顶板不稳固缓倾斜铝土矿低贫损安全高效开采技术研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯ U DC 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 十南大学 C E N T R A L S O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目亟堑丕煎堕鬯迦监蜂蛰塑冀继 塞全直邀珏墨堇盔硒究 研究生姓名 任里苤 导师姓名及陵建塞数援么蝗昱 专业技术职称鏖江直教拯级直工 分类号V D C 硕士学位论文 顶板不稳固缓倾斜铝土矿低贫损安全高效开采 技术研究 S t u d y o nE f f i c i e n ta n dL o wL o s sE x p l o i tT e c h n o l o g y w i t hS h a k yR o o f sB a u x i t eM i n i n g 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 企业指导教师 任卫东 矿业工程 资源与安全工程学院 陈建宏教授／博导 廖江南教授级高工 论文答辩日期a 堕壹竺丛答辩委员会主 中南大学 2 0 1 2 年0 3 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 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。 作者签名二路錾翩签名毕弛日期监年上月辽日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 铝土矿资源是我国重要的矿产资源，近年来，随着我国露天可开 采铝土矿资源的逐渐减少，铝土矿地下开采已成为必然趋势。然而， 埋藏较深的铝土矿资源中，矿床大部分为缓倾斜沉积矿床。矿体直接 项板通常为粘土页岩、炭质页岩及砂质粘土岩等岩石，这类矿床顶板 自身稳固性较差，为了确保回采安全，需留较多的矿柱来支撑项板， 因此，矿石损失率有时高达3 0 ％以上。这不仅造成了铝土矿资源的浪 费，且增加了开采成本，缩短了矿山服务年限，不利于矿山的可持续 发展。开展关于顶板不稳固条件下，提高铝土资源回收率的研究是行 业的需求。 本论文以中国铝业重庆8 0 0 k t ／a 氧化铝项目为依托，开展顶板不 稳固缓倾斜铝土矿低贫损高效开采技术研究。根据重庆分公司铝土矿 资源特点，借鉴煤矿及其他有色金属矿山的经验，提出“利用液压支 柱提高重庆铝土矿回采率的设想。在广泛调查国内外相似矿山开采的 基础上，采用现场调研、现场工业试验、数值模拟、及理论分析相结 合的研究方法，并借助于现代A N S Y S 有限元数值平台分析项板稳定性 技术手段，获取可靠的试验期内试验采场顶板岩层形变场变化规律、 及试验采场液压支护参数，提高回采率，实现相似地质条件下采场安 全开采。 本课题具有多个创新点，首先，形成铝土矿地下开采，利用液压 单体设备临时支护的工艺及技术参数，提高铝土矿地下开采的回收 率；其次，通过采场地压监测技术及数值分析技术，确定液压临时支 护和采场放顶的时间相依性，探明重庆分公司铝土矿地下开采的地压 控制技术。 本课题实施后，使矿山回采率提高7 ％左右；单盘多采矿2 0 0 0 t ； 同时延长矿山的服务年限。试验成功的证明了，采用液压单体设备临 时支护，不仅可以提高回采率，延长矿山服务年限，同时也为同类矿 床的开采提供借鉴和技术支撑，还可填补我国缓倾斜铝土矿地下开采 方式的空白，实现安全、高效、高回收率、低成本，具备较高的实践 意义。 关键字铝土矿，不稳固顶板，地下开采，液压支护 中南大学硕士学位论文 A B S Ⅱ认C T A B S T R A C T B a u x i t e sa r et h ei m p o r t a n tm i n e r a lr e s o u r c e si nc h i n a ，i nr e c e n ty e a r s ， a sC h i n a ’S o p e nm i n i n go fb a u x i t er e s o u r c e s a r er e d u c eg r a d u a l l y , u n d e r g r o u n dm i n i n go fb a u x i t eh a sb e c o m ea ni n e v i t a b l et r e n d ．H o w e v e r ’ m o s td e p o s i t so ft h ed e e p l yb u r i e db a u x i t er e s o u r c e sa r es e d i m e n t a r y d e p o s i t ．T h en e t h e rr o o fo fO r eb o d yi su s u a l l ys h a l e ，c a r b o ns h a l eo r s a n d yc l a yr o c k ，e t c ，t h i st y p eo fr o o fi su n s t a b l e ，i no r d e rt oe n s u r et h e s a f e t y , i tn e e d st ol e a v em o r eo r ep i l l a rt os u p p o r tr o o f , t h e r e f o r e ，t h eo r e l o s ss o m e t i m e si sa sh i g ha s3 0 ％a b o v e ．