多层邻近缓倾斜薄至中厚矿体联合开采技术研究.pdf

中图分类号 U D C T D 8 5 3 6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 3 三 密级公开 多层邻近缓倾斜薄至中厚矿体 联合开采技术研究 S t u d yo nt h ec o m b i n e dm i n i n gt e c h n o l o g yo f 一 一 m u l t i l a y e ra d j a c e n tg e n t l yi n c l i n e do r e b o d y w i t h t h i n ．m e d i u mt h i c k n e s s 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 鄢德波 采矿工程 充填理论与技术 资源与安全工程学院 王新民教授 张钦礼教授 答辩委员会主席蕴』三幺 中南大学 2 0 13 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己在论文中作了明确的说明。 作者签名望堕查日期上生年』月兰日 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。 作者签名主堕坚二导师签名廛轴期兰生年』月竺日 多层邻近缓倾斜薄至中厚矿体联合开采技术研究 摘要古丈岩头寨钒矿资源储量丰富，主要有用矿物品位高、质量好， 但是矿区矿体赋存条件极其复杂，缓倾斜薄至中厚矿体与夹层呈多层 复合状产出，夹层厚度与矿层厚度相近，属于典型的复杂难采矿体。 为了实现对该矿资源的安全、高效回采，提高资源利用率，本文在开 采技术条件分析的基础上，首先通过理论计算确定了该矿夹层矿体合 采和分采的界定指标，随之运用数值模拟和理论计算相结合的方法对 采场极限暴露面积进行了分析，据此提出了两个非传统的开采方案并 进行了优选，最后对选定的开采方案进行了单体设计。主要取得了以 下研究成果及结论 1 分析研究岩头寨钒矿地质报告后，掌握了矿区地层、构造 情况和矿床地质特征，为开展数值模拟和理论分析以及合理设计该矿 夹层缓倾斜薄至中厚矿体的开采方案提供了基本资料及数据。 2 以工业品位为评判准则，推断出了夹层矿体分采时合理夹 石剔除厚度的计算公式，计算结果表明岩头寨钒矿夹层矿体不宜采用 合采。 3 综合应用岩石强度判据、容许极限位移量判据作为井下采 场工程破坏判据，分别运用M I D A S ／G T S 数值模拟软件和M a t _ h e w s 法对该地质条件下的采场极限暴露面积进行了计算分析。最终综合两 种计算分析结果确定当采场沿水平布置时，采场极限暴露面积为 7 0 0 m 2 ；当采场沿倾向布置时，采场极限暴露面积为6 6 0 m z 。 4 综合上述分析结果，初选了两种非传统的合分采的采矿方 法，通过技术经济比较，最终选择了机械化程度高、灵活性好、实施 难度小的机械化合分采上向水平分层充填法并进行了详细的方案设 计。 文中包含图5 4 幅，表3 4 个，参考文献7 1 篇。 关键词多层邻近缓倾斜薄至中厚矿体；界定指标；极限暴露面积； M a t h e w s 法；数值模拟；合分采采矿方法 分类号T D 8 5 3 S t u d yo n t h ec o m b i n e dm i n i n g t e c h n o l o g yo fm u l t i l a y e r a d j a c e n t g e n t l yi n c l i n e do r e b o d yw i t ht h i n m e d i u mt h i c k n e s s A b s t r a c t T h eG u z h a n gy a n t o u z h a ii Sr i c hi nv a n a d i u mm i n e r a lr e s o u r c e a n dt h em a i nu s e f u lm i n e r a l sa r eh i g hg r a d ea n dg o o dq u a l i t y ．H o w e r v e r , t h em i n eo r eb o d yc o n d i t i o ni se x t r e m e l yc o m p l e x ，m u l t i l a y e rc o m p o s i t e i sp r e s e n t e dw i t ht h eg e n t l yi n c l i n e dt h i n - m e d i u mt h i c k n e s so r e b o d ya n d m e z z a n i n e ，a n da l s ot h em e z z a n i n et h i c k n e s si sc l o s et os e a mt h i c k n e s s ， w h i c hb e l o n g st ot y p i c a lc o m p l e x i t yo fd i f f i c u l tm i n i n gb o d y ．