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中图分类号 U D C 学校代码羔Q 5 呈呈 密级公五 硕士学位论文 采场结构参数优化及胶结矿柱可靠度分析 O p t i m i z a t i o no fS t o p eS t r u c t u r eP a r a m e t e r sa n d A n a l y s i so fR e l i a b i l i t ya b o u t C e m e n t e dP i l l a r s 作者姓名许红坤 学科专业矿业工程 研究方向采矿工程 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师胡建华副教授 哥I J 指导教师 论文答辩日期理堕丝』 答辩委员会主席虿厶玉厶 中南大学 2 0 1 3 年0 4 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。 作者签名选坦趟 日期盈丝L 年上月盟日 学位论文版权使用授权书 本人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。 日期巫年上月兰日 硕士学位论文摘要 采场结构参数优化及胶结矿柱可靠度分析 摘要通过对四六盘区回采顺序和采场结构参数优化，以便实现四六 盘区安全高效生产。分析了9 2 号矿体四六盘区实际开采现状，考虑到 周边矿体开采的扰动影响，运用数值模拟方式进行优化，从而获得合 理的采场结构参数。结合采场结构参数，运用充填体强度计算理论得 出所需充填体强度范围，以数值模拟手段对充填体强度进行反演。考 虑了充填体强度和矿柱宽度数随机性，对胶结矿柱稳定性的可靠度进 行了分析。文章的主要内容包括以下部分 1 结合实际地质资料，系统的介绍了矿区的工程背景。通过工 程地质调查，运用地质强度指标方法确定了矿体、矿体顶板及矿体围 岩的裂隙化岩体力学参数。合理的岩体力学参数为数值模拟分析提供 了基础。 2 考虑到开采扰动的影响，对已经开采的矿体进行开挖充填 处理。结合矿体开采实际情况，分析了四六盘区的合理回采顺序。分 别对重叠区和非重叠区岩体质量进行评价，运用M a t h e w 法初步确定 了采场结构参数。运用矿业软件3 D m i n e 建立矿体的实体模型，采用 F l a c 3 D 软件对开采模型进行了分析，最终得出了重叠区和非重叠的 采场结构参数。 3 根据已经优化的采场结构参数，运用充填体强度计算理论 得出所需充填体的强度的范围。结合数值模拟，对充填体强度进行反 演得到了较为合理准确的充填体强度值。 4 通过数值模拟方法优化了采场结构参数和充填体强度。在 此基础上，对胶结矿柱进行了受力分析，建立胶结矿柱极限状态功能 函数。该函数考虑了矿柱充填体强度和矿柱宽度等影响因素。根据胶 结矿柱的可靠性分析，进一步验证所得充填体强度的合理性。 关键词开采扰动；G S I ；采场结构参数；充填体强度；胶结矿柱； 可靠度分析 分类号T D 8 5 3 硕士学位论文 O p t i m i z a t i o no fS t o p eS t r u c t u r eP a r a m e t e r sa n dA n a l y s i so f R e l i a b i l i t ya b o u tC e m e n t e dP i l l a r s A b s t r a c t I no r d e rt oa c h i e v e p r o d u c t i o ne f f i c i e n t l y a n ds a f e l y ，b y o p t i m i z a t i o no ft h es t o p i n gs e q u e n c ea n ds t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r so f f o r t y s i xD i s t r i c to ft h eN o ．9 2o r e b o d y ．T a k i n gi n t oa c c o u n tt h ed i s t u r b i n g e f f e c to ft h es u r r o u n d i n go r em i n i n g ，t a k eu s eo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt o o p t i m i z e ，s oa st oo b t a i nr e a s o n a b l es t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ．C o m b i n e d w i t ht h es t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，u s i n gs t r e n g t hc a l c u l a t i o nt h e o r yo f f i l l i n gb o d y t om a k es u r et h e r a n g e o f s t r e n g t h a b o u t f i l l i n g b o d y 。