大团山矿床-580m以下采矿方法及开采参数优化研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯ U DC ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 密级⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯ 十韵大学 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目太凰出砬扇蚤量墨o ．m 一丛王采矿杰法～ ⋯⋯⋯．及开采参数优化研究⋯⋯⋯ 学科、专业 研究生姓名 导师姓名及 专业技术职称 ⋯⋯⋯⋯⋯矿⋯业．．王⋯程⋯⋯⋯⋯⋯． ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯曾⋯兼⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯．陈建宏⋯教授 ⋯蟪昱⋯⋯⋯一 分类号U D C 硕士学位论文 大团山矿床．5 8 0 m 以下采矿方法及开采参数 优化研究 R e s e a r c ho nM i n eM e t h o d so fD a t u a nM o u t a i n u n d e r - - 5 8 0ma n d O p t i m i z a t i o no fM i n i n gP a r a m e t e r s 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 论文答辩日期 曾荣 矿业工程 资源与安全工程学院 陈建宏 左坠竺西答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 2 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。 作者签名聋址 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。 期丝竺年鱼月堑日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 随着计算机技术的迅速发展，数值模拟仿真分析己广泛用于采矿工 程的研究和设计中，其费用比物理模型低，且能定量地计算和分析回采 过程中采场围岩中的应力大小、位移变化规律和塑性区发展情况，确定 它们每步回采的动态变化过程，从而对采场围岩的稳定性状态作出判断， 为矿床开采设计提供依据。 大团山矿床是冬瓜山铜矿主要矿床之一，担负着冬瓜山铜矿老区主 要矿石产量，矿床．5 8 0 m 以上采用大盘区开采，取得较好的开采效果， 大盘区开采具有生产效率高、生产工艺简单、开采成本低等优点；但也 存在采空区暴露面积大，采场空间跨度大等不利因素。随着开采中段的 下降，地压逐渐增大，采空区顶帮局部冒落等对矿山正常的生产造成了 严重的影响，严重的地压活动成为制约矿山安全、高效开采的首要问题。 论文结合具体科研项目，在利用．5 8 0 m 中段以上采矿方法研究成果基础 上，继续开展大团山矿床．5 8 0 m 以下的采矿方法及矿岩稳定性研究。研 究通过收集相关工程地质资料、现场工程地质调查以及进行室内试验， 参考借鉴大团山．5 8 0 m 中段以上矿段的开采方法以及国内外类似矿山的 成功经验，针对．5 8 0 m 中段以下矿体的开采技术要求与特点，进行理论 分析，先初选出多种适合的矿体开采方案。运用计算机数值模拟技术， 使用目前应用广泛的F L A C 3 D 数值模拟软件建立在不同开采方案下的力 学模型，应用数值模拟计算进行矿岩稳固性进行分析，对不同情况下采 空区的应力分布和塑性区，以及矿体所有采空区进行稳定性进行了系统 深入的研究。最后根据对采空区稳定性的综合分析结果，确定安全可行 的采矿方法。 关键词矿岩稳定性，采矿设计，数值模拟，F L A C 3 D 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T A BS T R A C T W i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e r t e c h n o l o g y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i sh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h er e s e a r c ha n dd e s i g no f M i n i n gE n g i n e e r i n g ．