DIMINE三维可视条件下深井盘区隔离矿柱回采技术方案研究.pdf

中图分类号 U D C T D 8 5 3 6 2 2 硕士学位论文 学校代码 密级 1 0 5 3 3 D I M I N E 三维可视条件下深井盘区 隔离矿柱回采技术方案研究 R e s e a r c ho nM i n i n gT e c h n i c a lS c h e m eo fP a n e l I n s u l a t i n gP i l l a ri nD e e p M i n eu n d e rD I M I N E T h r e e ．．d i m e n s i o n a lV i s u a lConditionsld i m e n s i o u a lv - 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 黄毅 采矿工程 采矿工艺与技术 资源与安全工程学院 戴兴国教授 中南大学 2 0 13 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位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。尽我所知，除了论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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签 学位论文版权使用授权书 本入了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签师签 ／i - 畛递d 月盘 中南大学硕士学位论文摘要 D I M I N E 三维可视条件下深井盘区隔离矿柱 回采技术方案研究 摘要冬瓜山铜矿自2 0 0 4 年试生产至今，己完成大量的第一步骤矿房 采场和部分第二步骤矿柱采场的回采工作，尚未对作为第三步骤回采 的占矿山总储量1 8 ％～2 0 ％的盘区间隔离矿柱进行回采，使得三级矿 量不平衡和各步骤的回采工作严重失调，造成产能的不稳定。因此为 安全高效回采盘区隔离矿柱，提高资源的回收与保证矿山企业的可持 续发展，本文针对5 2 线盘区隔离矿柱的回采方案进行了研究。论文 完成的主要研究和相关设计工作如下 1 通过空区三维监测系统 C M S 对盘区采场空区进行了探 测，运用D I M I N E 矿山数字化软件实现盘区采场空区实际三维模型的 构建，并在此基础上，通过D I M I N E 软件对5 2 线隔离矿柱的实际三 维模型进行构建，为隔离矿柱回采单元划分、矿量计算和出矿系统方 案的研究等提供可视化依据。 2 分析5 2 线隔离矿柱回采的技术条件，提出四种隔离矿柱回 采单元划分和回采顺序的方案，应用F L A C 3 D 有限差分软件，对这四 个方案中隔离矿柱的回采进行模拟，通过比较每个采场的最大应力应 变数值和分布规律，从而分析采场矿壁及周边充填体的稳定性，最终 选取能利于采准工程布置和安全回采隔离矿柱的最佳方案。 3 运用D I M I N E 软件对每个回采单元的矿量和5 2 线隔离矿柱 总矿量进行了计算，以便于矿山企业生产计划的编制。此外，在 D I M I N E 可视条件下，对每个回采单元被超挖量和超挖尺度进行了统 计，为满足采场爆破落矿的炮孔设计准确度提供了可视化的依据。 4 对5 2 线隔离矿柱采区回采方案研究中的关键性工程出 矿系统的方案进行了研究。通过利用R S M ．S Y 5 非金属声波检测仪对 盘区采场底部结构巷道进行现场松动圈测试，研究确定盘区充填体下 新施工的出矿巷道与出矿进路的顶板安全厚度。提出三种出矿系统设 计方案，构建方案中隔离矿柱脉内的已有井巷和新施工的井巷 D I M I N E 三维工程实体，对各方案优缺点的比较，确定最合适的出矿 系统设计方案。 5 运用D I M I N E 软件对5 2 线隔离矿柱采场的回采工艺进行设 计，并研究确定隔离矿柱采区的通风方案，为后期工业试验的相关研 究设计提供铺垫。 图111 幅，表11 个，参考文献7 6 篇 I I 摘要 关键词D I M I N E ；深井开采；盘区隔离矿柱；数值分析；回采方 案；松动圈测试 分类号T D 8 5 3 I I I 中南大学硕士学位论文A b s t r a c t R e s e a r c ho nM i n i n gT e c h n i c a lS c h e m eo fP a n e lI n s u l a t i n g P i l l a ri nD e e pM i n eu n d e rD I M I N ET h r e e ．d i m e n s i o n a lV i s u a l C o n d i t i o n s A b s t r a c t S i n c eD o n g g u a s h a nc o p p e rd e p o s i tr i a l - p r o d u c e di n2 0 0 4 ，m o s t o ft h ef i r s t - - s t e p - m i n e dr o o ma n dm a j o r i t yo f t h es e c o n d s t e p m i n e dp i l l a r h a v eb e e ne x c a v a t e d ．W h i l e ，t h et h i r d - s t e p - m i n e dp a n e li n s u l a t i n gp i l l a r h a sn o te x c a v a t e dy e t ，w h i c ha c c o u n tf o r18 ％t o2 0 ％o ft h et o t a lr e s e r v e s o ft h em i n e ．I nr e s u l t ，t h et h r e e c l a s so r er e s e r v ei si m b a l a n c ea n dt h e m i n i n gs c h e d u l eo f e a c hs t e pi si m b a l a n c es e v e r e l y , w h i c hb r i n ga b o u tt h e d e s t a b i l i z ep r o d u c t i o nc a p a c i t y ．