I no r d e rt o a c h i e v et h es a f ea n de f f i c i e n tr e c o v e r yo fm i n er e s o u r c e sa n di m p r o v e r e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h em i n i n gc o n d i t i o n s ， t h ep a p e rf i r s t l yd e t e r m i n et h ec o m m i n g l e da n ds u b - m i n i n gd e f i n i t i o n i n d i c a t o r so ft h em i n em e z z a n i n eo r e b o d yb yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s ． T h e nt h el i m i te x p o s e da r e ao ft h es t o p ei sa n a l y z e dw i t ht h em e t h o d so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n ．A c o r r d i n g t ot h e a n a l y s i s ，t w on o n - t r a d i t i o n a lm i n i n gp l a n s a r e p r o p o s e d a n dt h e o p t i m i z a t i o np r o c e s si sc o n d u c t e d ．F i n a l l y , t h em o n o m e rd e s i g ni sp u t f o r w a r df o rs e l e c t e dm i n i n gp l a n ．T h ep a p e rm a i n l ya c h i e v e st h e f o l l o w i n gr e s e a r c hr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n s 1 B ya n a l y z i n gt h ey a n t o u z h a iv a n a d i u mm i n eg e o l o g i c a lr e p o r t s ， t h ea u t h o rh a sm a s t e r e dt h em i n es t r a t i g r a p h y , s t r u c t u r es i t u a t i o na n d g e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hC a np r o v i d et h eb a s i ci n f o r m a t i o na n d d a t af o rc a r r y i n go u tn u m e r i c a ls i m u l m i o n sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d r e a s o n a b l e l yd e s i g n i n gm i n i n gp l a no ft h eg e n t l yi n c l i n e dt h i na n dt h i c k o r e b o d i e sa n dm e z z a n i n e ． 2 T a k i n gi n d u s t r i a lg r a d e a se v a l u a t i o nc r i t e r i a ，t h ep a p e rh a s d e d u c e dt h ef o r m u l ao fr e a s o n a b l es t o n er e m o v e dt h i c k n e s sw i t h s u b m i n i n g s a n d w i c ho r e b o d ya n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h e c o m m i n g l e dm e t h o di sn o ts u i t e dt ot h ey a n t o u z h a iv a n a d i u mm i n e ． 