地下矿山协同开采技术及工程应用研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯． U D C 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯ 十l 初大警 C E N T R A I ，S O U 疆U N I V E R S I T Y 硕士学位论文 地下矿山协同开采技术及 论文题目 ⋯⋯⋯⋯⋯三裂夏鬲辫莞⋯⋯⋯⋯⋯’ 学科、专业⋯⋯⋯⋯⋯⋯墨芝王握⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯⋯。翅蔬金⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 量肾；彗冀口釜 邓红卫副教授 专业技术职称⋯⋯⋯⋯_ n 麓志⋯- 旦土舱舞杰⋯⋯⋯⋯⋯ 硕士学位论文 密级 删, f2 ㈣4 2 4 ㈣5 0 0 地下矿山协同开采技术及工程应用研究 S t u d y o nU n d e r g r o u n dM i n eS y n e r g e t i cM i n i n g T e c h n o l o g ya n dE n g i n e e r i n gA p p l i c a t i o n 作者姓名 学科、专业 学院 系、所 指导教师 胡普仑 采矿工程 资源与安全工程学院 邓红卫副教授 论文答辩日期坦 兰 塑j答辩委员会主席盏。』三垒／ 中南大学 2 0 1 2 年11 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。 作者签名日期2 11 兰年j 上月2 堑日 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。 硕士学位论文摘要 摘要 地下矿山开采系统是～个开放的复杂巨系统，系统之间关系错综 复杂。缓倾斜薄．中厚多层矿体是矿业界公认的难采矿体，如何协调 开采过程中资源、技术、经济以及矿山开采系统各子系统之间的关系， 实现矿体安全、高效、低成本、低贫损开采，一直是国内外采矿专家 关注的焦点。论文以云锡集团老厂分矿1 3 ．8 4 矿群为研究对象，基于 协同开采新理念，综合运用协同学理论、系统工程、岩石力学、数字 矿山技术、数值模拟等理论和工具，开展了地下矿山协同开采技术与 应用研究。主要研究内容包括 1 运用协同学理论，研究了地下矿山开采系统演变规律和地 下矿山协同开采的适用性，在此基础上，分析了协同开采的思想来源、 基本模式、评价机制和本质内涵，为地下矿山协同开采奠定了理论基 础。 2 基于协同开采新理念，提出了缓倾斜薄．中厚多层矿体协同 开采的技术思路，采用3 D m i n e 矿业工程软件建立了三维数字矿床模 型，利用复杂系统解耦理论对多层矿体开采系统进行解耦，引入理论 力学速度和加速度的概念分析了多层矿体开采系统的协同力学特征， 在此基础上，开展了多层矿体采矿方案、采掘运充设备配置方案、无 轨与有轨相结合开拓方案的协同研究，确保多层矿体的安全、高效、 协同开采。 3 运用协同学序参量原理，构建了基于序参量的复杂系统协 同度测度模型，确定了多层矿体协同开采的序参量、序参量分量及其 指标体系，开展了多层矿体协同开采的协同度测度研究，实现了多层 矿体开采协同程度的定量评价。 4 采用3 D m i n e ．M I D A S ／G T S ．F L A C 3 D 耦合建模的方式，建立 了多层矿体协同开采的数值模型，运用基于指标满意度的多指标综合 评价模型分析了回采顺序的数值模拟结果，从理论上验证了基于协同 开采新理念的上向上行式开采方式的可行性。 关键词缓倾斜薄．中厚多层矿体，协同学理论，协同开采，协同度， 回采顺序，数值模拟 A B S T R A C T U n d e r g r o u n dm i n i n gs y s t e mi s a r lo p e na n dc o m p l e xg i a n ts y s t e m a n dr e l a t i o n s h i p sa m o n gs y s t e m sa r ei n t r i c a t e ．G e n t l yi n c l i n e dt h i nt o m e d i u m ．t h i c km u l t i l a y e ro r e b o d i e sa r eg e n e r M l ya c k n o w l e d g e dt ob e d i f f i c u l tt om i n i n gi nm i n i n gi n d u s t r i e s ．H o wt oc o o r d i n a t er e l a t i o n s h i p s a m o n gr e s o u r c e ，t e c h n o l o g y ，e c o n o m y a n do t h e rs u b s y s t e m si ng i a n t m i n i n gs y s t e mo fm i n i n gp r o c e s sa n da c h i e v es a f e ，h i g h l y - e f f i c i e n t ，l o w c o s t ，a n dl o wl o s sm i n i n gh a v eb e e nf o c u s e da n dd i s c u s s e db ya l lm i n i n g e x p e r t sa th o m ea n da b r o a df o rl o n gt i m e ．T h i sp a p e rc h o o s eL a o c h a n g B r a n c hm i n e13 ．8 ”o r eg r o u po fY u n X iG r o u pa sr e s e a r c ho b j e c t ．