凡口铅锌矿垮塌区隐患资源开采方案研究.pdf

中图分类号婴墨兰 U D C6 2 2 学校代码l Q 主三兰 密级 垒珏 硕士学位论文 凡口铅锌矿垮塌区隐患资源开采方案研究 S t u d y o nM i n i n gS t r a t e g yo fH i d d e n D a n g e r R e s o u r c e s A r o u n d C o l l a p s eA r e a i nF a n k o uL e a d Z i n cM i n e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 唐硕 矿业工程 采矿工程 资源与安全工程学院 罗周全教授 论文答辩日期竺竺 』答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 4 年5 月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，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教育机构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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名窒圣塾 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全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并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名2 叁丝导师签名 日期进年玉月卫日 万方数据 硕士学位论文 摘要 凡口铅锌矿垮塌区隐患资源开采方案研究 摘要隐患资源安全开采技术研究对提高宝贵矿产资源的回收率及 企业的经济效益具有重要的意义。本文依托凡口铅锌矿“主矿体垮 塌区隐患资源综合回采技术研究“ 科研课题，紧密结合凡口铅锌矿 工程实际，综合运用理论分析、试验研究及数值分析的方法，开展 主矿体垮塌区隐患资源开采方案研究，旨在分析并揭示垮塌区及其 形成的隐患资源目前的力学状态，确定垮塌区的影响范围及资源量， 在综合考虑矿山目前开采工程及相关技术条件的基础上，研究提出 隐患资源回收的开采顺序方案及采矿方法方案，以确保安全的前提 下，尽可能最大限度的回收该部分的高价值资源。论文的主要研究 内容与成果如下 1 在收集、整理和分析垮塌区相关技术资料的基础上，开展了 垮塌区矿岩物理力学性质试验研究，获得了垮塌区矿岩的物理力学 性能参数。 2 开展了垮塌区数值模拟分析研究。通过运用有限元软件 M I D A S ／G T S 建立了垮塌区三维数值模型，并通过接口程序实现了 M I D A S ／G T S 与F L A C 3 D 数据文件的格式转换，形成了F L A C 3 D 数 值分析模型，在此基础上对凡口铅锌矿垮塌区S h ．3 2 0 中段0 撑采场失 稳垮塌进行了数值模拟分析，确定了垮塌区的影响范围，并对影响 范围内的隐患资源量进行了统计。 3 开展了垮塌区隐患资源开采顺序优化研究。根据垮塌区的开 采技术条件，分析提出了四种不同的垮塌区隐患资源回采顺序方案。 通过对四种不同的回采顺序方案进行数值模拟分析，获得了不同方 案条件下的力学响应特征，并据此确定了最佳的回采顺序。 4 开展了垮塌区隐患资源采矿方法方案研究。根据垮塌区隐患 资源的开采技术条件、开采方案选择的要求以及垮塌区的力学状态， 针对性的提出了两种垮塌区影响范围内隐患资源开采的采矿方法方 案，并对其中上向分层充填采矿法的分层高度进行了优化。 关键词隐患资源；数值分析；空区垮塌；回采顺序；开采方案 分类号T D 8 5 3 Ⅱ 万方数据 硕士学位论文 A B S T R A C T S t u d yo nM i n i n gS t r a t e g yo fH i d d e nD a n g e rR e s o u r c e sA r o u n d C o l l a p s eA r e ai nF a n k o uL e a d - Z i n cM i n e A B S T R A C T S t u d yo fh i d d e nr e s o u r c e ss e c u r i t ym i n i n gt e c h n o l o g yi s o fg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h er e c o v e r yr a t eo fv a l u a b l em i n e r a l r e s o u r c e sa n de c o n o m i ce f f i c i e n c yo f e n t e r p r i s e s ．B a s e do nt h es c i e n t i f i c r e s e a r c ht o p i c o f 什s t u d yo fh i d d e nr e s o u r c ec o m p r e h e n s i v er e c o v e r y t e c h n o l o g yi nt h em a i nO r eb o d yc o l l a p s ea r e a ”i nF a nk o uL e a dz i n c m i l l e ，t i g h t l yc o m b i n e dw i t hp r a c t i c a le n g i n e e r i n gi nF a nk o uL e a d z i n c m i n e ，t h ei n t e g r a t e du s eo ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha n dn u m e r i c a la n a l y s i s ，c a r r yo u tr e s e a r c ht h em a i no r eb o d v c o l l a p s e a r e ao fh i d d e nt r o u b l er e s o u g c em i n i n gs c h e m e ，a i m i n gt o a n a l y z ea n dr e v e a lt h em e c h a n i c a ls t a t eo fc o l l a p s ea r e aa n di t s f o r m a t i o nh i d d e nr e s o u r c ea tp r e s e n ta n dd e t e r m i n et h ei n f l u e n c ea r e a a n dr e s o u r c eo fc o l l a p s ea r e a ．S t u d yo np r o p o s i n gm i n i n g s e q u e n c e s c h e m ea n dm i n i n gm e t h o do fr e c o v e r i n gh i d d e nr e s o u r c eb a s e do n c o m p r e h e n s i v e c o n s i d e r a t i o no f m i n i n ge n g i n e e r i n g a n dr e l a t e d t e c h n i q u ec o n d i t i o n sa tp r e s e n t ．U n d e rt h ep r e m i s eo fe n s u r i n gs a f e t y , a s f a ra sp o s s i b l et or e c o v e r yt h eh i g hv a l u er e s o u r c eo ft h i sp a r t ．T h em a i n r e s e a r c hc 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 O nt h eb a s i so fc o l l e c t i n g ，c o l l a t i n ga n da n a l y s i n go fr e l e v a n t t e c h n i c a li n f o r m a t i o no nt h ec o l l a p s ea r e a , c a r r i e do u tt h ee x p e r i m e n t a l s t u d yo nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o l l a p s ea r e ao fo r e r e e k ，o b r a i n e dt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c kc o l l a p s e a r e a ． 2 T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so fc o l l a p s ea r e ac a r r i e do u t ． T h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lf o rt h ec o l l a p s ea r e ai se s t a b l i s h e d b yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e 泐A S ／G T S ．T h r o u g ht h ei n t e r f a c e p r o g r a mf o r m a tc o n v e r s i o no fM I D A S | G T Sa n dF L A C 3 Dd a t af i l ei s a c h i e v e da n df o r m e dF L A C 3 Dn u m e r i c a lm o d e l ．T h ei n s t a b i l i t ya n d c o l l a p s en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so f0 s t o p eS h ．3 2 0m i d d l e c o l l a p s ea r e ai nF a nK o uL e a dz i n cm i n ec a r r i e dO u t ，t h ei n f l u e n c e da r e a o fc o l l a p s eo b t a i n e da n dt h es t a t i s t i co fh i d d e nr e s o u r c e s ． 3 T h ec o l l a p s ea r e ao fh i d d e n 缸- o u b l er e s o u r c em i n i n gs e q u e n c e o p t i m i z a t i o nr e s e a r c hc a r r i e do u t ．F o u rd i f f e r e n ts c h e m e so fm i n i n g H I 万方数据 硕士学位论文 s e q u e n c ep r o p o s e da f t e ra n a l y s i so f t h em i n i n gt e c h n o l o g yc o n d i t i o n so f c o l l a p s ea r e a ．