I tc o s t sl e s st h a np h y s i c a lm o d e la n da l s oc a nc a l c u l a t e a n da n a l y z ep a r a m e t e r sq u a n t i t a t i v e l yd u r i n gr e c o v e r y , w h i c hi n c l u d es t r e s s i nt h es u r r o u n d i n gr o c k ，l a wo f d i s p l a c e m e n tc h a n g e sa sw e l la sv a r i a t i o n so f p l a s t i cz o n e ．T h e ni ti sa b l et od e t e r m i n et h e i rd y n a m i cc h a n g e si ne a c hs t e p o fr e c o v e r ya n dj u d g et h es t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c k ． D a t u a n s h a nm i n e r a ld e p o s i ti st h em i n e r a lm a i nd e p o s i to fD o n g g u a s h a n c o p p e rm i n e ，m o s to r ei nt h e o l dp a r to fD o n g g u a s h a nc o p p e rm i n ei s p r o d u c e di nh e r e ，t h ed e p o s i ta b o v e - 5 8 0 mu s e st h ep a n e l i n gm e t h o da n dh a s a c h i e v e dg o o de f f e c to fm i n i n g ，t h i sm e t h o dh a ss o m ea d v a n t a g e sl i k et h e h i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , t h es i m p l ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dt h el o w m i n i n gc o s t ．A tt h es a m et i m ei th a ss o m ed i s a d v a n t a g e sl i k es t o p e do u ta r e a i sl a r g ee x p o s u r e ，s t o p es p a c es p a ni st o ol a r g ea n dS Oo n ．W i t hm i n i n g d e e p e n ，p r e s s u r ei n c r e a s eg r a d u a l l y , t h ew e i g h i n gd o w no fs t o p e do u ta r e a a n do t h e rs a f e t yp r o b l e m si n f l u e n c et h en o r m a lp r o d u c t i o no fm i n es e r i o u s l y , s e r i o u se a r t hp r e s s u r ea c t i v i t i e sb e c o m et h ep r i m a r yi s s u ei n f l u e n c em i n e s a f e t ya n de f f i c i e n c yo fm i n i n g ．B a s e do nt h es p e c i f i cr e s e a r c hp r o j e c t s ，u s e d t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h e d e p o s i ta b o v e - 5 8 0 mm i n i n gm e t h o d ，a n d c o n t i n u e dt h es t u d yo ft h eD a d o n g s h a nd e p o s i tb e l o w 一58 0 m ’Sm i n i n g m e t h o da n dt h es t u d yo ft h es t a b i l i t ya b o u to r ea n dr o c k ．