B a s e d o ns y n e r g e t i cm i n i n gn e wt h e o r y , c o m p r e h e n s i v eu s et h es y n e r g e t i c t h e o r y ，s y s t e me n g i n e e r i n g ，r o c km e c h a n i c s ，D i g i t a lm i n et e c h n o l o g y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h e o r ya n dt o o l s ，u n d e r g r o u n dm i n e ss y n e r g e t i c m i I l i n gt h e o r ya n di t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o nw e r er e s e a r c h e d ．T h em a i n r e s e a r c hw o r k sa sf o l l o w s 1 D e p e n d0 1 2s y n e r g e t i ct h e o r i e s ，e v o l u t i o no fu n d e r g r o u n dm i n i n g ．s y s t e m sa n da p p l i c a b i l i t yo fs y n e r g e t i cm i n i n gi nu n d e r g r o u n dm i n e s w e r es t u d i e d ．B a s e do nt h i s ，S O u r C eo fi d e a ，b a s i cm o d e ，e v a l u a t i o n m e c h a n i s ma n de s s e n t i a lc o n n o t a t i o nw e r es t u d i e d ，a n dl a yt h e o r e t i c f o u n d a t i o nf o rs y n e r g e t i cm i n i n go fu n d e r g r o u n dm i n e s ． 2 B a s e do nt h en e wt h e o r ys y n e r g e t i cm i n i n g ，p u tf o r w a r dt h e s y n e r g e t i cm i n i n gt e c h n i c a lt h e o r yu s e d i n g e n t l yi n c l i n e d t h i nt o m e d i u m ．t h i c km u l t i l a y e ro r e b o d i e s ，a d o p t e d3 D M i n em i n i n ge n g i n e e r i n g s o f t w a r et ob u i l d3 Dd i g i t a lo r em o d e l ，a n du s e dt h ec o m p l e xs y s t e m d e c o u p l i n gt h e o r yt od e c o u p l et h em u l t i l a y e ro r eb o d i e sm i n i n gs y s t e m ， a n a l y z e ds y n e r g e t i cm e c h a n i cc h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i l a y e ro r eb o d i e s m i n i n gs y s t e mb yu s i n gc o n c e p t s o ft h e o r e t i cm e c h a n i c ss p e e da n d ’a c c e l e r a t i o n ．A n db a s e do nt h er e s e a r c h ，m i n i n gm e t h o d so fm u l t i l a y e r o r eb o a y , c o n f i g u r a t i o np r o g r a m so fm i n i n gt r a n s p o r t a t i o na n df i l l i n g e q u i p m e n t s ，c o m b i n i n gt r a c k l e s s a n dr a i l e dt r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n t s w e r er e s e a r c ht oe n s u r et h es a f e ，h i g h - e f f i c i e n t ，a n ds y n e r g e t i cm i n i n g ． 3 B a s e do ns y n e r g e t i cp r i n c i p l e o f o r d e rp a r a m e t e r , b u i kt h e c o m p l e xs y s t e m ss y n e r g e t i cd e g r e em e a s u r e m e n tm o d e ，o r d e rp a r a m e t e r s ， I I 硕士学位论文 A B S T R A C T o r d e rp a r a m e t e rc o m p o n e n t sa n di n d e xs y s t e mo fs y n e r g e t i cm i n i n go f m u l t i l a y e r o r e b o d i e sw e r ed e t e r m i n e da n dm e a s u r e m e n to fs y n e r g y d e g r e ew a sc a r r i e do u t ． 