1、北京矿冶研究总院 采空区点柱与充填体的相互作用机理研究采空区点柱与充填体的相互作用机理研究 2018.10.24 第七届黄金科学技术论坛第七届黄金科学技术论坛 目 录 CONTENTS 研究背景研究背景 研究内容研究内容 研究结论研究结论 一、研究背景一、研究背景 拟风井回全面法采矿全面法采矿 大量遗留点柱大量遗留点柱 一、研究背景一、研究背景 拟风井回全面法回采全面法回采 大量遗留点柱大量遗留点柱 空空区点柱区点柱 二、研究内容二、研究内容 1、矿柱强度理论选取、矿柱强度理论选取(1)硬岩矿柱强度：硬岩矿柱强度：(3)矿柱平均强度系数：矿柱平均强度系数：(2)矿柱摩擦系数：矿柱摩擦系数：Lu

2、nder经验强度理论经验强度理论 1.4/0.46log0.75W HPWCH 0.440.680.52c 11tan cos1PPCC式中：c-完整岩石的单轴抗压强度；-矿柱摩擦系数。式中：PC-矿柱平均强度系数；W-矿柱宽度，m；H-矿柱高度，m；建立不同宽高比点柱的数值模型，采用建立不同宽高比点柱的数值模型，采用Lunder经验强度公式校核不同宽高比点柱经验强度公式校核不同宽高比点柱 的岩体力学参数；的岩体力学参数；Lunder PJ,Pakalnis R.Determination of the strength of hardrock mine pillars.Bull Can In

3、st Min Metall 1997;90:5125.二、研究内容二、研究内容(1)硬岩矿柱强度：硬岩矿柱强度：(3)矿柱平均强度系数：矿柱平均强度系数：(2)矿柱摩擦系数：矿柱摩擦系数：Lunder经验强度理论经验强度理论 1.4/0.46log0.75W HPWCH 0.440.680.52c 11tan cos1PPCC式中：c-完整岩石的单轴抗压强度；-矿柱摩擦系数。式中：PC-矿柱平均强度系数；W-矿柱宽度，m；H-矿柱高度，m；Shear stresstan()建立不同宽高比点柱的数值模型，采用建立不同宽高比点柱的数值模型，采用Lunder经验强度公式校核不同宽高比点柱经验强度公式

4、校核不同宽高比点柱 的岩体力学参数；的岩体力学参数；Lunder PJ,Pakalnis R.Determination of the strength of hardrock mine pillars.Bull Can Inst Min Metall 1997;90:5125.1、矿柱强度理论选取、矿柱强度理论选取 二、研究内容二、研究内容 不同宽高比点柱的理论强度（完整岩石的单轴抗压强度取不同宽高比点柱的理论强度（完整岩石的单轴抗压强度取58MPa）矿柱宽高比矿柱宽高比W/H矿柱平均强度系数矿柱平均强度系数Cp矿柱摩擦系数矿柱摩擦系数K矿柱强度矿柱强度/MPa0.50.000.0518.0

5、0.60.000.1319.00.70.010.2220.30.80.030.3321.70.90.040.4323.110.060.5424.51.10.090.6425.91.20.110.7427.21.30.130.8328.41.40.150.9229.61.50.171.0130.71.60.191.0931.81.70.211.1732.81.80.231.2433.81.90.241.3134.720.261.3735.6建立不同宽高比点柱的数值模型，采用建立不同宽高比点柱的数值模型，采用Lunder经验强度公式校核不同宽高比点柱经验强度公式校核不同宽高比点柱 的岩体力学参数；

6、的岩体力学参数；1、矿柱强度理论选取、矿柱强度理论选取 二、研究内容二、研究内容 建立不同宽高比点柱的数值模型，采用建立不同宽高比点柱的数值模型，采用Lunder经验强度公式校核不同宽高比点柱经验强度公式校核不同宽高比点柱 的岩体力学参数；的岩体力学参数；参参数校核数校核 不同宽高比点柱的理论强度（完整岩石的单轴抗压强度取不同宽高比点柱的理论强度（完整岩石的单轴抗压强度取58MPa）矿柱宽高比矿柱宽高比W/H矿柱平均强度系数矿柱平均强度系数Cp矿柱摩擦系数矿柱摩擦系数K矿柱强度矿柱强度/MPa0.50.000.0518.00.60.000.1319.00.70.010.2220.30.80.0

7、30.3321.70.90.040.4323.110.060.5424.51.10.090.6425.91.20.110.7427.21.30.130.8328.41.40.150.9229.61.50.171.0130.71.60.191.0931.81.70.211.1732.81.80.231.2433.81.90.241.3134.720.261.3735.61、矿柱强度理论选取、矿柱强度理论选取 二、研究内容二、研究内容 不同宽高比点柱数值模型的纵向中心截面图不同宽高比点柱数值模型的纵向中心截面图;（a）W/H=0.5（b）W/H=1（c）W/H=1.5（d）W/H=2(d)(a)(

