配置钢筋对高水固结充填体的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.05.029 第21卷第5期 北京科技大学学。报 VoL21 No.5 1999年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1999 配置钢筋对高水固结充填体的影响 杨宝贵》 孙恒虎) 刘华生) 王金安) 1)中国矿业大学（北京校区），北京1000832)北京科技大学资源工程学院，北京100083 摘要从高水固结充填体与钢筋的粘结入手，导出了两者之间粘结力的计算公式，建立了模 拟模型.应用该模型分别模拟了配置锅筋充填体和无钢筋充填体的情况，揭示了配置钢筋对高 水固结充填体的破坏机理，最后提出了有效的改进措施 关键词高水固结充填体：配置钢筋：破坏机理 分类号TD853.34 在高水固结充填下向进路采矿过程中，为 此，在钢筋周围易形成弱面和应力集中，破坏充 了加强作为人工假顶的高水固结充填体，在高 填体的整体性， 水固结充填体内配置了钢筋.本文从分析高水 1.2粘结强度的计算 固结充填体与钢筋的粘结入手讨论了配置钢筋 在高水固结充填体中取一微段dx来研究， 对高水固结充填体的影响， 设钢筋直径为d,应力增量为do,截面积为A, 周长为5：钢筋与高水固结充填体接触面上的粘 1高水固结充填体与钢筋的粘结 结应力为，作用在微段2个截面的弯矩分别为 在混凝土中配置钢筋可以提高整体结构的 M和M什dM.当截面及配筋沿梁长不变时，则微 强度，这是因为此时混凝土的强度达到几十个 段左右2个截面中钢筋的拉力也会由于弯矩的 兆帕，在钢筋和混凝土之间有足够的粘结强度. 变化而相应按比例变化，即分别为σA,和 在进行高水固结充填下向进路采矿时，高水固 (o,+do,)A,如图1所示.钢筋两端的拉力差就只 结充填体假顶中配置钢筋，在山东省焦家金矿 能由作用在钢筋与高水固结充填体接触面上的 和招远金矿均进行了试验性应用.具体做法是： 纵向剪应力即粘结力来平衡， 在距充填体底边200-300mm处布置钢筋网，网 dr 度为0.7m×0.7m,充填体强度为3MPa左右.但 实际效果并不理想，钢筋网以下部分的充填体 随着下分层进路的开采全部冒落， 1.1高水固结充填体与钢筋的粘结强度 通过粘结实验，测得高水固结充填体与钢 筋的粘结强度见表1. (o,+do)A 表1高水固结充填体与钢筋的粘结强度 (o+do)A. 配比抗压强度充填体的粘结 与钢筋的粘结 Co。 0 图1微段中锅筋受力分析 %G.MPa强度cMPa 强度三MPa 10 2.46 0.6 1:4.10 0.16 1:15.4 平衡方程为：tsdx+oA,=(o,+do,)A,则： 12 3.47 0.8 1:4.36 0.23 1:15.1 =A,do,/(sdx) (1) 13 4.06 0.9 1:4.51 0.25 1:l62 将s=πd,A,=πdP14代入上式，则： d do, 由上表可以看出高水固结充填体与钢筋之 to4 dx (2) 间的粘结强度比其自身的粘结强度低得多.因 因此，粘结应力的存在是钢筋应力沿长度 方向发生变化所致，没有钢筋应力的变化，就不 199-04-21收稿杨宝贵男，32岁，博士

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 规 律 与应 力状 态 有着 不 同 的作 用 ， 从 而 产 生 不 同 的 变形 与 破 坏 方 式 地 下 开 挖将 改变其 影 响 域 内围岩 的应 力状态 ， 露 天 开 挖将 改变边坡岩 体 内部 的 应 力 分 布 状态 如 果 将每一 种 开 挖效 应 视 为 一 个 平 衡 体 系 ， 那 么 在 其 受 到 其他 开 挖 扰动 后 ， 在相 互 影 响和 相 互 作用 下 ， 构 成 一 个 复 合 动 态 体 系 ， 并 在合 成 应 力 作用 下 趋 向新 的平 衡 地 下 与露 天 同期 采 动 效应 除包 含 当次采动 效应 之 间 的作用 外 ， 还 包 含 当 次采动 效应 与前 一 次 采 动 效应 之 间 的扰 动 和 相 互 作 用 ， 从 而 构 成 了 一 个 复 合 动 态叠 加 体 系 所 以在 地 下 与露 天 复 合 开 采 的矿 山 中 ， 不 同 的开 