4 A d o p t e dc o u p l i n gm o d e l i n gw i t h3 D m i n eM I D A S ／G T SF L A C Ⅲ， n u m e r i c a lm o d e lo fs y n e r g e t i c m i n i n gm u l t i l a y e r o r eb o d i e sw a s e s t a b l i s h e d ．B a s e do nt h em u l t i i n d e xc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e l ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so fm i n i n gs e q u e n c ew e r ea n a l y z e d ． O v e r h e a dm i n i n gf i o ml o w e rt ou p p e rb a s e do ns y n e r g e t i cm i n i n gp r o v e d t ob er a t i o n a 】． K E YW O R D S g e n t l yi n c l i n e dt h i nt om e d i u m t h i c km u l t i l a y e r o r e b o d i e s ，s y n e r g e t i ct h e o r y ，s y n e r g e t i cm i n i n g ，s y n e r g e t i cd e g r e e ， m i n i n gs e q u e n c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n I I I 硕士学位论文目录 目录 摘j l 要．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．Ⅳ 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．1 课题来源及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．- ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．1 ．1 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．1 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．2 ．1 缓倾斜薄．中厚多层矿体开采技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．2 协同学理论及矿体协同开采技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．3 论文主要研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．3 ．2 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 第二章地下矿山协同开采理论研究⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．1 协同学理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1 ．1 协同学基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1 ．2 协同学基本演变方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 地下矿山开采系统研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．1 地下矿山开采系统构成及开采过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．2 地下矿山开采系统的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 - 3 地下矿山开采系统演变规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 地下矿山协同开采适用性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．3 ．1 协同开采可行性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．2 协同开采必要性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 地下矿山协同开采机制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 I V 硕士学位论文 目录 2 ．4 ．1 协同开采思想来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．4 ．2 协同开采基本模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 ．3 协同开采评价机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 ．4 协同开采本质内涵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 第三章缓倾斜薄．中厚多层矿体协同开采方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．1 多层矿体资源概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．