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中图分类号婴堡鱼3 U D C 硕士学位论文 学校代码 Q 三3 密级公珏 地下金属矿山上行开采技术与围岩 移动变形规律研究 s t u d yo fu n d e r g r o u n dm e t a lm i n eu p w a r dm i n i n gt e c h n o l o g y a n dm o b i l ed e f o r m a t i o nl a wo f s u r r o u n d i n gr o c k 作者姓名郭子源 学科专业采矿工程 研究方向采矿方法 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师赵国彦教授 副指导教师 论文答辩日期越 圣互1 5 答辩委员 中南大学 2 0 1 3 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。 储躲孵吼逊年羔月盈日 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。 储虢率雾聊签扭期进年且坠日 中南大学硕士学位论文 摘要 地下金属矿山上行开采技术与围岩移动变形规律研究 摘要目前，我国大多数地下金属矿山采用下行开采顺序，由于下行开采 过程中，上部岩体首先发生破坏，且其破坏范围会随着生产阶段的下移而 变得越来越大，容易产生应力集中而使采场顶板地压增大，使对采场稳定 性的控制变得极为困难；矿山必须征用大面积土地修建废石场和尾矿库， 造成大量农田被占用，环境被破坏；且需留大量顶底柱，资源回收率低。 鉴于此，提出上行阶段开采顺序，本文以某地下铜矿急倾斜厚大矿体为研 究背景，主要展开了以下几方面的试验与研究工作 1 通过对国内外地下金属矿山及煤矿的上行开采研究，确定主要 从上行开采采矿方案、上行开采系统及上行开采安全性三个方面对上行阶 段开采顺序进行研究。 2 对矿山现场进行地质调查、室内试验，并针对矿体的开采技术 条件，提出了适合该类矿体的4 种上行开采采矿方案，详细介绍各采矿方 案的方案特点、采准切割和回采工艺。 3 根据采用的主要采矿方案及矿体条件，提出了3 种开拓方案， 并通过基建总投资和年经营费优选出最优开拓方案。在此基础上，从经济 技术指标方面，得到上行开采与下行开采开拓系统总投资是相同的，上行 开采在基建投资较下行开采主要多在风井的基建上。 4 在开拓系统确定的基础之上，对上行开采的通风系统进行设计， 并比较了矿山回采后期上行开采与下行开采的通风阻力，可知上行开采通 风阻力更小，通风效果好；计算了上行开采矿井涌水量，进行了排水系统 设计，且对上行开采和下行开采排水效果进行比较。 5 基于F a y o l 的成拱理论，结合材料力学，对下行开采及上行开 采顶板变形破坏力学机理进行研究。运用F L A C 3 D 软件，对上行开采和 下行开采阶段内回采进行数值模拟，对矿房顶板、矿柱及充填体的应力分 布、位移分布进行分析，得到其随各开挖步骤变化的规律；对上行开采和 下行开采阶段开采顺序进行模拟，对比分析开挖后顶板与围岩的应力分 布、位移分布，得到两种开采顺序应力、位移与回采步骤之间的关系。 关键词上行开采，急倾斜矿体，采矿方法，开拓系统，数值模拟 分类号T D 8 6 3 I I I 中南大学硕士学位论文 摘要 I V 中南大学硕士学位论文 A b s t r a c t S t u d yo fu n d e r g r o u n dm e t a lm i n eu p w a r dm i n i n gt e c h n o l o g y a n d m o b i l ed e f o r m a t i o nl a wo fs u r r o u n d i n gr o c k A b s t r a c t A tp r e s e n t ．m o s tu n d e r g r o u n dm e t a lm i n e si nc h i n aa r e d e s c e n d i n gm i n i n g ．I nt h ep r o c e s so fd e s c e n d i n gm i n i n g ，T h eu p p e rr o c k m a s sf a i l u r eh a p p e n e df i r s t l y , a n di t ss c o p eo fd a m a g eb e c o m eb i g e rw i t h p r o d u c t i o np h a s eg e t t i n gd o w n ，i ti se a s yt op r o d u c es t r e s sc o n c e n t r a t i o n a n dm a k et h es t o p er o o fp r e s s u r ei n c r e a s e s ，S Ot h a tt h ec o n t r o lo fs t o p e s t a b i l i t yb e c o m e sv e r yd i f f i c u l t ．L a r g ea r e ao fl a n dw a se x p r o p r i a t e db y m i n e st ob u i l db a r r e nf i e l da n dt a i l i n g s ，c a u s e dal o to ff a r m l a n do c c u p i e d a n dt h ee n v i r o n m e n tw a sd e s t r o y e d ．D e s c e n d i n gm i n i n gn e e dt ol e a v ea 1 0 to ft o pa n db o t t o mc o l u m n ，t h er e c o v e r yr a t eo fr e s o u r c e si Sl O W ．