T h i sr e s e a r c h c o l l e c t e dr e l a t e de n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ld a t a ，d i de n g i n e e r i n gg e o l o g ys u r v e y a n di n d o o rt e s t ，r e f e r e n c e dt h eD a d o n g s h a nd e p o s i ta b o v e 一5 8 0 m ’Sm i n i n g m e t h o da n dt h es u c c e s s f u le x p e r i e n c eo fs i m i l a rm i n ei nd o m e s t i co ro v e r s e a s ， a c c o r d i n gt ot h em i n i n gt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e d e p o s i tb e l o w 一58 0 m ，d o i n gt h e o r ya n a l y s i sa n dt h e nc h o o s i n gav a r i e t yo f s u i t a b l ef o rt h em i n i n gm e t h o d s ．U s i n gt h ec o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g y , t h ep o p u r l a rn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o t t w a r eF L A C ’uw a su s e dt o b u i l dm e c h a n i c sm o d e lf o re a c hm i n i n gs c h e m e ．A n dt h e nu s e dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nt od ot h ea n a l y s i so ft h es t a b i l i t ya b o u to r ea n dr o c k ， d i di n - d e p t hr e s e a r c ho nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h ep l a s t i cz o n eo fs t o p e d o u ta r e ai nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n da l lt h es t a b i l i t yo fs t o p e do u ta r e ai nt h e I I 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T o r eb o d y ．F i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h e s t a b i l i t yo fs t o p e do u ta r e a ，d e t e r m i n et h es a f e t ya n df e a s i b l em i n i n gm e t h o d ． K e y w o r d sS t a b i l i t yo fo r ea n dr o c k ，M i n i n gd e s i g n ，N u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； F L A C 3 D I I I 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 选题的背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．4 论文主要研究的内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 第二章大团山矿段地质概况及开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．16 第三章工程地质调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 工程地质调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．2 岩体稳固性调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．3 矿岩物理力学参数测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．4 工程地质调查小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 第四章基本力学模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．1 矿岩物理力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．