低品位厚大铜镍矿体高效开采综合技术试验研究.pdf

分类号 UDC 密级 编号⋯⋯⋯⋯⋯ I 申I 初大粤 硕士学位论文 论文题目．⋯⋯低品僮厘太铜镍矿体高效牙采⋯⋯． ⋯⋯⋯一综金攮术试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 学科、专业⋯⋯⋯⋯⋯砬业王程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯一奎⋯强⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯周科壬一教援⋯⋯奎向．东⋯教授⋯⋯． 分类号 UDC 密级 编号 低品位厚大铜镍矿体高效开采 综合技术试验研究 T h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nh i 曲e f f i c i e n t m i n i n g c o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g yf o rl o wg r a d ea n d t h i c kC u - N io r e ． 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 李强 矿业工程 资源与安全工程学院 周科平教授李向东教授 答辩委员会主烨 中南大学 二O 一二年十一月 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。 彳1 吆 作者签名二望墨日期2 竺 垄年』L 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。 硕士学位论文摘要 摘要 本论文基于长沙矿山研究院有限责任公司与哈密和鑫矿业有限公司图拉尔根 铜镍矿合作开展的“图拉尔根铜镍矿采矿方法试验研究”项目，为实现国内低品位中 厚及厚矿体低成本、低贫损、高效开采，研究开发了大直径深孔阶段空场嗣后崩落 强化开采工艺，在解决急倾斜厚大矿体采切工程量大、安全条件差、生产能力不足 等方面显示了较大的优越性。开展了一系列研究，并进行现场工业试验，主要研究 内容和成果如下 1 大直径深孔阶段空场嗣后崩落强化开采工艺将空场法与崩落法进行有机 组合，作业安全，生产效率高，矿石损失贫化得到有效控制，该技术把矿块划分为 两步骤开采，采用大直径深孔全孔侧向崩矿回采一步骤采场，采用中深孔分段崩落 法回采二步骤采场。进而通过工程地质调查和三维数值模拟分析，提出了两翼不同 区域合理的采场结构参数和回采顺序，形成了空区处理和回采相结合的配套技术， 在最大限度回收资源的同时，消除了空区安全隐患。 2 以爆破漏斗试验为先导，得出炸药的最佳埋深，最佳爆破漏斗半径，进 而再根据相似理论，提出扇形中深孔及大直径深孔的基准参数，在此基础上，采用 正交爆破试验进行优化，形成确定凿岩爆破参数的系列试验方法。 3 在阶段落矿回采中，为避免常规大直径深孔爆破对相邻排待采炮孔和二 步骤采场的破坏，采取了合理控制堵塞长度、同排孔间微差V 型爆破、空孔减震等 技术手段，形成大直径全孔侧向边界减震控制爆破综合技术。 4 针对部分试验采场受构造影响稳固性较差等问题，开发了拉底巷超高、 扇形孔孔间微差、孔底起爆相结合的中深孔构建堑沟底部结构技术。素喷封闭 双 筋拱喷锚网支护的复合支护技术。 5 在现场生产工序的凿岩、爆破、出矿等的设备的生产能力标定后，对工 艺作业循环进行计算，确定上下游工序间的设备能力和数量及工艺配套，为矿山今 后规模生产提供依据。 关键词大直径“ 深- T L ，强化开采，低贫损，高效开采，工业试验 A b s t r a c t T h ep a p e rb a s e do nt h ep r o je c t “t h eC o m p r e h e n s i v eT e c h n o l o g y E x p e r i m e n t a lS t u d yS t a g eo fO p e nS t o p i n gA f t e r w a r d sC a v i n gI n t e n s i f i e d M i n i n g ，w h i c hi sc o o p e r a t e dd e v e l o p e db yC h a n g s h aI n s t i t u t eo fM i n i n g R e s e a r c hC O ．，L t da n dH e x i n gM i n i n gC O ．，L t dT u L a E r G e nc o p p e rn i c k e l m i n e ．