I n v i e wo ft h i s ，p u tf o r w a r da s c e n d i n gm i n i n gs e q u e n c e ．I nt h er e s e a r c h b a c k g r o u n do fs t e e pl a r g ea n d t h i c ko r eb o d yo fu n d e r g r o u n dc o p p e r , t h e f o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t so f t e s ta n dr e s e a r c hw o r kh a sb e e nd o n e ． 1 B yt h er e s e a r c ho fh o m ea n da b r o a du n d e r g r o u n dm e t a lm i n e s a n dc o a lm i n e s ’S a s c e n d i n gm i n i n g ，t h ea s c e n d i n gm i n i n gs c h e m e ， a s c e n d i n gm i n i n gs y s t e ma n da s c e n d i n gm i n i n gs a f e t y o fa s c e n d i n g m i n i n gs e q u e n c ew e r es t u d i e d ． 2 F i e l dg e o l o g i c a li n v e s t i g a t i o no fm i n e ，i n d o o rt e s t h a db e e n d o n e ，i nv i e wo ft h eo r e b o d ym i n i n gt e c h n i c a lc o n d i t i o n s , p u t sf o r w a r d f o u rk i n d so fa s c e n d i n gm i n i n gs c h e m ef o rt h i sk i n do fO r eb o d y , i n t r o d u t e dt h em i n i n gs c h e m ec h a r a c t e r i s t i c s ，s t o p ep r e p a r a t i o na n d s t o p i n gp r o c e s si nd e t a i l ． 3 B a s e do nt h em a j o rm i n i n gs c h e m ea n dO r eb o d yc o n d i t i o n ，p u t f o r w a r dt h r e ek i n d so fd e v e l o p m e n tp l a n ，t h eo p t i m a ld e v e l o p m e n tp l a n w a so p t i m i z e dt h r o u g ht h et o t a lc o n s t r u c t i o ni n v e s t m e n ta n dt h ea n n u a l o p e r a t i o nc o s t ．O nt h a tb a s i s ，F r o mt h ea s p e c t so fe c o n o m i ca n dt e c h n i c a l i n d i c a t o r s ，G o tt h a tt h et o t a ld e v e l o p m e n ts y s t e mi n v e s t m e n to fa s c e n d i n g m i n i n ga n dd e s c e n d i n gm i n i n gi st h es a m e ，A s c e n d i n gm i n i n gn e e dm o r e 2 ．7 6 4m i l l i o ny u a ni ni n f r a s t r u c t u r ei n v e s t m e n tt h a nd e s c e n d i n gm i n i n g a n dm a i n l yi nt h ei n f r a s t r u c t u r eo fv e n t i l a t i n gs h a f t ． 4 O nt h eb a s eo fd e v e l o p m e n ts y s t e m ，d e s i g n e dt h ev e n t i l a t i o n V 中南大学硕士学位论文A b s t r a c t s y s t e mo fa s c e n d i n gm i n i n g ，A n dc o m p a r e dt h ev e n t i l a t i o nr e s i s t a n c eo f a s c e n d i n gm i n i n ga n dd e s c e n d i n gm i n i n gi nl a t e rr e c o v e r y , g o tt h a tt h e a s c e n d i n gm i n i n gv e n t i l a t i o nr e s i s t a n c ei ss m a l l e ra n dv e n t i l a t i o ne f f e c ti s b e t t e r ．