T h r o u g h t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so ff o u r d i f f e r e n tk i n d so fm i n i n gs e q u e n c e s ，d i f f e r e n ts c h e m e sm e e h a n i c a l r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sw e r eo b t a i n e d ，a n dt od e t e r m i n et h eb e s tm i n i n g s e q u e n c e ． 4 T h ec o l l a p s ea r e ao fh i d d e nt r o u b l er e s o u r c em i n i n gm e t h o d s c h e m er e s e a r c hc a r r i e do u t ．B a s e do nt h em i n i n gt e c h n o l o g yc o n d i t i o n s o fc o l l a p s ea r e ao fh i d d e nt r o u b l er e s o u r c e ，r e q u i r e m e n t so fm i n i n g s c h e m es e l e c t i o na n dt h em e e h a n i c a ls t a t eo fc o l l a p s ea r e a ，p u t t e d f o r w a r dt w od i f f e r e n tm i n i n gs c h e m e sf o rC o l l a p s ea r e a 谢t h i nt h e s c o p eo fi n f l u e n c eo f h i d d e nt r o u b l er e s o u r c ee x p l o i t a t i o n ．T h eh i g h l y s t r a t i f i e do fu p w a r db a c kc u t - f i l lm e t h o do p t i m i z a t i o nw a sc a r r i e do u t ． K e y w o r d s h i d d e nd a n g e rr e s o u r c e s ，n u m e r i c a la n a l y s i s ，s t o p ec o l l a p s e ， m i n i n gs e q u e n c e ，m i n i n gs c h e m e C l a s s i 6 c a t i o n T D 8 5 3 Ⅳ 万方数据 硕士学位论文目录 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．Ⅱ 目勇匙⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．I 课题由来及研究目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．2 ．1 隐患资源开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 矿岩失稳垮塌分析研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．3 开采方案优化研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯j ⋯⋯⋯⋯⋯一8 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l O 2 垮塌区概况及岩石力学参数试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 ．1 垮塌区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 l 2 ．1 ．1 垮塌区成因及位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 ．2 垮塌区地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．1 ．3 垮塌区充填注浆处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 3 2 ．2 岩石力学参数试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．1 试样采集及加工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 ．2 试验及其结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 岩石力学参数折算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 垮塌区数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 数值模拟分析工具⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 ．1F l a c 3 D 软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～2 2 3 ，1 ．