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分类号 U D C 密级 学位论文 露天转地下开采边坡及境界矿柱稳定性分析 作者姓名杨宇江 指导教师任凤玉教授 申请学位级别博士学科类别工学 学科专业名称采矿工程 论文提交日期如f f 、0论文答辩日期乙D “．1 1 ．2 箩 学位授予日期加l2 、i答辩委员会主席 扬灸i ，玛 评阅人辞i 虱人l ，饵i 乱／、2 ，艺耳i 虱久弓，卷药威，嚏记专芬 东北大学 2 0 l1 年9 月 AD o c t o r a lD i s s e r t a t i o ni nM i n i n gE n g i n e e r i n g S t a b i l i t yA n a l y s i so fS l o p ea n dB o u n d a r y P i U a r i nT r a n s i t i o no p e n p i tt oU n d e r g r o u n dM i n e b y №g Ⅷi a n g S u p e Ⅳi s o r P r o f e s s o rR e nF e n g y u N o r t h e a s t e r nU n i V e r s i 够 S e p t e m b e r 2 0 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名杨告j2 日期加l I ，『I ．2 ‘ 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的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 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年口一年i一年半口 学位论文作者签名扬骜厶 签字日期加【I 、叱2 ‘ 两年口 导师签名 纠孔玉 签字B 胡≥e 忆略互6 东北大学博士学位论文摘要 露天转地下开采边坡及境界矿柱稳定性分析 摘要 在我国，露天开采的金属矿山较为广泛，受资源条件限制，很多露天矿山开采到 一定程度后将转为地下开采。此时，会遇到一系列的安全问题，如露天开采所遗留的 高边坡和境界矿柱的稳定性等。本文即以山东黄金归来庄矿业有限公司露天转地下开 采的生产实践为背景，考虑爆破动载荷，在现场调查和实测数据的基础上，采用数值 分析的方法，就边坡和境界矿柱的稳定性展开分析，主要内容如下 1 、通过现场工程地质调查，对归来庄金矿的上盘边坡和近矿岩体的结构面的赋 存和分布状态进行了系统勘察，对地质钻岩芯的R Q D 指标进行了测算，并对各种类 型岩石试样进行了室内的岩石力学实验等。此后，在此基础上对近矿岩体和上盘边坡 岩体的稳定性进行定性、定量描述和分级，利用H o e k ．B r o w n 和M o h 卜C o u l o m b 准则 对工程岩体的强度和变形参数进行估算，为以后的数值计算提供参数依据 2 、通过对露天坑底和巷道中的爆破震动速度测试，得到了归来庄露天矿爆破震 动的衰减规律。以实测的爆破震动速度为基础，将露天和地下采矿爆破震动实测波加 载到边坡稳定性分析及境界矿柱优化中，提出了考虑露天与地下爆破联合作用的高陡 边坡和境界矿柱稳定性动态分析方法，结合矿山实际，对过渡期同时开采边坡及境界 矿柱稳定性影响进行了应用分析； 3 、在理想爆轰条件下，采用三角形波载荷作用于露天坑底深孔爆破炮孔粉碎区 的边界。分析了不同跨度的地下矿房，不同的境界矿柱厚度，在爆破动载的作用下的 稳定性和塑性区分布，得出了境界矿柱关键位置的附加应力、振动速度与矿柱厚度的 拟合关系。提出了以岩体特征监测点位移时程曲线收敛规律作为境界矿柱临界状态的 判据，结合位移矢量特征，实现了应用强度折减法对境界矿柱爆破动力稳定性影响的 定量评价 4 、将加卸载响应比理论引入到边坡稳定及境界矿柱厚度优化的动力分析中，补 充了适合动态分析的强度折减法破坏判据，得出边坡和境界矿柱进入极限状态后，不 稳定和稳定特征点的加卸载响应比规律，拓展了强度折减法的分析功能。 关键词露天转地下；爆破动载荷；边坡；境界矿柱；强度折减法；加卸载响应比 东北大学博士学位论文 A b s t r a c t A b s t r a c t I no u rc o u n t r y ，m a I l ym e t a lm i n e sa u r eb e i n gm i n e du s i n go p e n - p i tm e t l l o d s ．M o s to ft h e d e e po p e n p i t sm i l l e sh a V eb e e nt u m e d t ou 1 1 d e 玛r o u l l dm i n e sb e c a u s eo ft h e1 i m i t e dr e s o u r C e c o n d i t i o n s ．M j l l es h i n i I 培缸o mo p e n p i tt ou n d e 喀r o u n dm i l l i n g 、艟1 1m e e tas e r i e so fs a f ．e t y p r o b l e m s ．T h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nm es a f 色够a n ds t a b i l i t ，o fs l o p ea n db o u n d a r yp i l l a u r i n o p e n - p i tm i l l i I l g i s V e r ys i 嘶f i c a n tt os a f e 够p r o d u c t i o no ft 1 1 e s em i n e s ．O p e n 。p i t t o u I l d e r g r o u I l d Ⅱl i l l i l l go fG u i l a i z h l 】a I l gG o l dM m e w a ss e l e c t e da st h ee n g i n e e 曲gb a c k g r 0 吼d f o ri n d e p t l ls 锄i e si n 廿1 i sp a p e r ．