i tn o to n l yc a u s et h eb a u x i t e r e s o u r c e sw a s t e ，b u ta l s oi n c r e a s et h ep r o d u c t i o nc o s t ，s h o r t e nt h em i n i n g s e r v i c ey e a r s ，a n dg oa g a i n s tt h em i n e ’Ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ．S o c a r r i e do u tt h er e s e a r c ht h a th o wt oi n c r e a s eb a u x i t er e s o u r c e sr e c o v e r yi n t h ec o n d i t i o n so fu n s t a b l er o o fi st h en e e d so ft h ei n d u s t r y ． T h i sp a p e r sw a sb a s e do nt h ep r o je c to fc h i n a l c oc h o n g q i n g8 0 0k t ／a o fa l u m i n a ，a n dc a r r i e do u tt e c h n o l o g yr e s e a r c ha b o u tr e d u c i n gt h el o s s u n d e ru n s t a b l er o o f ．A c c o r d i n gt Ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h o n g q i n g b r a n c h ’Sb a u x i t er e s o u r c e s ，w eb o r r o w e di d e a sf r o mt h ec o a lm i n ea n d o t h e rn o n f e r r o u sm e t a lm i n i n g ，p u tf o r w a r dt h ei d e ao fu s i n gh y d r a u l i c s u p p o r tt oi m p r o v et h er a t eo f e x t r a c t i o nr a t e ．I nt h ew i d ei n v e s t i g a t i o no f d o m e s t i ca n df o r e i g ns i m i l a rm i n i n g ．w eu s e dt h em e t h o do ff i e l d i n v e s t i g a t i o n 、t h ef i e l dt e s t 、n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d t h e o r e t i c a la n a l y s i s ， b ym e a n so fm o d e mA N S Y Sf i n i t e e l e m e n tn u m e r i c a lp l a t f o r mt o a n a l y s i s t h er o o fs t a b i l i t y , a n do b t a i n e d c h a n g er u l e a n dt e s ts t o p e h y d r a u l i cs u p p o r t i n gp a r a m e t e r so fd e f o r m a t i o nf i e l di nr e l i a b l e t e s t p e r i o d ，i ti m p r o v e dt h er e c o v e r yr a t e ，a n da c h i e v e ds i m i l a rs t o p em i n i n g s a f e t yg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ． T h i st o p i ch a dm a n yi n n o v a t i o n s ，f i r s t ，i tf o r m e dt h et e c h n o l o g ya n d t e c h n i c a l p a r a m e t e r sb yu s i n gh y d r a u l i c m o n o m e re q u i p m e n tf o r t e m p o r a r ys u p p o r ti nt h eu n d e r g r o u n dm i n i n ga n di m p r o v e dt h er e c o v e r y o fu n d e r g r o u n dm i n i n gb a