安沟钼矿露天转地下境界顶柱参数设计及其稳定性分析.pdf

分类 号 密 级 U D C 学 号 6720150225 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 20182018 年年 3 3 月月 1818 日日 安沟钼矿露天转安沟钼矿露天转地下境界顶柱参数设计及其稳定性分析地下境界顶柱参数设计及其稳定性分析 Parameter design and stability analysis of the boundary roof pillar in the open-pit to underground of An Gou molybdenum mine 学 位 类 别 专业型专业型硕士硕士 作 者 姓 名 邓岁伟邓岁伟 学 科、专 业 矿业工程矿业工程 研 究 方 向 采矿理论与技术研究采矿理论与技术研究 指 导 教 师 吴贤振吴贤振 教授教授 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，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成果，也不包含已获得江西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做的任何贡献均已在 论文中做了明确的说明并表示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 研究生签名 时间 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解江西理工大学关于收集、保存、使用学位论文的规定即学 校有权保存按要求提交的学位论文印刷本和电子版本，学校有权将学位论文的 全部或者部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编以供查阅和借阅；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机 构送交论文的复印件和电子版。本人允许本学位论文被查阅和借阅，同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名（手写） 导师签名（手写） 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 露天转地下开采境界顶柱留的太薄，容易造成塌陷，对地下生产人员及设备 造成巨大威胁；如果留的太厚，容易造成浪费，降低矿石回收率。境界顶柱参数 设计是一个复杂问题，要考虑顶柱的厚度还要考虑开采顺序等一系列因素，目前 国内还没有形成统一的对境界顶柱相关参数确定的方法。 本文以安沟钼矿露天转 地下开采为工程背景，运用数值模拟和遗传算法建立进化数值模拟，得出境界顶 柱的优化参数，并且采用极限平衡法对境界顶柱的稳定性进行分析。 本文的主要研究内容及成果如下 （1）系统介绍了安沟钼矿的工程地质条件、水文地质条件和安沟钼矿Ⅰ号 矿体的矿体空间分布特征、矿体特征以及矿体连接依据等，最后介绍了矿区Ⅰ号 矿体露天转地下的开采方案，为后续工作奠定基础。 （2）通过对矿山地质资料和现场地质条件的调查结果，基于 RMR 分类法 和 GSI 分类法对矿区岩体进行质量分级得出矿区岩体的质量等级，再依据 Hoek-Brown 准则，对岩体力学进行折减处理得出适合模拟使用的矿区岩体力学 参数。 （3）本文以安沟钼矿的露天转地下作业为实例，针对其境界顶柱预留问题 的优化进行分析，本次采用遗传算法和三维数值模拟相互补充的方式，对本次境 界顶柱的预留方案进行进化数值迭代和三维模拟分析，得出境界顶柱的优化方 案，为境界顶柱的预留问题提供参数指标和优化的方式步骤。 （4）建立了境界顶柱的力学模型分析了其可能存在的破坏模式，采用工程 类比法和极限平衡法对安沟钼矿Ⅰ号矿体安全顶柱的稳定性进行了分析。 关键字露天转地下；境界顶柱；数值模拟；遗传算法；稳定性分析 万方数据 Abstract II Abstract The transition from open pit to underground mining is too thin for the top pillar to cause collapse, which poses a great threat to underground production personnel and equipment. If left too thick, it will easily cause waste and reduce ore recovery. The design of boundary pillar parameters is a complex problem. We should consider the thickness of the top column and the sequence of mining. There is no uni for determining the relevant parameters of the boundary pillar at present. Taking the transation from open pit to underground mining in An Gou molybdenum mine as an engineering background, the numerical simulation and genetic algorithm are used to establish the numerical simulation of evolution. The optimal parameters of the top pillar of the outbound area are obtained, and the limit equilibrium is applied to analyze the stability of the boundary pillar. The main contents and results of this paper are as follows 1 Introduced a system of An Gou deposit engineering geological conditions, hydrogeological conditions and An Gou Mo No.1 orebody spatial distribution characteristics, orebody characteristics and ore connection basis, finally introduced the mine No.1 opencast mining scheme of underground orebody, which laid a foundation for the subsequent. 