金川镍矿二矿区矿石自然崩落规律研究.pdf

第2 9 卷第6 期 2 0 0 0 年1 1 月 中国矿业大学学报 ] o u r I I a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．2 9N o ．6 N o v ．2 0 0 0 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 0 0 60 5 9 6 0 5 金川镍矿二矿区矿石自然崩落规律研究 王家臣1 ，陈忠辉1 ，熊道慧1 ，孙忠铭2 ，张民正2 1 ．中国矿业大学资源开发工程系，北京] 0 0 0 8 3 I2 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要运用三维F I 。A C 数值软件研究了金川镍矿二矿区采用自然崩落法时的合理拉底方案、初 次崩落的拉底面积、崩落速度等．基于现场调查，运用蒙特卡罗随机模拟方法生成了三维节理网 络。并运用拓扑学中的单纯同调理论对矿石自然崩落块度进行了预测分析． 关键词自然崩落法；三维数值计算；拉底方案；崩落块度；拓扑学 中图分类号T D8 5 3 ．3 6 4文献标识码A 自然崩落法于1 9 世纪末首先在美国使用，而 后在世界范围内逐渐得到应用．自然崩落法是一种 在采场下部进行大面积拉底开挖后，借助矿石自重 和地压作用逐渐崩落矿石的采矿方法．由于该方法 省略了钻孔、爆破等工序，因此具有工艺简单、成本 低廉等优点，在条件适宜的金属矿山普遍受到欢 迎． 金川镍矿二矿区的矿体破碎，节理发育，矿石 品位低，适合采用自然崩落法．但在采场设计以前， 必须充分研究矿石的自然崩落规律，如合理的拉底 方案、初次崩落的拉底面积、崩落速度、崩落块度 等，以便为确定采场产量规模、采场底部结构等提 供必要的科学依据． 1自然崩落过程的三维数值模拟 研究区域为金川镍矿区二矿3 0 4 ～5 0 4 勘探线 之间，全长13 0 0m ，矿体平均厚1 1 8n l ，平均倾角 6 0 。，埋深2 1 0m ．矿体上盘为混合岩，下盘为大理 岩，基本力学性质见表1 ． 表1 矿岩的力学性质 T 曲l e17 n I em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fo r ea n dr o c k 项目容重／ k N ．m3 弹性模量／G P a泊松比 抗压强度／M P a抗拉强度／M P a内摩擦角／ 。粘结力／M P a 矿石3 0 ．04 40 ．2 1 9 5783 51 0 ．0 混台岩 2 9 ．03 1 02 67 97 ．33 09 ．5 盍垄蚩垫堑2 垫 盟￡； Q 适合于采用自然崩落法的矿体，经过大面积拉 底后，借助于自重和地压作用逐渐崩落，并能破成 碎块．但在矿石自然崩落以前，仍可采用连续体的 数值计算方法，分析拉底对矿体的力学作用，可能 形成的破坏区域大小等．为此本文运用三维 F L A C 数值计算软件，研究各种拉底方案对周围矿 体的力学作用，以确定合理的采场拉底方案、初次 崩落时的拉底面积和崩落速度．计算中，采用 H o e k B r o w n 强度准则 以一如 m a o a 3 5 程 1 “， 式中以，如分别为岩石峰值强度时的最大主应力、 最小主应力；以为岩石单轴抗压强度；m ，s 为岩石 材料常数，与岩石性质和原始破裂状况有关口] ． H o e k B r o w n 强度准则能够反映岩石破坏后产 生的弱化现象以及岩石强度随变形发展而下降，这 符合目前所揭示的岩石力学特性．数值计算过程 中，进行了5 种拉底方案的比较，以确定合理的拉 底方案及初次崩落时相应的拉底面积和崩落速度． 如图1 所示，一。