C o n s i d e rt h er a n d o m n e s so ft h ef i l l i n gb o d ys t r e n g t ha n dw i d t ho f t h ep i l l a r ，a n a l y s i s t h er e l i a b i l i t yo ft h ec e m e n tp i l l a rs t a b i l i t y ．T h em a i n c o n t e n to f t h ea r t i c l ec o n t a i n st h ef o l l o w i n gs e c t i o n s 1 C o m b i n e d 研t ht h ed a t ao fa c t u a la d d r e s sa n dm i n ee n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d ．B yI n v e s t i g a t i n gt h ee n g i n e e r i n ga d d r e s s ，a n dt h ea d d r e s s s t r e n g t hi n d e xt od e t e r m i n et h ef i s s u r e dr o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r so f s u r r o u n d i n gr o c ko ft h eo r e b o d y ，t h eo r eb o d y ，t h er o o f a n dt h eo r eb o d y ， a n dt op r o v i d eab a s i sf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s ． 2 T a k i n gi n t oa c c o u n tt h ei m p a c to fm i n i n gd i s t u r b a n c e ，e x c a v a t e a n df i l lt r e a t m e n to fa l r e a d ym i n e do r eb o d y ．C o m b i n e dw i t ht h ea c m a l s i t u a t i o no fm i n i n g o r e ，g e t t h er e a s o n a b l e s t o p i n gs e q u e n c e ．B y e v a l u a t i o no fr o c km a s s q u a l i t y o ft h e o v e r l a p p i n ga r e aa n dt h e n o n o v e r l a p p i n ga r e a ，d e t e r m i n et h es t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r si n i t i a l l y b yu s i n gt h eM a t h e wl a w ．E s t a b l i s ht h es o l i dm o d e lo ft h eo r e b o d y t h r o u g ht h eM i n i n gs o f t w a r e - 3 D m i n e ，c o m b i n i n gi tw i t hF l a c 3 d ，a n d e v e n t u a l l yc o m et ot h eo v e r l a p p i n ga n dn o n - o v e r l a p p i n ga r e ar e a s o n a b l e s t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ． 3 A c c o r d i n gt ot h es t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r so p t i m i z e d ，u s et h e s t r e n g t hc a l c u l a t e dt h e o r yo ff i l l i n gb o d y ，m a k es u r et h er a n g eo ff i l l i n g b o d ys t r e n g t hr e q u i r e d ．C o m b i n a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t og e tt h e s t r e n g t ho ff i l l i n gs t r e n g t hv a l u e s w h i c hi sm o r er e a s o n a b l ea n da c c u r a t e ． 