挖 方 式 ， 边 坡 岩 体 内 部 的 应 力 状 态 或 边 坡 体 稳 定 状 态 是 不 同 的 其 结 果是 有 些 区 域表 现 出地下 采 动特性 ， 而 有些 区 域表现 出露 天采 动 特 性 ， 究竟何 种 效 应 占主 导地位 ， 与各 自的 开 挖 量 、 距 离等 因 素相 关 如 果 其 中一种 开 挖方式 的开 采 量大 和 距 离 近 ， 则 叠 加 后 的采 动 效应 就更 多地表现 出 该 种 采动 效 应 ， 反之 则 更 多地表现 出另 一种采动 效 应 所 以 ， 地下 与露天 同期采动影 响下 边坡岩 体 有其特 殊 的变形特 点与规律性 ， 它 与单 一 露 天 开 采具 有本质上 的不 同 参 考 文 献 孙世 国 复合采动对 边坡 岩体变 形 与稳定性影 响 的 研究 学位 论 文 】 北 京 中国科 学 院地 质研 究所 ， 孙世 国 ， 王 思 敬 抚顺西 露 天矿 北 帮地面 长期 剧 烈 变 形 原 因 的分 析 勘察科学技 术 ， 祝。 ， 人介沙 ， ， ， ， ， 耳犷 而 ， 任犷 ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．05．029

·422· 北京科技大学学报 1999年第5期 存在粘结应力.同时，由于da,/dx是与dMdr成 矿的具体情况，对充填体假顶在采矿过程中的 正比的，而dMdx=F(剪力)，因此粘结应力沿钢 变化情况进行了模拟分析 筋长度方向的变化规律与剪力F的变化规律一 2.1焦家金矿的基本情况 致，即充填体截面的剪力越大，则该处的粘结应 矿山现主要采用上向进路尾砂胶结充填采 力也越大. 矿法，高水固结充填用于下向进路采矿法.矿 岩及高水固结充填体的力学参数见表2. 2模拟模型 为了便于问题的分析，结合山东省焦家金 表2矿岩及充填体的力学参数 类型 密度 弹性模量 泊松比 抗压强度 抗拉强度 粘结强度 内摩擦角 p/g.cm E/GPa d./MPa o/MPa c/MPa a() 上盘 2.59 23.45 0.278 72.9 0.572 18.63 44.25 矿体 2.61 24.85 0.234 74.0 0.749 19.86 42.01 下盘 2.86 19,85 0.187 99.4 0.652 25.73 35.87 充填体 1.70 0.275 0.200 3.20 0.300 0.60 16.70 2.2模拟模型 前，不管有无铺网，围岩主应力的分布大致相 依据该矿4001采场的基本条件，建立了二 同，在充填体和矿体之间出现较大的应力集中， 维平面岩石力学计算模型（图2） 这是由2种不同性质材料的边界效应所致，但 18m 4m 18m 2种模型中的剪应力（σ，-o)/2却有着很大的差 4「距地表 别，由于钢筋的存在，在钢筋的附近产生了剪应 110m 力的集中.而无钢筋网模型中，该处则没有剪应 力的集中.下面根据有无钢筋的条件，分别讨论 上盘 充填体 进路开掘后的情况. L充填体<钢筋 3.1无钢筋铺网的充填体 进路开掘后，顶板和围岩的位移情况见图 E 采场进路 3.由图可见，进路周围矿体产生的位移很小：而 矿体 下盘 作为人工假顶的充填体位移较大，并且其位移 由两帮向中央逐渐增大，在进路中央达到最大 值.尽管产生了较大的位移，但最终充填体仍保 图2模拟模型 持整体状态，没有出现冒落现象， 在开采区域内，垂直矿体走向方向上取剖 面，尺寸为模型宽40m,高38m,模型上部距地 表110m.进路高3m,宽度4m,进路上方到模型 位移矢量场 边缘20m,进路下方取矿体厚度15m.模型共划 最大值=0.6361m 分成1200个四边形平面单元.模型两侧的边界 条件为限定水平位移的滑动支撑，由于进路周 围的对称性，计算模型取模型的1/2，因而取进 路的12作为左边界：模型底部的边界条件为限 定垂直位移的滑动支撑 图3进路开掘后围岩位移矢量场 3数值分析 进路周围的应力状态及其变化情况见图4. 在进路开掘前，应力主要是在充填体和矿体的 利用FLAC程序分别对配置钢筋和无钢筋 边界之间产生集中，进路开掘后，进路上方的应 网的2种情况进行了模拟，由于进路的对称性， 力得到释放而减小，原来集中的最大主应力 仅对半边进路的情形进行了模拟.在进路开掘