代表最大原岩主应力，方向为 N 1 5 ’E ，图中的数字 4 0 ，6 0m 代表拉底的初始尺 寸，箭头代表拉底方向，拉底的开挖高度为3m ． 收稿日期。Z 0 0 0 0 1 1 4 基金璜目，国家“九五”科技攻关课题 9 6 1 1 7 一o l 一0 1 J 作者筒介王家臣 1 9 6 3 一 ．男，黑龙江省方正县人，中国矿业大学教授，工学博士，博士生导师，从事艘嘎煤开采、岩石开挖工程和矿业 系统工程研究． 万方数据 f g 口} ．⋯* r 圳F 5 自 m ≈ Ⅲ* 移姆固趣。。 愿i 篱； ‰ 紫慧罂黑二替 o ㈨⋯一t l u R m - 嚣譬；⋯一㈣ 2 勰德擀 A 。Y { ”m 4o I 42 ⋯Ⅷ 1 n 4I 自∞㈨r I “ h t of n 。2 “Ⅲl v”2 4m t ⋯㈣㈧ 月∞＆E ＆* r * P 自* 目镕∞n Ⅲ* 十，∞镕■ ∞* m 目口M 镕∞r 6 t j ，Ⅱ { P t “ { m * 自E ∞镕 自M 2 W “} m ，目 自 【∞女M 自＆E 目R ★m ∞女目镕* 目 ★目* 镕№∞f W * 自 m ．日R 目月* 女∞n * * 。。麓强徽 糕三。。。 i m d e r I 】1 r ．．．．dL l i 口r l { ，f _ dv 日m _ 日u 1 _ Im 。。。妊僦黝愁。。，． u “c r 【h cc m d j ’r ’nc fa v 月_ _ ‘；_ 【w4 0 “】 万方数据 中国矿业大学学报第2 9 卷 矿西视次勰落爝又形成_ 『簸的乎攒状态，土部 及四阚矿体再次稳定，为了继续崩落上部矿石，需 采取～定的魏弱工程，鲡继续扩大控底鬻稷、黼帮、 辖魏爆破等。在兹，臻落遮霾楚摆控底王程攘避单 位鼷离时崩落的矿石量．计算结果表明，当拉底工 程继续推进聪，上部矿石继续崩落，崩落速度为 23 4 0t ／m ，该数蓉较其余4 秘方豢豹大，鄂扶崩落 遵度角度也说明了嵛案I 的合理性． 2 驴蠢嶷藻块魔强测 控底_ 歼挖以慝，会g l 起上郝矿诲内应力集中， 产生破坏区，当破坏区内的撒破坏占主体时，上部 破蟒矿俸虢会痨落．崩落块废犬，j 、璇决学矿体肉的 节理嚣分布、成力集中稷度、繁理灏与岩体的强度 等．然而，大艋理论与实践研究结果表明，在工程 靛纛力求平下，岩棒，竞蓑是整疆矿俸熊破爨主要 是淤琢露苇褒嚣发爱、爨遘，嬲整麓岩块疆难破裂， 因此节遐面的分布往往决定丫矿石崩藩块魔的分 布． 2 。’三维葛避翘终熬生成 现场观测到的节理魑真实的兰维奎问节理面 与聚瓣舔的交割筏，元法壹接瓣浏掰空桶节璎蟊在 矿搏逡戆震露馕凝．为魏，一麓人酱挺爨了繁瑾嚣 的室间艘布模型，如正交模型 S n o w ，1 9 6 5 、无边 界的随机平面模型 P r i e s t ＆H u d 8 0 n ，1 9 7 6 、共平 蕊多透形楱裂 V e n e z i a n o ，1 9 8 4 释泊橙国擞模裂 B a e c h e r e ta l ，1 9 7 7 等．本研巍采用比较简便和成 熟的圆盘模型o ] ． 假设苓纛嚣蠢～些空阕努奄鹩嚣盘，每个节理 强焱珂斑中心坐撂、壹授秘方位袭示，在空间上蹰 盘中心位置服从泊松过獠，瞬盘直径和方位按现场 实测数据梭合的箭布规律导如．窭际研究的工程矿 体熬蠢4 坦慌势节理，觅表3 。 亵3 矿体中优势节理组的分布 T a b l e3T h ed J n r t b u t l o no fm a i n ] o t m sl 赫mb o d y 簿1 塑蓁2 姐纂3 担第4 担 饿岛， ‘} i z 7 ．2 7 ／负描敷{ { ．t 4 ／蕊态2 l g ．9 6 ／捂煎3 0 0 1 煎捂散 精角， 。诎s ，挎羲 5 08 绡E 卷 2 ，，拯羲7 0 ／鞠敷 同盟／mo ．4 2 ／负指数o ，5 9 ／煎指散0 ．7 4 ／负指数0 ．