I np u r p o s eo fm i n i n gl o wg r a d et h i c ka n dm i d t h i c ko r eb o d yi nl o w c o s t ，l o wd i l u t i o n - l o s sa n dh i 曲e f f i c i e n t ，i td e v e l o p e dt h eL a r g e - d i a m e t e r L o n g h o l eO p e nS t o p i n gA f t e r w a r d sC a v i n gI n t e n s i f i e dM i n i n gT e c h n o l o g y t h a ts h o w e dl a r g e rs u p e r i o r i t yi ns o l v i n gt h ep r o b l e m s o fm u c hm o r e p r e p a r a t i o n a n dc u t e n g i n e e r i n g ， 1 a c ko f p r o d u c t i o nc a p a c i t y s t e e p - t h i c k - l a r g eo r eb o d ym i n i n g ．I tc a r r i e do n s e r i a lr e s e a r c h ，a n do n - s i t e i n d u s t r i a lt e s t ，t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 L a r g e ．d i a m e t e rL o n g h o l eO p e nS t o p i n gA f t e r w a r d s C a v i n g I n t e n s i f i e dM i n i n gT e c h n o l o g yc o m b i n e st h eO p e nS t o p i n ga n dC a v i n g m e t h o d ．w h i c h 。s a f e ．e c i e n t ’e f f e c t i v ew a t oc o n t r o lt heminingm e t h o d w h i c h1 Sas a t ee R m m n ta n c le I t e c t l v ew a yg Oc o n u o ，， d i l u t i o n ．1 0 s s ．1 1 1 i st e c h n o l o g ys e p a r a t e st h eo r eb l o c ki n t ot w os t e p s ，t h ef i r s t s t e pi sm i n i n gr o o m su s i n gL a r g e d i a m e t e rL o n g h o l el a t e r a lc a v i n g ，a n d t h e s e c o n ds t e pi sm i n i n gp i l l a r sb yM i d - L o n g h o l e s u b l e v e lc a v i n g ．T h e n t h r o u g ht h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ls u r v e ya n d t h r e e 。d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i s ，p u t sf o r w a r dt w ow i n g so fd i f f e r e n tr e g i o n so ft h e r 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 sa n ds t o p i n gs e q u e n c e ，f o r m i n gg o b h a n d l i n ga n dr e c o v e r yc o m b i n e ds u p p o r t i n gt e c h n o l o g y ，m a x i m i z e r e s o u r c e r e c o v e r y ，e l i m i n a t i n gt h es e c u r i t yr i s k so f t h eg 印． 2 B a s e do nc r a t e rt e s t ，e d u c et h eb e s td e p t ho f t h ee x p l o s i v e ，t h eb e s t r a d i u so fb l a s t i n gc r a t e r ．t h e na c c o r d i n gt h es i m i l a r i t yt h e o r y ，p u t sf o r w a r d b a s i cp a r a m e t e r so ff a ns h a p e dm e d i u ml e n g t hh o l ea n dL a r g e d i a m e t e r L o n g h o l e ．B a s e do nr e s u l t sb e f o r e ，p u t sf o r w a r dt h ee x p e r i m e n tm e t h o d t o d e t e r m i n et h ed r i l la n db l a s t i n gp a r a m e t e rb yu s i n go r t h o g o n a lb u r s tt e s tt o o p t i m i z e ． 