C a l c u l a t e dt h ew a t e ri n f l o wo fa s c e n d i n gm i n i n gm i n e ，d e s i g n e d t h ed r a i n a g es y s t e m ，c o m p a r e dt h ed r a i n a g ee f f e c to fa s c e n d i n gm i n i n g a n dd e s c e n d i n gm i n i n ga n dk n e wt h a ta s c e n d i n gm i n i n gd r a i n a g ee f f e c ti s b e t t e r ． 5 B a s e do nt h ea r c ht h e o r yo fF a y o l ，a n dc o m b i n e dw i t hm a t e r i a l m e c h a n i c s ，r o o fd e f o r m a t i o na n dd a m a g em e c h a n i c sm e c h a n i s mo f a s c e n d i n gm i n i n ga n dd e s c e n d i n gm i n i n g ．S i m u l a t e dt h er o o ma n dp i l l a r m e t h o do fa s c e n d i n gm i n i n ga n d d e s c e n d i n gm i n i n gb yF L A C 3 D ， a n a l y z e dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no fm i n e r o o fp a n e l ，p i l l a ra n df i l l i n gb o d yr e s p e c t i v e l y , a n dg o ti t sc h a n g el a w ． S i m u l a t e ds t a g em i n i n gs e q u e n c eo fa s c e n d i n gm i n i n ga n dd e s c e n d i n g m i n i n g ，A n a l y z e dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no f s u r r o u n d i n gr o c ka n dr o o fa f t e re x c a v a t i o n ，g o tt h ei n t e r a c t i o nl a wo f s t a g ei nt w om i n i n gs e q u e n c ea n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e s sa n d d i s p l a c e m e n tc h a n g ea n dt h er e c o v e r ys t e p s ． K e y w o r d s a s c e n d i n gm i n i n g ，s t e e po r e b o d y , m i n i n gm e t h o d ，d e v e l o p m e n t s y s t e m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n C l a s s i f i c a t i o n T D 8 6 3 V I 中南大学硕士学位论文 目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 国内外上行开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．1 国外上行开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．1 国内上行开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 金属矿上行开采采矿方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10 2 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 矿山地质及开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．1 矿山地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．2 矿体开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．3 采矿方法选择原则与思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．4 上行开采采矿方法设计与研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．4 ．1 同在原岩中布置出矿底部结构的房柱式中深孔充填采矿法⋯⋯⋯。1 3 2 ．4 ．2 垂直深孔嗣后充填无间柱连续采矿法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．4 ．3 无间柱阶梯式连续回采分层充填采矿法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．4 ．