2M D A S ／G T S 软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 数值分析模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．1M I D A S ／G T S 三维实体模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．2M 田A S ／G T S 网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 6 3 ．2 ．3 构建数值分析模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．4 屈服准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 V 万方数据 硕士学位论文 目录 3 ．2 ．5 岩石物理力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．2 ．6 边界条件设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 3 ．2 ．7 初始应力场模拟生成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 l 3 ．2 ．8 监测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．3 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．3 ．1 应力场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．3 ．2 位移场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．3 ．3 塑性区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．4 垮塌区隐患资源分布及矿量统计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 垮塌区隐患资源回采顺序研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 ．1 回采顺序方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 ，2 回采方案模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 ．3 回采方案对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 隐患资源采矿方法初步方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．1 垮塌区隐患资源开采技术条件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．2 采矿方案的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．2 ．1 选择采矿方案的要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．2 ．2 采矿方案的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．2 ．3 无底柱深孔后退式回采嗣后充填采矿法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．2 ．4 上向分层充填采矿法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．3 上向分层充填采矿法分层高度优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．3 ．1 分层高度的优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．3 ．2 不同分层高度方案数值模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．“ 5 - 3 ．3 分层高度的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 6 全文总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 l 6 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 l 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 攻读学位期间的主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 0 V I 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题由来及研究目的和意义 矿产资源是人类生产资料和生活资料的基本源泉之一，是发展世界经济的 重要物质基础，绝大多数矿产资源是不可再生的，节约、合理、有效地利用矿 产资源是全社会的共同责任。随着国民经济的高速发展，矿产资源消耗日益加 剧，高品位易于开采的矿产资源日渐枯竭。为满足人类对矿产资源日益增长的 需求，保持经济稳健发展，在目前现有技术水平和经济背景下，除了继续向地 层深部开采矿产资源以外，还应充分回收矿山开采过中遗留的隐患资源【㈨。 隐患资源是资源开采中存在自然条件和人为因素影响的安全环境复杂，资 源开采回收率低的一种难采资源1 5 - 6 1 ，主要包括①没有按正规开采设计而进 行的采富弃贫、采厚弃薄的无序化开采，及乱采滥挖形成的各种空区群周边的 残留矿产资源 如开采过程中预留的矿柱、问柱及顶底柱等 ；②为保护地表及 地表上建筑物的安全而遗留下来的残矿资源 如保安矿柱 ③矿山开采过程中 由于矿岩或空区失稳垮塌造成的其影响范围内的未开采的矿产资源。 