3 W h e ns t a g em i n i n g ，u s i n gc o r r e c tb l o c k i n gl e n 曲，V - b l a s ti ns a m e r o wa n dh o l ed i s t a n c e ，e m p t yh o l es h o c ka b s o r p t i o na n ds o m et e c h n o l o g y 堡主堂垡笙窒A b s t r a c t 二一一一 e l s et oa v o i dd e s t r o y i n gt h es e c o n ds t e pu s i n gL a r g e ．d i a m e t e r L o n g h o l e b l a s t ． 4 A i m i n g a tt h ep o o rs t a b i l i t yp r o b l e mc a u s e db y s t r u c t u r eo fs o m e t e s t i n gs t o p e ，d e v e l o p i n gt h et e c h n o l o g yt ob u i l du pt r e n c hs i l ls t r u c t u r e u s i n gm i d - h o l eb l a s tc o m b i n et h ee x t r ah i g hu n d e r c u t t i n gr o a d w a y ，f a nh o l e m i l l i s e c o n db l a s t ，h o l eb o t t o mb l a s tt e c h ． 5 W h e nt h ec a p a c i t yi n d e xo fd r i l l ，b l a s ta n dr e m o v a li n f i e l d s e q u e n c ea r ec o n f i r m e d ，c a l c u l a t i n gp r o c e s sw o r kc y c l et od e t e r m i n et h e u p s t r e a ma n dd o w n s t r e a me q u i p m e n tc a p a c i t ya n da m o u n tt op r o v i d et h e b a s i sf o rn o r m a lp r o d u c t i o n ． K e y w o r d s L a r g e - d i a m e t e rL o n g h o l e ，i n t e n s i f i e dm i n i n g ，l o w d i l u t i o n ．1 0 s s ， 1 1 i g he f f i c i e n c ym i n g ，i n d u s t r i a lt e s t 硕士学位论文 目录 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1 矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 。1 ．2 开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 ．3 矿山生产现状及存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 国内外相关研究状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 空场采矿法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 崩落采矿法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 充填采矿法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 本论文主要研究内容、方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．1 研究的内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．2 研究的技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 第二章矿岩物理力学性质试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 试验的目的、意义和内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 实验仪器设备与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．