4 房柱式垂直深孔侧向崩矿嗣后充填采矿法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 4 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 金属矿上行开采主要系统设计与研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 9 3 ．2 上行开采开拓方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．2 ．1 箕斗主井 罐笼副井 采区斜坡道开拓系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．2 ．2 罐笼主井 罐笼副井 采区斜坡道开拓系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．2 ．3 箕斗主井 斜坡道 专用进风井开拓系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．2 ．4 开拓方案比选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 V I I 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．2 ．5 上行开采与下行开采开拓方案比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 3 ．3 上行开采通风系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 3 ．3 ．1 通风方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 3 ．3 ．2 通风系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 3 ．3 ．3 风量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 2 3 ．3 ．4 上行开采与下行开采矿井通风阻力比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 3 ．4 井下排水⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 3 ．4 ．1 矿井涌水量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 3 ．4 ．2 排水系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 3 ．4 ．3 上行开采与下行开采排水效果比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 金属矿床上行开采力学机理及数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．1 地下矿床开采力学机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．1 ．1 下行开采顶板变形破坏力学机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 4 ．1 ．2 上行开采顶板变形破坏力学机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 0 4 ．2 数值模拟基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 l 4 ．2 ．1 模拟矿岩参数的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 4 ．2 ．2 模拟方案的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．3 不同回采顺序阶段内回采模拟及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 4 ．3 ．1 模型的建立及初始平衡⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．3 ．2 开采过程应力分布及规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 4 ．3 ．3 开采过程位移分布及规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 0 4 ．4 阶段开采顺序模拟及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 4 ．4 ．1 模型建立及初始平衡⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 4 ．4 ．2 应力分布及规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 4 ．4 ．3 位移分布及规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 5 全文总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 5 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 9 攻读硕士学位期间发表的论文及成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 l V I I I 中南大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景 我国对金属需求的无限性与资源的有限性这一矛盾日益突出，随着地下金属矿山 开采强度不断增大，全国很多金属矿山资源日益减少，而新生替代材料目前还不能取 代金属材料的主体地位，因此必须减少金属资源浪费，提高资源回收率。