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 存 在 粘 结 应 力 同 时 ， 由于 氏 是 与 成 正 比 的 ， 而 剪力 ， 因 此 粘 结 应 力沿 钢 筋 长 度 方 向 的变 化 规 律 与 剪 力 的 变化 规 律 一 致 ， 即 充填 体截 面 的剪 力 越大 ， 则 该 处 的粘 结应 力 也 越 大 模 拟模型 矿 的 具 体情 况 ， 对 充 填 体 假 顶 在 采矿 过 程 中 的 变 化 情 况 进 行 了模 拟 分 析 焦 家 金 矿 的基 本 情 况 矿 山现 主 要 采 用 上 向进 路尾 砂 胶结 充填 采 矿 法 ， 高水 固 结充 填 用 于 下 向进 路 采矿 法 「刘 矿 岩 及 高水 固 结充填 体 的力 学 参 数 见 表 为 了便 于 问题 的分 析 ， 结合 山东 省焦 家金 表 矿岩 及 充填体 的 力学参数 类 型 密 度 泊 松 比 粘 结强度 · 一 弹性模 量 万 抗压 强 度 久 抗拉强度 氏 内摩 擦角 ，了伟， 上盘 矿 体 下 盘 充填 体 模 拟模 型 依 据 该矿 采场 的基 本 条件 ， 建立 了二 维 平 面 岩 石 力 学计 算模 型 图 － 叫 一 － 一 一 一 距 地表 上盘 充 填体 介兰 一一 … 一丁 ‘ 宙州︵巳二三三任 图 模 拟 模型 在 开 采 区 域 内 ， 垂 直 矿 体 走 向方 向上 取 剖 面 ， 尺 寸 为模 型 宽 ， 高 ， 模 型 上 部 距 地 表 进路高 ， 宽度 ， 进 路 上 方 到 模型 边缘 ， 进路 下 方取 矿 体 厚度 巧 模型 共划 分 成 个 四边 形 平 面 单 元 模 型 两 侧 的边 界 条件 为 限 定 水 平 位 移 的滑 动 支 撑 ， 由于 进 路 周 围的对称 性 ， 计 算模 型 取 模 型 的 ， 因 而 取 进 路 的 作 为左 边 界 模 型 底 部 的边 界 条件 为 限 定 垂 直 位 移 的滑 动 支 撑 前 ， 不 管有 无 铺 网 ， 围岩主 应 力 的分 布大致相 同 ， 在充填体和 矿体之 间出现较大 的应 力集 中 这 是 由 种不 同性质材料 的边 界 效 应 所 致 ， 但 种 模 型 中的剪应 力 。 一 氏 却 有 着很 大 的 差 别 ， 由于钢 筋 的存在 ， 在钢 筋 的附近产 生 了剪应 力 的集 中 而无钢 筋 网模型 中 ， 该处 则 没 有 剪应 力 的集 中 下 面根据有无 钢筋 的条件 ， 分 别讨论 进路 开 掘 后 的情况 无 钢筋 铺 网 的充填体 进 路 开 掘 后 ， 顶板和 围岩 的位 移情况见 图 由图可 见 ， 进路周 围矿体产 生 的位 移很小 而 作 为人 工 假顶 的充填体位移较 大 ， 并且 其位移 由两 帮 向中央逐 渐 增 大 ， 在 进 路 中央达 到最 大 值 尽管产生 了较大的位 移 ， 但最 终充填体仍保 持整 体状 态 ， 没 有 出现 冒落 现象 位移矢量 场 最 大值 …… ‘ 数 值 分 析 利用 程 序 分 别 对 配 置 钢 筋和 无 钢 筋 网 的 种情 况进 行 了模拟 ， 由于 进 路 的对 称性 ， 仅对 半边进 路 的情 形 进 行 了模拟 在 进 路 开 掘 图 进路开 掘 后 围岩位 移 矢量 场 进 路 周 围的应 力状 态 及 其变化情况 见 图 在 进 路 开 掘 前 ， 应 力主 要 是 在 充 填 体和 矿 体 的 边 界之 间产生 集 中 进 路 开 掘 后 ， 进 路 上 方 的应 力得 到 释 放 而 减 小 ， 原 来集 中的最 大 主 应 力氏

Vol.21 No.5 杨宝贵等：配置锅筋对高水固结充填体的影响 ·423· 向下转移，并在进路下角产生增高区：最小主应 坏区，但充填体仍然保持着整体状态，破坏区并 力σ2在进路附近也同样向下转移，但在离进路 没有脱离母体而下落. 较远的地方，则仍然保持应力集中状态.剪应力 32配置钢筋的充填体 在进路开掘前后的变化则并不大， 在充填体内配置钢筋的情况下，进路开掘 后周围的位移发展情况见图6.进路周围除了 (a) 假顶之外，其他部分位移较小，充填体假顶分为 两部分，它们的位移相差很大：钢筋网下部的充 填体产生了很大的位移，并离开母体而脱落：但 钢筋网上部的充填体，由于受到钢筋的保护，仅 产生了很小的位移，与没有钢筋网的充填体相 比，该部分的位移约为13 位移矢量场 最大值=0.9653m X/m (b) 图6进路开掘后围岩位移失量场 进路开掘后周围的应力状态见图7.