针对金属矿山采场地压大、留设原岩矿柱损失率高、构架传统人工矿柱接顶困难及被动承载问题,本文提出“膨胀支护”理念,自主研发具有主动支撑、应变硬化承载性能的新型人工膨胀矿柱。基于理论分析、室内试验、数值模拟和现场工业试验相结合方法,测定桶式膨胀装置和人工膨胀矿柱的力学性能和稳定性,揭示膨胀支护体的主动接顶机理、承载机制和与顶板的相互作用关系,研发基于人工膨胀矿柱支护的硬岩采场顶板稳定性和地压控制新技术。主要研究内容和结论如下:(1)利用膨胀材料化学反应后体积增大特性,研发—种可提供轴向支撑力的桶式膨胀装置。基于室内试验手段,测试桶式膨胀装置的力学性能,分析其主动支撑、承载和稳定性性能,揭示桶式膨胀装置的接顶机理和承载特性。桶式膨胀装置的自由膨胀率达58.3%,其能够迅速、主动地对限制体(如压力机压头)形成膨胀应力。随着桶式膨胀装置与限制体之间预留空间的减小或膨胀材料装填量的增加,主动支撑力增加,且增加幅度加大,不预留空间条件下的主动支撑力达500 kN。与此同时,桶式膨胀装置在受载过程中具有应变硬化承载性能,即随着加载的进行,膨胀装置的刚度增加且其自身强度高,可达90 MPa以上。试验表明,研发的桶式膨胀装置在化学膨胀反应过程中可有效产生轴向支撑力,能够为采场顶板支护体的主动接顶提供有效力源,并具有应变硬化承载性能。(2)基于桶式膨胀装置研发适合现场应用的膨胀支护体,即人工膨胀矿柱,建立其加载测试系统,测定其承载和稳定性性能,揭示具有支撑结构的人工膨胀矿柱的承载机制。首先,人工膨胀矿柱具有承载速度快、主动支撑能力大及承载过程应变硬化特征。其次,分析了人工膨胀矿柱的高径比对其承载性能和稳定性的影响。随着高径比的增加,人工膨胀矿柱的应变硬化承载区缩短或消失,且更容易失稳,失稳区位于支撑结构支撑管件的中央,不稳定模式属于弯曲失效。从技术角度分析,人工膨胀矿柱的主动支撑力(约1600 kN)和最大承载力(约2700 kN)均大于其他类型的人工矿柱。从经济角度分析,人工膨胀矿柱的成本低,其有效应用可实现矿体高效回收。综合分析,新型人工膨胀矿柱具有主动支撑、应变硬化承载性能,是一种技术上可行、经济上合理的井下支护新技术。(3)揭示人工膨胀矿柱与采场顶板的相互作用机理。基于实验室测试结果,采用理论分析和数值模拟相结合方法,分析支护体的支护时机和支护刚度对采场顶板稳定性的影响。一方面,人工膨胀矿柱的架设和主动支撑力生成周期短,为支护时机的调节提供了条件。另一方面,人工膨胀矿柱与顶板之间的间隙、膨胀材料的装填量的改变能够改善膨胀矿柱的主动支撑力大小和应变硬化承载性能,进而调整其支护刚度。其次,人工膨胀矿柱能够使顶板压力在适当释放后,确保采场顶板处于一种塑性变形但又稳固的状态。相对而言,原岩矿柱支护时机过早,顶板压力无法充分释放,极易导致矿柱劈裂失稳;而传统人工矿柱架设周期长且无法有效接顶,导致实际支护时机过晚而不能有效控制顶板变形。整体而言,人工膨胀矿柱支护时机和支护刚度可调,能够实质性地实现采场顶板的“让压支护”,丰富了采场支护体与围岩相互作用机理的内涵。(4)以柴胡栏子金矿房柱法采场原岩矿柱回收、天承金矿上向水平进路充填法采场跨度扩大为工程背景,应用压力拱理论和人工膨胀矿柱支护技术,研发硬岩采场顶板的稳定性和地压控制新方法。原岩矿柱回采或采场扩帮过程中,顶板压力能够有效地由原岩矿柱转移至人工膨胀矿柱之上,使进路采场跨度从3m提高到9m。采场回采过程中,以人工膨胀矿柱为基础的支护技术能够主动支撑和应变硬化承载顶板压力,在顶板压力充分释放后,最大限度发挥围岩的自稳能力,保证采场顶板的稳定性。从技术和经济角度分析,基于人工膨胀矿柱支护的采场顶板地压控制技术能够有效提高矿山的生产能力和生产效率,经济效益显著。总而言之,新型人工膨胀矿柱具有迅速主动支撑、应变硬化承载性能,能够实现硬岩采场顶板的“让压支护”,最终达到安全、高效、经济回采矿体的目标。