1 ．1 矿区地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．1 ．2 开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 ．3 开采现状及存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 多层矿体协同开采技术思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 多层矿体开采系统协同力学模型及解耦机制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 ．1 多层矿体开采系统解耦机制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 。2 多层矿体开采系统协同力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 3 ．4 多层矿体协同开采方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．4 ．1 采矿方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．4 ．2 设备配置研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．4 ．3 开拓方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 第四章多层矿体协同开采协同度测度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．1 系统协同度测度的基本方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 多层矿体协同开采序参量的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 ．I 序参量的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 ．2 序参量指标体系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．3 多层矿体协同开采协同度测度模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．3 ．1 有序度模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．3 ．2 协同度模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 8 4 ．3 ．3S D M S 模型数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．4 多层矿体协同开采协同度测度实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 V 硕士学位论文 目录 4 ．4 ．1 测度步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 4 ．4 ．2 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 3 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 第五章多层矿体协同开采回采顺序数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．2 基于指标满意度的多指标综合评价模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．2 ．1 指标满意度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～5 5 5 ．2 ．2 多指标综合评价模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 多层矿体协同开采回采顺序数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．3 ．13 D r a i n e ．M I D A S ／G T S ．F L A C 3 D 耦合建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．3 ．2 矿岩物理力学参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．3 ．3 岩体破坏准则．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．3 ．4 数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．4 计算结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．4 ．1 计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 l 5 ．4 ．2 结果处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 5 ．4 ．3 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 9 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 6 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 6 ．