基于岩石尺寸效应矿柱尺寸设计优化研究

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在矿山开采设计中,矿柱尺寸关系到采场结构稳定性和回采率。关乎矿山生产安全和资源利用率。因此,根据矿山实际,合理的确定好矿柱尺寸是矿山生产经营活动的重要环节。岩石(岩体)是一个非均质材料,具有明显的尺寸效应,但其强度与尺寸又并非简单几何相似规律。为深入研究岩石尺寸效应,指导矿山开采中矿柱尺寸优化设计。论文以某金矿矿岩为研究对象,采用理论分析,室内实验和数值模拟等研究方法进行了岩石材料尺寸效应研究,获得主要研究成果如下:(1)开展了不同高径比条件下某金矿矿岩的单轴压缩实验,统计了不同体积条件下强度分布,分析结果表明:矿岩强度随体积和高径比的增加而减小,下降规律可由对数正态分布和Weibull分布强度模型描述;其中,Weibull分布平均误差较小,更适用于工程应用。(2)为探究岩石强度尺寸效应根源问题,进行了三段式组合试件单轴压缩实验,实验结果结合前面尺寸效应实验分析表明:小尺寸岩样强度尺寸效应主要受端部效应影响,大尺寸岩样强度尺寸效应主要原因可能源自岩石内部非均质性。(3)探讨了岩石储能能力与岩石体积和高径比之间的关系,揭示了岩石能量演化满足线性储能规律,储能能力与强度呈正相关。计算表明,小体积和小高径比试件比大体积和大高径比试件储能能力更强,小体积和小高径比试件由于储能能力较强而导致其强度较高。基于线性储能规律,定义了岩石内部损伤变量。在相同应力水平下,大体积试件内部损伤变量较大,造成岩石强度较低。(4)应用RFPA软件研究了不同围压对岩石尺寸效应的影响。模拟结果表明:在较高围压条件下,岩石强度尺寸效应不明显,可能是因为围压降低了岩石强度对尺寸的敏感性;在一定的均质度范围条件下,不同围压下岩石强度的尺寸效应分布与Weibull分布理论模型较为一致。(5)基于岩石强度尺寸效应理论模型和矿柱强度经验公式,结合矿柱形状效应和体积效应,改进了矿柱强度经验公式,现场应用表明,改进后的矿柱强度经验公式能更好地符合现场实际,可作为矿山矿柱设计和回采的辅助手段。
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