F o rt h ep u r p o s eo fe x c a v a t i n gt h ep a n e l i n s u l a t i n gp i l l a rs a f e l ya n de f f i c i e n t l y , i m p r o v i n gt h eO r er e c o v e r yr a t e s a n de n s u r i n gt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h em i n i n ge n t e r p r i s e s ，t h e m i n i n gt e c h n i c a ls c h e m eo fN _ 0 5 2p a n e li n s u l a t i n gp i l l a ri ss t u d i e d ．，a n d t h em a i nr e s e a r c ha n dr e l a t e dd e s i g n e dr e s u l t sa n da c h i e v e m e n t so ft h i s p a p e r a r ea sf o l l o w s 1 T h ep a n e lc a v i t y i sd e t e c t e d b yC M S ，a n dt h e a c t u a l t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fp a n e ls t o p ec a v i t yi sb u i l tb yu s i n go f D I M I N E ．O nt h i sb a s i s ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo f3 1 “ _ 0 5 2p a n e l i n s u l a t i n gp i l l a ri sb u i l tb yD I M I N E ，w h i c hp r o v i d et h ev i s u a lf o u n d a t i o n f o rm i n i n gu n i t sd i v i s i o n ，o r er e s e r v ec a l c u l a t i o na n dO r ed r a w i n gs y s t e m s c h e m er e s e a r c h ，e t c ． 2 B a s e do nt h ea n a l y s i so f №5 2i n s u l a t i n gp i l l a rm i n i n gt e c h n i c a l c o n d i t i o n ，f o u rm i n i n gu n i t sd i v i s i o ns c h e m e sa n dm i n i n gs e q u e n c e s c h e m e sa r ep r o p o s e d ．B ym e a n so fF L A C Ⅲn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e m a x i m u ms t r e s sv a l u e sa n dd i s c i p l i n eo fe a c hm i n i n gu n i t su n d e rt h e v a r i o u sp r o g r a m sa r ec o m p a r e d ，a n dt h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ka n d f i l l i n g s a r ea n a l y z e d ．U l t i m a t e l y , t h em o s ta p p r o p r i a t es c h e m ef o r p r e l i m i n a r ym i n i n ge n g i n e e r i n gl a y o u ta n de x c a v a t i n gt h ei n s u l a t i n g p i l l a rs a f e l ya n de f f i c i e n t l yi sa d o p t e d ． 3 T h eO r ea m o u n to fe a c hu n i ta n dt h et o t a la m o u n to ft h e2 q _ 0 5 2 i n s u l a t i n gp i l l a ra r ec a l c u l a t e db yD I M I N E ，w h i c hi sb e n e f i tf o rm i n i n g e n t e r p r i s e sp r o d u c t i o np l a ne s t a b l i s h m e n t ．M o r e ，u n d e rt h eD I M I N E t h r e e ．d i m e n s i o n a lv i s u a lc o n d i t i o n s ，t h eo v e r - e x c a v a t e dO r ea m o u n ta n d o v e r - e x c a v a t e dd i m e n s i o no f e a c hu n i ta r ec a l c u l a t e da n dc o u n t e d ，w h i c h 中南大学硕士学位论文 一． 