2 主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 6 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 6 V I 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 矿产资源是人类社会发展的重要物质基础，曾一度在西方发达国家工业化进 程中起到关键性作用f l 2 j 。上世纪末，以中国、印度为代表的发展中国家先后开 始新一轮工业化浪潮，全球对矿产资源的需求与日俱增，消耗不断加剧。现阶段， 我国9 0 ％以上的能源、8 0 ％以上的工业原料、7 0 ％以上的农业生产资料均来源于 矿产资源【3 ，4 j 。特别是近年来，随着国家七大战略新兴产业的发展，空间站、大 飞机、高速交通、嫦娥工程等重大战略工程的实施，对锡、铅、锌、铁、铜、铝 等金属矿产资源需求高峰已经到来，预计未来1 0 ．2 0 年，我国经济和社会发展对 矿产资源的依赖程度将更加凸显。 然而，我国矿山资源保障年限严重不足，许多矿山的资源保障年限不足1 0 年，在1 1 3 个大中型矿山中，探明资源枯竭型矿山占到6 0 ％，目前国内正在开采 的矿山，条件好、品位高的浅部资源消耗殆尽，难采矿体的储量占总储量的比重 越来越大，未来一段时间，矿产资源开发不得不向深部、残留、难采地段推进。 2 0 1 1 年1 0 月国务院常委会议通过了国土资源部提出的找矿突破战略行动纲要 2 0 1 1 - 2 0 2 0 年，号召中国未来十年“举全国之力找矿”，拟用3 年时间取得 地质找矿重大进展，5 年时间实现地质找矿重大突破，8 - 1 0 年时间重塑矿产勘查 开发新格局【5 】。另一方面，我国矿产资源浪费严重，“三率” 开采回采率、选矿 回收率、综合利用率 水平不高，平均利用率只有3 0 ％～3 5 ％，远低于世界先进 水平，采矿机械化程度和工艺技术水平相对落后，发展矿业任重而道远。 2 0 1 2 年6 月，国家发改委牵头4 0 个部f - J N 定了我国首个可持续发展国家报 告 2 0 1 2 中国可持续发展国家报告，报告中明确指出资源的可持续利用对 建立我国矿产资源战略保障体系以至整个国家的可持续发展起着至关重要的作 用。因此，如何在现有资源条件下实现矿业的可持续发展是我们正面临的一个重 大问题。 业化 段 图1 ．1不同阶段人均G D P 同人均矿产资源消耗变化“s ”型曲线 硕士学位论文第一章绪论 图1 - 2 我国1 1 3 个大中型矿山的资源保有情况 1 ．1 课题来源及研究意义 1 ．1 ．1 课题来源 本论文研究内容源自课题组横向课题“云锡有轨和无轨相结合高效采矿工艺 技术与装备应用研究”及云南省省院省校科技合作项目“深埋高价值复杂难采矿 体协同高效无废开采综合技术研究”。 “世界锡业看中国，中国锡业看云锡”，云南锡业集团 控股 有限责任公 司 以下简称“云锡集团” 是世界著名的锡生产、加工基地，在世界锡行业中 排名第一。作为一个资源型企业，其矿产资源基础是企业可持续发展的根本，个 1 1 3 锡矿区资源储量占到世界锡储量的十分之一，中国锡储量的三分之一。然而， 随着个旧东区地表砂锡矿、浅层氧化矿开采殆尽，资源枯竭曾一度严重制约了云 锡集团乃至矿业城市个旧市的可持续发展。近几年来，通过对个旧矿区地质 成矿规律、成矿特征的综合研究，打破了花岗岩成矿一元论，提出了花岗岩、海 底喷流沉积岩、基性火山岩三大成矿系列，提出了“两楼一梯”的原生矿矿床结 构模式。另一方面，近年云锡集团着手区域矿山建设，通过“三平五竖”工程将 “三区三厂五分矿”连成整体，实现了资源整合。区域矿山建设的重要工程 1 3 6 0 、1 6 0 0 、1 8 0 0 “三大平台”是个旧东区集矿床勘探、矿山开拓、矿石运输多 功能于一体的综合性平台，通过“三大平台”工程的延伸，得以有条件实施全区 域内深部资源勘探，经过几年的努力，个l B 东区深部找矿取得了可喜的成果，企 业可持续发展的资源保证得到了恢复，曾经一度受资源枯竭困扰的云锡集团又一 次焕发了新春。 从目前勘探成果来看，赋存于花岗岩突起与碳酸盐类岩层接触带上的矿体将 是重要的接替资源。纵观整个个旧东区，这部分资源具有以下特点 1 储量大， 锡、铜品位高； 2 矿体埋深大，一般在7 0 0 m 以上； 3 由于花岗岩突起分布 与形态复杂，层间矿较多，厚度从薄向中厚变化，倾角从缓倾斜向倾斜变化； 4 矿体下盘常为不稳固的花岗岩，上盘顶板不稳固花岗岩也常见，工程地质条件复 硕士学位论文第一章绪论 杂。目前已经探明的老厂1 3 8 “矿群就是赋存于花岗岩接触带的深埋缓倾斜薄一中 厚多层矿体的典型代表。此类矿体开采难度大，技术要求高，传统的采矿方法生 产效率低，难以实现规模化开采，采场项板管理复杂，地压管理困难，上下水平 回采相互影响严重，作业人员安全保障度不高，必须寻求新的采矿工艺技术与装 备来适应矿山安全、高效、低成本、低贫损开采的要求，与此同时，云锡集团自 上而下大力推行高效采矿法。鉴于此，本文以1 3 8 4 矿群为研究对象，开展了地 下矿山协同开采技术与应用研究。 产矿 ／厂■_ 北揶堍广 一、一 r ■ 。{ - 栩晷蛆‘ 图1 - 3 云锡集团区域矿山基本构架 1 ．1 ．2 研究意义 1 提高缓倾斜薄．中厚多层矿体协同开采技术水平。 顶底板破碎的缓倾斜薄．中厚多层矿体，由于在开采过程中存在矿石运搬困 难、顶板管理困难、采切比居高不下以及多层矿体之间的相互影响、相互制约等 问题，一直是矿业界公认的难采矿体【6 I 。缓倾斜薄．中厚多层矿体协同开采从矿 山系统、采矿方案、开采设备多方面协同考虑，不仅针对某个矿体，也不只针对 某个工艺，而是从矿山开采全局考虑，从整体上提高其开采水平，确保多层矿体 安全、高效、协同开采。 2 积极探索协同学理论在指导矿山开采过程中的应用。 协同学是研究系统之间相互作用、相互影响以及系统从无序向有序转化规律 的学科。地下矿山开采系统是一个复杂的巨系统，整个采矿过程实际上是一个处 理复杂系统之间相互关系的过程，各个系统之间、各个工艺之间、矿体回采和空 硕士学位论文 第一章绪论 区处理、落矿和出矿、工艺和装备、盘区回采时窄顺序等客观上都存在协同合作 的关系，主动地运用协同学理论来分析和处理矿山开采过程中的这些关系，对协 同学理论的发展和矿体开采技术的提高都将起到巨大的推动作用。正如哈肯在他 的协同学导论中所指出的那样“协同学是一门很年轻的学科，有许多惊人 的结果还在前头。” 