43、优秀的矿企业员工能够对矿山各种突发情况给予可靠的应对措施。而矿山地下采场，非连续、非均匀等结构体产生的应力以及自身承受强度是值得继续深入学习和研究的。当地下开掘时，往往会遇到来至于围岩，自然，地下水流体，岩层等应力。为了采场的稳定性、工作人员的安全，地表环境的维护；对采空区进行支护或者充填是极其有必要的。一方面是为矿企业的绿色可持续发展，另一方面是积极响应国家与人名的号召，与环境和平相处，互惠互利。那么对采场采空区充填是非常重要的，是维持整个采场稳定的主要影响因数。首先，对采场充填后，有效的缓解来源于围岩的压应力，将周围的地应力冲击波有效的限制，并且结构之间相互让压等等，使得采场更加稳定，工作
44、环境得到更安全的保障。其中，充填体自身的强度在这里面扮演着主要角色。充填体强度不够，由材料的强度理论分析了解到，当充填体受到各个方向上的应力时会发生形变。应力值超过充填体的极限值时，材料将会失去稳定性，受到破坏。当充填体强度过大，那么充填体的灰砂比一般比较高。仅仅是成本上的增加，人力物力的投入，而且会对充填体材料的弹性模量有影响，弹性模量增加，其受力时常常会显得没有缓冲，不利于稳定。因此，确定适合的灰砂比的充填体，将会有更适当充填的强度来维持采场稳定。另外，通过不同的强度设计理论与评价对各种类型的材料进行参考，选择出相应的材料，以及数值。为矿山提供强有力的帮助。综上，通过矿山有必要充填，充填体
45、在采场的作用机理；充填体强度理论的了解分析，以及不同方面的影响因素与验证方法在实际矿山工程应用中的实践，得到相应的数据。7 参考文献1徐冬海类比法的类型研究D淮阴师范学院学报(哲学社会科学版)，20052卢央泽，郭章，姜仁义浅议李楼铁矿胶结充填体的选择D矿冶，20093赵耀厦门BRT曲线钢箱梁结构行为计算分析D西南交通大学，2010.4唐基敏路基水毁路段自承载战备桥梁性能研究D.重庆交通大学，20175李宪振古汉山矿高应力巷道围岩稳定性与支护技术研究D.河南理工大学20096Phan Duy Au.动荷载作用下长寿命微罩面的力学特性研究D北京交通大学，2015.7李梁高寒地区连续梁桥面沥青混凝
46、土铺装防裂耐久性设计研究D.武汉理工大学，2013.8王泽群缓倾斜厚大矿体两步回采地压控制技术研究D中南大学20059刘志祥，刘青灵，周士霖.基于可靠度理论的充填体强度设计D矿冶工程，201210张耀平矿山空区诱发的岩移特征及覆盖层冒落效应研究D中南大学， 201011孙小明.基于有限元分析的AMT选换档机构研究与设计D安徽农业大学，200912王亚兵反铲液压挖掘机工作装置结构与性能一体化设计研究D重庆大学201413张永坤，程桦，蔡海兵潘北矿地应力测量及其结果分析D中州煤炭，201214温广军大型缓倾斜矿体的采场地压控制研究D江西理工大学，200815张艺晋基于地应力测量和分析的矿山安全开采技术研究D中南大学，201116司林坡全景钻孔窥视仪在水压致裂法地应力测试中的应用D煤矿开采，201117田涛长城窝堡井田开采引起地应力变化及对科尔康油田的影响研究D辽宁工程技术大学，200518马秀敏新疆精伊霍铁路北天山越岭深埋特长隧道区水压致裂地应力测量与隧道工程稳定性研究D中国地质科学院，200619张金遗传算法在地应力反演中