2 折减处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．3 岩体初始应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 4 第五章开采方案模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 5 ．1 采场划分条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 5 ．2 盘区划分方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 5 ．3 盘区开采方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 5 ．4 采矿方法与盘区间矿柱回采研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 第六章开采方案模拟过程及分析结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 6 ．1F L A C 3 D 软件的介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 中南大学硕士学位论文 目录 6 ．2 第一方案模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 6 ．3 第二方案模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 6 ．4 第三开采方案的模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 6 第七章大团山．5 8 0 M 以下矿段回采方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 7 ．1 数值分析结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 7 ．2 回采顺序及采空区充填⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 8 7 ．3 生产能力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 7 ．4 回采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 7 ．5 采空区充填方案及充填顺序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 7 ．6 技术经济指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 4 7 ．7 安全技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 7 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 第八章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 7 8 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 8 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 攻读学位期间主要的论文发表情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 选题的背景 开采矿产资源对于国民经济而言意义重大，它涉及到钢铁、有色金属、煤炭及 非金属工业等诸多领域。因此，矿产资源的勘探、开发和利用可称为国民经济的重 要基础产业。近年来，我国由于浅地表的矿产资源己基本上耗尽，加之社会经济的 蓬勃发展使得我国对于矿产资源的需求量不断增加，为确保矿山的持续生产，深井 开采已然成为我国矿山的必然出路，我国大多数矿山已经或即将转向深部开采。但 是，随着开采深度的增大，矿岩的岩石力学性质、深部地应力等地质特性与浅地表 开采时比较均发生了根本的变化，各种深部开采的问题随之而来岩爆、岩层冒落 等事故频繁发生，深部开采时通风、高温问题突出，深部采矿作业环境恶劣，这些 都给深部开采增加了难度【l 训。 冬瓜山铜矿是铜陵有色股份有限公司的主要原料供应矿山之一，矿区位于安徽 省铜陵市东郊9 k m 处，主要有冬瓜山、大团山以及老鸦岭等矿床。其中的大团山矿 床是冬瓜山铜矿的主要矿石开采区之一，其每年的矿石产量占冬瓜山铜矿老区总矿 石产量的很大一部分。大团山矿床．5 8 0 m 水平以上采用盘区开采的生产方式，矿山企 业因其生产效率高、工艺简单及成本低廉而获得了较好的生产效益；但盘区开采法 在生产过程中也存在着不少安全隐患例如采空区暴露面积大，空区跨度大等极易 诱发顶板冒落。为此，铜陵有色金属集团控股有限公司技术中心和中钢集团马鞍山 矿山研究院有限公司在利用．