u x i t e s ；S e c o n d ，t h r o u g hm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y i nt h es t o p eg r o u n dp r e s s u r ea n dn u m e r i c a la n a l y s i st e c h n o l o g y , i ti n s u r e d t h ed e p e n d e n c eb e t w e e nh y d r a u l i ct e m p o r a r ys u p p o r ta n ds t o p ec o v e r c a v i n gt i m e ，a n de x p l o r e dt h eg r o u n dp r e s s u r ec o n t r o lt e c h n o l o g yo f Ⅱ 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T u n d e r g r o u n db a u x i t em i n i n g i nc h o n g q i n gb r a n c h ． A R e rc a r r y i n go u tT h i st o p i c ，t h em i n er e c o v e r yr a t ei n c r e a s e d7 ％， a n di n c r e a s e dt h es e r v i c e1 i r eo fm i n e ．T h et e s ts u c c e s s f u l l yp r o o ft h a ti t n o to n l yc a nl m p r o v et h er e c o v e r yr a t e ，p r o l o n gt h es e r v i c el l t eo tm l n e ‘●‘●●●●■● b yu s i n gt h eh y d r a u l i cm o n o m e re q u i p m e n tt e m p o r a r ys u p p o r t , b u ta l s o o f f e rt h er e f e r e n c ea n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ee x p l o i t a t i o no ft h es a m e d e p o s i t s ．A n di t s t i l lC a nf l Ub l a n ko na p p r o p r a i t eu n d e r g r o u n dm i n i n g b a u x i t eo f0 1 1 1 “ c o u n t r y ．r e a l i z e ss a f e t y , e f f i c i e n t ，h i g hr e c o v e r yr a t e ，l o w c o s t ，i th a d aah i g h e rp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ． K E YW O R D S B a u x i t e ，N of i r mr o o f , N n d e r g r o u n dM i n i n g ，H y d r a u l i c S u p p o r t ⅡI 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⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅳ 第一章绪论．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题提出及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 文献准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．1 国内外铝土资源开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．2 国内外岩体质量分级方法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 论文技术路线及主要研究内容、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 第二章试验采区地质条件与开采技术概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 矿区地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．3 试验采区矿床地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．4 试验采区矿床开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．4 ．1 工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．