一一』竺竺 生 p r o v i d et h ev i s u a lb a s i sf o rt h ea c c u r a t eb l a s t i n gh o l ed e s i g no fe v e r y s t o p e 一． 4 R e g a r d i n gN 0 5 2i n s u l a t i n gp i l l a ra s am i n i n ga r e a ，t h ec r i t i c a l e n g i n e e r i n go f t h er e s e a r c ho ni n s u l a t i n gp i l l a rm i n i n g s c h e m e ， o r e ．d r a w i n gs y s t e mi ss t u d i e d ．T h r o u g ht h em e a s u r e m e n t o fp a n e ls t o p e b o t t o ms r r u c t u r er o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c kr e l e a s e dz o n eb ys i n g l e - h o l e a c o u s t i cd e t e c t o r , t h en e we x c a v a t e dr o a d w a yr o o fs a f e t yt h i c k n e s si s d e t e r m i n e d ．M o r e ，t h r e eo r e d r a w i n gs y s t e mp r o g r a m s a r ep r o p o s e d ，a n d t h ee x i s t e da n dn e we x c a v a t e d s h a f t s o r r o a d w a y D I M I N E t h r e e ．d i m e n s i o n a lm o d e la r eb u i l t ．C o m p a r i n g t h ea d v a n t a g e s a n d w e a k n e s so f e a c hp r o g r a m ，t h em o s ta p p r o p r i a t ep r o g r a m l Sa d O l Z I t e d 5 J 嗵_ 0 5 2i n s u l a t i n gp i l l a rs t o p em i n i n g c r a f t sa r ed e s i g n e db y D I M I N E ，a n dt h ev e n t i l a t i o ns c h e m eo fi n s u l a t i n gp i l l a rm i n i n ga r e ai s s t u d i e d ，w h i c hl a yt h eg r o u n d w o r kf o rr e s e a r c ha n dd e s i g no ft h es t o p e m i n i n gp o s t i n d u s t r i a lt e s t s ． 1 11F i g u r e s ，1 1T a b l e s ，7 6R e f e r e n c e s K e y w o r d s D I M I N E ，d e e p s h a f t m i n i n g ，p a n e li n s u l a t i n gp i l l a r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m i n i n gs c h e m e ，r e l e a s ez o n et e s t C l a s s i f i c a t i o n T D 85 3 V 中南大学硕士学位论文 目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一V I 1 绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 金属矿深井矿柱数字化回采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 ．1 金属矿深井开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．2 矿柱回采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．3 数字化矿山发展现状及趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3D I M I N E 数字矿山软件简介⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 课题研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．4 ．1 矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．4 ．3 矿山开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．4 ．3 问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．5 研究内容、方法和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 2 隔离矿柱三维可视化模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 隔离矿柱设计模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．1 冬瓜山铜矿整体模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．2 ．