3 8 ／负指数 注；辩拽上、下分掰为均假菠分布． 运藤蒙特卡罗法蒜簿模攒辩，捂占整个带理系 统l l 。6 9 ％的零散节理程备黩阋土税必坞匀分毒。 由予节遵圆盎中心藏迹长分布与节理倾向、倾 角分布糖互独立，鬻此程模拟迹最与雕盘中心位鬟 薅，蚕鼹考惑壤离、攮熊势垮姻影璃．缝诗鳍果袭 明，节理圆盘中心位爨的分布在统计赋域内为均匀 分布，迹长符合负指数分带． 莰节鬓禹蠢懿囊径为扫，邃长实际圭楚蘩遴圆 盘上戆一条弦，弦长￡在距强蠢中心{ 壬意照离逶过 的概率均相等，弦长中心在区间E 0 ，D ] 为均匀分 布，箕概率密度为1 ／1 9 ．因此，迹长三与节疆壹径的 毙焦 L ／D 熬分舞黛数势{ “4 1 F L ／D 一1 ～√1 一 L ／D 2 ， 概率密度黼数 m 脚一船一篇． 因此，随机变量L ／D 的数学期攫为 E L ／D 一l L ／D f L ／D d 二／D 一 ≈／4 0 7 8 6 ， 鄹平撞速长是实际咫寸妁0 。7 8 6 壤．因此 带瑾半 径r D ／2 五／0 ，7 8 6 ／z 。 实际工程中蟹浏到的节理密度魏线密度，在避 舒三维弼终生残拜手，莓先将其变换戒臻寮发．撮据 蒙特卡罗法生成的节理蘸统，运用空间几何知识， 可褥到节城系统与象问莱平面的交线段，平面内的 选婪线段拣组成了该乎嚣内豹蒂理搠，觅豳5 。 瓣5 糍冀方舞囊壹割藩趣苇褒魏终 F i g ．5T h ej o I n tn e t w o r ki nt h ev e r t i c a ls e c t i o n i nN Sd i r e c t i o n 2 ．2 矿霸崩落块度预测模型 采用拓扑学中的单纯同调理论建立兰缭块体 骥测模型。圭空阉繁理囊可切割成备熟多霪体，摄 从现场大量观测统计和块度形成过程分橱，矿石自 然崩落的块体均蠢热多舔体，如霉6 新承，它的敢 拉承性数秀 V 一嚣 F 一2 。 万方数据 簿8 期 王家驻等念川镶矿二矿逸矿石盎然崩落规律研究 式中y ，甄F 分别为多面体的顶点数、边数殛嚣 数． 霭6 敢拉示往数为2 麴多面律 F i g ．6 T h ep o l y h e d r o nw i t hE u k rn u m b e r2 可翻掰其欧控示性数翔断多面体的形成．为了 克服欧拉永性数线性理论分类的限制，引人同调理 论申的定向复形、链、两链、边界及同谰群的概念避 行关系判断口一] ． 2 ．3 矿石崩落块度生成的运算步骤 1 接燕述的节理剐终生成蹶理，壶璐测穰拨 合数据生成节理面的倾向、倾角、圆盘半径、圆盘中 心垒掭秘謦理蘑努程f 2 由备节理面方襁求得一维交换，即所有多 瑟俸瓣棱，新春棱具毒2 个方翔； 3 从双向链出发，求得一维单向闭链，即所有 组藏多西体鹃} 嚣禽曲萄豹多逸形} 4 经过单纯同调避算，由单向闭链求褥单向 二维闭链，帮所有多面律鹩闭曲面． 在计算程序的数据结构中，用空间坐标值和函 数方程表示多面体的顶点和节理面，从而求出各多 露体的最大线尺寸和多骧体体积。计簿多垂体体积 时，采用四面体剖分计葬法，即从某顶点出发，先将 多囊体分粼威数令不棚突鳇鹦舞体，然居幸} 葵套蹬 面体的体积，多面体的体积为不相交四面体的体积 热。 2 ．4 块度分布计算结粜 在矿露头整蘸测中，太多疑采燕最大单淘足寸 大于某个值的矿石所占的体积分数戏质量分数米 确定矿石豹块废缀成． 1 矿石块度救量分布 按不两尺寸发生的数量对块度分布进行统{ } ． 加牧平均块度 z 娑_ o ．3 6 0 m ． 一∑甄～”⋯” 式中z ；为第i 个等级的块度足寸；N ；先第i 个等级 块度出现的次数． 2 矿石块度体积势毒 加权平均体积块度 、P f ，F ， 却。叫。0 。n 1 ． 式中V ；为第i 个等缴块瘦的累计体积． 块度分布结果见表4 ．上述 块度 计算中，认 为所有蹶生节瑷均可评裂，魏要空间相交的节理蕊 喇成闭食的块体，就可形成崩落块体．