4 ．2 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．4 ．3 环境地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 第三章灰河上采区岩体质量评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 3 ．1目的任务⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 3 ．2 岩石力学试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．3 岩体地质构造调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．3 ．1 构造调查方法及调查内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．3 ．2 各岩组节理构造分析结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．4 岩体质量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．4 ．1 工程岩体分级方法和标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．4 ．2 工程岩体级别的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．4 ．3 灰河上采区岩体质量评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 3 ．4 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 第四章利用液压支柱试验方案的实施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．1 试验矿块选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．2 试验方案的实施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．3 工作面支护和项板管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．3 ．1 采场工作面支护形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．3 ．2D W D Z 型单体液压支柱简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 I V 中南大学硕士学位论文 目录 4 ．3 - 3 工作面支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．3 ．4 单体面支护质量监测及数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 第五章采场地压监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．1 地压监测目的、方法及内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．2 地压监测设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．2 ．1 钻孔应力计监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 5 ．2 ．2 多点位移计监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 2 5 ．2 ．3 顶板沉降报警监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．2 ．4 巷道收敛监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 ．3 监测系统现场实施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．3 ．1 监测系统优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．3 ．2 监测系统安装⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．3 ．3 日常监测频率及报警值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 5 ．4 监测数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．4 ．1 钻孔应力数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 5 ．4 ．2 多点位移计数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 5 ．4 ．