O nt 1 1 eb a s i so f Ⅱl ef i e l ds u r v e ya J l dm e a s u r ed a t a ， c o n s i d e 血gm ee x p l o s i v el o a d ，s t r e n g mr e d u c t i o n 也e o r ya n dF L A C 3 Ds o R w a r ea r ea d o p t e d i nt h ea 1 1 a l y s i so fs l o p ea l l db o 吼d a r yp i l l 札T h em a i nc o n t e n t so ft 1 1 ed i s s e r t a t i o na r e s u I m a r i z e da sf - o U o w s 1 ．1 ’1 1 r o u 曲s c e n ei n v e S t i g a t i o na 1 1 dr o c km e c h a I l i c a lt e S t ，t h ed i s t r i b u t i o no fs t m c t u r a l p l a I l e ，r o c kq u a l 埘o fd e s i 印a t i o na n d r o c km e c h 猫c sp 觚I Ⅱl e t e r sw e r eo b t a i n e d ．A ‰刑a 】旧s ， t h er o c km a s sq u a l i 毋、张sa s s e s s e db a S e do nt h ed a t a 诵t 1 1t h em e t h o d so fe n 百n e e 血g g e o l o 舀c a l c l a S s i 矗c a t i o nf o rs u r r o u n m n gr o c km a s s ，R M Ra n dQ s y s t e ms u c c e s s i V e l y ． C o m b i n e d 丽也H o e k B r o v ma 1 1 dM o h r - C o u l o m bc r i t e r i o n ，t 1 1 eR 躲o nt h es l o p er o c km a s s q u a l i t ye V a l u a t i o nw a sa p p l i e dt ot h ee V a l u a t i o no fs l o p er o c km a s sm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ． 2 ．n 哟u 曲v i b r a t i o nV e l o c 毋m e a S u r e n l e ma I l dr e s e a u r c ho fo p e n p i ta I l du I l d e r g r o u I l d t l m n e l ，也ed e c a yl a w so fm a 出m H np a n i c l e sV e l o c i t yw e r eo b t a i n e d ．B a s e d o nt l l em e 也o do f d y n 锄i cF L A Cn 砌e n cs i 珏l u l a t i o n a n dt h ef i e l dt e S t i n go f b l a s t i n gV i b r a t i o nd a t a ，t h e s 讪i l i 够o fs l o p ea r l db o u n d a r rp i l l a rt h i c k n e s so p t i m i z a t i o nu n d e r 也eb l a s t i n gl o a dw a s a n a l y z e d ．T 1 1 e n ，c o n s i d e m gt h ec h a r a c t e r i s t i ci nt I 孤s i t i o no p e n - p i tt ou n d e r g r o u I l dm i n e ， s t a b i l i t ya n a l y s i so fs l o p ea J l db o u n 1 a r yp i l l a rw a ss t u d i e d ． 3 ．I nt h ei d e a ld e t o n a t i o nt h e o 巧c o n d i t i o n s ，t h ee x p l o s i V el o a dw a si m p o s e do n s u 玎。岫d i n gs i m m 伽e o u sb l a s td e e ph o l e so fo p e n p i t 、v i t he q u i V a l e n ts 骶s so ft r i a I l g u l a r w a v e ．T h es t a b i l i t ya J l dp l a s t i cz o n eo fs t o p ew i t hd i 舵r e n ts p a na n d b o u n d a r yp i l ku I l d e rt h e b l a s t i n gl o a d 、v a sa n a l y z e d ．T h ef i t t i n gr e l a t i o n s h i po f a d d i t i o n a ls t r e s s ，V i b r a t i o nV e l o c i t ya n d t h et h j c l n e s so ft l l ek e yp o i n t so f b o u l l d a r yp i l l a r 、v e r eo b t a i n e d ．