露天转地下开采境界顶柱合理厚度与稳定性研究.pdf

分类号密级 U D C 昆明理工大学硕士学位论文 露天转地下开采境界顶柱露天转地下开采境界顶柱 合理厚度与稳定性研究合理厚度与稳定性研究 研究生姓名潘震 指导教师姓名、职称李克钢 教授 校外导师姓名、职称杨浩 高级工程师 学科专业矿业工程 研究方向岩石力学及工程 论文工作 起止日期2016 年 9 月2019 年 5 月 论 文 提 交 日 期2019 年 5 月 附件三 学 位 论 文 出 版 授 权 书 我同意将本人学位论文著作权中的数字化复制权、发行权、汇编权和信息网络 传播杈的专有使用杈在全世界范围内授予中国学术期刊 光盘版电子杂志社下 简称 “ 杂志社”,同意其在 中国优秀博硕士学位论文全文数据库和CNKI系列 数据库中出版,未经杂志社书面许可,我不再授权他人以数字化形式出版本文。我 同意 中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关杈益. 如有任何第三方未经杂志社许可使用本人论文,杂志社应追究其法律责任,诉 讼的全部费用由杂志社承担。胜诉后,由杂志社与本人按55的比例分配所获赔 偿金, 作 者 签 名 瘤霜 班 年 ˇ 月⊥日 学位论文作者信息 论文题 目露天转地下开采境界顶柱合理厚度与稳定性研究 姓 名潘 震学 号20162201081答辩 日期2019年5月 9日 论文级别 博士□ 硕士口 院/系 /所 国土 资源工程学院/资 源开发工程系 专业矿业工程 联系 电话15559883490 Eˉm a 11646640684 通信地址邮编云南省昆明市昆明理工大学莲华校区科技园矿冶大楼6∞⒆3 备注; 曰公开 □保密 年 月至 年 月 保密的学位论文在解密后应遵守此协 联 系 电 话Ol l l Φ ”1951ω”31够” “ ” 传 真01l l ω ”1814 通信地址北京清华大学邮局 阴诏8信箱 采编中心 邮编l O00浒 议 学位论文使用授权书 本论文作者完全了解学校关于保存、 使用学位论文的管理办法及 规定,即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权昆明理工大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入学校有关数据库和收录到 中国博士/ 优秀硕士学位论文全文数据库进行信息服务,也可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存或汇编本学位论文。 注保密学位论文,在解密后适用于本授权书。 作 者 签 名名踊铆锵跑磁Q 冫丨 年 ˇ月 日 ∥年r 月芯 日 学 号 叫 1i /m | 、 S丨 专 业 彳 21彳1 一式三份,交研究生院学位工作处 学院 日 讠溜 哏 弼 嚼 卩 一 遵守学术行为规范承诺 本人己熟知并愿意自觉遵守 昆明理工大学研究生学术规范实施细则 试行〉 的所有内容,承诺 所提交的毕业和学位论文是终稿,不存在学术不端行为,且论文的纸质版与电子版内容完全-致。 二 独创性声明 本人声明所提交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研宄成果,尽我所知,除了 文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究咸果,也不包含为获 得昆明理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料.与我一同工作的同志对本研究所儆的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意,本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担◇ 三 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留使用学位论文的规定,即 学校有权保留送交论文的复印件, 允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、 缩印或其他复制手段保 存论文。保密的论文在解密后应遴守此规定 本学位论文属于 必须在 以下相应方框 内打“ 〃,否则一律按叫| 保密论文″处理 〉 1、保密论文 口 本学位论文属于保密◇ 2、非保密论文 □ 本学位论文属于内部论文,网上延后公开. 钚 学位论文不属于保密范围,适用本授权书. 是否 同意授权 以下单位 必须在 以下相应方框 内打勺” ,否则一律按“同意授权”处理 渚 薏授权 □ 不同意授权 将本人学位论文著作权中的数字化复制权、 发行权、 汇编权和信息网络传播权的专有使用权在全世 界范围内授予中国学术期刊 光盘版电子杂志社 并在 中国优秀博硕士学位论文全文数据库和 CN图系列数据库中出版。 研究生本人签名 丬 鹭孺 研宄生导师签名 2坌 丝鱼二 狂 __ˉ sEH, r/lk \ E ll E E*i;t“4 YF t\E 昆明理工大学硕士学位论文摘要 I 摘要摘要 近年来，随着国民经济的快速发展，我国的资源需求量越来越大，而露天开采因产能 大、效率高、成本低被广泛应用于矿山生产中；但随着开采深度的逐渐增加，不断增大的 边坡高度也会给矿山的生产带来严重的安全隐患，同时露天开采会受到资源赋存条件和经 济合理剥采比的限制。因此，很多露天矿山在开采到一定深度后将转入地下开釆。 而在露天转地下开采过程中，通常会在露天开采的底部、地下开采的顶部预留一部分 的矿体不采作为境界顶柱，用于隔离露天与地下的生产；预留的境界顶柱既可以减小地下 开采对露天边坡的扰动，还可以密闭地下开采区域。但如果留设的厚度过薄，会使境界顶 柱不稳定；如果厚度过厚，又会造成矿产资源的浪费。因此，研究境界顶柱合理厚度及其 稳定性，对矿山生产有着十分重要的理论及现实意义。 本文以某露天矿山转地下开采为工程背景，通过力学试验、理论计算和数值模拟等方 法对矿山露天转地下境界顶柱的厚度问题进行了研究，为矿山的生产提供了一定的依据。 本文的主要研究内容包含以下几个方面 （1）首先通过现场调查和资料收集，了解矿山的开采现状以及露天转地下开采的基 本情况；同时，针对矿山主要岩体进行室内力学实验及现场原位直剪试验，并通过霍克布 朗准则确定矿岩的岩体力学参数； （2）通过分析该矿山的实际地质情况，以固支矩形板模型作为境界顶柱厚度计算的 力学模型；采用 K.B.鲁别涅依他公式、厚跨比法、荷载传递交线法、结构力学法、普氏理 论法计算采场跨度为 35m 条件下矿山境界顶柱的理论厚度，分别为52.78m、24.50m、 26.95m、66.95m、22.00m，然后对计算结果进行回归分析，得出境界顶柱厚度与采场跨度 之间的关系式； （3）采用 FLAC3D数值模拟软件，分别对境界顶柱厚度为 20m、30m、40m、50m 四 种方案进行模拟计算，通过对研究区域的位移、应力、塑性区变化规律进行分析，最终得 出境界顶柱的厚度最好控制在 50m，最少要控制在 30～35m。 关键词关键词露天转地下开采；数值模拟；境界顶柱；稳定性分析；安全厚度 昆明理工大学硕士学位论文Abstract III Abstract In recent years, with the rapid development of the national economy, our countrys resource demand is getting larger and larger, and open-pit mining is widely used in mine production due to its large capacity, high efficiency and low cost; However, with the increasing depth of mining, the increasing slope height will also bring serious safety hazards to mine production, at the same time, open pit mining will be limited by resource conditions and economically reasonable stripping ratio. Therefore, many open-pit mines will be transferred to the underground after they have been mined to a certain depth. In the process of open-pit mining to underground mining, a part of the ore body is usually