3 顶板离层报警仪数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 5 ．4 ．4 巷道断面收敛数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 第六章采场顶板允许跨度和暴露面积分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．1M a t h e w s 稳定性分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 6 ．2 稳定性指数和水力半径的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 6 6 ．3 采场顶板允许跨度和暴露面积分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 2 第七章采动地压变化及回采顺序优化数值分析研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 7 ．1 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 7 ．2 开采方案模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 5 7 ．2 ．1 几何模型及模拟开采方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 7 ．2 ．2 监测点布置方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 6 7 ．3 开采模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 7 7 ．3 ．1 空区围岩应力变化特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 7 7 ．3 ．2 空区围岩变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 7 ．3 ．3 矿体及围岩破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 3 7 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 5 第八章技术经济评价与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 7 8 ．1 技术经济评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 7 8 ．1 ．1 技术评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 7 8 ．1 。2 经济评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 8 8 ．2 经济效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 0 第九章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．10 2 V 中南大学硕士学位论文目录 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 4 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。10 7 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 8 V I 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 课题提出及研究意义 铝土矿资源是我国重要的矿产资源，其储量及开采量关乎国计民生，一般埋 藏较浅，多采用露天开采。然而随着近些年的开采，浅部铝土矿资源逐渐减少， 铝土矿资源的埋深逐渐加大，因此，地下开采方法变成日后的发展趋势。 众所周知，铝土矿床大部分为缓倾斜沉积型矿床。矿体直接顶板通常为粘土 岩等软弱围岩，为了确保回采安全，通常需留较多的矿柱来支撑顶板，从而导致 铝土矿资源的回收率较低，矿产资源的损失严重。这与资源的可持续发展相矛盾， 同时，发改委颁布的铝行业准入条件也要求，地下铝土矿开采的损失率要低 于1 2 ％。贫化率低于1 0 ％。因此，开展关于在不稳固顶板条件下，提高铝土矿资 源回收率的研究是行业发展需求。 本论文结合中铝重庆8 0 0 k t ／a 氧化铝矿山项目，通过查阅资料，深度了解了国 内外软岩开采技术，借鉴煤矿的相关开采技术，在对现场围岩稳定条件进行分析 评价的前提下，采用机械支护顶板，并在现场进行开采试验，同时监测支护效果， 最后对结果进行分析评价，得出结论。该项目试验成功，可提高铝土矿石的回收 率，降低贫化率，减少坑木的消耗量和提高生产效率。实现安全生产，节约成本， 增加效益，延长矿山的服务年限。 1 ．2 文献准备 1 ．2 ．1 国内外铝土资源开采现状 从目前全国铝土矿开采现状来看，多数采用普通全面采矿法开采，留取点柱 来支撑顶板，点柱间距一般为5 m 【l J 。由于铝土矿的顶板岩性一般比较差，所以在 开采时，要采区取一定的支护措施，以保证铝土矿安全的回采。