3 T h es t o p el i m i te x p o s u r ea r e ai s c a l c u l a t e da n da n a l y s i z e d r e s p e c t i v e l y w i t hM I D A S ／G T Sn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ea n d M a t h e w sm e t h o db ya p p l y i n gr o c ks t r e n g t hc r i t e r i o na n da l l o w a b l el i m i t d i s p l a c e m e n tc r i t e r i o ns y n t h e t i c a l l ya ．st h eu n d e r g r o u n ds t o p ee n g i n e e r i n g T I T f a i l u r ec r i t e r i o n ．T h ec o m p r e h e n s i v er e s u l t ss h o wt h a t ．t h es t o p el i m i t e x p o s u r ea r e ai s7 0 0 r n 2w h e nt h ea r r a n g e m e n to fs t o p ei sh o r i z o n t a la n d t h es t o p el i m i te x p o s u r ea r e ai s6 6 0 m 2w h e nt h ea r r a n g e m e n to fs t o p ei s g r a d i e n t ． 4 o nt h eb a s i so fa b o v ea n a l y s i sr e s u l t s ，t w on o n t r a d i t i o n a lm i n i n g m e t h o d s ，n a m l y , c o m m i n g l e dm e t h o da n ds u b m i n i n gm e t h o d ，a r e p r i m a r i l yc h o o s e d ．B y t h et e c h n i c a la n de c o n o m i c c o m p a r i s o n c o m p a r i s o n ，t h em e c h a n i z e dc o m b i n e ds u b - m i n i n go nt h el e v e ll a y e r i n g m e t h o dw i h th i g hd e g r e eo fm e c h a n i z a t i o n ，f l e x i b i l i l t ya n de a s yt o i m p l e m e n ti sf m a l l ys e l e c t e da n dt h e nad e t a i l e dp r o g r a md e s i g ni s c a r r i e do u t ． T h i sp a p e rc o n t a i n s5 4f i g u r e s ，3 4t a b l e s ，71r e f e r e n c e s ． K e y w o r d s m u l t i l a y e ra d ja c e n tg e n t l y i n c l i n e d o r e b o d y w i t h t h i n m e d i u mt h i c k n e s s ；d e f i n i t i o ni n d e x ； u l t i m a t ee x p o s e da r e a ； M a t h e w sm e t h o d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o m m i n g l e da n ds e p a r a t e d m i n i n g C l a s s i f i c a t i o n 6 2 2 I V 目 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“I I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1 钒资源现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 钒市场供需现状及预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．1 ．3 岩头寨钒矿的开采技术难点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．