上述三种机理代表了充填体在矿山结构中不同的支护作用,即表面的、局部的和总体支护。在任何情况下支护的工作方式都可假说既与岩体性质也与充填体性质有关。
2.2.2充填体与系统的共同作用
北京科技大学于学馥教授针对金川矿区所采用的充填材料与充填工艺,研究提出充填体三种作用机理。
1)应力转移与吸收
充填体进入空区,最初是不受力的,以后随着充填体强度的提高,具备了吸收应力和转移应力的能力。从而也形成了地层“大家族”的成员,参与地层的自组织系统和活动。
2)应力隔离机理
充填体对围岩稳定的应力隔离作用有两种情况:一种是隔离水平应力;另一种是隔离垂直应力。
3)系统的共同作用
充填体充入地下采场后,由于充填体、围岩、地应力、开挖等共同作用,特别是开挖系统的自组织机能,使围岩变形得到控制,围岩能量耗散速度得以减缓,从而有效控制矿山结构和围岩破坏的发展,防止发生无阻挡的自由破坏坍落。
该作用机理提出了充填可减缓围岩能量耗散速度,而围岩系统的能量耗散的速度决定系统稳定性的观点。
2.2.3充填体的充填作用
南非在深井黄金矿山的开采中,大多采用了充填采矿法,并对充填机理进行了相当的研究。KirstenHAD和StaceyTR研究指出:充填在维护采场稳定的作用方式是多种形式的,因此,支护机理不是靠充填体压缩所产生的作用来决定工作中充填体的稳定效果。尽管任何一种支护机理的单独作用是极小的,但其积累起的作用可大大影响采场覆岩的稳定性。充填体的充填功能主要如下。
1)保持顶板岩层的完整性
顶板岩层因断层、节理和裂隙被切割成结构体。由于采场形成的临空面,使得某些结构体具有滑移或冒落的可能。这些潜在冒落的拱顶岩块称之为“拱顶石”。充填体的重要作用之一是在拱顶石和采场之间提供一种连接,延缓并最终阻止拱顶石移动的任何趋势,从而提高顶板围岩的自身承载能力。在不充填的状况下,可能松动的拱顶石将从顶板自由冒落,从而引起连锁的冒落和坍落而最终导致整个采场失稳。
2)减轻地震波的危害
充填将在地震条件下提供最有意义的连接功能。在没有充填物的情况下,岩爆引起的压缩冲击波将在顶板和底板岩石表面处反射,产生拉应力且趋于将孤立的顶板(或底板)“切断”。充填后与岩石接触的充填料,使冲击波仅在岩石与充填体界面处部分反射,降低了“切断”作用。在动态短时荷载条件下,松软充填体还可以起到硬质充填料的作用。
3)作为节理与裂隙中的填充物
充填时,细料将进入上下盘围岩中的裂隙和节理中,起到粘结作用。此外,充填料与岩石之间的接触还能防止在工作面推进时岩层遭受曲率逆转期间节理中出现的任何原生细料跑出,促使节理和裂隙闭合,限制拱顶石的松动,提高顶板围岩的稳定性。