4 E v a l u a t et h er e l i a b i l i t yo ff i l l i n gb o d ys t r e n g t h ．B ya n a l y s i s t h e s t r e s so fc e m e n t e dp i l l a r ，e s t a b l i s hl i m i ts t a t ef u n c t i o no fc e m e n t e d p i l l a r s ． T h ef u n c t i o nc o n s i d et h es t r e n g t ho ft h ep i l l a rf i l l i n gb o d y a n dw i d t ho f 硕士学位论文 A B S T R A 了 t h ep i l l a r ．A c c o r d i n gt ot h es t r e n g t h r e l i a b i l i t yo fc e m e n t e dp i l l a r s ，f u r t h e r v e r i f yt h er e a s o n a b l e n e s so f t h er e s u l t i n gf i l l i n gb o d ys t r e n g t h ． K e y w o r d s m i n i n gd i s t u r b a n c e ；G S Is t o p e s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ；f i l l i n g b o d ys t r e n g t h ；c e m e n t e dp i l l a r s ；r e l i a b i l i t ya n a l y s i s C l a s s i f i c a t i o n T D 8 5 3 硕士学位论文 目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 缓倾斜厚矿体开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 回采顺序及采场结构优化研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．3 充填体强度研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．2 ．4 可靠度研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 工程地质调查与岩体力学参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 矿床地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．3 工程地质调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9 2 ．3 ．1 矿石物理力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9 2 1 3 ．2 现场调查统计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．4 基于G S I 裂隙化矿岩体力学参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4 ．1 裂隙化矿岩体G S I 值的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 ．2 裂隙化矿岩体力学参数的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 ．39 2 号矿岩体力学参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 盘区回采顺序及采场结构参数优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 3 ．1 概j 苤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．2 盘区开采顺序优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 ．1F L A C 软件的简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯oo．oo．oo,oo．．oo ．0 2 0 3 ．2 ．2 数值模拟范围确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 - 3 盘区模型构建及计算方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 ．