1 夹层矿体开采⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“4 1 ．2 ．2 缓倾斜薄至中厚矿体开采⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 主要研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．2 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”6 2 开采技术条件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 矿区地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1 地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．2 构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 矿床地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．1 矿床特征⋯⋯⋯⋯⋯．．- ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．2 矿体 层 特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．3 矿体围岩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．4 矿石质量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 矿山开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 ．1 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 ．2 工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．4 ．3 资源储量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 夹层矿体合采和分采的界定指标研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 V 3 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 工业指标中的夹石剔除厚度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 夹层矿体合采和分采的界定指标计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”3 0 3 ．4 岩头寨钒矿合采和分采界定指标的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 采场极限暴露面积研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“3 5 4 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 数值模拟法分析采场极限暴露面积⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 ．1M I D A S ／G T S 软件介绍和模型简化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 ．2 矿岩物理力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“3 6 4 ．2 ．3 模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．4 数值模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3M a t h e w s 法分析采场极限暴露面积⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．4 采场极限暴露面积的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 夹层缓倾斜薄至中厚矿体开采方案优选和设计⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．2 开采范围、方式及顺序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．3 采矿方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．3 ．1 采矿方法选择原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．3 ．2 采矿方法选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．3 ．3 机械化合分采上向水平分层充填法设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”7 5 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 V I 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景及意义 1 ．1 ．1 钒资源现状 1 世界钒资源现状 世界钒矿资源的现状可以用一句话来概述，即储量丰富、分布广泛，但是 品位普遍较低【卜2 1 。自然界中的钒主要同其他矿物复合或共生产出，很难以单一 体的富矿形式存在。当前已知的含钒矿物达7 0 多种，其中主要矿物有三种钒 钛磁铁矿、钾钒铀矿和含碳物质伴生矿 如石油、油页岩和石煤 【3 一钉。 世界已探明钒矿资源储量即分布见表1 ．1 。从表中可知，南非钒金属资源量 接近世界钒金属资源量的一半，高达4 6 ％，俄罗斯、美国和中国紧跟其后，这 四个国家的钒金属资源总量达到了全球钒金属资源总量的9 4 ．3 附确J 。然而因为 有很大一部分钒矿常常是以附加产品或者共生矿物进行回采，所以目前已探明 的世界钒矿资源储量无法确切地反映实际的资源状况【7 ．8 】。从钒钛磁铁矿中以工 业规模回收钒矿资源的工艺十分复杂，成本难以控制，以目前的科技水平，只 有南非、美国、俄罗斯和中国等少数几个国家能做到L 9 J 。 表1 ．1 世界已探明钒金属资源量分布表 2 国内钒资源现状 中国钒矿资源极其丰富，根据目前已探明的地质资料，国内数十个省市 区 都已经发现储量大小不一的钒矿资源，但是全国钒钛磁铁矿资源主要集中在两 个地区四川攀枝花地区钒钛磁铁矿资源约占全国钒钛磁铁矿资源储量的5 5 ％， 河北承德地区钒钛磁铁矿资源约占全国钒钛磁铁矿资源储量的4 0 ％1 1 0 。1 1J 。 从世界范围来看，中国的钒钛磁铁矿资源储量虽排在世界第四位，但钒金 属资源量 不含石煤矿 却仅占世界钒金属资源总量的约1 1 ．6 ％。然而，据中 中南大学硕士学位论文1 绪论 国南方石煤资源综合考察报告显示，中国的石煤钒矿资源储量极其丰富广 西、河南、陕西、浙江、江西、湖南、湖北、贵州、安徽等省、自治区石煤总 储量达6 1 8 ．8 亿t 。我国石煤资源及其共生V 2 0 5 资源储量的具体分布见表1 ．2 。 表1 - 2 我国南方各省石煤及V 2 0 5 储量分布表 1 ．1 ．2 钒市场供需现状及预测 1 钒市场供需现状 从世界范围看，年需求V 2 0 5 量约1 3 万t ，其中8 6 ％被钢铁工业消化利用， 催化剂、合金及颜料等领域利用了余下的部分。据此分析，钒资源的需求量极 大程度上由钢铁工业的发展而决定。我国是世界上主要的钒产品出口国， 2 0 0 7 ～2 0 1 1 年V 2 0 5 出口量情况如表1 ．3 所示。 表1 ．32 0 0 7 ～2 0 1 1 年V 2 0 5 出口量统计表 中南大学硕士学位论文1 绪论 2 钒市场供需预测 从供应的角度来看，全球钒金属产量在1 9 8 8 年- 2 0 0 8 年间一路递增，从6 ．7 万t ／年上涨到1 1 ．3 万t ／年。直到2 0 0 9 年，全球钒资源总供应量比上一年减少约 1 ．3 5 万t ，这主要是因为受到全球经济危机的影响，钒价格大幅下跌导致供应商 减少产量。从2 0 1 0 年开始，全球经济出现好转，国际钒供应商逐渐恢复产能， 全球钒供应量也逐年回升。 从需求的角度来看，全球钒金属消费量在1 9 9 8 年- 2 0 0 7 年间呈现振荡攀升 的态势，从7 ．0 万t ／年增加到1 1 万V 年。受到2 0 0 8 年经济危机的影响，2 0 0 9 年 全球钒金属需求量仅为9 ．0 5 万t ，比2 0 0 8 年减少约1 ．4 5 万t ，下降幅度高达1 4 ％ 其中主要消费地区如日韩、欧美等地都出现大幅下降。从2 0 1 0 年开始，随着全 球经济逐步走出低谷，全球钒产品的需求量也呈逐年增加的趋势。 1 ．1 ．3 岩头寨钒矿的开采技术难点 古丈岩头寨钒矿矿区内资源条件得天独厚，主要有用矿物品位高、质量好， 使得产品在价格的竞争上有足够的支撑。但是矿区矿体赋存条件及其复杂，多 层邻近缓倾斜薄至中厚矿体与夹石层呈多层复合状产出，矿层和夹石的空间相 对位置见图1 - 1 所示。 图1 - 1 岩头寨钒矿5 2 勘探线剖面图 部分 中南大学硕士学位论文1 绪论 对于此类多层邻近缓倾斜薄至中厚矿体，现行采矿方法中存在的问题比较 突出，尤其是矿石损失贫化比较严重，或者是采切工程量较大，这不仅关系到 矿山生产能力，而且也直接影响到矿山的经济效益。因此，针对此类复杂难采 矿体，当前迫切需要解决的重大科研问题是，在现行采矿方法的基础上作进一 步的科研和改进试验，提出符合该开采技术条件对的新型采矿方法。