然而这样也造成 铝土资源的损失，增加了回采成本，同时对采场的通风也会带来一定的影响【2 】。 本课题采用的液压支柱在煤矿应用较为广泛，根据煤矿的应用经验，液压支 柱容易架设，移动速度快，工作面回采方便，可以适用于强度较高的开采条件。 同时该设备的工作阻力大，抗爆破冲击，操作简便，安全性较高，设备轻巧易于 移动。 采用液压支柱支护采场时，支柱一般出在应力的降低区，其承受的压力比正 常的地压YH 要小。可在保证安全的前提下，设计简便实用的回采工艺，不留矿 中南大学硕士学位论文第一章绪论 柱或少留矿柱，对采空区实行顶板自然冒落和强行放顶充填处理采空区，实现采 矿的安全、高效、低成本的开采，提高矿石回收率。本课题研究过程中，一些支 护参数参考了相似的矿山，同时结合现场的测算。放顶距离为0 ．8 ～1 ．6 m ，放顶 的排数是1 ～5 排，在采场工作面预留2 ～3 排。如果出现放顶困难的情况，就进行 强制放顶。在试验实施过程中，还要根据现场的实际情况，对支护参数进行调整 和修改，同时采取一定得监控手段监控采空区对地表岩层移动的影响，以保证安 全实施。课题主要设备 装备 描述 1 单体液压支柱 带帽 用来临时支护回采作业面顶板。 2 高压 乳化液 泵站由乳化液泵、电机、乳化液箱、高压管等组成， 为液压支柱提供高压液体。 3 地压监测设备包括矿压仪、智能声波监测多用仪、钢弦频率计等。监 测工作面顶板压力，提供采区顶板实时压力数据。 4 测量仪器包括激光测距仪和全站仪等。用来监测顶板位移变化情况。 5 供水系统由水泵、水管等组成，为高压泵站提供合格的液压介质。 图1上覆岩层移动的“横三区”和“竖三区” A 矿璺堇支撑影响区、a 咄jB 离层区岫一c j c 熏新压实区rc 一小“一支撑影晌角 l 一雷落带；l | 一裂缝带llI _ 弯曲下沉带 图卜1 采矿工作面和采空区上覆岩层移动图 ，一“、“■- _ 二 ‘7 1 ，4，。， 、、 。_ I 掰样i 鄹；，f ；“ ≮嘲I 1 鲍童瞧I 4 “i ，J 于i ￡辄l 宝疑；2J 成{ 砭l ’J n j ，，”i 铂l I } 餐 图1 - 2 采矿工作面和采空区压力分布图 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 本项目采用液压支柱作为临时支护，可以解决顶板的稳固问题，在保证安全 的情况下不留或少留矿柱，提高矿石的回收率，同时，在试验过程中，采用监测 地压的仪器对采场顶板进行移动监测，从而得出地压的分布规律。然后根据规律 来推算出所需支柱数量和分布。在支柱使用过程中，用矿压仪监测矿柱承载的压 力，以适时调整液压支柱，保证顶板稳固。 1 ．2 ．2 国内外岩体质量分级方法简介 国内外的围岩分类分级方法主要有多因素复合指标分类法、单因素单指标分 类法和多因素单一综合指标分类法【3 ～7 1 。 1 单因素指标分类方法 ①普氏系数分类法 普氏系数分类法将普氏系数f 4 ，f - 4 ～6 及今7 分别划分为软岩、中硬岩和 硬岩。普氏系数分类法指标单一，反映岩石的强度特性较直观，方法简便，故应 用广泛。 ②岩石质量指标 R Q D 分类法 岩石质量指标R Q D 对岩体分级的方法是将长度超过1 0 c m 的岩芯总长度与钻 凿孔总长度的比值作为评价指标。 利用R Q D 值来反应岩体的节理发育程度比较准确，同时获取容易，定量方 便，所以目前比较常用。 ③以弹性波为基础的分类方法 该方法是以弹性波在岩体中的传播速度为基本指标，弹性波在岩体中的传播 速度受岩体结构、强度和应力的影响，从而反映岩体的特性，这种分类方法将岩 石按地质年代变质程度划分成A 、B 、C 、D 、E 、F 等类别，依岩体波速将围岩分 为1 ～7 类。 ④围岩自稳时间分类法 围岩自稳时间好是根据裸露巷道不支护的情况能保持自稳的时间，主要是将 巷道未支护的长度与其裸露岩体的自稳时间的比值来判定，共分为七级稳定的、 易掉块的、极易掉块的、破碎的、很破碎的、有压力的、有很大压力。 2 多因素复合指标分类法 ①巷道稳定性指数分类法 围岩稳定性指数是岩体自重应力与岩石单向抗压强度的比值。当围岩稳定性 指数S 1 5 0 m ，为矿区最老地层，出露不全，仅 见上部。岩性为灰、灰绿、紫灰色粉砂质页岩，局部夹薄～中厚层状粉砂岩或薄 层状粉屑生物微晶灰岩。产王冠三叶虫、石燕及腕足类化石，为一套浅海碎屑岩 建造。分布于吴家湾矿段北西侧 吴家湾背斜核部 及川洞湾、灰河～大佛岩矿 段南侧。与上覆石炭系黄龙组、二叠系梁山组呈假整合接触。 石炭系中统黄龙组 C 2 h 厚O m ～7 ．9 8 m ，为一套断续分布的透镜状灰、灰 白及紫灰色结晶灰岩及砾状、角砾状碎裂灰岩，属浅海相碳酸盐岩建造残留体。 与上覆地层梁山组呈假整合接触。 二叠系下统梁山组 P 1 1 厚4 ．1 8 m 一- 1 3 ．7 2 m 为区内铝土矿含矿岩系。岩性 自下而上底部为一层厚0 ．1 5 m ～．2 ．5 0 m 的粘土岩及褐铁矿；下部岩体含黄铁矿团 块及黑色有机质和植物碎片，局部夹有透镜状菱铁矿或赤铁矿；中部为铝土矿； 上部为灰色～深灰色铝土岩、粘土岩，顶部为黑色炭质页岩。 该组地层与下伏志留系韩家店组粉砂质页岩多无明显界面，呈假整合过渡接 触，属近海岸温暖潮湿气候条件下古风化壳残积与还原环境下的陆相沼泽沉积建 造。与上覆地层呈整合接触。 6 中南大学硕士学位论文第二章试验采区地质资源与开采技术条件 中统栖霞组 P 2 q 按岩性特征划分为二个岩性段。 第一岩性段 P 2 q 1 厚5 ．7 6 m - - - 3 7 ．