且矿山开采 造成的环境破坏和环境污染不容忽视，据统计，目前我国金属矿山尾矿达4 0 亿吨， 占各类工业固体废料的4 0 ％，而我国尾矿利用率只有2 ．5 ％。矿山废石场及尾矿库每 年新增占用土地2 0 0 “ - - 3 0 0 k m 3 ，破环大面积植被，大量有毒有害物质通过地表水及风 力作用扩散，导致生态环境受到巨大破坏【l 】，矿山废石场与尾矿库的土地复垦一直属 于世界级难题，因此要解决采矿与环境保护的矛盾，除了有针对性的治理以外，更重 要的是变被动治理为主动地从根源上解决问题。例如，在进行矿山设计时就应考虑回 填方案，以减少地表废石和尾砂的排放量； 等等。针对以上提出的“提高资源回收率， 设计时选择对地表破坏较小的开采方案， 减少采矿排出物、减少采矿对环境破坏“ 这一课题，可从地下金属矿山阶段开采顺序的选择入手，作进一步的技术研究与探索， 从而达到建设可持续发展的节约型矿山的目的【引。 传统地下金属矿山阶段开采顺序是采用下行式开采，即先回采上部中段矿石，然 后逐阶段的回采下部矿石，这是“边投资，边基建，边回采，边收益”思想的产物， 其特点是初期投资少，基建时间短，投资见效快。但这种开采顺序存在致命的缺点， 即矿山必须征用大面积土地修建废石场和尾矿库，造成大量农田被占用，环境被破坏 【3 】，而且这种开采模式资源浪费较为严重，回收率低。生产安全方面由于上部岩体首 先破坏，其破坏范围随着生产阶段的下移而变大，较容易产生应力集中而使采场顶板 地压增大，因此使采场顶板的安全条件变差。另外，如果上部岩体破坏波及地表或上 部含水层，易使地表水或含水层中的水流入采空区，使采场顶板的稳固条件恶化，甚 至有淹井的危险。 为解决地下金属矿山采用下行开采存在的上述问题，本文提出对上行阶段开采顺 序进行试验研究。所谓上行开采，即矿山一次开拓到经济上最优和技术上可行的最大 深度，从最深部中段开始回采，同时在其上部l ～2 个中段进行开拓和采准。上部中 段掘进开拓和采准巷道产出的废石，通过废石溜井充填到下部中段采空区，进行块石 充填，然后再将尾砂与胶凝材料混合后，充填至采场与块石结合，形成较高强度的充 填体，从而实现废石不出坑的构想。 中南大学硕士学位论文绪论 1 ．2 研究目的及意义 1 ．2 ．2 研究目的 近年来，上行开采越来越引起我国采矿界的重视，但至今仍缺乏成熟的理论体系 与成套的技术来指导上行开采的实施。因此，本文的研究目的有以下几个方面 1 对上行开采工艺技术进行探索性研究，包括采矿方法、开拓系统、通风系 统、排水系统等，定量的与下行开采进行比较，得到上行开采的优缺点。 2 研究上行开采顶板与围岩的宏观演化规律、应力分布规律及位移分布规律。 3 通过数值模拟尽可能多的模拟各种情况的上行开采方案，得到围岩的移动 规律、应力分布规律等，将这些规律进行总结提升，得到一般性规律。 总而言之，对上行开采的研究还处于初级阶段，研究所得到的方法和规律可以为 后人的探索提供借鉴和帮助，为上行开采的发展做出贡献。 1 ．2 ．1 研究意义 国内外上行开采工程实践始于2 0 世纪7 0 年代，在世界采矿界广泛关注和研究的 同时，有计划地进行试采。尤其是以前苏联、波兰、中国等作为代表的国家进行了大 量相应的研究与实践，取得了一些值得肯定的成果，创造了较为客观的经济效益，积 累了一定的实践经验【4 】。上行阶段开采作为一种特殊的开采方式，具有很强的优越性 与适用性，研究上行开采具以下几方面意义 1 探明矿体方面，不管是下行方案还是上行方案，都需要在生产期间进行生 产探矿，只不过下行方案是从上到下逐步探清，上行方案是从下向上逐步探清，无优 缺点之分。但是如果先期探明最低阶段的矿体分布情况，就会有利于提前掌握远景储 量，从而可以早作决策，工作较主动。国内有很多矿山因为不清楚深部矿产储量而造 成决策失误的案例并不在少数。 2 废石充填方面，采用上行开采，可以非常方便的将本中段采掘的废石就近 排入下中段的采矿区，从而有效的减少废石的地表排量，不仅减少了环境污染，而且 还减少了废石场的租地费和退役治理判5 1 。由于及时对采空区进行充填，生产安全性 高，回采效率高、并可降低生产成本。采用下行开采时，废石充填一般首先要经过井 筒提升，将废石提升至地表倒入废石场，然后造进行将废石回填至采场，难度大、工 作效率低、费用较高。所以上行开采在废石充填方面优于下行开采。 3 生产安全方面，上行开采由于上部矿岩未遭到破坏，完整性较好，根据应 中南大学硕士学位论文 绪论 力拱原理，采场顶板的压应力不会很大。对于深部采场，上行开采始终受到应力拱的 保护，下部中段采场又能得到及时的充填，所以生产安全性较高【6 】。而下行开采由于 上部岩体首先遭到破坏，且破坏范围随着开采深度的增加而增大，很难产生应力拱， 容易产生应力集中，使采场顶板遭到破坏。 4 通风方面，由于回采完毕的下部中段巷道不需要通风，可以进行封闭，从 而使通风网络始终保持简单，通风管理也较为方便，费用较低。下行开采上部回采完 毕中段巷道较多，通路多，使得通风网络较为复杂，容易形成非常严重的漏风和通风 短路现象，需要的通风局扇较多，管理难度很大，通风效果较差。 5 排水方面，随着开采阶段上移，可以将排水泵上移，把下部回采结束的中 段巷道都作为水仓，污水经过沉淀后在外排，可以减少外排水中的泥沙含量，从而减 少对地表水的污染和对排水设备的损坏。由于上部中段矿体未采动，矿岩完整性较好， 地表水流入井下的通道很少，涌水量就少，加上下部中段采空区与巷道充满水，限制 了地下水的上涌，因此排水量有所减少【J 7 1 。由于“水仓”容量大，在汛期的调洪能力 较大，有利于安全生产，平时进行间歇集中排水，节省人力。随着开采中段上移，排 水高度减小，可以提高排水设备的效率，排水费用低。 6 采场结构方面，上行开采由于采场顶部是完整岩体，所以采场开采到上一 中段时，可以不留顶柱。