按该种方式 得出的块度通常称为原岩块度，将实际崩落下来的 矿石块艘称为崩落块度 然蕊，从我国巳采用鑫然 崩落法开采的矿山统计资料分析，矿石自然崩落过 程孛，原袅节联疆难全囊张舞面形成崩落块体的界 面，因此实际崩落块度略大予原岩块度．壤于目前 溺没寿霹借鉴麴理论鸯法，擞撂实际矿由的受辩撬 计分析①，可按原生节理面积的9 5 ％破裂和张开进 符计篝．捌鲡，设第j 条苓疆静囊撅先鱼，遘蟹囊 落块度计算时，第，条节理面的模拟值为0 ．9 5 A ， 攒_ 趱诗算毒静联落块发分毒觅圈7 ，俸获细校平筠 块度为1 ．2 8 8n 1 ． 衰4 矿石襟嚣块囊 T a b l e4T h es i z ed i s t r i b u t i o no fj n t t i a lo r 赣 鑫 攘 L 凼盥阻豳 0n 20 ．40 6 瓤81l ，2 1 ．4 l61 ．8 22 ．2 虢度冠寸／m 暇7 矿石脯落块度分布 №。7 T h es i z ed i s t r i b u t i o no fc a v e d ㈣ 国j t 京科技大学．壤矿蟮矿5 号矿俸茸拣崩落法辩蔫性与糯落麓棒 研究撤告 ，1 9 8 8 ． 万方数据 中黼矿盘大学攀艇 第2 卷 3 缝论 1 垒j | | 镰矿二矿熙的合理拉蠛方案炎韧娥 控藏聿孽辩娥大骡者生藏力方岗 N 1 5 4 E 帮嚣，长 8 0m ；耪始崩落戆控褒瓣辍为24 0 0m 。，崩藩遮髓 觉23 4 0 t ／m 。 2 遮耀菠羚学串攀缝鼹调理谂，莲手矿转天 然节理分布，建立崩落块体三维预测模型是研究空 麓块捧分带的囊效方法，笼箕是辩予骞限太小节琏 灏痨嘲割蔽瓣多嚣块体努辑更如囊实、簿使． 3 块麋预测结果表明，出现次数服从负指数 努枣，帮，l 、敬整鹩羧囊多，照鑫静体攒，l 、，逡鼹囊繇 工程巾，块体的捧积分帮蔓其有意义。通过拟台检 验，壤体豹体积服获芷憨分布。对予稼者软度丽言 魏投擎均侮积坎囊势1 1 0 0m ，大予1 。2m 簸块簿 搭积占总体积的3 2 ，6 l ％。对于崩藩壤魔瓣宙，萁 努毒岛蒙拳块发懿努枣樊黻，翔毂警均俸禚袭发为 I 2 8 8m ，太子1 ．2m 的块俸体积占总体积的 5 3 ．3 2 ％． 4 矿嚣掰薅过糕皆，会蠢嚣努攘蠢与褥瓣襻 用。但考虑到现有其它矿山的生产舆贼经验，放矿 块度姆崩落块度没裔大的炎化，因此可菜带崩落块 度臻淄德裕巍矿赛底邦缝擒凌诗戆辕撂 参澎变献 [ 1 ] B r a d yB 牲G B r o w nET 。R c c km e c h a n i c sf o ru n d e r - g r o u n dM i n i n g [ M ] ．L o n d o n G e o r g eA l l e n ＆U n w i n P u b f i s h e r s L t d ，1 9 8 5 ．1 8 7 1 2 9 。 E 2 ] P r i e s tSD ．D i s c o n t i n u i t ya n a l y s i sf o rr o c ke n g i n e e r i n g [ 狱j 。L o n d o n C h a p m a n ＆H d d P u b l i s h e r ，1 9 9 3 ，1 5 0 1 9 6 ． [ 司曝涮橱，芬兰魏。岩 继搀撩攀骥登摸掀翻虚趟，糟 石力学新避展[ M ] ．沈艄；寐北工学端出版社，1 9 8 9 、 S S 一8 e ， [ 4 3 潜剐椭，豫光黎．岩棒带壤凡衙特蔹鹘拼究现状投趋 势亡j 3 ．工程鼯察。1 9 9 0 5 2 3 2 6 ． I s ] L i nD ，P a i r h a r a tC ，S t a r f i e l dAM ．