充填法是一种有效的解决“三下”(即水体下、建筑物和构造物下、交通道路下)开采对水资源、建筑物和构造物、土地资源等造成危害的采矿方法,相对于其它水体下的采矿技术与工艺,充填法可以抑制导水裂隙带的发育,可以控制采场顶板岩层变形破坏,可以较好的解决矿下安全的难题。所以充填法是实现绿色采矿的重要举措,也是 21 世纪采矿技术的重要发展方向之一,本论文从理论和实践上,着重研究充填法采矿引起的采场顶板层移动与地表沉陷等相关问题。本文利用现场实测和数值模拟研究方法,运用数学、力学、采矿学和地质学等理论,针对河北省唐山市滦县某铁矿采矿特点,收集并阅读国内外水体下采矿的发展历史以及充填法采矿的关键技术。在此基础上,建立该铁矿的研究体系并提出本论文的三个难点:导水裂隙带高度、最大经济效益下采场顶板安全厚度和充填法开采引起地表沉陷的范围和程度。 第一,导水裂隙带高度研究。导水裂隙带发育的研究是对因采矿扰动而形成的裂隙通道的形态和连通性等众多难题的综合剖释,同时也是安全开采水体下矿产资源的重中之重。通过对采场顶板岩层分带机理和破坏过程的分析,确定了导水裂隙带高度的影响因素。结合《采矿设计手册》中的统计经验公式确定出河北省唐山市滦县某铁矿的导水裂隙带高度。第二,采场顶板安全厚度研究。采用结构力学简支梁模型,通过考虑结构面是否存在的两种条件以及剪切与拉伸两种破坏模式,推导出采场顶板安全厚度的计算公式。为充填法控制地表沉陷提供了理论基础。第三,地表沉陷研究。采用Flac3D软件数值模拟了不同剖面的研究区应力场与位移场的空间变化规律。从充填体受力情况入手,分析出充填法抑制地表沉陷的核心是控制采场顶板岩层的位移,得到了充填体减沉机理。又从渗流场演化着手,分析第四系、强风化带粘性土层由于水的流失而发生固结压密,使本来发生沉陷的地表在渗流固结作用下再次沉陷。