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 夹层矿体开采 对于夹层缓倾斜薄矿脉，当前矿山一般采取合采或分采，而且在分采时， 一般都是应用全面法、房柱法、充填法以及其它各种壁式崩落法等，使得回采 工艺复杂、回采工效低、采切工程量大和矿损贫化大【1 2 ‘1 3 J 。 对于夹层缓倾斜薄至中厚矿体或缓倾斜中厚矿体，一般矿山都是采取分采， 而且在中厚矿体分采时，一般又都是应用房柱法、杆柱房柱法、底盘漏斗采矿 法或无底柱分段崩落法，尤其是遇到夹石厚度在4 ．O ～6 ．O m 左右时，给生产设计 和施工带来困难，其后果不是采取多层地盘漏斗结构，徒然增大采切工程量， 就是被迫丢失或破坏地下有限资源或导致浪费，严重影响矿山的经济效益和矿 石产量【1 4 - 15 1 。 罗周全等人针对云南某矿的缓倾斜夹层矿体，提出一种比较特殊的深孔合 采井下矿废分离连续采矿法，其通过大直径深孔合采矿岩、井下矿岩集中分离、 连续采矿等技术，彻底改变了传统的分采工艺，巧妙地解决了传统采矿方法存 在的不足，为缓倾斜夹层矿体的高效、低耗和安全开采提供了新的技术方案【l 刎； 针对斗南锰矿白姑矿区缓倾斜多层矿体，郭金峰等人对各矿层的回采顺序、各 矿块的超前关系以及矿房布置形式等I ．- J 题进行了研究，经济效果突出[ 1 7 1 ；云南 大姚铜矿属于极具代表性的多层缓倾斜复杂难采矿体，李朝晖借鉴当代采矿基 本理论，在对采空区进行数值模拟的基础上，提出了有针对性的地压控制技术 和采矿方法当上、下矿层厚度分别为2 m ～4 m 和4 m - 6 m ，夹层废石厚度不小于 4 m 时，采用双层浅孔房柱法对上、下矿层进行同步回采，夹层废石则作为顶、 底柱保留【1 8 】；玲南金矿资源储量的6 5 ％以上为复杂难采的多层矿体，原先一直 广泛应用普通干式充填法，提高矿块产能和工作效率，降低工人作业强度一直 是矿山急需解决的重要问题，盘区机械化充填采矿法在周科平等的推荐下，经 过设计试用，达到了预期结果并在矿区进行了推广，取得了明显的经济效果【1 引。 龙头锰矿属于典型的多层邻近缓倾斜薄矿体，杨选臣等针对试验矿块的地质条 件，进行了为期一年多的试采并进行了数据统计，并进行了相关室内相似材料 中南大学硕士学位论文1 绪论 模拟试验，从其研究结果可以得出这样的结论对近距离、品位不高的多层矿 体进行开采，一般情况下采用分采较为合适，但是为了能在多层矿体安全回采 的同时保证2 ．7 m - 2 ．9 m 的夹石层不遭到破坏，必须对凿岩爆破参数进行优化设 计并采取合理的台阶形式ⅢJ 。 1 ．2 ．2 缓倾斜薄至中厚矿体开采 缓倾斜薄矿体的开采，制约其生产率的因素众多，包括矿体产状、矿石品 位、采矿方法、工艺技术等，并且这些因素通常是联系在一起的【2 1 ‘2 2 J 。当今国 内外针对缓倾斜薄至中厚矿体，主要采用传统的采矿方法，例如长壁采矿法、 房柱法和全面法等【2 3 。2 4 1 。在南非和欧洲，长壁采矿法在缓倾斜薄矿体的开采中 取得了非常好的经济效果，矿石损失率最低仅为5 ％，最高为2 0 ％，并且当矿体 边界比较规整时，其采准工程量可以大大减少【2 5 。2 6 】。当缓倾斜薄矿体的倾角不 超过1 5 0 时，若采用房柱法进行开采，尽管可以通过采用无轨设备来提高工作效 率和生产能力，但是其主要问题是矿柱损失严重、资源利用不充分、工序复杂， 全面法也存在上述问题【2 7 。2 引。对于围岩较稳固的缓倾斜薄矿体，王来军等人提 出了水平分层采矿法和垂直分条采矿法并进行了方案对比和分析，优化选择后 最终确定采用垂直分条采矿法较为合理【2 9 】；况世华等人为了对品位高、赋存条 件复杂、项板不稳固、开采难度大的缓倾斜极薄石英矿脉进行安全高效回采， 进行了一系列采矿方案试验，最终总结出了经济效果和安全性均较好的全粒级 废石胶结条柱连续分条采矿法【3 0 】；尹升华、吴爱祥等人在“缓倾斜中厚矿体采矿 方法现状及发展趋势”一文中，介绍了国内外缓倾斜中厚矿体的开采现状和今后 的发展趋势。文中指出，国外矿体缓倾斜薄至中厚的矿山大多采用充填采矿法 和房柱采矿法，可以达到良好的经济效果，其中主要是因为其矿床规模较大、 矿石品位和价值较高、矿山经济和技术力量比较强。我国此类矿山矿床规模普 遍较小、矿山品位普遍偏低，再加上国内矿山技术经济基础比较薄弱，装备水 平比较落后，针对此类矿体采用的房柱法和空场法普遍存在投入低、效率低、 损失贫化高等一系列问题，达不到良好的经济效益。文中最后指出，缓倾斜中 厚矿体采矿方法的发展趋势是①进一步推广和应用无轨设备。②大盘区无间 柱连续强化开采技术。③针对特定的开采技术条件研究和发展组合式采矿方案， 实现各个方案的优势互补。④原地浸出、废弃物回填的无废开采技术。⑤爆力 运搬及深孔崩矿技术等1 3 lJ 。 中南大学硕士学位论文1 绪论 1 ．3 主要研究内容和技术路线 1 ．3 ．1 主要研究内容 1 夹层矿体分采和合采的界定指标研究 对于夹层缓倾斜薄至中厚矿体或缓倾斜中厚矿体，一般矿山都是采取合采 或分采，如果开采方式选择不当，将会出现矿石贫化率高或采准工程量大和矿 石回采率低等问题【3 2 ∞】。