4 计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 硕士学位论文 目录 3 ．3 基于M a t h e w 法采场结构参数的初步确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．3 ．1M a t h e w 法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 3 ．3 ．2 四六盘区岩体质量评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 3 ．3 ．39 2 号矿体四、六盘区具体情况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 采场结构参数模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．4 ．1 模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．4 ．2 数值模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．4 - 3 综合结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 胶结矿柱充填体强度优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 4 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．2 胶结矿柱充填体强度的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．2 ．1 工程类比法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 ．2 ．2 理论公式计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．3 基于数值模拟充填体强度反演⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．3 ．1 计算模型的构建及方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．3 ．2 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．4 采矿方法及采矿工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．4 。1 采矿方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．4 ．2 回采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 胶结矿柱可靠度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．1 结构可靠度简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．】．1 极限状态与极限状态函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．1 ．2 可靠度与失效概率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．1 ．3 可靠度指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．1 ．4 可靠度的计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．2 胶结矿柱受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．2 ．1 胶结充填体矿柱外部荷载分析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．2 ．2 胶结充填体矿柱内力分析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．3 胶结矿柱可靠度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．3 ．1 胶结充填体矿柱结构可靠性功能函数的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．3 ．2 基于响应面法胶结矿柱可靠度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 硕士学位论文 目录 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 引言 人类很早就发现了锡，并且应用到生活。锡具有很好的使用特性，如较强的 展性、防锈和耐腐蚀性强等。