2 Through the investigation results of mine geological data and field geological conditions, the quality grade of RMR classification and GSI classification is the quality classification of rock mass on the rock mass based on the mining area mining area, according to the Hoek-Brown criterion, the rock mechanics reduction that suitable for rock mechanics parameters of the mining area. 3 In this paper the An Gou deposit open-pit to underground work as an example, according to the analysis of the optimization of the boundary pillar reservation problem, using simulated complementary ways of genetic algorithm and the numerical analysis of evolution, and three-dimensional numerical iterative mode on the boundary pillar reservation scheme, to exit the optimization scheme of top circle column, column top steps provide reserve parameters and optimize the way for state. 4The mechanical model of the boundary top pillar is established, and the possible failure modes are analyzed. The stability of the safety pillar of No. 1 ore 万方数据 Abstract III body in An Gou molybdenum mine is analyzed by the engineering analogy and the limit equilibrium . Key words Transfer open-pit into underground;Boundary pillar;Numerical simulation; Genetic algorithm; Stability analysis 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 I 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................. II 目 录..................................................................................................................... I 第一章 绪论.......................................................................................................... 1 1.1 工程背景 ................................................................................................ 1 1.2 研究目的及意义 .................................................................................... 3 1.3 国内外研究现状及发展趋势 ................................................................ 4 1.3.1 露天转地下开采的特点 ............................................................. 5 1.3.2 境界顶柱厚度的研究现状 ......................................................... 5 1.4 论文主要研究内容 ................................................................................ 7 第二章 矿山地质及露天转地下开采方案.......................................................... 8 2.1 工程地质条件 ........................................................................................ 8 2.2 水文地质条件 ...................................................................................... 11 2.3 安沟钼矿矿体特征 .............................................................................. 13 2.3.1 矿体空间分布特征 ................................................................... 13 2.3.2 矿体特征 ................................................................................... 13 2.4 安沟钼矿Ⅰ号矿体露天转地下主要开采方案 .................................. 