G e o m e t r i c a li n d e n t i f i e a t i o a 硝t h r L , ed i m e n s i o n a lr o c kb l o c ks y s t e r f k q u s i n gt o p o l o g i c a lt e c h n i q u e s [ j 3 ．t mjR o c kM e e h M i nS c i ＆G e o m e c hA b s t r ，1 9 8 7 6 3 3 1 - 3 3 8 ． 秘3 李黉熹，张辫l 蘸妊扑攀【M ] 。．上瓣t 童海辩学技拳 出版社，1 9 8 6 ．1 2 0 1 2 6 。 R e s e a r c ho nN a t u r a lC a v i n gR e g u l a r i t yo fO r ei n N o ，2M i n i n gA r e ai nJ i n c h u a nN i c k e lM i n e W A N GJ i a c h e n l ，C 辩嚣NZ h o n g - h u i l ，X l N GD a o - h u i ’， S U Ng h o n g r u i n 9 2 ，Z H A N GM i n z h e n 9 2 bD e p a r t m e n to fR e s o u r c eE x p l o i t a t i o nE n g i n e e r i n g ，C U M T ，糙袖壤1 0 0 0 8 3 ，C h i n a _ I 2 ．B e i i i n gG e n e r a lI n s t i t u t eo fM i n ea n dM e t a 糙r g y ，B e i j l a g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h er a t i o n a lp l a no fb o t t o mc u r i n g ，t h ec u t t i n ga r e 镕．o fo r es t a r t i n gt oc a v ea n dt h ec a v i n gs p e e df o r n a t u r a lc a v i n gm e t h o di nN o ．2m i n i n g8 r e ao fJ i n c h u a nN i c k e lM i n ew e r ed i s c u s s e d 姆m e a n so f3 - 1 3F L A C n u m e r i c a la i m ■a t l o n ．T h eM o n t e C a r l om e t h o dw a su s e dt og e n e r a t et h e3 - I { o i n tn e t w o r kb a s e do nt h ei 1 1 - s i t um e a s u r e m e n to fj o i n t s ．T h ed i s t r i b u t i o no ft h es i z eo fc a v e do r ew a sa n a l y z e da n df o r e c a s t e db yt h ea i m - p 赫h lh o m o l o g yt e c h n i q u eo ft h et o p o l o g y ． K e yw o r d s n a t u r a lc a v i n gm e t h o d l3 - 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