1 9 m ，上部为灰黑色薄～中厚层状沥青质 生物碎屑灰岩夹深灰色中厚层状粉屑生物微晶灰岩；中下部一般有一层0 m - - 一2 m 沥青质生物碎屑灰岩，构造劈理较发育，劈理间常充填方解石细脉，并具小揉皱 和挠曲现象；下部围岩具眼球状构造，局部有2 m - - 3 m 灰黑色中厚层状硅化灰岩 夹燧石条带或团块。 第二岩性段 P 2 q 2 厚4 8 ．2 1 m ～1 0 4 ．2 7 m 。为深灰色中～厚层状粉屑生物微 晶灰岩，层间夹少量灰黑色薄层状沥青质生物屑灰岩，具瘤状构造，含少许燧石 结核。该岩组生物化石常见有腕足、瓣鳃、有孔虫、介形虫、腹足与少量苔藓虫、 海百合茎、棘皮等，属正常盐度低能静水浅海相碳酸盐岩建造。与上覆地层呈整 合接触。 2 矿区构造 本区大地构造位置位于扬子地台上扬子台坳川东南陷褶束金佛山穹褶束与 武隆凹褶束接壤部位之挠部，区域一级构造长坝向斜南西扬起端。区域构造以 N N E “ ～N E 向褶皱、断裂为主。 矿区位于长坝向斜南西扬起端。区内构造走向均呈北北东向，与区域总的构 造线方向一致。灰河上采区基建范围内1 0 5 0 m 中段见一逆断层，其走向N E 3 0 0 、 倾向1 2 0 0 、倾角4 0 0 、断层破碎带宽约0 ．5 0 m 。 2 ．3 试验采区矿床地质 1 试验采区矿体特征 ①矿体形态、产状、分布及规模 矿体呈层状、似层状，平面形态呈不规则状。主要赋存于含矿岩系中部及中 上部位，矿体产状与地层产状趋于一致，矿体东西长约7 0 0 m ，平均倾角3 0 0 ，矿 体最厚5 ．3 0 m T J l 0 2 0 ．5 7 A ，最薄0 ．8 0 m 内插点 ，平均厚2 ．1 3 m ，平均品位 A 1 2 0 36 4 ．9 8 ％、S i 0 29 ．9 3 ％、F e 2 0 35 ．6 8 ％、A ／S6 ．5 4 。 矿体总体来说较为连续稳定，灰河上采区3 个中段共施3 2 3 6 个天井，其中见 矿天井3 3 个，未见矿天井2 个，矿厚不可采天井1 个，天井见矿率9 2 ％。 矿体化学组分以F e 2 0 3 、S i 0 2 、A 1 2 0 3 为主，少量S 、C a O 、T i 0 2 、K 2 0 、N a 2 0 、 P 2 0 5 、M a O 、V 2 0 5 、S 、C 0 2 ，微量G e 、N i 、G a 、B e 、N b 、B a 、A s 、H g 、P b 、 S b 、C r 、L i 、 S c 等元素。有害组分有S 、C a O 、M g O ，伴生有益组分为G a 。 ②矿体内部结构 灰河上采区矿体主要由以土状、致密状铝土矿组成，在各见矿工程中均有出 7 中南大学硕士学位论文第二章试验采区地质资源与开采技术条件 露。 纵向上以土状铝土矿为中心，致密状铝土矿产于土状铝土矿上部和下部。 横向上土状、致密状铝土矿相对较为稳定。 ③矿体变化特征 厚度矿体厚度无论沿矿体走向还是倾向均无趋势性变化，也与矿体内部结 构以及埋深不相关，但与含矿岩系厚度有一定的关系。一般来说，含矿岩系厚度 在6 m - 、, 9 m 间时，矿体厚度相对而言较稳定、且厚度较大，在6 m , - ～9 m 以外，矿 体厚度不稳定。 品位一般来说，地表矿石品位较深部好，深部矿石品位则与土状铝土矿的 产出有关，同时也与矿体厚度有较大关系土状矿石质量相对较好；矿体厚度越 大，矿石质量相对较好；矿体厚度薄，矿石质量相对较差。 2 矿石质量 ①矿石类型、矿物组合及结构构造 根据野外观察及室内镜下鉴定，区内矿石可划分为土状铝土矿、土豆状铝土 矿、致密状铝土矿、致密豆 鲕 状铝土矿、砾屑状铝土矿五种自然类型。其中 以致密状、土状铝土矿为主，少量土豆状铝土矿、致密豆 鲕 状铝土矿和砾屑 状铝土矿。基建勘探范围内主要由土状铝土矿、致密状铝土矿组成。 土状 半土状 铝土矿石，占总量的1 9 ％，该类矿石为矿区优质铝土矿石之 一。地表呈灰白色，深部为灰色。微晶粒状结构、隐晶质结构、砂屑结构，多孔 状 土状 构造、胶状构造、条带状构造、渗流管构造 似叠层石构造 、渗流 凝胶构造、块状构造等。性硬、具韧性，断口粗糙，硬度可达5 以上。改造稍差 者为半土状。具不发育稀疏的鲕豆粒，直径为0 ．0 5 m m - 3 m m 。鲕豆粒呈圆形及 椭圆形，同心环带不明显，复式鲕粒偶见。豆鲕内部干缩裂纹较发育，呈网状及 放射状，裂纹均不穿出豆鲕外，多被硬水铝石所充填。 该矿石类型主要展布在铝土矿层上部和中上部。无论是地表矿体还是深部矿 体，均有分布，但分布不均，呈透镜状展布。 致密状铝土矿，占矿石总量的4 8 ％，为本区主要矿石类型，各地段均有分布。 颜色多为灰至深灰色。性较硬，断口平整，硬度3 “ - 4 度。隐晶质结构，致密状构 造。有时含少量鲕豆粒。鲕、豆状物的粒径0 ．2 m m “ - - 5 m m ，一般为l m m , ～3 m m ， 呈圆球状和椭球状，少数为不规则状，内部多数无同心圆环带状构造。 矿石矿物多以他形晶、半自形的硬水铝石为主，次为高岭石，并含有少量的 水云母、黄铁矿、黑色炭质物、勃姆铝矿，局部含微量的金红石、锐钛矿、叶绿 泥石。为中低品位的矿石类型。就整个矿区而言，此类型分布广泛，主要分布在 矿层上、下部，有的工程中矿体全由该矿石类型组成。 中南大学硕士学位论文第二章试验采区地质资源与开采技术条件 土豆状铝土矿石，本类型占矿石总量的2 0 ％，地表多为浅灰色、灰色，向深 部颜色加深呈深灰色。性硬、带韧性、断口粗糙，硬度4 左右。微晶粒状结构、 隐晶质结构、砂砾屑结构，土豆状