3 试验的主要工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．4 试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 第三章采矿方法方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 ．1 采矿方法的初步选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 3 ．2 采矿方法模糊综合评判⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 ．3 采矿方案的简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 ．1 采准切割布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．3 ．2回采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．3 ．3 技术特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 第四章采场结构参数数值模拟分析研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 4 ．1 计算模型参数和计算方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．1 ．1 计算模型尺寸⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．1 ．2 模拟计算方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 硕士学位论文 目录 4 ．2 岩体力学参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．3 边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．4 模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．4 ．1 最大主应力分布图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．4 ．2 最小主应力分布图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．4 ．3 塑性区分布图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 。5 确定最优化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．5 ．1 沿走向分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．5 ．2 垂直走向分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．6 模拟分析结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．7 试验采场布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 第五章采矿方法工业试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．1 凿岩爆破参数优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．1 ．1 爆破漏斗试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．1 ．2 宽孔距同段爆破漏斗试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 5 。1 ．3 斜面台阶试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 5 ．1 ．4 中深孔正交试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．1 ．5 深孔正交试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．2 全工艺过程优化与主要设备优化匹配研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．2 ．1 主要设备及其参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 5 ．2 ．2 工艺主要作业工序效率指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 3 5 ．2 ．3 工艺设备配套⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．2 ．