随着社会环保和安全意识的增强,采矿业的发展模式也在发生着巨大的变化,绿色采矿势在必行。充填采矿法是绿色采矿的一个重要的组成部分,尤其是上向分层充填采矿法,在国内外有着越来越广泛的应用。上向分层充填采矿法为了减少充填成本,一般将充填体上部进行胶结充填,作为继续上采的工作平台;余下的部分进行低成本的尾砂充填。上向分层充填体的主要作用是提供上向回采的工作平台,充填体强度需满足高效无轨设备的运行条件。随着地下采场无轨设备的大型化和使用量的日益增多,合理的充填体强度设计更加困难。传统的充填体强度设计方法主要是针对高阶段充填体自立性考虑的,很少能用于上向分层充填体的强度设计。目前能用于上向分层充填体强度设计的主要有Terzaghi-Peck法和Tikov法,然而他们所用的设计方法为经验法,得出的强度值都偏大,会提高充填成本,而且均没有考虑胶结层厚度。因此,研究盘区机械化上向水平分层充填法充填体胶结层厚度和充填体强度模型具有重要的理论意义和工程价值。本文通过研究上向水平分层充填体上部胶结层和底部尾砂充填体的受力状况和作用机理,认为尾砂充填体只需要承受围岩和上覆压力,而上部胶结层需承受无轨设备动荷载,动荷载与充填体相互作用机理复杂,研究表明胶结层层底拉应力过大最容易引起充填体开裂破坏,胶结层厚度越大,层底拉应力越小。通过对无轨设备动荷载下充填体的作用机理和受力分析,参照路基路面工程中关于路基路面的设计原理,选取半正弦脉冲荷载,建立了矿用无轨设备动荷载波动模型:F(t)=P+0.125Pmω2sin(ωt)×10-3运用弹性力学方法计算得出了无轨设备竖直荷载和水平荷载分别作用下充填体弯沉值,抗压强度和抗剪强度的表达式,进行应力叠加,得到了综合荷载作用下各分量的计算方法,完整地建立了无轨设备动荷载下的胶结充填体强度模型,首次建立了无轨设备荷载下胶结充填体厚度模型。胶结层的厚度模型:胶结层的抗压强度模型:胶结层的抗剪强度模型:根据大红山铜矿西矿段的充填体参数,用以上模型计算出了阿特拉斯部分型号铲运机作用下胶结层的合理厚度,抗压强度和抗剪强度,使用RFPA2D数值分析软件对计算结果进行模拟,证明该模型合理可靠。和Terzaghi-Peck法和Tikov法进行对比后发现该模型的结果更加经济合理。大红山铜矿西矿段点柱式上向分层充填法采场工程实践证明,根据本文所建强度和厚度模型,得出的强度和厚度值,进行尾砂充填配比设计和两个分层应用,结果表明7天后无轨设备在其上可以正常作业,充填体无明显的压裂破坏和挖坑现象,工程应用效果很好,实践证明该模型是科学的。可对今后矿山分层充填体的设计提供依据。