8、b)(c)ZXZXZXZX建立不同宽高比点柱的数值模型，采用建立不同宽高比点柱的数值模型，采用Lunder经验强度公式校核不同宽高比点柱经验强度公式校核不同宽高比点柱 的岩体力学参数；的岩体力学参数；2、模型参数校核、模型参数校核 二、研究内容二、研究内容 ZX(b)V=10-6 m/step W/H=0.5的数值模型（的数值模型（a）三维模型（）三维模型（b）经过点柱中心垂直）经过点柱中心垂直Y轴方向的模型截面轴方向的模型截面(a)Z X Y 建立不同宽高比点柱的数值模型，采用建立不同宽高比点柱的数值模型，采用Lunder经验强度公式校核不同宽高比点柱经验强度公式校核不同宽高比点柱 的岩体力

9、学参数；的岩体力学参数；边界条件边界条件 2、模型参数校核、模型参数校核 二、研究内容二、研究内容 岩体名称岩体名称本构模型本构模型弹性模量弹性模量E/GPa泊松比泊松比u抗拉强度抗拉强度t/MPa初始值初始值c/MPa塑性应变率塑性应变率%残余值残余值c/MPa初始值初始值（）塑性应变率塑性应变率%残余值残余值（）点柱点柱 Strain Softening380.22.23.60.280.8480.2820充填体充填体Mohr CoulombVARVAR0.4VAR-VAR-顶板顶板Isotropic Elastic380.2-底板底板Isotropic Elastic380.2-内聚力内聚

10、力内摩擦角内摩擦角建立不同宽高比点柱的数值模型，采用建立不同宽高比点柱的数值模型，采用Lunder经验强度公式校核不同宽高比点柱经验强度公式校核不同宽高比点柱 的岩体力学参数；的岩体力学参数；岩体力学参数岩体力学参数 2、模型参数校核、模型参数校核 注：注：VAR为实验控制变量为实验控制变量 二、研究内容二、研究内容 点柱单元体的（点柱单元体的（a）内摩擦角）内摩擦角;（b）内聚力与塑性应变的关系）内聚力与塑性应变的关系（a）（b）建立不同宽高比点柱的数值模型，采用建立不同宽高比点柱的数值模型，采用Lunder经验强度公式校核不同宽高比点柱经验强度公式校核不同宽高比点柱 的岩体力学参数；的岩体

11、力学参数；2、模型参数校核、模型参数校核 二、研究内容二、研究内容 建立不同宽高比点柱的数值模型，采用建立不同宽高比点柱的数值模型，采用Lunder经验强度公式校核不同宽高比点柱经验强度公式校核不同宽高比点柱 的岩体力学参数；的岩体力学参数；结论：结论：从左图中可以看出从左图中可以看出不同宽高比点柱的理论不同宽高比点柱的理论强度与数值模拟强度高度吻合，说明该岩体力强度与数值模拟强度高度吻合，说明该岩体力学参数满足学参数满足Lunder经验经验强度理论。强度理论。不同宽高比条件下点柱理论强度与模拟强度的对比不同宽高比条件下点柱理论强度与模拟强度的对比 2、模型参数校核、模型参数校核 二、研究内容

12、二、研究内容 以校核的岩体力学参数为基础，选取宽高比为以校核的岩体力学参数为基础，选取宽高比为0.5的点柱为研究对象，建立充填体包裹点柱的数值模型，采用控制变量法，研究点柱峰值和残余强度对充填率、充填体力学性质（即弹性模量的点柱为研究对象，建立充填体包裹点柱的数值模型，采用控制变量法，研究点柱峰值和残余强度对充填率、充填体力学性质（即弹性模量E、泊松比、泊松比u、内聚力、内聚力c和内摩擦角和内摩擦角）等参数的敏感性。）等参数的敏感性。hfWpHpWf1m1m充填体包裹点柱的数值模型充填体包裹点柱的数值模型XZ平面截面图；其中平面截面图；其中Wp=1m,Hp=2m,2Wf/Wp=5 3、实验方案

13、、实验方案 二、研究内容二、研究内容 以校核的岩体力学参数为基础，选取宽高比为以校核的岩体力学参数为基础，选取宽高比为0.5的点柱为研究对象，建立充填体包裹点柱的数值模型，采用控制变量法，研究点柱峰值和残余强度对充填率、充填体力学性质（即弹性模量的点柱为研究对象，建立充填体包裹点柱的数值模型，采用控制变量法，研究点柱峰值和残余强度对充填率、充填体力学性质（即弹性模量E、泊松比、泊松比u、内聚力、内聚力c和内摩擦角和内摩擦角）等参数的敏感性。）等参数的敏感性。方案编号方案编号弹性模量弹性模量E(GPa)泊松比泊松比内聚力内聚力(MPa)内摩擦角内摩擦角()()充填率充填率%case10.4,0.