4 工艺作业循环⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．2 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 5 ．3 大直径全孔侧向边界减震控制爆破技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．3 ．1适当增加堵塞长度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．3 ．2同排孔间微差V 型爆破⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．3 ．3 空孔减震控制爆破⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 5 ．4 不稳固矿岩堑沟底部结构复合支护和快速构建技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 5 ．4 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．4 ．2 喷锚网复合支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 I I 硕士学位论文目录 5 ．4 ．3 支护原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 5 ．4 ．4 堑沟底部结构的快速构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 6 ．1 研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 6 ．2 进一步工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 I I I 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早珀T 匕 1 ．1 研究的背景及意义 低品位厚大铜镍矿体高效开采综合技术试验研究基于长沙矿山研究院有限责 任公司与哈密和鑫矿业有限公司图拉尔根铜镍矿合作开展的“图拉尔根铜镍矿采矿 方法试验研究”项目，针对图拉尔根铜镍矿存在的问题和矿山的要求，开展一系列研 究，并进行现场工业试验。 图拉尔根铜镍矿原设计采用无底柱分段崩落法进行回采，在基建过程中，从工 程揭露的初步情况发现，矿体受构造控制，矿岩中等稳固，上部矿体品位不高，矿 山经济将效益受到影响。根据企业发展要求，需寻求一种适应低品位中厚及厚矿体 开采技术条件的低成本、低贫损、高效开采采矿方法，满足企业的生产能力要求， 提高综合经济效益。哈密和鑫矿业有限公司图拉尔根铜镍矿于2 0 0 9 年8 月与长沙矿 山研究院有限责任公司合作，共同进行低品位厚大铜镍矿体高效开采综合技术试验 研究。研究对于低品位厚大矿体的开采研究具有重大的探索意义。 1 ．1 ．1 矿山概况 哈密和鑫矿业有限公司哈密市图拉尔根铜镍矿是新疆有色公司与西部稀贵矿 业公司合资的股份制企业。矿山生产规模为2 0 0 0 t ／d ，由乌鲁木齐有色冶金设计研究 院进行初步设计，于2 0 0 7 年开工建设，2 0 1 0 年建成投产。采用地下开采，主、副 井开拓方案。中段高5 0 m ，共设1 3 0 0 m 至9 0 0 m 共九个中段，1 3 0 0 为首采中段在5 号勘探线附近布置了设备措施井【8 ～9 1 。 由于基建期间，随着工程不断揭露，矿体受构造控制，矿岩中等稳固，上部首 采地段矿体品位较低，采切工程量大，投产周期长，生产成本高，使矿山经济效益 受到影响；根据企业发展要求，需寻求一种适应低品位中厚及厚矿体开采技术条件 的低成本、低贫损、高效开采采矿方法，满足企业的生产能力要求，提高综合经济 效益。 1 ．1 ．2 开采技术条件 l 、矿体位于一套基性一超基性杂岩体内，矿体属中厚到厚大，矿体产状 1 2 4 。Z 6 8 。～7 4 0 。矿体稳固～中等稳固，矿体上盘围岩稳固，下盘围岩中等稳固。 2 、矿石体重2 ．8 8 t ／m 3 ，岩石体重2 ．7 0 f f m 3 ，矿石硬度f ll ，岩石硬度f - 6 - ～ 】2 。 硕士学位论文第一章绪论 3 、品位N i 0 ．2 4 ％～0 ．4 2 ％；C u 0 ．2 0 ％ - - - 0 ．3 5 ％；上部矿体品位不高。 4 、矿区地处戈壁滩，蒸发强烈降水微弱，地下径流条件差，矿区以静储量为 主的简单水文地质类型。 5 、地表允许崩落【10 1 。 1 ．1 ．3 矿山生产现状及存在的问题 矿山生产规模为2 0 0 0 t ／d ，由乌鲁木齐有色冶金设计研究院进行初步设计，于 2 0 0 7 年开工建设，2 0 1 0 年建成投产。 采用地下开采，主、副井开拓方案。中段高5 0 m ，共设1 3 0 0 m 至9 0 0 m 共九个 中段，1 3 0 0 、1 2 5 0 为首采中段。在5 号勘探线附近布置有设备措施井。矿体与主要 工程实体模型见图1 ．1 【8 叫。 图1 1矿体与主要工程实体模型图 矿山存在的主要问题如下 1 图拉尔根铜镍矿是一座新建矿山，勘探程度低，矿体边界控制不完全。 