T h e n ，c o n s i d e r i n gt h es t a t i c a n dd y n a m i cl o a d i n gr e s p e c t i V e l y ，t h em e t h o do fs t r e n 醇hr e d u c t i o nw a si n t m d u c e di n t o ．I I ． s t a b i l i t ra I l a l y s i so fb o u n d a 巧p i l l 札B a S e do nt 1 1 ec o n V e 玛e n c el a wo fd i s p l a c e m e n tt i m e M s t o r ，c u r v ea ts p e c i f i cm e a s u r i l l gp o i n t ，an e wc r i t e r i o nw a Sp u tf o r 州．C o 瑚【b i l l e d 丽t h d i s p l a c e m e n tv e c t o rc h a r a c t e r i s t i c s ，t l l es 切b i l 埘o f b o u l l d a r rp i l l a rw a sq u a n t i t a t i V ee V a l m t e d 丽t 1 1m em e Ⅱl o do fs 仃e n g mr e d u c t i o n ． 4 ．1 1 1 e Ⅱl e o 巧o fl o a d ．u I l l o a dr e s p o n s er a t i o L U R R w a si n 仃o d u c e dt oa I l a l y z ed y 姗[ I l i c s l o p es t a b i l i 够a J l db o u n d a r ，p i l l a rs a 诧t y “c k n e s s ．1 1 1t h el i m i t e ds t a t eo fs l o p ea I l db o u n d a 巧 p i l l a ru 1 1 d e lb l a s t i n g1 0 a d ，t l l eL U R Rr e g u l a t i o no fs 讪l ea n d 吼s 协1 ec h a r a c t e r i s t i cp o 缸啪s s t u d i e d ．As 勺汜n g t l lr e d u c t i o nf a i l u r ec r i t e r i o nw a ss u p p l e m e n t e d ． 1 【e y w o r d s o p e n ．p i tt ou n d e r g r o u n dm i I l i n g ；b l a s t i n gV i b m _ t i o n ；s l o p e ；b o u n d a r yp i l l a r ； s 仃e n g t l lr e d u c t i o n ；l o a d u I d o a dr e s p o n s er a t i o L U I 汛 ．I I I ． 东北大学博士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯j ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅳ 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 露天转地下开采过渡期的采矿方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 露天转地下开采主要安全问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 ．1 边坡稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 ．2 境界矿柱稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．5 本文的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 第2 章归来庄金矿岩体工程地质调查及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 矿区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 岩体结构特征调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．1 岩体结构面特征调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．2 岩石质量指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 岩石力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．4 岩体质量评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．5 岩体力学参数估算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 第3 章现场爆破震动测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．1 爆破危害效应简述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 。2 爆破震动测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．3 爆破震动测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．4 测试结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，2 5 3 ．5 爆破速度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．