5 8 0 m 中段以上采矿方法研究成果基础上，继续开展大团 山矿床一5 8 0 m 以下的采矿方法及矿岩稳定性研究。 大团山矿床为一层控式矽卡岩型铜矿床，其形态简单。矿体受层位及岩性控制， 分布较为稳定，主要岩层似层状产出，矿体产状与受控岩层产状基本一致。矿体倾 角一般在3 5 至5 0 0 之间，某些地段会出现最小为1 0 0 的倾角或是最大为7 0 0 的倾角， 北东3 0 , - - 3 5 0 走向，倾向南东。由于该矿体受到了横跨褶曲的叠加影响，沿走向矿体 起伏形态均显舒缓波状，尤以各线中部最明显。矿体除了中部少部分地段出现了夹 石或者是端部显现分支复合的现象之外，该矿体可称得上内部的结构较为简单，总 体上看比较完整。在2 7 线附近有一石英闪长岩枝穿插。该岩枝分布于2 5 “ - - 2 7 线之 间，走向北西西 2 8 5 0 ～近东西向，长约1 8 0 m ，宽约3 “ 一8 m ，倾角7 5 - - 8 5 0 ，岩 枝上下盘的矿体连续性完整。 矿床以岩溶充水和地表陷落区渗水为主，构造相对简单，无大的地表水体，地 形有利于自然排水，水文地质条件简单。矿床的矿石致密坚硬、基本上无明显发育 的节理裂隙，矿芯具有良好的完整性。该矿矿体的顶底板岩属坚硬岩石，主要是由 大理岩夹角岩、石英闪长岩和矽卡岩夹角岩组成，矿岩岩性表现出单一性以及完整 中南大学硕士学位论文第一章绪论 性，且不同种类的岩层层间位相对稳定。由于地球地壳运动引起的岩浆活动，岩浆 在其侵入作用下高温的岩浆会在侵入、冷却直至凝固的过程中破坏矿体与顶底板的 稳定性，其具体表现为部分围岩会出现受挤压破碎现象，局部围岩甚至会因严重蚀 变呈土状，开采过程中地下空区巷道因此会出现冒顶或者片帮，严重时会致使巷道 采场等的变形破坏。但总体来说大团山矿床开采坑道围岩稳定性多数地段是良好的。 随着开采中段的下降，地压逐渐增大，形成的采空区没有处理，地压活动显现 明显，给矿山的安全工作带来了极大的压力。2 0 0 9 年9 月2 2 日大团山矿段在．3 9 0 m 中段2 1 穿脉部位采空区发生塌落并造成2 1 穿脉部分巷道塌落事故，I V 盘区采空 区顶帮局部冒落等对矿山正常的生产造成了严重的影响，严重的地压活动成为制约 矿山安全、高效开采的首要问题。同时，．5 8 0 m 中段以上开采矿量的逐步消失，冬瓜 山铜矿希望尽早将．5 8 0 m 中段以下，即．6 7 0 m 和．7 3 0 m 中段尽快投产，以弥补上部消 失矿量，维持稳定的产量。铜陵有色设计研究院2 0 0 7 年对．5 8 0 m 以下开采项目做过 可行性研究，冬瓜山铜矿也已实施开拓工程。然而，大团山．5 8 0 m 以下开采与其上部 开采现状不能孤立分开，上部采空区的处理对下部开采的影响，下部回采如何与上 部衔接，空间跨度能否进一步加大，盘区如何划分，对I I I 、I V 和V 拌盘区是否需留 水平矿柱及如何安排各盘区的开采顺序，这一系列问题必须尽快予以解决。开展大 团山矿床的地压控制措施研究，为矿山安全生产提供技术保障是迫切而必要的。 1 ．2 研究的目的和意义 在进行矿产资源开采设计时，所要遵循的基本原则是在确保开采系统的稳定 性以及安全生产的基础上，尽可能地减少围岩支护工作量，提升采矿生产强度及其 效率，获取最大的矿石产量，从而保证矿山企业在能够获取丰厚经济效益的前提下， 还能够最大限度地利用有限的矿产资源并且实现可持续发展。由此可知，制定合理 的结构参数是优化采矿设计时的关键。在传统的设计中，设计人员通常使用经验类 比法来确定结构参数。该方法主要是根据矿体的产状、矿石和围岩的物理力学性质 如岩石坚固性系数 即普氏系数 等，再参考类似己投产矿山的开采方案来进行采 矿设计。但不同矿山的矿石与围岩成分不可能完全相同，就算有着一样的岩石坚固 性系数，但是它们实际所表现出来的物理力学性质也会有很大的差异。就算是同一 座矿山，在不同的开采时期，在同样的岩石坚固性系数情况下所表现出来的矿石与 围岩的物理力学性质也不尽相同。总的来说，采用传统的经验类比法进行的采矿设 计很多情况下不是偏向保守，留下过多的矿柱矿量，从而损失大量的矿石，就是偏 向冒险，回采过程中地压问题严重，支护工程量过大，甚至因采场大面积冒落而导 致矿石的永久损失，都会给矿山企业带来经济和资源的重大损失【5 ，6 】。 为了解决上述问题，为采矿设计提供定量计算和分析的方法，矿业工程界引进 了岩石力学的数值仿真模拟技术。设计人员可以在方案设计阶段使用相关的数值仿 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 真模拟软件有力地辅助采矿设计，如为采矿设计获取相关重要信息全过程模拟 矿体的回采，对地压的变化进行预测进而判断矿岩稳定性。在现代采矿工程中，许 多专家学者利用岩石力学数值仿真模拟方法，针对采矿过程中矿岩的活动规律以及 巷道围岩稳定性等问题进行研究，在有关岩体的力学特性、采矿中围岩所受压力、 支护与围岩的相互作用关系以及巷道与工作面的时空关系等一系列复杂的力学问题 的研究上取得了显著的成果【_ 卜引。 本课题的研究主要是为保证大团山回采衔接满足矿段的生产能力，选择合理的 采场参数，做到采空区及时处理、控制地压、安全高效开采，充分利用资源。