14 2.4.1 分段凿岩阶段矿房采矿法 ....................................................... 15 2.4.2 浅孔留矿法 ............................................................................... 16 2.5 本章小结 .............................................................................................. 17 第三章 岩石力学参数工程处理........................................................................ 19 3.1 岩石力学参数工程处理的途径与内容 .............................................. 19 3.2 基于 RMR 分级法和 GSI 分级法的岩体质量评价 ........................... 19 3.3 力学参数 .............................................................................................. 22 3.3.1 单轴抗压强度与抗拉强度 ....................................................... 22 3.3.2 变形模量 ................................................................................... 24 3.3.3 剪切强度参数 ........................................................................... 25 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 II 3.3.4 岩石力学参数结果汇总 ........................................................... 28 3.4 本章小结 .............................................................................................. 28 第四章 基于进化数值模拟的境界顶柱参数设计............................................ 29 4.1 遗传算法简介 ...................................................................................... 29 4.1.1 遗传算法的特点 ....................................................................... 29 4.1.2 遗传算法的运行过程 ............................................................... 30 4.2 有限元概述 .......................................................................................... 32 4.2.1 ANSYS 软件简介 ...................................................................... 32 4.2.2 计算程序及方法 ....................................................................... 35 4.2.3 材料模型破坏准则 ................................................................... 35 4.3 境界顶柱的进化数值模拟 .................................................................. 38 4.3.1 境界顶柱参数设计的数学描述与评价方法 ........................... 38 4.3.2 境界顶柱参数设计的进化数值模拟步骤 ............................... 39 4.3.3 安沟钼矿Ⅰ号矿体露天转地下境界顶柱进化数值模拟 ....... 41 4.4 本章小结 .............................................................................................. 47 第五章 境界顶柱稳定性分析............................................................................ 48 5.1 影响境界顶柱稳定性的因素 .............................................................. 48 5.2 境界顶柱潜在破坏模型 ...................................................................... 49 5.3 境界顶柱的力学模型讨论 .................................................................. 50 5.3.1 境界顶柱的力学模型 ............................................................... 50 5.3.2 境界顶柱模型的力学分析 ....................................................... 51 5.4 境界顶柱稳定性的工程类比研究 ...................................................... 54 5.5 摩尔库伦极限平衡解析 ...................................................................... 56 5.6 本章小结 .............................................................................................. 