6 爆破传播规律的萨氏公式回归分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．7 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 0 东北大学博士学位论文目录 第4 章边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．1 露天矿边坡的特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 。2 边坡稳定性的分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．2 ．1 强度折减法的原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．2 ．2 强度折减法中安全系数的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．2 ．3 破坏失稳标准的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．3 动力计算参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．4 屈服准则和计算软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．5 坑底爆破边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．5 ．1 强度折减法的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．5 ．2 数值计算模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．5 。3 计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．6 地下开采对边坡稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．6 ．1 计算范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．6 ．2 计算方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 4 ．6 ．3 回采前边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．6 ．4 进路回采计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 4 ．6 ．5 回收间柱后边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 4 ．7 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 第5 章境界矿柱稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 5 ．1 爆破荷载的加载模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．2 炮孔壁压力计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 ．1 ．1 柱状药包炮孔壁上初始压力峰值的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 5 ．1 ．2 粉碎区边界冲击压力的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．1 ．3 荷载作用时间的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．3 爆破参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 。4 数值计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．5 计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．5 ．1 进路式回采⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．5 ．28 m 跨度矿房⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．5 ．312 m 跨度矿房⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 5 ．5 ．4 计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 5 ．6 地下矿房强度折减法分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 5 ．6 ．1 静力计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～7 3 东北大学博士学位论文 目录 5 ．6 ．2 动力计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 5 ．7 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 第6 章基于加卸载响应比理论的爆破动力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9 6 ．1 加卸载响应比理论应用于爆破动力稳定研究的可行性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 6 ．2 大尺度岩石试样的动力破坏过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 6 ．2 ．