前期工程揭露显示，矿体边界变化较大，给采场布置规划、井下生产和安全管理工 作带来很大困难； 2 原设计采矿方法采切工程量大，矿山投产周期长，生产成本高。加上矿 体上部首采地段矿体品位较低，致使矿山生产能力和技术经济指标均不能满足矿山 生产要求，严重影响了矿山经济效益。 1 ．2 国内外相关研究状况 针对矿岩稳固、低品位的倾斜、急倾斜厚矿体，对国内外类似矿山的采矿方法 2 硕士学位论文第一章绪论 使用情况进行了调查分析，结果表明这类矿体的开采崩落法、空场法和充填法这 三类方法皆有应用。矿山可根据其矿床地质条件、矿山特殊要求、现阶段的采矿工 艺和设备水平等实际情况对采矿方法进行选择。 1 ．2 _ 1 空场采矿法 空场法一般适用在矿岩稳固的矿体中。国内空场法在有色金属矿山中，所占的 比重虽在六十年代为7 0 ％左右而到了八十年代为5 0 ％左右。但是空场法仍将为今后 生产中应用的主要采矿方法。 在国外，高度机械化、自动化的大型采矿配套设备，以及结构简单的采矿方法 逐步替代生产能力低、积压资金的空场法，如留矿法虽在法国的比重为2 4 ．1 ％，日 本占1 2 ．9 ％，但是其他国家的留矿法，其所占比重已很小了。 国内空场法的研究方向大致有 1 加强空区地压活动和空区处理的研究，对矿山出现程度不同的地压活动 控制； 2 进行降低贫化，损失的研究，目前空场法内，留下大量的顶、底、间柱， 采矿方法甚至留下大量的场内矿柱，目前回收率均较低； 3 简化采场结构和适应自行设备的采场结构研究； 4 发展以空场法为基础的多种组合式采矿方法的研究，如房柱充填法、房 柱崩落法等【l 2 J 。 1 ．2 _ 2 崩落采矿法 崩落采矿法的特点是随着矿石的采出有计划地强制或自然崩落矿体项盘围岩 来充填采空区，以控制和管理地压。故在回采过程中，不需划分矿房矿柱，而是以 矿块为单元，按一定的回采顺序，进行连续回采。 我国从五十年代开始就已广泛应用崩落采矿法，而且发展很快。六十年代，在 有色和黑色金属及化工矿山推广应用了有底柱分段崩落法和阶段崩落法1 9 6 4 年在 向山硫铁矿首次应用了有轨运输出矿的无底柱分段崩落法，1 9 6 5 年在大庙铁矿试验 应用了无轨运输出矿的无底柱分段崩落法典型方案，并很快在一些金属、非金属矿 山中得到了推广，1 9 7 5 年又一成功地应用了高端壁无底柱分段崩落法。八十年代以 后，在冶金矿山开始设计和试验阶段自然崩落法和分段留矿阶段放矿崩落法。 崩落采矿法己由初期采用浅孔凿岩，电耙出矿发展到多机中深孔、深孔凿岩， 铲运机出矿等无轨自行设备进行生产。阶段和分段崩落法是一种技术先进，生产安 全，经济效益较好的高效率采矿方法。近几十年来，随着采矿技术和无轨自行设备 硕士学位论文第一章绪论 的不断发展，又出现了许多新的方案，该采矿法已经成为我国地下矿山主要的采矿 方法之一。与此同时，放矿理论的研究也达到了先进水平。我国地下矿山崩落采矿 方法比重1 9 8 4 年铁矿山达到7 5 ％，有色矿山为4 1 ％，而化工矿山约4 0 ％左。 在国外，也广泛应用分段翻阶段崩落采矿法。前苏联，一些矿出以深孔挤压爆 破为主，多数采用振动放矿机出矿。西方国家则以中深孔、深孔爆破为主，采用液 压凿岩台车或潜孔钻机，铲运机等无轨自行设备，辅助作业也实现机械化。瑞典地 下矿山崩落法比重最高达8 5 ～9 0 ％，美国和苏联约占5 0 ％多。 崩落采矿法正在向高阶段，大直径深孔凿岩，分段或阶段放矿，连续开采方向 发展。采矿设备趋于无轨化、大型化、自动化【卜2 1 。 1 ．2 ．3 充填采矿法 充填采矿法的生产工艺可概括为随着回采工作面的推进，采空区用充填料充 填，充填是该法回采过程中的必要工序，其作用是支撑、控制岩移，并作为回采工 作继续进行的工作底板或者是矿房采空后，一次嗣后充填，以支撑上下周围矿岩， 使相邻矿柱得以顺利回采。 国外使用充填采矿法最多的国家是加拿大、澳大利亚，其次是日本、瑞典、美 国、德国。充填采矿法在我国的发展，经历了三个阶段五十年代，我国主要采用 方框支柱充填和干式充填采矿法，由于劳动效率较低、成本高，只在少数几个矿山 使用；六十年代由于水砂充填、胶结充填工艺的试验推广，在凡口、金川、锡矿山、 凤凰山、铜绿山等大型骨干有色金属矿山相继应用。七十年代末到八十年代，由于 铲运机等无轨设备的引进，机械化上向水平分层充填法和V C R 法的试验推广，把 充填采矿法的效率提高到一个新的水平。目前，国家对矿山环保的要求越来越严格， 使得很多矿山在出于环保的目的，选择充填采矿法。 1 ．3 本论文主要研究内容、方法及技术路线 1 ．3 ．1 研究的内容与方法 哈密和鑫矿业有限公司图拉尔根铜镍矿于2 0 0 9 年8 月与长沙矿山研究院有限 责任公司合作，共同进行阶段空场嗣后崩落强化开采综合技术试验研究，主要研究 对象为图拉尔根铜镍矿1 2 5 0 以上低品位厚大矿体。 本文针对图拉尔根铜镍矿急需解决的采矿方案及矿山存在的一些问题，结合矿 山现场实际情况和本人从事采矿方法研究的工作经验，运用相关的理论，建模，数 值模拟、工业试验等手段，借鉴国内外同行在类似开采技术条件矿山的经验，开展 4 硕士学位论文第一章绪论 一系列试验研究，研究的主要内容为 1 对图拉尔根铜镍矿首采中段1 2 5 0 中段的矿岩物理力学性质进行试验分析； 2 开发出阶段空场嗣后崩落强化开采综合技术，实现了低品位中厚及厚矿 体的低贫损高效开采。 