随着 大团山开采的不断进行，开采深度增加，地压逐渐增大，形成的采空区没有处理， 地压活动显现明显，这些都给矿山的安全工作带来了极大的压力，也给矿山后续的 正常生产带来极大的安全隐患。基于上述考虑，本课题在现场工程地质调查、现场 原岩应力测定、室内力学试验及岩体力学参数工程处理的研究基础上，结合现代仿 真技术与计算机数值模拟技术，采用连续介质快速拉格朗日差分法 即F L A C ，对 矿岩稳固性及采空区稳定性进行模拟计算和预测分析，为确定安全可行的采矿方法 提供了理论依据，对于安全高效地开发利用大团山深部的矿产资源，具有重要的现 实意义。 1 ．3 国内外研究现状 在矿产资源的开采过程中，地下矿体的开采会使得原岩应力的平衡状态遭到破 坏，与此同时还会产生次生应力场，两者的共同作用会引起矿岩的应力重新分布， 随之而来会显现一系列的矿压。此时若是治理不当，会带来一系列严重的安全以及 环境问题地表大面积沉陷甚至是上方岩层的移动变形、破坏塌落，这些都会导致 上方农田的破坏、地表各类建筑物变形破坏甚至是倒塌，从而会严重影响当地的经 济生产以及人员安全。为了确保矿山在回采矿产资源能够持续、稳定、安全地进行 生产，尤其是会产生较大规模空区的矿山，对矿岩稳定性进行模拟计算以及分析预 测，研究采场在回采过程中以及空区形成后的矿压分布规律，并由此确定出技术上 可行、经济上合理的矿体开采方案一直是近年来我国矿业科学以及工程技术领域的 热点和难点【5 7 j 。 矿岩稳定性的研究在工程界一直以来都是个极其复杂的问题它不仅与开采矿 体的埋藏深度、倾角、厚度、物理力学性质、赋存状态、地质构造、上覆岩层的岩 性、水文地质条件、地形地貌以及矿体开采暴露面积、顶板管理方法、矿体开采次 数、开采方法等地质采矿条件有关，还与上部荷载的类型、大小、位置等密切相关。 综观国内外对于矿岩稳定性的研究，稳定性分析方法主要有以下四种解析法、数 值模拟法、预计法以及不确定性方法[ 1 0 - 2 8 J 。 1 、解析法 中南大学硕士学位论文第一章绪论 解析法是一种对采空区硐室进行简化后建立相应的地质模型，然后按照一定原 则或者是假设条件将其抽象为理想化的力学模型，接着按数值方法对其求解的方法。 常见的有计算地下采空区或者是硐室以及对矿柱的稳定性进行研究时常用的结构 力学法，单一硐室或者说是多个硐室的情况下弹性地基的拱模型亦或是上梁模型等。 在应用解析法进行矿岩稳定性对围岩的应力与变形进行计算分析时，通常使用 复变函数法，进而用之求得弹性解析解。在实际工程当中，对于圆形隧道问题的求 解多使用解析方法，若是硐室为非圆形，解决问题的关键性思路是如何使得单位圆 外域能够通过映射直至硐室外域，这里采用的方法是保角变换，此时，所需的映射 函数是这类问题求解的关键所在。该方法有着高精度，高速分析以及高适宜性等优 势，但是因其在数学分析处理上的不足，不适宜处理如受地面荷载影响的浅层巷道 围岩稳定性类型的问题。 2 、数值模拟法 数值分析方法主要是利用力学原理，通过假设、简化从而将岩体抽象为一定的 力学模型，矿岩的基本微分方程基于此而建立，进而依据己知边界条件，对解微分 方程进行求解，从而进一步相关未知量如应变、位移、应力等等。此法因其对矿岩 固有属性的充分考虑，可适应不同特征的矿岩在开采过程中的沉陷问题，对开采时 矿岩破坏状态能够在相当程度上有效地反映出来，所以它广泛应用于工程实际中， 可以说是当前解决在复杂条件下对矿岩进行开采所带来的沉陷问题时候常用的计算 分析手段。数值模拟法主要包括连续介质力学方法和非连续介质力学方法。 1 连续介质力学方法 连续介质力学分析方法的基本原理是基于连续介质假设，将真实的岩体近似 看作连续的固体介质，依据固体力学原理用一组描述介质性质的偏微分方程来研究 分析掩体在工程荷载作用下的力学特性。当前连续介质力学分析方法主要包括有限 元法、边界元法和F L A C 等，其中最常用、适用范围最广的是发展最为成熟、具有 高效能计算能力的有限元方法。 有限元法的基本思想是用求解泛函极值问题替换原本的求解给定泊松方程问 题。有限单元法把原本连续的求解域离散成一系列有限数量、仅在有限个节点上相 连接、有限大小的单元组合体，然后基于变分原理，用变分方程替代微分方程。接 着依据物理上面的近似，将原本的微分方程的求解问题转变成为节点未知量的相关 代数方程组的求解问题。它主要是对粘塑性、温度效应、弹性、弹塑性等相关问题 的求解，在实际应用中可以对热传导、粘塑性流变，以及动力学的相关问题的研究。 对于连续介质的快速拉格朗日差分的分析方法 简称F L A C 主要应用对矿岩体 或者是其它材料所构成的结构体在过了屈服极限之后的破坏变形情况的模拟。F L A C 方法因其采用混合离散化技术，统一了离散元和有限元问题，被认为是一种当今全 球具有高适宜性的数值模拟计算方法。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 2 非连续介质力学方法 非连续介质力学方法的基本思想是将岩体看做含不连续面的离散组合体，块体 通过边界接触力相互联系维持平衡，随单元块体的运动或位移会带来接触力的变化。 