1 数值试样的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 6 ．2 ．2 加载方式与边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 6 ．2 。2 计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 6 ．3 爆破载荷作用下边坡的动力破坏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 7 6 ．3 ．1 边坡动力稳定性计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 8 6 ．3 ．2 加卸载响应比模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 0 6 ．4 露天矿边坡加卸载响应比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 6 ．5 境界矿柱加卸载响应比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 3 6 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 5 第7 章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．10 6 攻读博士期间发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 7 东北大学博士学位论文第l 章绪论 1 ．1 引言 第1 章绪论 对于矿体赋存较深、覆盖层较浅或在地表有出露的中厚至厚的 急 倾斜矿床，前 期采用露天开采的优点显著，因而在国内外得以广泛应用。当露天开采到一定程度后， 出于成本和安全等方面的考虑，一般要转为地下开采。如果矿床埋藏较深而覆盖层较 薄时，则矿床的上部采用露天开采，矿床的下部转为地下开采，简称露天转地下联合 开采。针对不同情况，一般有三种方式1 是全面联合开采，即从设计 矿山生产 开 始即考虑采用露天与地下同时开采；2 是初期采用露天开采，当达到或接近露天开采 安全后，在露天转地下过渡时期的联合开采；3 是初期采用地下开采，但因为地下开 采损失过大或者在国内因为火灾等原因而转为露天开采，在地下开采转露天开采过渡 时期的联合开采【l 】。目前我国应用比较广泛的是第2 种，即露天转地下联合开采。露 天转地下开采是矿山为了实现稳定产量或者产量波动不大，一般采用不停产过渡，露 天产量逐渐减少，地下产量逐渐增加，直至露天开采结束，地下开采达到设计产量， 这段交替时间段称为露天转地下开采的过渡时期L 2 ’3 】。 因为过渡期时间较长，一般自露天转地下开采时，要持续少则3 ～5 年，多则8 ～1 0 年。露天矿山转地下开采的工程量近似于新建一个矿山，同时还存在地下开采工艺的 熟悉过程，至使部分矿山并未对露天开采后的地下开采方法工艺及其所需的条件采取 相应的措施，由此则引发了诸多困难。例如地下开采所需的境界矿柱的厚度与后期回 收，露天开采边坡的稳定性及其影响，地表渗水与坍陷等。目前，人们对单一的露天 开采和地下开采已做了大量的研究和实践，而对露天转地下开采次生应力场对岩体稳 定性的影响机理和复合扰动下的岩体移动规律的研究还不够。 山东黄金归来庄金矿位于山东省平邑县城东南2 5 k m ，行政区划属平邑县铜石镇； 矿区极值地理坐标为东经1 1 7 。4 7 7 5 4 Ⅳ～1 1 7 。4 8 7 1 6 ”；北纬3 5 。2 2 7 0 8 ”～3 5 。 2 2 7 2 2 ”。兖 州 一石 臼所 铁路和日 照 一菏 泽 高速公路及3 2 7 国道由矿区北 侧通过，距和气庄火车站1 ．5 k m 、日菏高速公路平邑出口4 k m ，交通方便。矿区地形 属丘陵区，海拔1 2 1 ．8 0 ～1 6 0 ．5 0 m 。区内水系发育，矿区北侧的浚河为长年性水流， 最高洪水位标高1 2 0 m ，洪峰流量为2 l O O m 3 ／s 。属暖温带大陆性季风气候，四季分明， 东北大学博士学位论文第1 章绪论 年平均气温为1 3 ．2 ℃，雨季多集中在6 ～8 月份，年平均降雨量为7 5 2 ．5 m m 。 ， 归来庄金矿浅部采用露天开采，设计露采坑底安全标高．3 0 米，平面最大尺寸5 7 0 3 3 1 米，最大深度1 7 0 米，平均剥采比1 1 4 ．6 2 ，采用分期扩帮、台阶式开采，单一 汽车开拓运输方案。1 9 9 7 年1 1 月，山东省黄金设计研究院完成了山东省平邑县归 来庄金矿扩建初步设计，即深部采用地下开采。设计开采范围．3 0 ～．1 5 0 m ，．3 0 m 标 高以上实际边坡与矿体之间范围，采用侧翼竖井开拓方案，下向胶结充填采矿法。回 采顺序为由下而上台阶分层回采，不留矿柱。设计采区损失率8 ％，贫化率1 0 ％，矿 井通风方式为侧翼对角式通风。由于种种原因，目前地下开采系统尚未形成，而露天 开采原设计范围内资源不足，矿井面临着接替不上的问题。为了保证目前的产量，公 司决定对露天开采最终标高向下延伸，扩大开采范围，以延长露天开采年限，保证露 天开采与地下开采的平稳接替。 1 。2 露天转地下开采过渡期的采矿方法 由露天转入地下开采的矿山，一般多是已用露天开采多年，己形成了完整的生产 系统和生活福利设施，如选场、修理厂、供电和供水管网以及露天坑等。因此，转入 地下开采时的设计，要充分考虑利用这些设施，注意研究通向地表的井巷位置，过渡 时期的露天开采运输系统，地下采矿方法等方案。有条件的矿山，应在上部露天开采 设计的同时，即统筹研究今后如何从露天转地下的问题【4 】。 露天地下联合采矿法不同于传统的露天、地下开采。按采矿界一般的认识，凡是 同时进行露天和地下的开采设计，统一安排露天和地下工程的施工，就可认为是露天 地下联合开采。这种方式的显著特点是矿床分为上、下两层，上层采用露天开采法， 下层采用地下开采法，在露天与地下两部分中间留隔离顶柱或缓冲层分隔开来。因此， 这种开采方式中的两种开采方法都有各自的开采范围，其联合的含义更多的体现在用 不同的开采方法开采同一矿床，而不是在同一矿块或采区中结合使用不同的采矿工艺 和方法。 