凡口铅锌矿是我国目前最大的铅锌矿生产基地之一，该矿于1 9 5 8 年建矿， 1 9 6 8 年正式投产，经过多次技术改造，1 9 9 0 年形成了日处理铅锌矿石3 0 0 0 吨 的生产能力，2 0 0 2 年日处理铅锌矿石达到了4 5 0 0 吨，2 0 0 8 年日处理铅锌矿石 达到了5 5 0 0 吨，年产1 8 万吨铅锌金属量的产能。然而，随着矿山生产能力的 提高，矿山在大量开采铅锌矿资源的过程中遗留了一部分资源未开采，这部分 资源存在着一定的安全隐患，因此，回收这部分隐患资源对保证矿山安全生产 具有重要的意义。 凡口铅锌矿S h ．3 2 0 中段0 群采场在回采过程中，由于受矿岩结构破碎、断 层、采矿爆破震动、开采顺序等因素的影响，发生了两帮充填体跨帮以及顶部 矿体冒落，从而导致了周边相邻采场出现大面积失稳，致使该地区成为了隐患 区域。该区域采场发生局部垮塌后，其影响范围内的资源开采安全技术条件变 得极为的复杂，致使影响范围内的资源成为了典型的隐患资源。然而此部分隐 患资源品位很高，属于高价值资源，属于凡口铅锌矿的主矿体，目前这部分资 源约有4 6 万吨矿石量，因此具有重要的回收价值。 凡口铅锌矿垮塌区隐患资源的回收是凡口矿难采资源回收的重点之一，而 且垮塌区资源开采条件较复杂，在进行回收开采时，经常会因为安全因素、技 术问题等的影响，达不到事先预期的效果。在影响隐患资源回收的众多因素当 万方数据 硕士学位论文 l 绪论 中，其中最重要的因素就是采场的稳定性，这不仅是回收隐患资源自始至终伴 随的因素，同时也是一个很重要的保障。如果采场失去稳定性，不仅在安全生 产方面产生重大隐患，还会使一些资源没办法进行回收，导致资源的浪费，造 成重大的经济损失。因此，研究垮塌区的稳定性、S h - 3 2 0 中段O 存采场垮塌后所 造成的影响范围以及隐患资源安全开采工艺技术，以科学的方法解决问题，对 于安全充分地回收垮塌区隐患资源，确保凡口矿年产1 8 万吨铅锌金属量以及提 高凡口矿的经济效益均具有十分重要的意义。 1 ．2 国内外研究现状 随着矿产资源这种不可再生资源进一步消耗，使得越来越多的矿山开始注 重隐患资源的开采，如何更安全更高效的回采隐患资源是当下热门的研究内容。 本文在查阅国内外大量参考文献的基础上，对隐患资源开采、矿岩垮塌失稳分 析、采场开采顺序以及采矿方法方案的研究现状作了如下综述。 1 ．2 ．1 隐患资源开采研究现状 国外矿业发达国家一直都很注重对不可再生资源的开采，特别是在对矿产 资源的回收与利用方面就显得更加重视，而对地下隐患资源的开采工作也进行 了较早较深入的研究。如美国最早开发的铜矿山 R a y 铜矿和M o r e n e i 铜矿， 位于美国亚利桑那州。开采初期，铜矿采用空场法进行开采，造成了大量未处 理采空区，给深部开采及残矿回收带来了安全隐患及增加了开采难度等一系列 问题，根据两个矿的情况，开采方法也由露采代替了地采，日均矿石产量达到 4 6 万吨，二者在美国都成了大型的露天铜矿【7 ] 。另外，美国的W h i t eP i n e 铜 矿和S a nM a n u e l 铜矿，由于采用溶浸采矿法，对之前因采矿技术问题遗留的采 空区中的矿柱等进行了回收，有效的对残留的矿物资源进行了回收，并且提高 了开采的安全系数，降低了成本1 8 ] 。 前苏联中央矿在初期开采3 1 3 7 号矿体的时候，在空区内遗留了约4 8 8 0 0 t 残矿。后来采用底盘漏斗法进行残矿回采，在短时间内，2 1 8 4 3t 高品位铁矿 石得到了有效的回收，并且损失率在7 ．5 ％以下1 9 1 。 在2 0 世纪2 0 ．3 0 年代，波兰就已经开始对上西里西亚煤田建筑物下面的保 安煤柱进行有计划的试采，在开采完毕后，采用相关技术对开采后空区进行了 处理，其中主要利用了全部放顶和水沙充填法。1 9 4 5 年以后，波兰便大规模对 一些和保安煤柱相似的隐患资源进行开采，并拥有了丰富的开采经验[ 1 们。 英古列茨公司对英古列茨河床下部的保安矿柱进行了崩落法回采，最终回 2 万方数据 硕士学位论文l 绪论 收铁矿石8 4 万吨，同样伊里奇铁矿对矿山开采后留下的箕斗井保安矿柱进行充 填法开采，取得了相当好的经济效益【1 1 】。 在国内对于隐患资源的开采也进行过一些研究，取得了一定的研究成果。 隐患资源开采应根据矿山的生产条件以及矿体的特征，并考虑回采的经济性及 安全性的前提下，结合国内外同类矿山的成功案例，提出安全、合理的开采方 案。在我国，许多矿山都进行过隐患资源的回收，也采用过许多种开采方法， 其中有一些开采的成功案例，为隐患资源的开采积累了丰富的经验。 铜坑矿9 2 号矿体原采用空场法回采，遗留的大多数矿柱不能保持稳定， 矿柱很难处理和回收，盘区矿柱的稳定性也受到很大的破坏导致矿石资源的大 量损失和采空区冒落事故隐患的发生。为了解决9 2 号矿体开采过程中出现的 问题，回收残留矿柱，提高其生产能力，矿山针对多层矿体开采顶板围岩崩落 特性与规律，通过制定合理的回采顺序，采用束状孔大参数布孔，凿岩硐室布 置成巷道的形式，以及采场高分层落矿和厚大尺寸揭顶崩落等手段安全的回收 了这些残留矿柱，并取得了较好的经济效益【1 2 1 。 可可塔勒铅锌矿7 号矿体为开采主矿体其中7 号矿体3 7 线范围是厚度 大、品位高、矿量比较集中的矿段。8 6 4 m 以上各中段由于凌乱无序的开采而 遗留了大量大小不等、高低不一的不规则空区，空区间赋存大量矿柱和边柱， 从而形成空区群和矿柱群错综复杂的开采环境。矿山针对多空区极复杂大隐患 环境下的隐患资源开采，通过借助束状孔变抵抗线爆破技术，采用束状深孔区 域整体崩落为主、边角矿中深孔爆破落矿为辅的技术方案，并利用采空区底部 扩漏形成的大漏斗出矿结构，不仅有效解决了复杂多空区的安全隐患而且实现 了残矿的大规模高效开采【1 3 】。 丰山铜矿北缘．1 0 0 米中段9 _ 一7 线5 0 1 8 残矿矽卡岩型铜矿，2 0 0 0 年，进行 了采切工程，主要是针对8 线布置斜坡道至．