reserved at the bottom of open-pit mining and the top of underground mining, it is not used as a boundary pillar for isolation of open-pit mining and underground production; The boundary pillar can not only reduce the disturbance of underground mining to the open slope, but also confine the underground mining. However, if the thickness is too thin, the boundary pillar will be unstable; If the thickness is too thick, it will cause waste of mineral resources. Therefore, studying the reasonable thickness and stability of the boundary pillar has important theoretical and practical significance for mine production. In this paper, the open-pit to underground mining of the mine is the engineering background, through the various s such as mechanical test, theoretical calculation and numerical simulation, the thickness of the boundary pillar in the transition period from open-pit to underground mining is studied, it provides a certain basis for the production of mines. The main research content of this paper includes the following aspects 1 Firstly, through field investigation and data collection, we learned about the current mining situation and the basic conditions of open-pit mining to underground mining; At the same time, indoor mechanical experiments and direct shear tests are carried out for the main rock mass of the mine, and the rock mechanics parameters of the ore are determined by the Hoek-Brown criterion; 2 By analyzing the actual conditions of the mine, the solid-supported rectangular plate model is used as the mechanical model for calculating the thickness of the boundary pillar; The theoretical thickness of boundary pillar is calculated by the K.B.Rubenie equation, the thickness to span ratio , the load transfer , the of structural mechanics and the Platts 昆明理工大学硕士学位论文Abstract IV theory , when the span of the stope is 35m, the thickness of boundary pillar were 52.52m、24.44m、26.88m、66.66m、21.95m. Then the regression analysis is carried out on the calculation results, and the relationship between the thickness of boundary pillar and the span of the stope is obtained. 3 Using FLAC3Dnumerical simulation software, the four schemes of the boundary pillar thickness are calculated separately. By analyzing the displacement, stress and plastic zone of the study area, the safe thickness of the boundary pillar is obtained, it should be 50 meters, and the thickness must be kept at least 3035m. Keyword Open-pit to underground mining; numerical simulation; boundary pillar; stability analysis; safe thickness 昆明理工大学硕士学位论文目录 i 目录目录 摘要...............................................................................................................................I Abstract.......................................................................................................................Ⅲ 第一章 绪论...............................................................................................................1 1.1 研究背景及课题的提出...............................................................................1 1.2 露天转地下开采研究现状...........................................................................2 1.2.1 国内外露天转地下开采实例..............................................................2 1.2.2 露天转地下开采的特点......................................................................3 1.2.3 露天转地下开采境界顶柱厚度研究现状..........................................4 1.2.4 露天转地下开采境界顶柱稳定性及数值模拟研究现状.................6 1.3 研究内容及方法...........................................................................................9 1.3.1 研究内容.............................................................................................. 9 1.3.2 研究技术路线....................................................................................10 第二章 矿山概况.....................................................................................................11 