3 对老厂分矿乃至云锡集团开采技术水平的提高具有重大现实意义。 老厂分矿1 3 ．8 “矿群属于深埋缓倾斜薄．中厚多层矿体，其赋存特点和开采技 术条件在云锡集团个旧东区具有代表性和典型性，开展多层矿体的安全、高效、 低成本、低贫损协同开采技术研究，实现采矿技术的创新变革，对提高老厂分矿 的开采技术水平，进而提高整个云锡集团的开采技术水平，促进云锡集团的可持 续发展将具有十分重要的现实意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 缓倾斜薄．中厚多层矿体开采技术研究现状 1 缓倾斜薄矿体开采技术研究现状 目前来看，国内对于此类矿体的开采方法主要有房柱法、全面法、充填法 和壁式崩落法，其中，房柱法和全面法占到7 0 ％以上，其它采矿方法的比例不到 3 0 ％；而国外以充填法为主，比列逐年增大，房柱法、全面法所占比例不高，且 有逐年下降的趋势。 况世华【7 J 等针对缓倾斜薄矿体开采中存在的贫化损失大、安全条件差等问 题，从不留矿柱、单采矿石、利用胶结条柱支撑顶板围岩三个角度综合考虑，解 决了缓倾斜薄矿体的开采难题王素银【8 】等针对缓倾斜薄矿体常规开采的不足， 根据羊坝湾金矿的赋存特点和开采技术条件，提出了改进的采矿方案房柱全 面空场法，在矿段内沿倾向划分矿房和矿柱，先采矿房，随后在矿段一侧掘进切 割槽，并沿走向进行矿柱全面回采，电耙出矿，解决了该矿山的开采难题；腾建 军【9 I 等通过分析曹家埠金矿采矿方法的演变历程和存在问题，进行了小进路全面 采矿法和短壁式崩落采矿法的工业试验，损失率控制在5 ％以内，贫化率小于8 ％， 实践证明，该方案在技术和经济上都是可行的陈琼【1o ] 等通过分析锡矿山南矿 段不同复杂矿体的开采技术条件，因矿生法，创造性的提出了一种适用于缓倾斜 薄矿体的采矿新工艺水压支柱护项全面房柱法，将矿体沿倾向划分盘区，采 场垂直走向布置，回采工作面沿矿体倾向推进，一个回采单元结束后，利用水压 支柱维护采场顶板，随着回采推进，视情况采用密闭隔墙隔离采空区，空区处理 和矿体回采在同一个采区连续进行，该方案改善了采场作业条件，取得了较好的 技术经济指标；韦章能1 1l j 针对安庆铜矿缓倾斜薄矿体的开采技术条件，提出了多 4 硕士学位论文第一章绪论 层矿体中深孔合采嗣后充填的开采新方案，应用凿岩台车、铲运机等现代无轨自 行设备，实现了此类矿体的安全、高效、低成本开采。 洛沃捷尔采选公司针对逆倾斜推进全面法的缺陷，改为双向推进全面采矿 法，矿块上半部沿倾斜回采，下半部逆倾斜回采，新方案的采切比、采矿成本均 有所下降，贫化损失得到有效控制；卡纳苏尔特矿将天井深孔采矿法运用到缓倾 斜薄矿体开采，取得了满意的效果；南非约翰内斯堡联合投资公司采用机械化全 面采矿法，沿走向连续推进，结合高效率的凿岩、运搬设备，劳动生产率提高 1 0 倍以上，经济效益十分显著；南非西德里方丹金矿随着开采向深部推进，地 应力显著增加，冒顶、岩爆时有发生，作业很不安全，针对这一情况，采用高浓 度尾砂分条充填法，地压得到明显改善，贫化损失率基本得到控制1 1 2 J 。 纵观国内外，缓倾斜薄矿体规模化开采的难题在于贫化损失高，资源利用 率低，工序复杂，工作效率低，安全性不高。目前来看，其发展趋势主要是组合 采矿法和高效采掘运充设备的配套应用。 2 缓倾斜中厚矿体开采技术研究现状 缓倾斜中厚矿体在我国占有相当大的比例【l 引，一直以来，采用常规方法开 采，存在矿石运搬困难、顶板管理困难、采切比居高不下等三大难题。国内对于 此类矿体的开采以切顶房柱法和底盘漏斗分段空场法为主，占到8 5 ％以上，其它 主要是充填法和无轨机械化采矿新方案；而国外房柱法所占比例高达6 1 ％，充填 采矿法占到2 3 ％，其它主要为爆力运搬采矿法。随着高效凿岩设备和无轨自行设 备的发展及应用，缓倾斜中厚矿体开采取得了较快的发展。 黄胜生【1 4 】、阳雨平【l5 】等系统分析了国内缓倾斜中厚矿体的开采现状及存在 的问题，提出应当从引进无轨自行设备、优化爆破参数、改进底部结构等三个方 面来寻找出路，预测充填采矿法将是此类矿体的主要发展方向余健I J 6 J 等分析 了缓倾斜中厚矿体开采过程中采场矿石运搬和地压管理的困难，为了充分发挥自 行设备的效率和改善回采作业的安全性，提出了大盘区、小分段的思想，并通过 数值模拟优化了采空区形状，有效控制了采场顶板的稳定性，大红山现场工业试 验结果表明，机械化房柱采矿嗣后废石尾砂混合充填采矿法能显著改善工人作业 条件，生产效率提高3 倍以上赵彬1 1 7 J 等阐述了缓倾斜中厚矿体开采的特点及 存在的主要问题，并从落矿工艺、矿石运搬、地压管理三个方面总结了各开采方 案的优缺点，预测了我国缓倾斜中厚矿体的发展趋势；杨清平”B 】等针对缓倾斜 中厚矿体谦比西铜矿西矿体铜品位较高、顶板破碎的特点，提出了采用上向分层 充填采矿法进行回采，并采用数值模拟的方法进行了验证。 维什涅夫山伟晶花岗岩金属矿床，采用分段房柱采矿法开采，其主要特点是 在各分段平巷布置一条脉内斜坡道，并在其旁布置2 个采场溜井，凿岩台车凿岩， 5 硕士学位论文第一章绪论 铲运机出矿，采切比1 2 m 3 ／l t ，采矿工效4 1 ．1 t ／Z 班，贫化损失控制在1 2 ％以内， 实践证明，该方案在技术和经济上都是可行的；米尔盖利姆赛依铅矿和西德瓦耳 韦尔瓦特铁矿采用对角式运输斜巷房柱采矿法，采矿工作面沿矿体走向推进，矿 石用铲运机或井下卡车通过运输斜巷到达主运输巷道，扩大了房柱法的适应范 围；西德派勒铁矿采用分条密实充填采矿法，把矿体垂直或倾斜分条，逐条回采， 依次充填，效果十分显著；赞比亚穆富利拉铜矿采用瀑布式分段空场法，分矿房 矿柱两步骤回采，爆力运搬，堑沟受矿，铲运机出矿1 13 | 。表1 ．1 ～表1 ．3 列出了国 内外缓倾斜中厚矿体房柱法、底盘漏斗采矿法和上向水平分层充填采矿法的主要 技术经济指标。 纵观国内外，缓倾斜中厚矿体开采的难题主要在于难以权衡安全、效率、成 本、贫损之间的关系。房柱法效率较高、成本低，但资源损失大、安全条件差； 底盘漏斗分段空场法安全性相对高，但矿石贫化损失大、采切比高；充填法则安 全性高、贫化损失小，但成本高，效率低。目前来看，缓倾斜中厚矿体采矿方法 的发展趋势是通过提高矿山的机械化水平和加强矿山科学管理，优化