内容简介

本书鉴于金属矿实际充填开采过程中采场直接顶板移动与变形较小的特点，通过数值模拟、相似材料模型试验研究了典型金属矿充填开采覆岩的移动与变形规律，分析了充填开采控制典型金属矿覆岩移动与变形机理，建立了典型金属矿充填开采覆岩移动与变形的理论模型。并结合典型金属矿山充填开采实例，通过对比分析采场直接顶板的最大下沉量的实际监测值、数值计算和理论计算值验证了模拟、理论计算方法的实用性和有效性。本书可供矿山企业、矿山设计研究院工程技术人员和采矿类院校本科生及研究生阅读参考。本书基于金属矿实际充填开采过程中采场直接顶板移动与变形较小的特点，通过数值模拟和相似材料模型试验，研究典型金属矿充填开采覆岩的移动与变形规律，分析充填开采控制典型金属矿覆岩移动与变形机理，建立了典型金属矿充填开采覆岩移动与变形的理论模型。并结合典型金属矿山充填开采实例，通过对比分析采场直接顶板最大下沉量的实际监测值、数值计算和理论计算值，验证了模拟、理论计算方法的实用性和有效性。

前言概述

金属矿山充填开采不可避免引起上覆岩层及地面产生移动与变形，给地面建（构）筑物安全带来的潜在威胁，目前由于金属矿山充填开采覆岩移动与变形理论体系尚未完整形成，实际设计、生产和监督过程中主要通过参考煤矿开采行业多年来根据垮落法开采研究并总结出来的岩层移动角圈定地表移动带来解决，由此圈定的地表移动带往往过大，带来搬迁费用高、开采成本大、工业场地布置困难等系列难题。为此，本书依据某金属矿山实际充填开采过程中采场直接顶板移动与变形较小的特点，通过数值模拟、相似材料模型试验和理论分析，对几种典型金属矿体充填开采覆岩的移动与变形规律和机理进行了研究。本书主要内容包括：分析了不同因素对几种典型金属矿体充填开采覆岩不同水平移动与变形的影响规律。在分析金属矿充填开采覆岩移动变形影响因素的基础上，利用Flac3.0对不同充填率、充填体力学性质、覆岩厚度和矿体倾角下几种典型金属矿体覆岩的移动与变形进行了数值模拟计算，将数值计算结果导入到TecPlot中，提取出覆岩中不同水平的垂直位移和水平位移2种位移值，进而计算出各水平的倾斜、曲率和水平变形3种变形值，然后分析了覆岩不同水平2种位移和3种变形的最大值随充填率、充填体力学性质、覆岩厚度或矿体倾角的变化规律。分析了不同因素对几种典型金属矿体充填开采覆岩不同水平移动角的影响规律。在不同充填率、充填体力学性质、覆岩厚度和矿体倾角下2种位移和3种变形计算的基础上，根据空场法开采时选取的移动角对应的覆岩各水平倾斜、曲率和水平变形值，分析了充填法开采时覆岩各水平在相应倾斜、曲率和水平变形值时对应的移动角的变化规律。对比分析了金属矿体采用充填法和空场法开采时覆岩移动与变形的动态变化规律。根据相似原理，通过相似材料配比实验确定了矿岩相似材料的配比，构建相似模型，分别模拟了采用充填法和空场法开采时某典型金属矿体覆岩不同水平、不同时间的位移与变形，得到了充填法开采覆岩移动与变形的动态变化规律。建立了典型金属矿体充填开采覆岩移动与变形的理论计算模型，并得出了其计算表达式。根据金属矿充填开采采场直接顶板移动与变形较小的特点，基于弹性力学中的弹性薄板理论建立了典型金属矿充填开采采场直接顶板沉降的物理数学模型，利用Navier解法结合覆岩岩层移动与采场直接顶板移动相似关系，建立了典型金属矿体充填开采不同覆岩水平挠度与变形的计算模型。然后分析了地基系数、覆岩厚度、矿体厚度和弹性模量对采场直接顶板最大下沉量理论计算值的影响规律。结合某金属矿山充填开采实例，通过对比分析了采场直接顶板的最大下沉量的实际监测值、数值计算和理论计算值来验证模拟、理论计算方法的实用性和有效性。本书的研究得到了国家自然科学基金项目（51804135、51804134）、江西省自然科学基金项目（20192BAB216017、20181BAB216013）、国家大学生创新创业项目（201910407003）、江西理工大学博士启动基金项目（jxxjbs17070）和江西理工大学优秀学术著作出版基金的支助。在研究过程中，得到了中南大学资源与安全工程学院王新民教授和张钦礼教授的悉心指导和帮助，两位教授渊博的知识、严谨的学风和对科学研究的无私奉献精神使作者受益终生。同时，本书的研究和撰写过程，还得到了中南大学张德明、冯岩、卞继伟，江西理工大学王石、胡凯建等同仁的帮助，在此向他们表示衷心的感谢并致以深深的敬意。由于金属矿充填开采中影响覆岩移动与变形的因素众多，发生原因复杂，相关的研究工作还在深入进行中，加上作者的学识水平有限，本书中难免有不妥之处，诚请读者批评指正。