允许各个单元体之间接触关系的调整，单元可平移、转动甚至脱离接触。非连续介 质力学数值模拟计算方法主要有离散单元法，计算单元体在给定条件下的运动状态。 3 、预计法 预计法主要是计算地下巷道顶板边帮所受应力，分析采场空区稳定性，检测地 表变形量以及塌陷范围等对矿山开采工程进行矿岩稳定性预测。国内外在矿体开采 地表沉陷问题的预计理论及方法较多，主要有B ．K 理论方法，概率积分法，随机 介质理论以及经验公式法等。在实际采矿工程中，这些方法对于采空区的危害性评 价在进行适当改进后即可应用。 4 、不确定性方法 在矿产资源的开采过程中影响矿岩稳定性因素主要有矿体地质构造、断层、节 理裂隙、矿岩坚固性、地应力状态以及水文地质等，它们本身特有的随机性给整个 工程的矿岩稳定性评价带来不确定性。不确定性方法就是由此所诞生的，它在工程 设计时采用模糊理论和可靠性分析来对矿岩进行稳定性分析研究。 在实际工程中，因矿岩通常伴随着岩体形变不均、介质不连续和矿岩接触面位 移大等特点，属于高度非线性问题，所以矿岩稳定性分析的过程相当复杂。在设计 的时候，工程设计时主要需根据实际情况，选取适合的方法从不同侧面对矿岩稳定 性问题进行分析研究。从矿岩稳定性分析方法的发展过程可以看出，没有任何一种 方法能够完满解决工程实际中出现的所有问题，所以在实际应用中应该根据需求将 不同的方法结合起来，取长补短，充分发挥各种方法的优势，使得计算结果能够更 精确地提供理论依据，实现合理制定高效安全采矿方法，解决现场工程实际问题， 更好地指导实际生产，矿山获得最佳的经济效益的目标。 1 ．4 论文主要研究的内容和方法 1 ．4 ．1 研究内容 基于上述研究现状，本研究通过数据采集、室内试验、理论分析、数值模拟等 手段，对矿岩的稳定性进行分析研究，最终确定出合理的开采方案。 1 、基本力学模型的确定 查阅矿岩稳定性分析方面的文献书籍，了解当今世界主流分析方法技术现状及 其发展趋势。通过对大团山矿段的地质勘察资料的整理，分析其工程地质特征、开 采状况及矿岩的稳固性。并进行矿岩采样，通过室内试验测试其矿体岩体的物理力 学参数，建立基本力学模型。 2 、采矿方法的选择 中南大学硕士学位论文第一章绪论 在参照．5 8 0 m 中段以上采矿方法研究成果基础上，针对大团山矿床．5 8 0 m 中段以 下矿体的开采技术要求与特点，根据各种采矿方法在不同产状、厚度、开采价值的 矿体中使用的可能性，从而确定出多种与开采技术条件相适应的矿体开采方案。 3 、矿岩稳定性分析及采矿方法的最终确定 从岩石力学角度出发，利用F L A C 3 D 对不同开采方案下的采空区进行三维数值模 型进行模拟分析，研究不同情况下采空区的应力分布和塑性区，同时对矿体所有采 空区进行稳定性分析，根据对采空区稳定性的综合分析结果，最终确定出安全可行 的矿体开采方案。 1 ．4 ．2 研究方法 数值模拟仿真分析方法主要优点如下花费小且费时短，能定量分析和计算采 场的矿岩在回采过程中所受到的应力、位移，还有塑性区和破坏区分布以及对回采 作业中每一步的动态过程进行实时监测，以此为依据判断采场以及空区稳定性等等， 目前在实际地下工程研究与设计当中广泛应用。本课题主要使用对于岩体类的介质 材料研究中相当适宜的三维有限差分程序软件F L A C 3 D 对矿岩稳定性进行数值模拟 分析研究。 美国I t a s e a 咨询公司开发的F L A C 3 D 是一个以有限差分法为核心，基于显式有限 差分法的三维快速拉格朗日数值分析软件，是目前工程学术界最广为应用且有着很 高评价的岩体力学问题分析软件。在实际工程中它主要应用于土质、岩石和其它材 料的三维受力模拟和塑性流动分析[ 8 , 1 4 】。 应用显式有限差分格式来求解场的控制微分方程是三维快速拉格朗日分析的基 本原理。此方法仅需通过本构关系，由应变直接计算应力，不需形成刚度矩阵，也 不需通过迭代满足本构关系，因此具有很高的计算速度。其主要特点主要有如下三 点使用时间间隔线性变化和沿有限空间的有限差分方法来近似求出空间与时间的 导数；离散介质，将整体受力分散到各个离散体的节点上，把连续介质运动问题转 为离散节点的运动问题；用动态运动方程来模拟静态系统，突破物理问题中不稳定 过程模拟的数值分析计算障碍。 计算中采用显示差分求解方法的F L A C 3 D 可称之为现代岩体工程数值模拟分析 计算的主流软件，因其能够在一定程度上解决了离散元和有限元无法统一的问题， 并且F L A C 3 D 非常适宜以不规则非连续岩体介质问题的数值模拟计算，对岩土工程而 言是一个功能强大的数值模拟计算软件。 1 ．4 ．3 技术路线 在现场调研和大量收集资料的基础上，参考借鉴大团山．5 8 0 m 中段以上矿段的开 采方法以及国内外类似矿山的成功经验，针对．5 8 0 m 中段以下矿体的开采技术要求与 特点，进行理论分析，先初选出多种适合的矿体开采方案。然后运用目前应用较广 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 泛的F L A C 3 D 数值模拟软件建立在不同开采方案下的力学模型，进行模拟计算，对矿 岩稳固性进行分析，最终确定安全可行的采矿方法。 研究体系包括