58 第六章 结论与展望............................................................................................ 59 6.1 结论 ...................................................................................................... 59 6.2 展望 ...................................................................................................... 59 参考文献.............................................................................................................. 61 致 谢.................................................................................................................. 64 攻读学位期间的研究成果.................................................................................. 65 万方数据 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 工程背景 洛阳矿业集团有限公司成立于 2006 年 7 月，是洛阳市属国有独资公司。公 司主要矿产品为钼、金、银、铅、锌、钨等金属和萤石、石炭石等非金属资源； 安沟钼矿矿区控制矿体有两个，分别为Ⅰ号矿体和 200-1 矿体，矿区长 620m， 宽 320m，面积 0.22km2。矿区水文地质条件简单，工程地质和环境地质条件中 等，露采为主，后期将转入地下开采。矿石类型为爆破角砾岩型钼矿石，矿石构 造主要有三种类型其一，以片麻岩角砾为主要构成；其二，以石英角砾和方解 石角砾为主要构成；其三，以片麻岩、石英和方解石角砾为主要构成。工业矿体 Mo 平均品位 0.072，矿床为以 Mo 为主、Pb 伴生矿床，矿体的圈定采用以 Mo 为主。资源储量估算时，地质块段的划分，依照钼矿床的工程控制网度要求统一 划分。伴生组分 Pb 根据组合分析结果，按照矿石量统一估算资源储量，本区共 估算伴生铅（333）类金属量 26.12104t。 嵩县安沟钼多金属矿位于河南省嵩县德亭镇， 其范围北起安沟， 南至龙王庙； 东起木头沟， 西至吴沟。 矿区在嵩县北西 310方位， 地理坐标 东经 11149′00″～ 11150′30″，北纬 3411′32″～3412′31″。矿区内交通以公路为主，矿区南侧有洛 阳栾川二级公路通过，矿区有乡村水泥路约 15km 至德亭镇，再约 12km 三级 水泥路与洛阳栾川二级公路联接，交通非常便利，如图（1.1） 。 万方数据 第一章 绪论 2 图 1.1 嵩县安沟钼多金属矿区交通位置图 安沟钼矿产区的地质特点是深变质片麻岩系， 被划分为上太古界太华岩群石 板沟组（Ar2sh） ，按照片麻岩岩石的不同特性可分为角闪斜长类、黑云斜长类、 万方数据 第一章 绪论 3 斜长角闪类、黑云角闪斜长类、混合岩类，受地质运动等因素的影响，岩石岩性 趋向于接触混合， 地层为片麻理产状， 产状倾角 17～35， 倾向为 210～238， 处于测试区中南方向， 并呈现临东向西分布的特点， 外露面积为 1.5106m2。 矿区位于熊耳山东南麓，属于低山区，地形较陡，区内海拔最高标高 926m， 最低 650m，最大相对高差 276m。本区属大陆性季风气候，年最高气温 39.2℃， 最低气温-16.7℃，平均气温 14℃，以元月份较低，7 月份较高，每年 12 月至次 年 2 月大雪封山，冻结厚度 8～10cm，年平均降水量 704mm，降雨多集中在 6～ 8 月份，7 月最大降雨量 180mm，日最大降雨 96.4mm，造成山洪暴发，河水暴 涨，年蒸发量 1340.0～1349.3mm，全年无霜期 216 天。 该区属黄河流域伊河水系，德亭川河在矿区东部自北向南流入伊河，属常年 性河流。 嵩县用电为洛阳电网，矿区距德亭镇赵园村有 110kv 区域高压变电站 9km， 农网 10kV 高压线从矿区西侧左峪川村、东部安沟通过，电力基本充足。 嵩县为国家级贫困县，矿区位于嵩县山区，区内树木相对稀疏，植被不甚发 育，经济相对落后，当地经济以农业为主，可耕地狭小分散，农产品种类有小麦 玉米，也种植棉花地瓜，近年来香菇、木耳生产也有较大发展，为当地主要经济 收入产业。农业自然生产条件相对较差，但粮食一般能自给，有较多的富余劳动 力，多外出打工。区内工业主要以矿业为主，有金矿、小型钼矿和萤石矿等，部 分村民通过矿业开发走上了致富之路，乡镇经济也有较大的发展。 根据Ⅰ号矿体露天开采境界圈定的结果，露天开采最低开采标高 500m， 740m 为封闭圈，740m 以下为凹陷露天，以上为山坡露天。开采境界内矿岩总量 5453.50104m3，14997.12104t。其中，剥岩量 3934.77104m3，10820.62104t； 工业矿石量 1058.34104m3，2910.42104t；低品位矿石量 460.39104m3， 1266.07104t。最终开采境界内平均剥采比 3.72t/t（m3/m3） 。露天采场边坡压矿 量为 1307.70104t，其中工业矿石量 586.57104t，低品位矿石量 721.14104t，大 部分为东侧矿区边界边坡压矿，少部分为西侧边坡压矿。 1.2 研究目的及意义 矿产的非浅表性分布，使进一步的开采需要进行地下作业，地下作业与露天 作业不同，地下作业是在矿体内部挖掘矿房，若不考虑矿房顶部的矿层问题，则 往往会引起矿难事故，为避免这种的情况的产生，往往预留一定厚度的境界顶柱 [1]。境界顶柱的预留方案，往往需要考虑多个要素，就常见的几个维度来看，是 万方数据 第一章 绪论 4 围岩支撑轴力、岩层岩性、开采技术条件、开采纵深、开采方式等等，矿产地下 空场法开采方案设计问题，一般需要用到①KB鲁别涅依他等人的公式；② BH波哥留波夫公式；③平板梁理论推导；④松散系数理论；⑤经验类比法； ⑥数值模拟方法，其中，①和②简化了策略优化的步骤，仅能提供数据的轻微处 理，或进行结论的有效性检验，并不能作为主体的策略优化算法，⑥因为使用模 块分离的方式，将整体性的步骤，拆解成简单的几个部分，可以将整个程序中可 能存在的问题直观到台面上，因为操作简单、省时省力、结论可靠，成为有效策 略仿真模拟的有效方式[2]。