2.1 矿区地质......................................................................................................11 2.2.1 矿体特征............................................................................................12 2.2.2 矿体围岩............................................................................................13 2.2 矿床地质......................................................................................................11 2.2.1 矿体特征............................................................................................12 2.2.2 矿体围岩............................................................................................13 2.3 矿区水文地质条件.....................................................................................13 2.4 矿山开采现状.............................................................................................13 2.5 露天转地下开采概况.................................................................................14 2.5.1 露天转地下开采过渡方案................................................................14 2.5.2 地下开采设计范围............................................................................14 2.5.3 地下采矿方法....................................................................................14 昆明理工大学硕士学位论文目录 ii 2.6 本章小结..................................................................................................... 16 第三章 岩体力学参数确定....................................................................................17 3.1 室内点荷载试验.........................................................................................17 3.1.1 取样地点选择....................................................................................17 3.1.2 试验结果............................................................................................18 3.2 室内岩石力学试验.....................................................................................19 3.2.1 取样地点选择....................................................................................19 3.2.2 室内岩石力学试验结果....................................................................21 3.3 岩体质量分级.............................................................................................21 3.3.1 普氏分级............................................................................................21 3.3.2 RMR 分级法.......................................................................................22 3.3.3 Q 系统分级法.....................................................................................23 3.4 现场原位实验.............................................................................................24 3.4.1 试验地点选择及试验仪器设备........................................................24 3.4.2 试体制备及试验加载........................................................................25 3.4.3 试验结果分析与计算........................................................................27 3.5 基于 Hoek-Brown 强度准则的岩体力学参数确定..................................31 3.5.1 Hoek-Brown 强度准则.......................................................................31 3.5.2 岩体抗压、抗拉强度计算................................................................33 3.5.3 岩体变形模量计算............................................................................33 3.5.4 岩体抗剪强度计算............................................................................34 3.6 本章小结..................................................................................................... 36 第四章 境界顶柱稳定性分析................................................................................37 4.1 境界顶柱力学模型.....................................................................................37 4.2 境界顶柱安全厚度计算.............................................................................38 4.2.1 K.B 鲁别涅依他公式..........................................................................39 