矿岩-充填体复杂结构体协同效应及应力协调研究

In filling mining, the main support body of stope roof is ore-backfill complex structural body formed by mediums with different deformation properties. According to the scientific problems, including complex mechanical behavior of ore-backfill complex structural body and inhomogeneous distribution of stress in ore-backfill complex structural body, caused by deformation properties differences of different mediums, ore-backfill complex structure synergistic effect and stress compatibility need to be studied. Based on stress-strain curve and compressive strength obtained by ore-backfill complex rock sample triaxial compression test, considering constraint stress on the interface of support mediums with different deformation properties, constitutive model and strength model of ore-backfill complex structural body will be constructed. Using structural mechanics analytical methods, structural mechanics theoretical models of the stope filled with single medium and two mediums, to reveal the formation mechanism of inhomogeneous distribution stress in complex structural body. Furthermore, the optimal deformation parameter matching model of ore and backfill will be constructed. On the other hand, based on flexible roof-contact and local depressurization, the ore-backfill complex structural body depressurization method will be studied. Till then, the principle of ore-backfill complex body stress compatibility based on optimal matching of deformation parameter, flexible roof-contact and local depressurization can be formed. Research results will provide basis for filling material selection and stability control of backfill from a new point of view.

矿床充填法开采中，不同强弱介质所形成的矿岩-充填体复合结构体构成采场顶板的主要支撑体。不同强弱介质变形特性存在差异且相互约束，导致矿岩-充填体复合结构体力学行为复杂，受载不均匀，有待进行矿岩-充填体复杂结构体协同效应及应力协调研究。基于多尺度矿岩-充填体复合岩样三轴压缩试验所获取的应力应变曲线及强度参数，考虑微观下具有不同变形特征的各相支撑介质在交界面上的约束应力，建立不同强弱组合矿岩-充填体复合结构体本构模型和强度模型；利用结构力学解析方法，构建单介质充填和两种介质交替充填的采场结构力学理论模型，揭示复合结构体内不均匀应力分布状态形成机理，建立矿岩-充填体变形参数最优匹配模型，研究矿岩-充填体复合结构体柔性接顶和局部卸压方法，从而形成基于变形参数最优匹配、柔性接顶和局部卸压的矿岩-充填体复合结构体应力协调原理。研究成果将从新的角度为充填法矿山充填料的选取以及采场顶板稳定性控制提供基础。

矿床充填法开采中，不同强弱介质所形成的矿岩-充填体复合结构体构成采场顶板的主要支撑体。不同强弱介质变形特性存在差异且相互约束，导致矿岩-充填体复合结构体力学行为复杂，受载不均匀。以不同强弱组合矿岩-充填体复合结构体力学行为研究为研究基础，以矿岩-充填体复合结构体的应力协调原理研究为重点，开展了矿岩-充填体复合结构体本构模型和强度模型研究，分析了复杂充填采场的应力分布特征，探讨了矿岩-充填体复合结构体的应力协调方法。.进行了不同强弱组合复合岩样压缩试验，探讨了复合岩样中各介质强度以及变形特性的差异性对复合岩样破坏特征及强度的影响。基于应力应变协调方程，建立了非协调变形次生约束应力同各介质力学参数间的关系式，构建了不同强弱组合矿岩-充填体复合结构体本构模型和强度模型。对含裂隙复合岩样进行单轴压缩数值模拟，分析了复合岩样中裂隙的几何参数对复合岩样破坏模式和强度特性的影响。进行了不同强弱组合复合岩样剪切试验，分析了各相介质性能的差异和法向应力对复合岩样剪切性能的影响。.采用数值模拟和大尺寸相似试验，分析了矿岩-充填体复合结构体内的不均匀应力分布特征，揭示了其形成机理为各支撑介质变形特征的差异性和实际变形的协同性。建立了充填体强度与弹性模量之间的关系式；基于材料力学和结构力学理论，以采场开挖后顶板岩梁的弯曲弹性应变能与充填体压缩应变能的匹配原则，构建了矿岩-充填体变形参数最优匹配模型。.定义了矿岩-充填体复合结构体应力协调指数，提出了基于柔性接顶的卸压方案，构建了柔性接顶卸压弹性力学概化模型，研究了柔性接顶相关参数的确定方法。同时，研究了以卸压切缝为主的卸压方式对协调复合支撑体应力的适用性，提出了卸压切缝参数确定方法，从而形成了基于柔性接顶+局部卸压的矿岩-充填体复合结构体应力协调原理。.项目为充填法开采矿山提供了一种基于应力协调的采场稳定性控制思路，能够指导充填法采场结构参数和充填料的合理选择。