2 隔离矿柱三维设计模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 隔离矿柱实际模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．1C M S 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．3 ．2 空区模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．3 ．3 隔离矿柱三维实际模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 隔离矿柱回采单元划分及回采顺序研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2F L A C 3 D 软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 V 1 中南大学硕士学位论文目录 3 ．3 计算模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．3 ．1 模型基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．3 ．2 计算方案与建立模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 ．3 初始应力场及边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3 ．4 破坏准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 ．5 岩体参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．4 数值计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．1 应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．2 位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 隔离矿柱回采单元矿量计算及被超挖情况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 回采单元矿量及超欠挖量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．3 回采单元被超挖尺度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．4 盘区采场对隔离矿柱的超挖情况分析⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．4 ．1 超挖情况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．4 ．2 隔离矿柱被超挖原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．5 采场超挖对隔离矿柱回采工作的影响及减小超挖的措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．5 ．1 隔离矿柱被超挖对其自身回采工作的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．5 ．2 减小盘区采场对隔离矿柱超挖的措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5隔离矿柱采区出矿系统三维可视化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2 已有井巷工程利用情况及采区工程布置原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2 ．1 出矿巷道和出矿进路设计原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 5 ．2 ．2 隔离矿柱采区已有井巷工程利用情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．3 充填体下出矿巷道项板安全厚度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．3 ．1 松动圈测试原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．3 ．2 底部结构围岩松动圈测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．3 测试结果分析及顶板安全厚度确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．4 隔离矿柱采区出矿系统三维可视化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 V I I 中南大学硕士学位论文目录 5 ．4 ．1 方案一_ - 出矿巷道分段布置，联络井联接⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．4 ．2 方案二一一出矿巷道分段布置，斜坡联络道联接⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．4 ．3 方案三一一出矿巷道连续布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．4 ．4 出矿系统方案的比较与选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 6 隔离矿柱采场回采工艺研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯81 6 ．