因此，首先要明确和合理确定最佳的分采和合采界限， 然后才能有针对性地做出合理的采矿方案设计【3 4 ’35 | 。 2 采场极限暴露面积研究 采场极限暴露面积是确定采场结构参数的重要依据之一，然而采场极限暴 露面积的影响因素十分复杂，传统的理论计算的方法存在一定的区域限制，近 几十年来兴起的有限单元法、边界单元法、拉格朗日元法和离散单元法等数值 模拟方法虽然在井下采矿工程的稳定性研究中得到了广泛的应用，但是由于其 受矿岩物理力学性质的影响颇大，模拟结果也可能存在一定的偏差。因此，有 必要结合理论计算和数值模拟分析两种方法，对采场极限暴露面积进行研究， 为合理进行开采方案设计提供依据【3 6 ‘“ J 。 3 夹层缓倾斜薄至中厚矿体开采方案优选和设计 对于此类夹层缓倾斜薄至中厚矿体，现行采矿方法中存在的问题比较突出， 尤其是矿石损失贫化比较严重，或者是采切工程量较大，这不仅关系到矿山生 产能力，而且也直接影响到矿山的经济效益。因此，可以结合矿山的实际开采 技术条件，打破传统分采和合采的采矿方式的束缚，提出几种创新的采矿方法， 在提高矿石回收率、降低矿石贫化率的同时，减少采切工程量，通过方案对比 优选出最佳开采方案并进行采矿方案设计。 1 ．3 ．2 研究技术路线 根据上述研究内容，本文采取的技术路线见图1 - 2 。 中南大学硕士学位论文 1 绪论 多层邻近缓倾斜薄至中厚矿体联合开采技术研究 图1 ．2 技术路线图 中南大学硕士学位论文 2 开采技术条件分析 2 开采技术条件分析 2 ．1 工程概况 古丈大盈矿业有限公司采I 区为岩头寨矿区岩头寨矿段的一部分，位于岩 头寨矿区4 4 “4 线，地理坐标为东经1 1 0 0 0 5 ’5 7 ”～1 1 0 。0 7 4 3 ”、北纬 2 8 。3 6 ，0 7 ”～2 8 0 3 7 ，3 0 ”。矿区行政区划属于岩头寨镇白羊洞、湾坪及岩头寨村，西 距古丈县城3 3 k m ，古丈县城南行5 5 k m 到达湘西州府吉首市、北行9 5 k m 到达 张家界市。吉首有高速公路通往长沙、重庆，吉首至怀化高速公路计划2 0 1 3 年 通车。焦柳铁路及省道S 1 8 2 8 线吉首～张家界段从古丈县城通过，矿区内有多条 村级公路与之相连，矿区交通尚属便利 图2 1 。 1 0 9 。3 0 ， 】1 0 。0 01 1 0 ‘3 0l l I 。∞7 2 9 ‘ 2 9 。 3 0 封筠 尝霉～i ；飞≥ ；二，椽 3 0 j 匕‘， 之。- ，簖／／『，’ * 矗芦j ，∥一慈“” 麓 省j _ ●f 鬻 i 。遗一籁。，／、～⋯。。影f 。崩 2 9 。 ，‘’ 。／ 备1 ， ．_ 5 女．1 1 ／ ，，，一’蔓曩 枣} ，， ‘l 2 9宦’k 。譬 ≥芝苷7 羔，o 0 0 ’ 0 0 ’ ≮喾嬲严蜒、o { 蠢| “吣{ 给 暑√j 1 ”誉隶_ 霉憋 定＼一，，。。， ／瀚 2 8 。 日疆h ■， 2 8 。麓 3 0，一左i j } 鋈 ≮昝，一参 3 0 ’ j“蛳 委0 鬈、篇。＼一 餐多7／ ≮、≯”’s 々 ／ j 融7 氕瀑．气黼l ～、★ - 选_ 二芸’ 7 一，／j ，≤ 、魏1 ；嚣‘影。冀 麓 ；竹。厨- ’‘j i1 。／／’ E 夥／声’ 。7 i 』束蔓 ■* mi 菇。k ＆i 、7 ／一 鼍、、‘势 2 8 ‘ 。 ／溢 i 一 弋守- 2 1 ‰蠢多孑‘⋯ 2 8 。 ■■矗’’暑一 _ ’ 0 0 莎7 一c f } t j 图例 叫．爹≮苏 [ i 二县市[ 二二高速公路 0 0 ’ t ；| 。一、擎 j 。”2 ／ ≤，，一、 ～f ，，b 谢。8 8 ≯叫孑、 [ 乡镇[ 至二工作范匿 。。乞窜些号 ．} 4 。瞰 贵I ‘；O 。- “ 、＼ ；≯国道公路 ’一g ， 。磴太，、一jt t 蕊1 ，i 冬一。夕公k i 省道公路 州 j 、- 7 。y 。≯鬟t 彰i ∥≮ ．芝三乡镇公路 齄’“ 4 紫 1 0 遒一缪终； 知一； 立- 一 Z 铁路 2 7磊宇一≮坩-一r ‘√、i 最糍再』v 。鐾i | 二] 省羿 一＼ 一、 ／’＼ 一 一， 1 拟建．在建高速公路 2 7 ‘ 3 0、．“ 。 ，兹、，。溢 I j 自日 ‘弋。 3 0 ， 0 气。；， 1 0 9。3 0 ’ 1 I 。0 0 ’1 1C。3 0 1 1 1‘0 0 芏芏， 图2 - I 矿区交通位置图 9 中南大学硕士学位论文2 开采技术条件分析 矿区位于云贵高原东部边缘，武陵山脉的南西部，其东为沅麻盆地，地处 湘西构造侵蚀、剥蚀山地区中部，地形地貌类型主要为白垩系～板溪群地层形成 的构造侵蚀～剥蚀低山丘陵地貌，主要山脉与区域主构造线总体展布方向一致， 呈N E 向展布。地势为北西高、南东低，区内海拔高程一般为4 0 0 ～5 5 0 m ，最高 点穷抱山海拔6 7 7 ．0 m ，最低侵蚀基准面标高2 8 5 m 。区内植被茂盛，植被覆盖率 达8 0 ％以上。地形复杂程度属Ⅳ类地形。 矿区属亚热带季风气候，四季分明。春季多寒潮、阴雨和雾天；夏季雨水 多，常有雷阵雨；早秋晴热，晚秋阴雨较多；冬季寒冷，常有冰雪。历年月平 均气温