3 采用数值建模技术对采场结构参数进行三维数值模拟分析，提出了两翼 不同区域合理的采场结构参数和回采顺序； 4 将炸药爆炸理论与试验分析方法有机结合，爆破参数优化确定的集成试 验分析方法，使爆破参数确定更符合工程实际需要； 5 通过现场工业试验开发了不稳固矿岩堑沟底部结构中深孔减震快速构建 与复合支护技术、大直径深孔减震控制爆破技术和全工艺过程优化与主要设备优化 匹配技术； 以上研究主要通过以下三个大的方面研究形成，首先进行技术可行性方案论 证，再经采场结构参数模拟优化，最后通过现场工业试验，最终形成阶段空场嗣后 崩落强化开采综合技术。 研究的主要方法为 1 运用地质学原理，进行工程地质与环境调查，采用工程岩体试验方法测 定岩石的岩石块体密度、单轴抗压强度、单轴压缩变形、抗拉强度、三轴压缩强度。 2 首先根据矿体开采技术条件初选五种技术可行的采矿方案，再对五种采 矿方案进行优劣对比和技术经济比较最后采用模糊数学方法对五种采矿进行优劣打 分排序，最终确定采矿方法。 3 根据矿岩物理力学性质试验分析的结果建立F L A C3 D 模拟开采计算模型， 对两种布置方式的各个方案进行模拟，经过分析得出最佳采场结构参数。 4 本项目研究中，以爆破漏斗理论为基础，结合正交试验设计方法，设计 了以单孔爆破漏斗试验、宽孔距同段爆破漏斗试验和斜面台阶试验为先导，经经验 公式修正，最终通过正交爆破优化试验确定最优凿岩爆破参数的集成试验分析方法。 5 通过现场工业试验对不稳固矿岩堑沟底部结构中深孔减震快速构建与复 合支护技术、大直径深孔减震控制爆破技术和全工艺过程优化与主要设备优化匹配 技术进行试验研究； 硕士学位论文第一章绪论 1 ．3 ．2 研究的技术路线 一_ _ Z ’j ■1 _ _ _ _ _ ． _ 7 ■_ _ _ ’ii j j 翩绷蘸溅羹羹瀚l 蝴翻l 鬯鲞■蠼鐾r 鬟{ 图1 - 2 研究路线图 6 硕士学位论文第二章矿岩物理力学性质试验分析 第二章矿岩物理力学性质试验分析 2 ．1 试验的目的、意义和内容 矿岩物理力学性质是矿岩研究的基本参数，是矿山采矿方法选择、采场结构参 数确定、采场合理布置、井巷与采场支护方案选择的前提与基础。不管是采用理论 分析，还是采用数值模拟手段进行矿山科学技术研究，很大程度上都依赖岩体力学 参数的选取的准确性与可靠性。由此可见，矿岩物理力学性质试验分析研究是矿床 开采研究中需要解决的首要问题【4 7 】。 根据中华人民共和国国家标准工程岩体试验方法标准 G B ／T 5 0 2 6 6 - 9 9 ，对 首采地段的1 3 0 0 中段的橄榄岩、富矿、辉长岩、贫矿、凝灰岩等5 种典型岩石进行 取样和主要物理力学性能测试工作。 试验的主要内容为 1 岩石块体密度 2 单轴抗压强度 3 单轴压缩变形 4 抗拉强度 5 三轴压缩强度 2 ．2 实验仪器设备与方法 本次试验的单轴抗压强度、单轴压缩变形、抗拉强度和三轴抗剪强度等试验均 在R M T - 2 0 1 试验机 见图2 ．1 上完成。该设备是一种计算机控制的电液伺服试验 机，专门为岩石和混凝土类材料的力学性能而设计。该系统配有高精度的力传感器 和行程 位移 传感器，可对各种试验进行伺服控制，有位移控制、行程控制与载 荷控制三种方式可选。几种标准的加载波形为斜坡、正弦波、三角波、方波，试验 过程可以进行干涉，以改变多种试验参数，并可以将试验分若干步骤，由计算机控 制自动完成，主要技术指标如表2 ．1 所示。 表2 1R M T - 2 0 1 岩石与混凝土力学试验机主要性能指标表 硕士学位论文第二章矿岩物理力学性质试验分析 图2 ．1R M T - 2 0 1 岩石与混凝土力学试验机图 岩石的抗压强度是岩石试件在单轴压力下抵抗破坏的极限能力，或极限强度在 数值上等于破坏时的最大压应力，岩石的抗压强度一般在压力机上进行加压试验测 定。试件采用圆柱形或立方柱形，圆柱体直径宜为4 8 , - - , 5 4 m m ，试件高度与直径之 比宜为2 ．0 “ - - - 2 ．5 。如在试件的两侧安装相应的传感器或应变片，则可以同时测得岩 石的变形参数。试验装置见图2 ．2 。 图2 2 单轴压缩试验仪器图 硕士学位论文第二章矿岩物理力学性质试验分析 2 ．3 试验的主要工作 试验工作主要包括现场的取样、试样加工、试样测试、数据分析。本次试验一 共取了5 种岩石试样，岩石试样名称及取样位置见表2 - 2 所示。 表2 - 2 岩石类型及取样位置表 根据设计要求，本次试验测试完成的工作量详见表2 - 3 所示。 表2 - 3 完成工作量表 2 ．4 试验结果及分析 通过开展橄榄岩等五种岩石的现场取样、试样加工、试样测试、数据分析等工 作，完成岩石块体密度、单轴抗压强度、单轴压缩变形、抗拉强度和三轴压缩强度 等各五组共7 0 块试块的试验分析，得出了主要岩石的密度、单轴抗压强度、弹模、 泊松比、抗剪强度特性等基本物理力学性能指标，为采矿方法的选择、采场结构参 数的确定等后续工作提供了基础数据。三轴压缩强度试验成果见表2 - 4 ，M o l a r 应 力圆及强度包线见图2 - 3 - - - “ 图2 ．7 。 三轴压缩强度试验试块破坏的主要型式有张裂破坏、剪切破坏。由试验结果可 得到各岩石的抗剪强度参数为 1 橄榄岩C 6 ．9 M P a ，q o 6 3 ．2 0 2 富矿C 1 7 ．1 M P a ，t p 5 9 ．7 0 ； 硕士