1 采矿方法选择及采场参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 6 ．1 ．1 采场回采落矿方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 6 ．1 ．2 采场参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 6 ．2 凿岩工程布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 6 ．2 ．1 采场切割工程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 6 ．2 ．2 采场拉底工程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 6 ．2 ．3 凿岩硐室布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 6 ．3 采场爆破⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 6 ．3 ．1 中深孔落矿炮孔方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 6 ．3 ．2 深孔落矿炮孔方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 6 ．4 采区通风系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 6 ．4 ．1 采场爆破推进方向与人员进出方向⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 6 ．4 ．2 采场通风方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 8 7 ．1 全文结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 8 7 ．2 主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 8 7 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 0 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 4 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 5 V I I I 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 引言 1绪论 当今世界可持续发展的三大主题是人口、资源和资源环境，其中资源处于基 础的地位。矿产资源的可持续供应关系到我国经济发展和国家安全的重大问题。 据统计，作为发展国民经济、保障国家安全的物质基础，矿产资源提供了我国 9 0 ％以上的能源、近8 0 ％的工业原料以及超过7 0 ％的农业生产资料【l ，2 】。 有色金属由于其良好的物理特性，它己成为国家必不可少的战略性资源，被 广泛应用于国防、建筑、机械、电子、汽车、冶金等领域。据中国有色金属工业 协会信息统计部统计，2 0 1 2 年上半年，全国十种有色金属总产量为1 7 4 4 ．2 4 万吨， 增长6 ．7 5 ％，增幅比去年同期回落0 ．5 2 ％，比1 ～5 月增加1 ．4 9 ％。其中，精炼铜 2 7 7 ．0 4 万吨，增长1 0 ．5 7 ％。2 0 1 2 年我国十种有色金属累计产量3 6 9 1 万吨，累计 较去年同期增长了9 ．3 ％。我国十种常用有色金属的产量已居世界第二位【3 】。 然而，随着我国经济的迅猛发展，我国某些矿产资源的需求量日益增长，供 需矛盾日益尖锐。今后2 0 ～3 0 年，我国经济仍将处于高速增长期，对金属、特别 是有色金属的需求将会持续增长，有色金属矿产资源将面临更加严峻的短缺形 势。国际市场中，资源争夺也一直是世界各国关注的焦点，随着天然资源的逐渐 枯竭，越来越多的国家会投入到二次资源的回收利用中。由于目前我国除少量铁 矿和铜矿外，大批的金属矿山，经过长期大规模开采，露天和浅层的金属矿资源 逐渐枯竭。为了确保国家经济持续健康地发展，必须建立起可持续供给国防与工 农业生产所必须的金属矿产资源支撑体系。国内和国际环境也决定我国必须立足 开发国内深部矿产资源。同时，资源日益紧张的供需关系，也为当今和未来的资 源开采工作者提出了更高的要求，需要提高资源的回收率，确保金属矿产资源的 可持续发展以保证国民经济的不断增长H 7 1 。 1 ．2 金属矿深井矿柱数字化回采研究现状 1 ．2 ．1 金属矿深井开采研究现状 随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内 外矿山都相继进入深部资源开采。根据相关统计，就金属矿山而言，国外开采深 度超过千米的有8 0 多座，并且南非含有最多该类矿山，其大多数金矿的开采深 度都超过10 0 0n l 。如W e s t D r i e f o v t e n 金矿，矿体埋藏最深达到地表以下6 0 0 0 余 中南大学硕士学位论文1 绪论 米；A n g l o g o l d 公司的某金矿开采深度达3 7 0 0m 。美国I d a h o 矿区的矿井，采矿 深度达l6 5 0m 。印度的K o l a r 金矿区，已有3 座金矿的采深超过2 4 0 0m 。俄罗 斯K r i v o yR o g 铁矿区，已有超过8 座矿山的采准深度达9 2 0m ；开拓深度达到 近2 5 0 0m 。另外，加拿大、澳大利亚等国的一些有色金属矿山开采深度亦超过 1 0 0 0m 。为保证深部开采的安全顺利进行，上述几个国家的政府、工业部门和相 关研究机构密切配合，对深部开采相关技术开展基础性的研究，使深井开采成为 矿业的重要研究领域【8 10 1 。 在我国，深井开采技术研究起步相对较晚，近年已有一批金属矿山进入深部 开采，例如湘西金矿开采深度己超过9 0 0m ；红透山铜矿目前开采己进入9 0 0 1 1 0 0m 深度；冬瓜山铜矿目前的主副井深度均超1 0 0 0r n ，开采水平集中在 一6 7 0 m ～．