对一个矿床来说，在其开采范围内的垂直方向上分为上、中、下三层，上层用露 天法开采，下层用地下法开采，中层也称过渡层或过渡带，其回采的工艺过程是用地 下开采工艺进行开拓、采准和切割，用露天开采法进行钻孔爆破，利用地下运输系统 出矿。采矿方法是指一个矿块或一个采区的开采方法，主要包括采准，切割与回采等 工艺。显然，过渡层的开采是在一个矿块或一个采区内联合使用露天采矿工艺和地下 东北大学博士学位论文第l 章绪论 采矿工艺进行采矿。因此，可以把过渡层开采的这种方法称之为露天地下联合采矿法。 ， 其实质是矿块或采区的上部为露天坑底，在采准、切割和回采过程中，由露天采矿技 术和地下采矿技术有机结合起来回采矿石和进行采场地压管理。它与联合开采相比， 工艺技术的结合程度更紧密1 5 ，6 】。 露天转地下开采过程中，地下开采方法的选取，主要是根据矿体赋存的特点、露 天边坡地压情况和露天坑底留设境界矿柱与否等因素。露天转地下的矿山，在露天开 采的后期，都存在着露天向地下开采的过渡阶段。在此期间露天的产量逐渐减少，地 下的产量逐渐增加，直至露天结束，地下生产达到设计产量。在这一段时间内，露天 和地下必须同时进行生产作业。因此，解决过渡阶段的采矿方法问题是一项极复杂的 技术难题，不仅要处理好上部露天作业对地下开采的影响和互相干扰问题，同时还要 考虑产量的衔接，这给地下开采特别是第一阶段的采矿方法提出许多特殊的要求。根 据这一特点和要求，目前露天转地下开采使用的采矿方法提出许多特殊要求，目前露 天转地下开采使用的采矿方法可归纳为三类【l ，7 ，8 】 1 房柱式采矿法，主要有空场法、留矿法和充填法。使用这类方法时，露天和 地下可同在一个垂直面内同时作业，但是要求从露天底到地下采矿场之间要留有一定 厚度的隔离顶柱。对地下采场的暴露面大小、间柱的强度，以及对露天和地下爆破的 规模，都要有严格的控制和要求，这与一般的地下开采相比，所受到的条件限制要复 杂的多。充填法成本较高，多用于贵重金属的开采，因为充填采矿法矿石损失贫化小， 此时降低的赢利可以通过增加贵重金属的回收率来得到补偿； 2 崩落法，它包括分段崩落法和阶段崩落法。崩落法的特点是，在崩落矿石的 同时崩落围岩，用来充填采空区，控制和管理地压。在回采过程中，不需要把矿块划 分成矿房和矿柱，而是以整个矿块为回采单元，按一定的回采顺序崩落矿石，连续进 行单步骤回采，这类采矿方法要求在地下开采区的上部有一层安全缓冲层，其生产工 艺与一般的地下开采基本相同。因此，要求露天分段结束，地下需分段投入生产，露 天和地下的生产基本上是顺序进行的； 3 联合采矿法，其实质是上述两类采矿方法的结合。根据国外近2 0 年成功的应 用经验，这类方法的特点是，在地下开采第一阶段的矿体时，须分两个步骤进行。即 在阶段上把矿体划分为矿房与矿柱，先用房柱式采矿法回采矿房，然后靠矿石的自重 崩落或强制崩落回采间柱和顶柱。它适用于围岩较稳固、矿体较厚的矿床，兼有房柱 法和崩落法的优点。其采区的结构参数、回采工艺均与一般的崩落法和房柱法不同。 东北大学博士学位论文第l 章绪论 采矿方法的选择，不但要考虑矿体的产状特点，产量要求，而且要考虑地压影响， 尤其是安全外堆置有大量的岩石。所以无论是选择崩落法还是充填法等采矿方法，都 要本着安全、经济、有效的原则。从国内外矿山露天转地下的实际效果来看，较可靠 而有效的方法是露天坑底部、地下第一中段的矿房顶部保留矿柱的空场法。空场法最 适合于露天和地下一个垂直面内同时开采的情况，不仅过渡的技术简单，而且能够保 持坑内通风、防洪排水和露天边坡的安全可靠。但空场法要求从露天坑底到地下采场 之间要有一定厚度的隔离顶柱，对地下采场的暴露面大小、间柱的强度以及对露天和 地下爆破的规模，都要有严格的控制和要求，这与一般的地下开采相比，所受到的条 件限制要复杂的多。 1 ．3 露天转地下开采主要安全问题 ● 露天开采平稳过渡到地下开采最为关键的岩石力学技术难题是露天开采时期的 大规模开挖，对露天坑周围岩体形成较大的应力扰动，局部产生应力集中现象。在此 基础上进行地下开采，将形成更为复杂的次生应力场，引起边坡围岩的进一步变形和 破坏，甚至出现滑坡失稳和巷道变形破坏等地压灾害㈨。 1 边坡稳定性㈣ 露天矿开采过程中，边坡的稳定不仅关系到生产效率高低和工程的进度，而且关 系到整个矿山的持续发展，是安全生产的保证。露天开采的边坡稳定性，主要受边坡 岩体内的地质构造等因素的影响，是一个复杂的地质力学问题。而露天转地下开采， 则形成了由露天和地下开采相互影响的次生应力场，造成采场周围的岩体产生变形和 破坏，更易导致边坡失稳； 2 境界矿柱的稳定性㈦1 4 】 境界矿柱的稳定性是关系到露天转地下过渡中矿山安全生产的重要问题。通过留 设境界矿柱可以使露天与地下开采同时进行，保证在露天转地下开采过程中，开采矿 量保持稳定和通风系统正常运行，但是境界矿柱的预留也会给地下开采的安全带来隐 患。如果境界矿柱留的过薄，易造成境界矿柱突然间崩落，会对地下采空区产生强动 力冲击。当境界矿柱塌落时，对采空区内空气进行压缩，被压缩的空气从与采空区连 通的巷道泄出时，具有很高的速度 高达1 0 0 m ／s 以上 ，形成破坏性很大的气浪，对井 下设施及人员构成很大危害，甚至可使矿井报废。境界矿柱如果留的过厚又会造成矿 产资源的浪费，因为矿柱回采率低 只有4 0 ％左右，甚至更少 ，贫化率大，回采境界 东北大学博士学位论文第l 章绪论 矿柱的掘进工程量和投资较大。因此，境界矿柱稳定性及防突涌突冒研究对于矿山露 ， 天转地下开采工程是一项重要而又复杂的科研课题。在国家十～五科技支撑计划课题 中，已经将露天转地下开采平稳过渡关键技术研究列入计划课题进行攻关研究，其研 究计划中把境界矿柱稳定性问题作为关键技术问题进行研究。 对于大多数的金属矿山，无论是露天开采还是地下开采，最常用的手段仍然是钻 孔爆破落矿法。爆破施工在完成开挖的同时，不可避免地对邻近的边坡和矿柱产生不 利影响，引起矿岩体力学性质的劣化，如原有裂隙的张开与扩展，新裂隙的产生，岩 体声波速度的降低，渗透系数的增大等。 露天爆破对地下工程的破坏性影响主要是爆破所产生的地震波在岩体界面产生 拉伸作用所致。在距离爆炸源一定距离内，爆破在岩体中的冲击波转化为应力波，岩 性比较好时，震速、动应力、动应变值较大，扰
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