境界顶柱预留方案牵扯面较广，在整个作业空间内， 任何确定或不确定的因素都会导致矿房坍塌，就顶柱预留普遍是有矿房间柱、顶 柱厚度， 甚至与顶柱预留的走向也有关， 这些都可能对矿房的安全问题产生影响， 采用普通的数值模拟是无法达到客观反映出方案真实有效性的要求， 本文拟用三 维数值模拟处理方法，与对方案优化有效的遗传算法配合，从而全面的分析境界 顶柱的预留问题，并制定策略方案。将进化数值模拟方法应用于安沟钼矿Ⅰ号矿 体露天转地下境界顶柱的参数设计，对保障矿区地下作业的安全具有实际的意 义。 1.3 国内外研究现状及发展趋势 从国内外采矿经历来看，矿产的开采方式就开采模式上来分，包括两种其 一，开采初期即进行露天与地下作业，其二，开采初期进行露天作业，开采中期 或后期进行地下作业[3]。我国目前的采矿方式以第二种方法为主，可能与资金投 入程度、回款周期要求、开采技术经验等有关，当露天开采进行到一定程度，为 了保证开采的连续性、矿区产量和人员的高效配置，往往需采用露天转地下作业 方式，而此一阶段也可以被称为露天转地下开采的过渡阶段[1]。 我国对矿区开采的安全问题重视程度较大，国内研究较为丰富，由于紧贴工 程实际，其结论较为可信1）徐长佑[3]对露天转地下作业的相关技术和开采方式 进行了总结；2）李文秀[4]针对倾角较大的厚大矿体的露天转地下开采问题，使 用 fuzzy 数学理论研究了开采时，上坡下滑问题和下端支撑轴力丧失或下降的问 题；3）甘德清、张云鹏等[5]人结合建龙铁矿实例，对过渡期的露天转地下开采 方案进行整体架构的分析和研究，针对发现的问题或有必要注意的方面，提出相 关的建议；4）王进学，王家臣等[6]人结合眼前山实例，针对眼前山的开采方式、 开井处、最优日限产量、最终边帮矿量等进行设计，或提出相关建议；5）范平 之[7]结合新桥硫铁矿矿区的实际例子，对回采境界顶柱矿位的问题，拟定了开采 万方数据 第一章 绪论 5 方案。 国内外对露天转地下生产的研究，对促进相关理论体系的完善以及加强矿 区开采功效等起到了积极的作用。而这些研究中，遗传算法出现频率较高，在矿 区开采指导方面，具有先进性，周科平[8]等人利用数值模拟方式，对矿区的开采 顺序进行计算机模拟，尔后利用遗传算法，针对各个优化方案，优中取优，不断 迭代，以获得最优方案；姜谙男[9]等人使用三维数值模拟方式，模拟了地下洞室 的三维环境，针对其锚固设定问题，使用神经网络和遗传算法等进行研究。 1.3.1 露天转地下开采的特点 （1）露天转地下开采的矿山，一般已经开采多年，矿区生产系统已经完善， 因此在开采前期就应该考虑露天转地下境界顶柱的参数等问题， 以便减少露天转 地下开采时所需时间和成本。 （2）我国露天转地下开采技术不成熟或专业内人才缺乏，这就使得露天转 地下开采时，对深层矿藏的地质特点并不熟悉，地质特点的复杂性会加大开采难 度，在矿房的设定上，应加强矿岩层的支撑轴力的计算，在进行掘进作业时，还 应加强对原岩应力的掌控，若在不了解原岩法向应力和剪应力的基础上，便进行 开采，往往会给矿区埋下坑道坍塌的隐患。 （3）地下开采工序繁杂，在露天转地下前，便需对过渡期开采方案进行提 前拟定，以便能保证矿区开采的连续性，保证矿区的日生产量[10]。 （4）矿区的地下作业环境复杂，一方面，要应对地质活动对围岩结构、岩 体结构、人造支护结构等的影响，避免坑道结构错位，造成坑道坍塌，坑道的坍 塌会堵塞巷道、风井，甚至是安全通道，是地下作业时常见的矿难事故，另外一 方面便是地下作业的空场，会使得地下结构中空，给支护系统产生支撑负担，进 而产生坑道坍塌的现象，最后，大气降水、潜水、承压水、低氧含量、高浓度粉 尘等，往往会给坑道安全和地下工作人员带来隐患，进而，地下作业时，应加强 引水、通风、地质勘探等方面的工作[11]。 1.3.2 境界顶柱厚度的研究现状 境界顶柱普遍以长方形居多，其功能主要是承担矿坑底顶柱以上的下压力、 顶柱自重力、倾角岩层的下压力等，与周围岩体共同构成自支撑系统，对地下作 业的安全问题，起到了决定性的影响，因而，重视境界顶柱厚度的预留问题，对 保护矿区工作人员地下作业的安全来说，也就存在着实际意义，境界顶柱厚度的 预留问题，历来为国内外有关学者所讨论，目前常见的几种算法主要是有① 万方数据 第一章 绪论 6 KB鲁别涅依他等人的公式；②BH波哥留波夫公式；③平板梁理论推导； ④松散系数理论；⑤经验类比法；⑥数值模拟方法。 数值模拟技术的快速发展，使得矿区环境的仿真模拟变得简单，在数值软件 帮助下，工程师可以借助计算机，对矿区的各个环境特点量化成参数输入，进行 仿真模拟，最后可便捷的进行仿真模拟实验，此外，计算机还可支持其他算法， 加快结论推导速度，为境界顶柱厚度预留问题的研究提供方便。1）汪勇[12]对中 空地下矿区上的境界顶柱的厚度预留进行了研究；2）张永彬等[13]使用东北大学 岩石破裂与失稳研究中心开发的数值模拟系统， 以探究境界顶柱在不同顶柱厚度 下，其遭受到的破损程度；3）施建竣等[14]使用三维数值模型分析了境界顶柱在 回采作业时，其应力倾向和遭到损伤的程度；4）陆富龙，李芬芳[15]使用伏萨尔 梁法、 有限元法以及结构力学计算法，针对中空地下矿区的顶部的境界顶柱的厚 度预留问题进行研究；5）周科平，苏家红等[16]采借助数值模拟方式，对可能造 成境界顶柱损坏的因素进行模拟分析，以反推境界顶柱预留设计方案；6）马天 辉[17]使用三维数值模拟方法，采用 MSC.PATRAN、MSC.NASTRAN 两大软件对 矿区的作业的开展进行分析，从而分析境界顶柱适配性；7）刘恒亮等[18]使用了 厚跨比法、 荷载传递线交汇法以及结构力学方法对境界顶柱的厚度预留方案进行 理论探讨和算法计算， 并用 ANSYS 对不同跨度和不同境界顶柱厚度进行数值模 拟；8）甄云军，陈开翔等[19]借助强度折减技术、二分法原理，采用 FLAC 软件 对安全顶板厚度的最小值进行了研究分析；9）许宏亮等[20]使用数值模拟软件， 结合司家营三号矿区实例，成功构建该矿体的应力分布模型，对境界顶柱厚度的 预留设计问题进行相关的探讨；10）刘文生，周宸等[21]使用理论分析、有限元数 值分析方式，针对铁矿矿区的开采问题，进行了稳定性仿真模拟；11）张明平， 徐园园等[22]分析了海底隧道最小顶板预留问题， 并对最终方案拟定， 进行了不断 的优化；12）艾显恒，谢建兵等[23]通使用数值模拟的方法，仿真模拟矿区环境， 针对顶板预留厚度与矿区运行稳定性相关程度，揭示它们潜在的关联；13）冷复 生，汪茂华[24]使用理论方法和数值模拟，在对矿区环境进行模拟的基础下，针对 潜在的顶柱厚度预留问题，进行了探讨和分析，并得到相关参数设定值；14）付 玉华等人[25]分析了岩层质量分层特点， 尔后通过数值模拟系统， 建立仿真模拟环 境，并采用计算软件分析得出了矿山露天转地下的最优境