7 9 0 m 之问，开拓深度已达．1 0 2 5 m 水平；夹皮沟金矿的矿体延深也达到 1 0 7 5m 。此外，还有凡口铅锌矿、金川镍矿等许多矿山都将进入深部开采阶段。 “十五“ 、“十一五”期间，中南大学、江西理工大学、长沙矿山研究院、北京 矿冶研究总院、马鞍山矿山研究院等国内高校和矿山研究院所与深井开采的矿山 进行了良好的攻坚克难合作，在金属矿深井开采领域取得了可喜的进展【1 1 13 1 。 1 ．2 ．2 矿柱回采研究现状 我国大多地下金属矿山均采用空场法开采，其矿柱矿量占矿块可采矿量的 1 5 0 ／o - - - 6 0 ％不等，并且矿柱大多未及时得到回采，常引发地压活动和造成矿柱矿 量大量损失，严重威胁井下施工人员的安全和造成资源极大浪费。因此，选择合 适的方法，及时有效地回收矿柱具有极为重要的意义。 有色金属矿矿柱回采方法主要取决于矿体的赋存条件、矿岩的稳固情况、地 表是否允许塌陷、矿柱类型 大小、形状和稳定性 、空区状态、矿石的品位和 价值等。根据矿柱的采矿技术条件及回采工艺特点，其回采方法主要有抽柱法、 削柱和替柱法，分段或阶段崩落法，充填法和V C R 法等【1 4 】。 我国一些矿山经过多年的开采，采用了不同的方法对各种类型的矿柱进行了 回采，积累了较多的矿柱回采经验。针对如新冶铜矿、秦岭金矿、贵州汞矿等的 缓倾斜和倾斜中厚以下矿体在开采过程中应用混凝土间柱代替原先设计的矿柱， 进而回采采用全面法或房柱法回采完毕后采场剩下的矿柱，有效提高了资源的回 收率。针对像狮子山铜矿、东川铜矿等大中型厚矿体应用崩落法回采了大量矿柱， 对完成采矿计划，增强矿山安全和维持矿山可持续发展等具有积极作用，获得了 丰富的经验【l5 | 。 前苏联、美国、加拿大、墨西哥等国采矿科技工作者在金属矿山矿柱回采方 面已开展了很多有益的工作，为后人进行矿柱回采提供了经验。前苏联M aG h e n i e 中南大学硕士学位论文 1 绪论 T e 铁矿采用房柱法嗣后胶结充填法对工业场地下保安矿柱 储量约6 0 0 0 多万吨 进行了回采，在确保工业场地稳定的前提下成功回采保安矿柱加拿大汤普森矿 采用垂直矿块采矿法 V B M 进行崩矿回收矿柱和顶柱，有效地提高了矿石的回收 率1 1 5 , 1 6 ] 。这些国内外矿山成功回收矿柱的经验都为我们回采冬瓜山隔离矿柱提 供了借鉴。 1 ．2 ．3 数字化矿山发展现状及趋势 随着信息科学技术的迅速发展，以计算机和网络通讯为核心的信息技术将人 类带入了信息时代，信息技术和产品越来越广泛地应用于社会的各个领域，信息 化、网络化和数字化已经成为当今社会发展的重要而基础的手段。对于古老的采 矿业而言，其机遇与挑战并存，国外矿业发达国家认识到，在依靠提高采矿设备 和运输设备机械化水平来提高施工安全性、矿山的生产能力和工作效率的同时， 非常有必要充分利用当代信息技术来改造传统矿山的生产方式和管理模式。因 此，在国内外信息化和网络化的大环境下，矿山数字化也成为必然发展趋势【1 7 l 。 为实现遥控操作采矿各环节和工序，以及实现地面人员对地下矿山施工的管 理，加拿大从1 9 9 0 年代初就已开始研究遥控采矿技术。芬兰、瑞典等国家也实 施了内容包括采矿实时过程控制、资源管理、矿山信息化建设、采矿设备自动控 制等多方面的自动化采矿规划。随着新技术的广泛应用与推广，国外矿山企业的 信息化己基本实现了矿山生产过程的可视、可控、可调和高效率、高安全性与决 策的科学化【1 8 】。 近年来，我国数字矿山建设有了较大发展，我国主要矿山逐渐把信息资源当 作矿山重要战略资源之一。过去我国数字矿山建设中存在零星、松散、仅进行局 部建设等不良状况。2 0 0 5 年之后，我国许多矿山企业发展较为迅速，克服以往 建设过程中存在的不足，开展了系统化、规模化的数字矿山建设。 国外诸如美国、加拿大、澳大利亚等国在矿上数字化方面开展的较早，并且 开发了不少的三维建模和可视化的软件，并已经形成了一定规模。此类矿山数字 化软件主要有加拿大G E M C O M 公司旗下的S U R P A C 、澳大利亚的M i c r o M i n e 、 英国的D a t a M i n e 、法国的G O C A D 等。 国内的数字化矿山发展进程和国外相比发展相对缓慢。近年来，许多矿山企 业与科研院所合作，成功研发了几款有自主知识产权的矿业软件，如3 D M i n e 和 D I M I N E 等软件，利用这些软件可以完成三维空间地质资料库建立，实体模型构 建、采场回采设计，采掘和生产计划编制等，极大地方便了矿山企业的资源评估、 矿山规划、开拓设计、决策管理等【1 9 2 1 】。 中自大{ 硕{ 位论女 绪* 1 ．3D I M I N E 数字矿山软件简介 D I M I N E 是长沙迪迈信息科技公司研发的一款专业的三维可视化矿山数字 化软件，它凭借强大的数据库技术、三维实体和表面建模技术以及网络优化技术、 地质统计学方法等作为技术支撑，实现了从矿床地质建模、储量计算等工作的数 字化、可视化以及智能化田】。 作为一套完整而且全面的软件系统，D I M I N E 显著地提高了从测量、采矿、 地质工作过程中的技术信息交流和工作效率。其适用于煤矿和金属矿等，应用领 域包括地质、勘探、资源估计、储量计算、露天矿境界优化及采矿设计和地下采 矿设计。此外，它能与M i c r o m i n e 、D a t a m i n e 、M a p g i s 、S u r p a c 、A u t o C A D 和E x c e l 等同类矿山软件、绘图软件及数据库软件实现数据的共享和交换。图1 一l 所示为 D I M I N E 矿山数字软件的_ 丰界面口‘嘲】。 l “2 ’ 搿。。■。搿；“o 二j ■■一 圈1 - 1D I M I N E 数字矿山软件主界面 软件咀模块化构建，操作界面简洁大方，共包含以下九个功能模块，主要包 括 1 系统核心模块 软件综合平台 ； 2 地质数据库和实体三维建模模块； 3 测量模块； 4 地下采矿系统设计模块； 5 地下矿开采单体设计模块 6 回采落矿爆破设计模块 7 露天矿开采设计模块； 8 生产计划编制模 块 9 工程制图模块。 一 中南大学硕士学位论文1 绪论