作者介绍

柯愈贤，江西理工大学采矿专业讲师，主要从事充填开采方向的研究工作，主持国家自然科学基金青年基金项目、江西省自然科学基金青年基金项目多项。

目录

1 绪论
1．1 研究背景、目的及意义
1．2 国内外研究现状
1．2．1 开采岩移与变形研究现状
1．2．2 充填开采技术发展历程与现状
1．2．3 充填开采控制岩移与变形研究现状
1．3 金属矿与煤矿充填开采岩移与变形的异同
1．4 本书研究内容、方法与技术路线
1．4．1 本书研究内容与方法
1．4．2 本书研究技术路线

2 典型金属矿体充填开采覆岩移动与变形数值模拟
2．1 覆岩及地表移动与变形的影响因素
2．1．1 矿岩赋存条件
2．1．2 矿岩物理力学性质
2．1．3 充填体物理力学性质
2．1．4 开采与充填工艺
2．2 矿岩与充填物理力学参数
2．3 覆岩移动与变形规律数值模拟分析
2．3．1 充填率对覆岩移动与变形的影响规律
2．3．2 充填体物理力学性能对覆岩移动与变形的影响规律
2．3．3 覆岩厚度对覆岩移动与变形的影响规律
2．3．4 矿体倾角对覆岩移动与变形的影响规律

3 典型金属矿体充填开采覆岩移动与变形相似模拟
3．1 相似基本原理及相似条件之间的关系
3．1．1 相似基本原理
3．1．2 相似条件之间的关系
3．2 相似材料配比实验
3．2．1 制作相似材料的原料选择
3．2．2 相似材料配比实验及结果
3．3 相似材料模型模拟实验
3．3．1 实验设备与监测元件
3．3．2 相似材料模型及其材料参数
3．3．3 相似材料模型实验监测方案
3．3．4 相似材料模型实验模拟过程及其结果

4 典型金属矿体充填开采覆岩移动与变形机理
4．1 充填开采控制覆岩移动与变形机理
4．1．1 充填体对采空区围岩的支护作用
4．1．2 充填体改善了空区围岩的受力状态
4．1．3 充填体对围岩结构体的维稳作用
4．1．4 充填体对围岩节理裂隙的充填和胶凝作用
4．1．5 充填体降低冲击波的破坏作用
4．2 弹性薄板基本理论
4．3 采场直接顶板移动与变形
4．3．1 采场直接顸板移动与变形模型
4．3．2 采场直接顶板移动与变形模型求解
4．4 覆岩及地表的移动与变形
4．5 不同因素对采场直接顶板下沉的影响规律
4．5．1 地基系数对采场直接项板下沉的影响
4．5．2 覆岩厚度对采场直接顶板下沉的影响
4．5．3 矿体厚度对采场直接顶板下沉的影响
4．5．4 覆岩弹性模量对采场直接顶板下沉的影响
4．6 理论、数值模拟及相似模拟分析计算结果对比

5 工程实例
5．1 矿床开采概况
5．1．1 地层概况
5．1．2 采矿方法
5．1．3 充填工艺
5．2 全尾砂充填体力学性能
5．3 采场直接顶板下沉量
5．3．1 实际监测
5．3．2 数值分析
5．3．3 理论计算
5．3．4 综合分析

6 总结
6．1 结论
6．2 创新点
6．3 展望
参考文献