进路开 掘前后，最大主应力和最小主应力的变化情况， 配置钢筋的充填体与不铺钢筋的充填体类似： 进路上方的应力得到释放而减小，原来在充填 体与矿体边界处产生的应力集中下移，最大主 应力σ在进路下角处产生增高区，最小主应力 12 3456 Xim 在附近也同样下移，而在较远处仍有应力集中 图4开据进路后局部围岩主应力分布 存在.剪应力的变化则较大：开掘前由于钢筋的 (a)最大主应力b)最小主应力 存在而产生的应力集中，在进路开掘后消失，转 进路周围塑性区的分布见图5.初始时在进 而在进路的下边和下角产生了较大的剪应力. 路两帮的上方和下角点出现了塑性区，而在充 进路周围塑性区的分布见图8.初始阶段， 填体底部出现了破环区：随着假顶位移的增大， 在进路两帮的上方出现了塑性区，而在充填体 进路角点的塑性区得到恢复：而假顶则继续下 底部和进路上角点的矿体中出现了破坏区，此 移直到最终状态，此时，假顶底部虽然出现了破 时钢筋网下部的充填体与钢筋产生了分离：随 着时间的推移，两帮上方的塑性区逐渐扩大，而 钢筋下方充填体的位移越来越大，最终从母体 塑性区的分布 上脱落下来. ×塑性区 3.3钢筋网下方充填体的破坏机理 ·弹性区 通过上面的数值分析，可以得出钢筋网下 一破坏区 方充填体的破坏机理：由于高水固结充填体与 钢筋的粘结强度较低，因而在钢筋周围产生弱 面，又由于钢筋的存在，在该处产生应力集中， 从而破坏了钢筋与充填体之间的粘结，使得钢 图5进路周围塑性区的分布 筋与充填体分离.由于高水固结充填体本身的

、 勺 杨宝 贵等 配 置 钢 筋 对 高水 固 结 充 填 体 的 影 响 向下 转移 ， 并在 进路 下 角产 生 增 高 区 最 小 主 应 力氏在 进路 附近 也 同样 向下 转移 ， 但 在 离进 路 较远 的地 方 ， 则 仍然保 持应 力集 中状态 剪 应 力 在进 路 开 掘 前 后 的变化 则并 不 大 坏 区 ， 但 充填 体仍 然 保 持着整 体状态 ， 破 坏 区 并 没 有 脱 离母 体 而 卜落 酉己置 钢 筋 的 充 填 体 在 充 填 体 内配 置 钢 筋 的情 况 下 ， 进 路 开 掘 后 周 围 的位 移 发 展 情况 见 图 进 路 周 围除 了 假顶 之 外 ， 其 他部 分 位 移 较 小 充 填 体 假顶 分 为 两 部 分 ， 它 们 的位移 相 差 很 大 钢 筋 网下 部 的充 填 体产 生 了很 大 的位 移 ， 并 离开 母 体 而 脱 落 但 钢 筋 网上 部 的充 填体 ， 由于 受 到钢 筋 的保护 ， 仅 产 生 了很 小 的位 移 ， 与没 有 钢 筋 网 的充 填体 相 比 ， 该 部 分 的位 移 约 为 一 写 从 图 沪 开 掘进路 后 局部 围岩 主应 力分 布 最 大 主应 力。 最小 主应 力氏 进路 周 围塑性 区 的分 布见 图 初始 时 在进 路 两 帮 的上 方 和 下 角 点 出现 了塑 性 区 ， 而 在 充 填体底 部 出现 了破坏 区 随着假顶位 移 的增 大 ， 进 路角点 的塑 性 区 得 到 恢 复 而 假 顶 则 继 续 下 移直 到最终状 态 此 时 ， 假 顶底 部虽 然 出现 了破 塑 性 区 的分布 …… ‘ 塑性 区 州 ‘ · 弹性 区 亡 二 破 坏 区 图 进 路周 围塑 性 区 的分 布 图 进 路 开 掘 后 围岩位 移矢 量 场 进 路 开 掘 后 周 围 的应 力状 态见 图 进 路 开 掘 前 后 ， 最 大 主 应 力和 最 小主 应 力 的变化 情 况 ， 配 置 钢 筋 的 充 填 体 与不 铺 钢 筋 的 充 填体 类 似 进 路 上 方 的应 力 得 到 释 放 而 减 小 ， 原 来 在 充填 休与矿 体边 界 处 产 生 的应 力 集 中 下移 ， 最 大主 应 力。 ‘ 在 进 路 下 角 处 产 生 增 高区 ， 最 小 主 应 力氏 在 附近 也 同样 下 移 ， 而 在 较 远 处 仍 有应 力 集 中 存在 ， 剪应 力 的变化 则较大 开 掘 前 由于 钢 筋 的 存在 而 产 生 的应 力集 中 ， 在 进 路 开 掘 后 消失 ， 转 衍在 进 路 的 下边 和 下 角 产 生 了较 大 的剪应 力 进 路 周 围 塑 性 区 的 分 布 见 图 初 始 阶 段 ， 在 进 路 两 帮 的 上 方 出现 了 塑 性 区 ， 而 在 充 填体 底 部和 进 路 匕角 点 的矿 一 体 中 出现 了破 坏 区 ， 此 时钢 筋 网 下 部 的充 填体 与钢 筋产 生 了分 离 随 着 时 间 的推 移 ， 两 帮上 方 的塑 性 区逐 渐扩 大 ， 而 钢 筋 下 方 充 填 体 的位 移 越 来 越 大 ， 最 终 从 母 体 卜脱落 下来 钢 筋 网 下 方 充 填 体 的破 坏 机 理 通 过 上 面 的数 值 分 析 ， 可 以得 出 钢 筋 网 下 方 充 填 体 的破 坏 机 理 由于 高水 固结 充 填 体 与 钢 筋 的粘 结 强 度较 低 ， 因 而 在钢 筋 周 围产 生 弱 面 ， 又 由于 钢 筋 的存 在 ， 在 该 处 产 生 应 力集 中 ， 从 而 破坏 了钢 筋 与 充填体 之 间 的粘 结 ， 使得钢 筋 与 充填 体 分 离 由于 高水 固结 充填 体 本 身 的

·424· 北京科技大学学报 1999年第5期 (a) (b) 2 3 4 m X/m 图7开据进路后局部主应力分布，()最大主应力。：(b)最小主应力， 塑性区的分布 ×塑性区 充填体 的 恢复弹性区 +破坏( 图8进路周围塑性区的分布 图9改进后充填体的现场效果 结构是树状层状结构，随着下分层进路的回采， 到了试验，并取得了很好的效果，见图9，随后 在采动影响和爆破冲击的作用下，使得钢筋周 即得到了推广应用.此时铁丝网起到了如下作 围的破坏区沿钢筋网的水平方向向四周扩展， 用：(1)增大充填体的抗冲击能力：(2)减少充填 最后导致整个制筋网下方的高水固结充填体全 体的移动变形：（③）铁丝网将充填体与矿体分开， 部冒落. 减少了矿石的损失贫化：(4)为采矿作业提供了 更为安全的空间. 4改进措施 参考文献 通过数值分析，配置钢筋尽管对其下部的 1杨宗贵.高水固结充填体的力学特性及其应用：[学 充填体起到的是破坏作用，但是与没有钢筋铺 位论文].北京：中国矿业大学，1998 网的允填体相比，钢筋对其上：部的充填体却起 2协但说，刘文永，黄玉诚，等.高水周结充填采矿，北 到了一定的保护作用，内此提出如下改进措施： 京：机城工业出版社，1998 (1)去掉高水固结充填体中的钢筋网：(2)在充填 体底部铺设铁丝网.该措施同样在焦家金矿得 Reinforcement's Effects to the Backfill Body of High Water Material Yang Baogui Sun Henghu",Liu Huasheng.Wang Jinan 1)China University of Mining and Technology.Beijing 100083.China 2)Resources Engineering School.U'ST Reijing.Heing!00083.China ABSTRACT On the basis of the bond between the backfill body of High Water Material and the reinforcing bar,the formula is deduced to calculate the bond strength between above two objects and the simulation model is developed.The conditions of reinforcing and no reinforcing backfill bodys are simulated individually.It is revealed that the mechanism of reinforcement's fracture to the backfill body of High Water Material.The im- provement methods are produced at last. KEY WORDS backfill body of high er material;reinforcement;mechanism of fracture