由于不需要考虑下中段采场的回采，所设底柱只须考虑出矿 的需要，从而采场底部结构得到简化。而下行开采既要考虑上部中段回采的影响而留 设顶柱，又要设置厚实的底柱，使采场结构复杂化。由于顶底柱的回收较为困难，所 以上行开采在矿石回收率和损失贫化率方面都要优于下行式。 尽管对上行开采已经有了一定的实践和认识，但至今为止仍缺乏成熟的理论体系 与成套的技术方法科学地指导上行开采。上行开采的矿压现象不能用现有的下行开采 顶板岩层控制理论和经验解释。科学家K a n t ．E ．曾说过，任何- f - j 自然科学或者某自然 科学的一个方向，只有当它能应用数学工具进行研究时，才能算是- l - J 发展渐趋完善 的真实科学，而且一l - J 科学对数学工具的应用程度，就是这门科学渐变为真实成熟科 学的发展程度【8 】。衡量一门学科或其某一方向成熟与否的重要指标就是看它能多大程 度上科学地知道工程实践。可见从理论和技术层面上讲，上行开采作为开采顺序比较 特殊的开采方法，到目前为止远未成熟。 要保持金属矿山的高效可持续发展，确保矿产资源供应，就必须对金属矿山的上 行开采进行研究。而目前金属矿山的上行开采成熟经验较少，也没有系统科学的基础 理论作为支撑，这就为采矿、岩土界科技工作者提出了新的课题。 综上所述，目前国内大多数金属矿山普遍采用下行式开采，矿石回收率较低、损 失贫化高，对土地侵占面积大，环境破坏严重。而现有下行开采技术和理论不适用与 上行开采，有关可行性判定问题、岩层移动变形问题等一系列基础理论方面的问题尚 中南大学硕士学位论文绪论 没有系统的科学认识。因此，深入、系统地研究金属矿山上行开采的技术以及围岩结 构和岩层移动变形规律，确定矿压的防治措施，探索出一种适用于金属矿山的上行开 采技术与岩层结构理论与控制技术，对于国内外金属矿山的可持续发展具有重要意 义。 1 ．3 国内外上行开采研究现状 国内外上行开采工程实践始于2 0 世纪7 0 年代，尤其是以前苏联、波兰、中国等 为代表的国家进行了相应的研究与实践，取得了一些值得肯定的成果，创造了较为可 观的技术经济效益，积累了一定的实践经验【9 】。目前金属矿上行开采的研究还处于初 始探索阶段，大部分研究内容都是定性的分析，而煤矿上行式研究则较为系统深入。 尽管煤矿与地下金属矿山有较大区别，但是一些煤矿上行开采的理论与思想还是能借 鉴到金属矿山上行开采实践中。所以，本文在煤矿研究现状的基础上进一步阐述金属 矿的研究内容。 1 ．3 ．1 国外上行开采研究现状 1 、国外煤矿上行开采研究现状 国外煤矿上行开采研究经验最多的国家主要是前苏联和波兰。 前苏联煤矿上行式开采的实例较多，库兹巴斯矿就是其中之一。库兹巴斯矿是生 产优质炼焦煤的基地，过去采用下行开采方法开采煤层群，限制了矿井生产能力和新 井建设的发展。后来采用上行开采，获得了丰富的上行开采经验及研究成果。 其实践经验为，开采缓倾斜或倾斜煤层时，受下部煤层采动影响，当采动影响倍 数K ≥1 0 ，可成功进行上行开采；当下部煤层进行开采时，若采动影响倍数K 8 ， 可正常开采上部煤层；开采缓倾斜或倾斜煤层时，在层间距为1 8 “ - - 8 5 m 的条件下，上、 下煤层开采的间隔时间为3 “ - 1 2 个月；开采急倾斜煤层时，在层间距为8 “ - - 7 0 m 的条 件下，上、下煤层开采的间隔时间为3 ～l O 个月【1 0 1 。 前苏联学者认为，足够的层间距是上行开采的基本条件，其中主要理论有 1 T B 达维江茨认为，上、下煤层层间距与采高成正比，即 H 2 0 M 1 - 1 2 A F I 基里雅奇科夫研究顿巴斯矿区上行开采实例后认为，当开采下部煤 层时，上部煤层能否正常开采，应按下式计算层间距 H 1 2 M - I - 3 ．5 M 2 1 ．2 3 F H 库兹涅佐夫认为，层间距与下煤层采高及岩石碎胀系数有关，即 4 中南大学硕士学位论文绪论 H 丝 ．M 1 ．3 K e 1 4 B 皿斯列沙烈夫认为，若层间距大于冒落带高度，则可进行上行开采， 并用下式计算 日 丝 1 ．4 K P - 1 C 0 s 口 式中日一上、下煤层的层间距离，m ； M 一下煤层高度，r n ； K ，一岩石碎胀系数； 口煤层倾角， 。 。 煤炭是波兰国民经济的主要支柱之一。波兰建筑物下压煤达1 1 0 亿t 以上 埋深 1 0 0 0 m 以上 。为了采出建筑物下的压煤，早在1 9 2 0 - - 1 9 3 0 年，就有计划地试采上西 里西亚煤田建筑物下的保护煤柱。19 4 5 年以后，开始大规模开采建筑物及铁路下的保 护煤柱，获得了丰富的开采实践经验。在建筑物及铁路下采煤时，有采用下行开采， 也有采用上行开采。顶板管理方法有全部垮落法、水砂充填法，也有两者兼而用之【l l 】。 波兰采用上行开采成功回采缓倾斜煤层的实例表明当开采下部煤层时，当采动 影响倍数K 6 ，可成功进行上行开采；当K 6 时，上煤层受到不同程度的破坏，不能 进行上行开采。当下部开采多个煤层时，综合采动影响倍数疋 6 ．3 ，可成功进行上行 开采；当K 5 时，上煤层受到不同程度的破坏，不能进行上行开采。采用充填法上 行开采时，采动影响倍数K 2 ．3 ～2 ．9 ，上煤层未受破坏，生产正常。上、下煤层开采 的间隔时间一年以上。 波兰学者同样认为煤层之间的距离是决定能否进行上行开采的主要条件之一。代 表性的观点有 1 W 捷赫茨认为，层间距与下煤层采高成线性关系，即 H 1 2 M 1 ．5 2 B 克鲁宾斯等人也认为，层间距与下煤层采高成线性关系，即 M I ．5 m 时，H 1 2 M 1 ．6 3 M 胡德克等人认为，层间距与采高成正比，与岩石碎胀系数及冒落矸石 压缩率成反比关系，即 日』L 上 1 ．7 K P 一1l 一7 7 式中7 7 一冒落矸石的压缩率 中南大学硕士学位论文 绪论 4 马克叶夫斯基认为，层间距与下煤层采高的平方成正比，与岩石的碎胀系
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