锡能够同其他金属及类金属形成各种合金，易于镀 在许多金属表面。特别是锡的表面耐蚀不锈，同有机酸及其盐类反应的生成物无 毒。因此，锡和锡合金在现代国防，现代工业，尖端科学技术和人类生活中得到 了广泛应用。锡资源属于非再生稀缺资源，根据美国地质调查局统计发布的 M i n e r a l sC o m m o d i t yS u m m a r i e s2 0 11 世界矿产资源综述2 0 1 1 ，全球已探明的 锡储量大约为5 2 0 万吨，这些矿产主要分布在中国，印尼，秘鲁，巴西，玻利维 亚，马来西亚等地区。在锡资源方面，一直以来中国无论是在储量还是在产量方 面都是处于世界领先的地位。中国不仅是全球锡资源储备和锡供给的第一大国， 同时也是全球锡消费的第一大国。中国的锡消费差不多等于整个欧洲和美国的消 费总额。所以，中国的锡供需状况对全球锡供需有着极其重要的影响。在中国已 有2 9 3 处已探明的锡矿产地，总储量1 5 0 万吨，位列世界第2 位。我国锡矿分布比 较广泛，其中以广西、云南两省 区 锡矿储量分别占全国的3 2 ．9 ％和3 1 ．4 ％，为最 多；其次有湖南、广东、内蒙古、江西等地锡矿较多，以上6 省 区 锡矿储量共 占全国的9 3 ％。根据锡矿的分布，其矿床的主要类型有矽卡岩型锡矿床，产于 花岗岩类岩体与碳酸盐岩石内外接触带，远离岩体出现各种似层状、沿层透镜状、 脉状矿床 体 ；斑岩型锡矿床，产于浅成．一超浅成酸性斑岩岩体内接触带，具 黄玉绢英岩化、云英岩化、绿泥石化、硅化；锡石硅酸盐脉型锡矿床，产于花岗 岩类岩体外接触带的硅铝质岩石中，近岩体常以电气石为主，远离岩体以绿泥石 为主；锡石硫化物脉型锡矿床，产于花岗岩类岩体外接触带的硅铝质岩石中； 石英脉及石英绿柱石型锡矿床，产于中深成花岗岩类岩体与硅铝质岩石内外接触 带附近，具云英岩化、浅色云母化、电气石化；花岗岩风化壳型锡矿床，产于含 锡石的花岗岩或具锡石蚀变 钠长石化、云英岩化、硅化、电气石化等 带的花岗 岩的项部风化壳中；砂锡矿床，由原生锡矿床风化而来，有坡积型、冲积型、滨 海型等。以上几类矿床中以第一类矿床为最多且重要，其中典型的世界级超大型 锡矿，云南个旧和广西大厂等皆属此类【l J 。 铜坑矿是华锡主要的生产矿山，位于享有“锡都”之称的南丹县大厂境内。 目前铜坑矿主要的开采对象为9 2 号矿体。9 2 号矿体属于缓倾斜厚大型的矿体，其 平均厚度在2 0 r n 左右。西南盘区采用的崩落法进行开采，地表岩层移动和破坏比 硕士学位论文1 绪论 较明显，对矿体的地表形成了大范围的塌陷区。随着进一步的开采，Ⅳ、Ⅵ盘区 将作为下一步的主要开采范区域，Ⅳ、Ⅵ盘区的矿量将近1 0 0 0 万吨，是铜坑矿的 主要储备矿量。然而，Ⅳ、Ⅵ盘区上部是工业广场和1 、2 号坝。目前随着I I 盘区 崩落强采开采的推进，其崩落边界已经向工业广场发展，在地表已经出现开裂迹 象。因此Ⅳ、Ⅵ盘区的开采转变了崩落开采的技术思路，采用新的采矿方法与空 区处理方案，以实现Ⅳ、Ⅵ盘区开采安全高效和地表安全控制。本课题以华锡铜 坑矿9 2 号矿体四六盘区为工程背景，开展“采场结构参数优化及胶结矿柱可靠度 分析”研究。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 缓倾斜厚矿体开采研究现状 缓倾斜厚大矿体是指矿体倾角在5 。～3 0 。、矿体厚度1 5 m 以．_ L 的矿体1 2 J 。由 于其开采技术条件的限制，如矿体倾角小，造成放矿困难；在空区下出矿，无 项板顶板检护，开采不安全，若使用底部结构，会造成采切比过大使效益降低等 r l 题，使其开采成为了一个采矿技术难题【3 】。目前国内外在缓倾斜厚矿体的开采 中，面临的问题主要有装备技术及成套化比较落后；空场法为主，投入低、开 采效率低、贫化损失高，造成资源浪费等[ 4 - 7 】。2 0 世纪7 0 年代以来，科技得到了 飞速的发展，同时也带来了国内外在地下缓倾斜厚矿体开采方面也取得了较大的 进展，主要表现在在运输方面的改进如引入大型的机械设备和皮带运输设备， 是矿山运输效率大大提高；应用充填法以及支护措施，可以大大提高采场结构达 到高效的开采。国外在矿山开采方面拥有较强的经济实力和技术力量，其开采的 一般为较大规模、矿石价值高的矿床。大型矿山的开采特点主要有 1 矿山开采主要采用房柱法，充填法所占比例也逐步上升； 2 为了得到科学合理的采场结构参数和支护方式等，比较重视研究矿山 岩石的力学性质，并结合数值模拟技术进行优化 3 在进行选取采矿方法时，采掘设备一般为主要考虑因素； 4 开采设计时，较好地利用矿体的坡度以及爆破时产生的能量。 我国对于该类矿体的开采相对国外起步较晚，针对该类矿体我国许多采矿工 作着为了选取合理的采矿方法做出了不懈的努力【8 ’1 2 】。目前，我国缓倾斜厚矿体 所用的采矿方法主要有房柱采矿法和分段空场采矿法这两类，同时也有少数矿山 采用崩落采矿法、留矿法和暴力搬运采矿法等。相比此类国外矿山，我国开采方 面主要有以下不足 1 我国矿山经济和技术相对薄弱，在矿山设备和开采技术方面投入较少； 硕士学位论文1 绪论 2 我国此类矿山出了磷矿外，其矿床规模相对较小，不利于使用大型的 矿山设备； 3 我国新型矿山较少，以老矿山居多，对于老矿山的改造相对较难。 