14、6,0.8,1,2,30.20.63090case210.1,0.2,0.30.63090case310.20.2,0.4,0.6,0.8,1,1.23090case410.20.620,25,30,35,4090case510.20.6300,10,20,30,40,50,60,70,80,90case60.60.20.4,0.8,1.23090case730.20.4,0.8,1.23090注：注：2Wf/Wp=5，Wp/Hp=0.5，充填体抗拉强度，充填体抗拉强度T=0.4MPa。详细实验方案设计详细实验方案设计 3、实验方案、实验方案 05003003504000

15、.00.51.01.52.02.53.0Increment ratio of pillar strength(%)Youngs modulus of backfill(GPa)Residual StrengthPeak Strength 4、实验结果、实验结果-case1 充填体充填体弹性模量弹性模量对点柱峰值强度、残余强度的影响规律对点柱峰值强度、残余强度的影响规律(E=VAR;=0.2;c=0.6MPa;=30)The dimension of pillar:1m1m2m The filling ratio:90%二、研究内容二、研究内容 050030000.10.2

16、0.30.4Increment ratio of pillar strength(%)Poissons ratio of backfillResidual StrengthPeak Strength 4、实验结果、实验结果-case2 充填体充填体泊松比泊松比对点柱峰值强度、残余强度的影响规律对点柱峰值强度、残余强度的影响规律(E=1GPa;=VAR;c=0.6MPa;=30)二、研究内容二、研究内容 The dimension of pillar:1m1m2m The filling ratio:90%050000.20.40.60.811.21.4Increment

17、ratio of pillar strength(%)Cohesion of backfill(MPa)Residual StrengthPeak Strength 4、实验结果、实验结果-case3 充填体充填体内聚力内聚力对点柱峰值强度、残余强度的影响规律对点柱峰值强度、残余强度的影响规律(E=1GPa;=0.2;c=VAR;=30)二、研究内容二、研究内容 The dimension of pillar:1m1m2m The filling ratio:90%0500045Increment ratio of pillar strength(%

18、)Friction angle of backfill()Residual StrengthPeak StrengthResidual StrengthPeak Strength4、实验结果、实验结果-case4 充填体充填体内摩擦角内摩擦角对点柱峰值强度、残余强度的影响规律对点柱峰值强度、残余强度的影响规律(E=1GPa;=0.2;c=0.6MPa;=VAR)二、研究内容二、研究内容 The dimension of pillar:1m1m2m The filling ratio:90%050000708090Increment ratio of

19、pillar strength(%)Filling ratio of rock pillar(%)Residual StrengthPeak Strength 4、实验结果、实验结果-case5 充填率充填率对点柱峰值强度、残余强度的影响规律对点柱峰值强度、残余强度的影响规律(E=1GPa;=0.2;c=0.6MPa;=30)二、研究内容二、研究内容 The dimension of pillar:1m1m2m The filling ratio:from 0%to 90%24865120.20.40.60.811.21.4Increment ratio of pilla

20、r strength(%)Cohesion of backfill(MPa)Peak StrengthResidual Strength 4、实验结果、实验结果-case6 不同充填体弹性模量、内聚力不同充填体弹性模量、内聚力对点柱峰值强度、残余强度的影响规律对点柱峰值强度、残余强度的影响规律(E=VAR;=0.2;c=VAR;=30)二、研究内容二、研究内容 24865120.40.60.811.21.4Increment ratio of pillar strength(%)Cohesion of backfill(MPa)E=3GPaE=0.6GPaE=3GPaE=

21、0.6GPaThe dimension of pillar:1m1m2m The filling ratio:90%051015202500.050.10.150.20.250.3Average axial stressof pillar(MPa)Average axial strain of pillar(%)4、实验结果、实验结果 二、研究内容二、研究内容 Case5点柱轴向应力点柱轴向应力-应变曲线应变曲线(E=1GPa;=0.2;c=0.6MPa;=30)Zone state 三、研究结论三、研究结论（1）充填体的刚度参数对点柱的残余强度有显著的强化效应，对点柱的峰值强度无显著的强化作

22、用；充填体的刚度参数对点柱的残余强度有显著的强化效应，对点柱的峰值强度无显著的强化作用；（2）点柱的残余强度随充填体内聚力增加而呈现出先增加然后保持相对稳定状态；峰值强度不随充填体内聚力的变化而显著变化，表现出不敏感性；点柱的残余强度随充填体内聚力增加而呈现出先增加然后保持相对稳定状态；峰值强度不随充填体内聚力的变化而显著变化，表现出不敏感性；（3）点柱的峰值强度、残余强度不随充填体内摩擦角的变化而显著变化，均表现出不敏感性；点柱的峰值强度、残余强度不随充填体内摩擦角的变化而显著变化，均表现出不敏感性；（4）点柱的峰值强度、残余强度均随着充填率的增加而增加，但是后者增幅显著（最大值约点柱的峰值强度、残余强度均随着充填率的增加而增加，但是后者增幅显著（最大值约200%），前者增幅较低（最大值约），前者增幅较低（最大值约10%）；）；谢谢！