4.2.2 厚跨比法............................................................................................41 4.2.3 荷载传递交线法................................................................................42 昆明理工大学硕士学位论文目录 iii 4.2.4 结构力学法........................................................................................43 4.2.5 普氏拱理论法....................................................................................45 4.2.6 经验类比法........................................................................................47 4.3 影响境界顶柱稳定性的因素.....................................................................47 4.4 境界顶柱破坏形式.....................................................................................48 4.5 境界顶柱稳定性分析.................................................................................49 4.5.1 摩尔库伦极限平衡法........................................................................49 4.6 本章小结..................................................................................................... 51 第五章 境界顶柱数值模拟分析............................................................................53 5.1 FLAC3D数值模拟理论................................................................................53 5.1.1 FLAC3D简介.......................................................................................53 5.1.2 本构模型............................................................................................54 5.2 初始计算模型的建立.................................................................................55 5.2.1 数值模拟的参数选取........................................................................56 5.2.2 模型初始状态下的数值分析............................................................57 5.3 境界顶柱厚度的数值模拟分析.................................................................59 5.3.1 方案一................................................................................................ 60 5.3.2 方案二................................................................................................ 63 5.3.3 方案三................................................................................................ 66 5.3.4 方案四................................................................................................ 69 5.4 本章小结..................................................................................................... 73 第六章 结论与展望................................................................................................ 75 6.1 结论..............................................................................................................75 6.2 不足与展望................................................................................................. 75 参考文献........................................................................................................................................................77 致谢...........................................................................................................................81 附录（攻读硕士学位期间主要研究成果及获得奖励）......................................83 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景及课题的提出 矿产资源开发是我国国民经济的支柱性产业，涉及到许多领域，例如煤炭、化工、金 属及非金属工业等。在我国，采用露天开采的矿山占我国矿山总数的绝大部分[1-2]，我国主 要矿产露天开采的比重如表 1-1 所示 表 1-1 我国主要矿产露天开采所占比例 矿产名称所占比重 有色金属矿石50 铁矿石87 煤矿10 建筑材料100 化工原料70.7 近年来，我国许多大型露天矿山开始进入深凹露天开采。以露天铁矿为例，年产量在 300 万吨以上的矿山有 16 座，其中有 10 座的开采深度达到了 200m（封闭圈以下）以上， 大部分矿山的露天开采已进入末期。但由于我国露天铁矿的绝大部分矿体都是急倾斜或倾 斜的，且埋藏较深，因此在露天开釆境界下仍驻留有大量的矿产资源，例如在石人沟铁矿 深部留有 6452.61 万吨矿石，大孤山铁矿有近 7000 万吨，眼前山铁矿深部的矿石则达到 1.6 亿吨等等。据统计，在我国大型露天铁矿最终开挖境界下大约驻留有 28-30 亿吨的矿产 资源[3-5]。而随着开采深度的逐渐增加，不断增大的边坡高度也会给矿山的生产带来严重的 安全隐患，同时露天开采会受到资源赋存条件和经济合理剥采比的限制。因此，越来越多 的露天矿山开始向地下开采进行转变。 而矿山由露天转入地下开采通常要经历三个阶段[6] 单一的露天开采时期--露天和地下 同时开采期（也称过渡期）--单一的地下开采时期。因此，露天转地下开采既与单一的露 天开采不同，也与单一的地下开采有一定区别，更不是二者简单的随意组合。在露天转地 下开采过程中，相对于单纯的露天开采，其会形成露采与地采共同作用的复杂应力场，而 巷道掘进、 地下开采形成的采空区以及爆破产生的震动都