8 7 ．5 米标高的矿体，此次主要利用 无底柱崩落法开采了．8 7 ．5 米标高以上的矿体，由于其顶板围岩没有崩落形成覆 盖层，产生了大面积的采空区，导致未对残留在．1 0 0 米中段的一些矿体进行开 采。现如今，矿山决定回收这部分有价资源，通过利用无底柱分段崩落法进行 开采，l O ．0 3 万吨的矿石得到了回收，利润达9 9 7 ．7 1 万元。显著的提高了矿山 的经济效益L l4 | 。 贵州开阳磷矿在初期的开采中，为了W 1 l W 1 7 线以内的出山公路和村庄 得到保护，大约有2 2 6 0 多万吨的高品位矿石未被开采，而是当作了保安矿柱。 伴随着矿山开采力度的加大，再加上经济效益和资源有限等种种因素的影响， 开采者也对开采区域隐患资源的回收进行进一步考虑。目前，对有限元数值模 拟、模糊数学的方法进行了综合，优选出了中深孔落矿嗣后胶结充填采矿法， 3 万方数据 硕士学位论文 l 绪论 这也是为了公路及村庄下的积压残矿得到充分的回收和地标建筑物、公路的安 全性得到保障。对具体结构参数进行布置，4 0 0 米4 8 米为盘区尺寸，8 米为 分段高度，主要是采用从盘区两翼向中央进行后退式方式进行回采，采场的长 度为1 0 - 1 4 米，并根据现场矿岩得稳定性对采矿步距进行适时适当的调整。相 邻的采场之间留4 米沿倾向的垂直条形间柱及中深孔落矿，主要是因为回采结 束以后可以用磷石膏或者磷石膏与废石混合物对采空区进行充填。在开阳磷矿 回收隐患资源过程当中，此方法带来了很大的经济效益1 1 5 ．1 7 】。 双鸭山铁矿北区的类型是急倾斜型中厚矿体，并且有不稳固岩层。在初期 开采的过程中，由于上下盘围岩稳定性非常差，诱导利用浅孔留矿法进行开采， 这就使利用此方法开采的采场顶板塌冒，致使上盘围岩的大量混入，不得不中 途停止回采，并且造成了矿石大量积压残留在2 0 中段l 一1 2 线之间的情况。多 年来，对形成残矿的原因进行深入的分析和研究，终于在2 0 0 8 年初，利用了进 路回收下盘残矿资源的技术方案，回收了2 2 0 中段S 1 S 1 2 穿脉之间的残矿。 这项技术方案，其暴露面比较小、所扰动的范围也比较小；有良好的安全状况、 对于保持空区的稳定十分有利。进路的布置垂直于矿体垂的走向，间距为8 米， 横切面尺的寸采用2 ．6 米宽2 ．8 米高，同时，结合上、下两进路依次施工作业 的方式和进路支撑保护的方式以及凿岩爆破的方式等一系列具体的操作措施来 保障生产作业人员的人身安全和采空区的地质稳定性的同时大量回收矿区中所 残留的矿石资源。到2 0 0 8 年7 月下旬，残矿回采的工作已经基本完成，共采出 1 6 7 2 2 ．8 5 吨的矿石，创造纯利润2 9 0 多万元，远远高于工程投入的3 2 ．5 6 万元， 取得了巨大的经济效益O s ] 。 1 ．2 ．2 矿岩失稳垮塌分析研究现状 采场稳定性会受到采场地质构造条件、矿区的应力场、资源分布的几何形 态以及矿区的开采环境等多方面因素的影响。采场经过开采后，采场周边的岩 体应力场由于受到采动扰动而发生应力平衡的重分布，位移场也因此会产生变 化，围岩应力达到超过岩体的本身强度，细裂缝形成扩展、延伸形成贯通的塑 性区和潜在滑裂面，产生强度失稳和结构失稳。矿岩失稳破坏过程，具有时间 性，并且地质力学环境较复杂，是非线性力学系统。目前矿岩垮塌失稳分析的 方法主要有数值分析、突变理论、相似材料模拟和不确定性方法等。 数值分析方法主要有有限单元法、离散单元法 D i s c r e t eE l e m e n t M e t h o d ，D E M 、D D A 法 D i s e o n i i n u o u sD e f o r m a t i o nA n a l y s i s ，非连续变形分析 方法 、有限差分法、边界单元法等。有限单元法是把计算域划分为有限个互不 4 万方数据 硕士学位论文1 绪论 重叠的仅在节点铰接的有限个单元，将荷载加载在每个单元内合适的节点，利 用由微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数 组成的线性表达式考虑连续条件，再由力法或位移法求解应力场和位移场1 1 9 ] 。 离散单元法 D E M 基本思想是岩块间不仅有相互作用，而且也受到表征位移 与所受力之间关系的物理方程和反应力与加速度 速度，位移 之间关系的运 动方程的支配，通过迭代求解显示岩石的破坏和反作用力之间的动态作用过程 【2 ∞1 1 。D D A 法 非连续变形分析方法 将块体理论与岩土体的应力、应变分析 相结合，在假定的位移模式下由弹性理论位移变分原理建立总体平衡方程；在 块体的运动过程中单元之间可以接触也可以分离，满足块体单元之间不侵入和 不承受拉伸力的条件，利用最小势能原理，使整个系统的能量最小化，确保包 含离散和不连续块体的地质系统在静态和动态载荷作用下其大位移破坏的分析 存在唯一解[ 2 2 - 2 5 ] 。有限差分法在求解偏微分方程时，它会用有限差分近似公式 将每一处导数替换，将需要求解的偏微分方程问题转化为需要结合混合离散技 术、有限差分技术和动态求解技术来求解的代数方程问题[ 2 6 - 2 9 ] 。边界单元法 B o u n d a r yE l e m e n tM e t h o d , B E M 是将偏微分方程变换成在对象边界上定义 的边界积分方程式并将其离散化求解，但是对于奇异边界处理起来比较困难 【3 0 ．3 1 1 。 突变理论主要根据势函数把临界点分类，以拓扑学为工具，用不同类别的 拓扑结构来区分各种突变现像，从而研究各种临界点附近非连续状态特征【3 2 l 。 突变理论侧重于研究系统状态发生突变时外界的控制条件，讨论系统中某些变 量为什么会由渐变、量变发展为突变、质变的过程，导致系统状态的突然变化。 相似材料模拟 S i m i l a rM a t e r i a lS i m u l a t i o n [ 3 3 - 3 5 1 是按材料与结构相似的要 求，用一定比例的人造材料，根据几何相似的