虽然我国缓倾斜厚矿体的开采存在的不足之处，但是经过国内的学者和技术 人员的不断尝试和努力，我国的采矿技术在不断的进步和发展。随着矿山开采深 度的增加以及对矿山环境的要就不断提高，未来矿山的开采趋势为提高矿山大 型设备的使用率及成套化的应用，实现高效的开采通过充填法和各采矿方法的 组合，实现高效化、安全化无废开采的新技术。 1 ．2 ．2 回采顺序及采场结构优化研究现状 在进行地下开采时，矿体的开采会使周边的围岩发生变形以及围岩应力重新 分布。然而采矿中的工程结构有其自己的独特性，即采矿过程一是个多次开挖的 过程。对于一个矿体的开采到结束，往往要经过数以千次或万次的开挖。每一次 的矿体开采都会对其围岩造成应力加载，引起围岩变形和应力释放。矿体开采的 回采顺序和采场结构决定着周边未采动区域内岩体的原岩应力的卸载方向和路 径，使得开采过程中及开采结束后周边围岩及矿柱中的应力场、位移场分布状态 不尽相同，从而使得采场的稳定性不同。因此要使矿体开采达到安全化、高效化， 避免一些地压灾害，盘区回采顺序和采场结构是关键的优化问题。目前在地下采 矿工程盘区回采顺序和采场结构参数优化研究中，主要方法有工程类比法[ 1 3 - 1 4 J ， 力学理论计算法【1 5 ‘1 8 ] 、物理实验法和数值模拟法[ 1 9 。2 4 】等。 1 工程类比法根据对具体矿山的调查研究，例如对开采矿山的岩石力 学参数、地压情况、地质构造、水文条件等因素的了解，并且监测岩体活动，总 结出岩体一些常见活动规律，再参考具有相似条件的国内外矿山。特别的，寻找 附近相似矿山的结构参数对于欲开采的矿山具有较强的指导意义。虽然这种方法 简单高效，但由于其不足，往往取值比较保守。如，其理论依据不成熟，参数对 比的可靠度研究等方面不足。 2 力学理论计算法求采场结构参数优化时，对采场和围岩进行受力分 析，通常采用弹性和弹塑性方法进行求解。通过对求出应力和应变来判断采场的 稳定性。但是此法一般要把模型简化，即假设围岩为连续介质、各项同性的，同 时对于采场形状进行几何简化。 3 物理实验法所谓物理实验法是通过一定相似比来构造目标工程，在 进行分析，也属于结构模型试验。它是真是的地质工程实体的再现，主要研究岩 体中工程开采对地质工程结构的应力应变分布和变形演化的影响及岩体安全和 稳定性问题研究。通过模拟对地才开采，由于矿体的开采顺序和结构参数的不同， 在进行开挖模拟后，通过最后分析得到的应力、应变结果对工程进行判断。 硕士学位论文1 绪论 4 数值计算法2 0 世纪，计算机科学得到了飞速的发展，同时把计算机 应用到了各个学科领域中。随后，数值模拟方式被应用到了岩体工程上，取得了 一定的效果。数值模拟优化采场结构参数是以弹塑性力学为基础，建立相对应的 数值模型，借助计算机的高速运算能力，通过做大量的数值模拟试验并对比分析 不同结构参数的位移、应力结果来确定最优采场结构参数。常见的数值模拟主要 以限单元法、离散单元法等为基础。数值模拟方法具有方便、直观等优点，随后 得到了广泛的应用。 1 ．2 ．3 充填体强度研究现状 目前随着矿山环保及资源回收率等要求的提高，充填采矿法在国内外金属矿 山中所使用的采矿方法中的比例逐渐增加。为了最大限度的回采矿体，许多矿山 常使用胶结充填法，用充填体来代替原生矿柱。而采用胶结充填时，充填体的强 度是一个非常关键而又重要的力学参数【2 5 1 。 针对充填体强度的设计，国外相对研究较早，早在1 9 4 3 年T e r z a g h i 根据确定 沉陷带沙土体中的应力情况提出了著名的就提出了非常著名T e r z a g h i 模型 [ 2 6 - 2 8 ] 。后来人们发现胶结充填材料的强度特性和固结土比较相似，故把T e r z a g h i 模型法应用到确定充填体强度。1 9 7 9 年T h o m a s 考虑到充填体和它旁边的围岩之 间的摩擦力的相互作用，通过研究发现得出TT h o m a s 计算公式[ 8 ] 。后来学者卢平 认为T h o m a s 模型没有充分考虑到充填材料的强度特性，并对T h o m a s 模型进行了 修正，提出了卢平修正公式口9 ∞】。杨宝贵、孙恒虎【3 1 1 考虑充填体暴露长度等问 题，提出了高水模型来计算充填体自立的强度。上述学者通过一些理论分析计算， 来确定充填体强度，为矿山充填体强度设计提供了理论基础。 随着充填采矿法的推广以及使用，拥有了国内外各矿山所用实际充填体强度 参数等基础资料，工程类比法成为了一种简单见效的确定充填体强度的方法。后 来通过统计国内外矿山所用充填体强度数据，并归纳分析与充填体矿柱尺寸之间 的关系，提出了经验公式法【3 2 1 。韩斌【3 3 】分析影响下向胶结充填体强度的因素， 提出基于可靠度理论方法确定下向进路充填体强度的方法。张钦礼，王艳利等【j 4 1 分析影响充填体强度的各因素，通过实验数据，基于灰色一神经网络对充填体进 行预测。刘志祥【3 5 1 通过对大量国内外矿山的充填实际工程进行研究分析，建立 了充填体强度设计的神经网络知识库模型。随着科技的进步，数值模拟也成为了 一种确定充填体强度的方法，但是数值模拟软件难以体现出矿体复杂的环境，因 此制约了数值模拟的发展。由于各矿山开采条件的差异性，运用单一方法确定充 填体强度使得到的结果可信度低。因此结合自身矿山的开采实际背景，运用综合 各方法所得结果，成为确定充填体强度的主流方式。 4 硕士学位论文 1 绪论 1 ．2 ．4 可靠度研究现状 在人们判断一个工程结构是否可靠时，我们不能简单的判断是或者否，因为 影响工程结构可靠的因素都有自己的不确定性。在进行衡量结构可靠性时，必须 采用以概率形式为基础的可靠度指标来表达，在这样一个背景下，结构可靠度的 理论与方法便应运而生。对于结构可靠性的研究，国外研究较早，大概在上世纪 四十年代开始。1 9 4 6 年，学者弗洛伊詹特开始探讨可靠性问题，并发表了结构 的安全度【3 6 】。学者尔然尼亲对可靠度有了进一步的研究，得出一次二阶矩阵 论、计算结构失效的方法和可靠性指标【3 7 1 。在此基础上，1 9 6 9 年学者科尔涅提 出了用可靠度指标1 3 去衡量结构安全的可靠性。1 3 用来衡量结构安全度数量指 标，建立了二阶矩模式[ 3 8 - 3 9 】。1 9 7 1 年学者林德对二阶矩模式进行了修改，他运用 了分离函数，此种方法进一步提高了结构可靠度在实际方面的应用1 4 u j 。美国知 名学者洪华生通过研究得出了广义可靠度概率法，此种方法对于可靠度方面的研 究有着较大贡献，随后可靠度方法能被运用到实际的工程设计当中。 早在上世纪五十年代中期，我国对可靠度就有了相应的研究，但是相对国外 还是较晚。六十、七十年代可靠度研究在土木工程界的到了发展。此后可靠度研 究得到了建筑部门高度重视，展开了对可靠度研究的工作，于1 9 8 3 年完成了第一 个建筑设计标准建筑结构设计统一标准 G B J 6 8 - - 8 4 ，该标准采用的是极 限状态设计法。随后，国家铁道、公路等部门分别成立研究机构，并分别制定了 一系列的相关工程设计的统一标准。标着着我国在结构可靠度实用化方面已经进 入了成熟化阶段。 由于岩土的固定特点，其工程结构可靠度的发展缓慢且相对较晚。在结构工 程可靠度理论发展成熟后，许多学者1 4 1 4 3 ] 把结构工程可靠度理论应用到岩土结构 工程中，岩土工程结构可靠度得到了发展。上世纪八十年代开始，我国开始对岩 土工程结构的可靠度进行研究，大量学者对土坡、地基、桩基、海岸等岩土方面 的工程结构可靠度，做出了很过研究工作和贡献Ⅲ。5 3 】。但是对于地下矿山中的岩 土工程可靠度分析，相关的研究工作较少，主要是归结于地下岩土工程结构的复 杂性和未知性。地下工程岩体有其独特的特点，如【5 4 J 岩石力学性质的不确定性岩石中的成分相对比较复杂，而这些成分性质决 定着岩石的力学性质，并且组成成分比例没有规律性，这就导致了岩石力学的不 确定性。在对岩石进行实验时，由于取样、实验条件等方面的差异往往得到的结 果具有一定的离散性。 岩体性质的不确定性岩体是由岩石组成，也就造成了岩体性质的不确定性。 但同时岩体不像岩石那样完整，其内部存在着大量的结构面。而这些结构面的形 状及其分布都没有规律，并且这些结构面对于岩体的性质影响较大。 硕士学位论文1 绪论 岩体受力及数据统计的不确定性在地才开采中，岩体工程受到回采顺序、 采场结构等因素的影响，其受力情况也不同。由于技术、条件的限制，地下岩体 工程的数据统计不具有一般性，得到结果具有离散性。 1 ．3 研究内容及技术路线 本文针对9 2 号矿体即将开采的四六盘区时面临的问题，在改进后采矿方法 下，优化四六盘区矿体的回采顺序和采场结构参数。同时运用数值模拟手段确定 充填所需充填体强度，以便保证矿山的安全生产。本文的主要研究内容有以下几 点 1 以华锡集团铜坑矿9 2 号矿体四六盘区为研究对象，根据地质资料，开 展矿体现场工程地质的调查。运用G S I 和H o e k - B r o w n 强度准则确定岩体的力学参 数，为四六盘区矿体开采的采场结构参数优化以及充填体强度模拟预测提供基础 资料和相关的力学计算参数。 2 合理的采场结构参数不仅能最大限度回采矿石减少损失、提高矿山生 产效益，提高生产效率，并且对采场周边围岩的稳定性起着重要作用。9 2 号矿体 四六盘区采用二步骤回采方式回采，先采矿柱后进行胶结充填，再采矿房进行废 石充填。四六盘区开采情况相当比较复杂，有一部分上部为9 1 号矿体开采后的充 填区，因此四六盘区重叠区和非重叠区的采场结构参数优化是保证安全高效开采 的重要措施。根据以前的盘区划分，盘区宽度为8 0 m 即采场长度，现主要考虑的 是矿房、矿柱宽度的参数优化。分别对矿体重叠区和非重叠区进行岩体质量评价， 运用M a t h e w 法初确定矿柱宽度，得到合理的矿柱宽度范围。根据地质实测图用 三维建模软件3 D r n i n e 建立矿体模型，通过数值分析软件M I D A S 以及F L A C 3 D 进 行优化采场结构参数。得到合理的结构参数对于9 2 号矿体开采十分重要，既要保 证安全高效的回采，还要控制地表的沉降。 3 地下采矿对矿体的开挖过程其实是一个地应力的释放的过程。开挖岩 体应力的释放会使岩体应力发生重新调整和分配，从而改变了岩体的原始应力 场。上覆岩层受岩体自重作用的影响，岩层随着时间的推移必然发生移动导致地 表下沉。以前9 2 号矿体采用崩落法开采，导致了地表塌
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