和睦山铁矿后观音山矿段充填采矿方法研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． UDC ⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 十轫大学 C E N T R A LS o U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目 和睦山铁矿后观音山矿段 学科、专业 研究生姓名 导师姓名及 专业技术职务 充填采矿方法研究 釉f - x ．程 刘恩彦 张钦礼 教授、博导 中南大学 2 0 1 2 年4 月 分类号 U DC 硕士学位论文 密级 编号 『I r M I I I I M I I I I I I I I I I I I I I I I Y 2 19 6 2 5 8 和睦山铁矿后观音山矿段充填采矿方法研究 A p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nd e e pu n d e r g r o u n dl a y e r e dr o c k m a s ss u p p o r tb a s e do ne x c a v a t i o nd a m a g e dz o n e 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 刘恩彦 采矿工程 资源与安全工程学院 张钦礼 教授 答辩委员会主席 中南大学 二零一二年四月 一令一一，平必月 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≯地叠丝 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。 日期丝年上月盈日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 和睦山铁矿后观音山矿段是马钢 集团 控股有限公司姑山矿业 公司的一个主力出矿点。由于原先采用的分段空场嗣后充填法的贫化 损失较为严重，造成资源的浪费，且安全性较差。为了能够更高效安 全的利用资源，必须选取更合适的采矿方法。 本研究利用数学方法和大型模拟软件M I D A S 对采矿方案选择、 采场结构参数进行优化研究，本论文开展的主要研究如下 1 通过后观音山矿区矿体地质条件现场调查、资料收集、对 矿区岩体进行取样、岩石力学参数试验，得到岩石力学参数； 2 对该矿区各中段大量岩体节理裂隙进行调查分析，统计其 节理间距和产状分布数据，分析节理裂隙分布对岩体质量与稳定性的 影响； 3 根据现场开采技术条件要求，借鉴类似矿山采矿方法经验， 采用类比法选出生产能力大、安全、经济、高效的采矿方法，再通过 数学方法优选出最佳方案； 4 运用M I D A S 模拟软件计算和分析出采场应力、位移，通 过计算结果判断采场稳定性，最终确定合理的采场结构参数； 5 根据优选的采矿方案和计算所得的采场结构参数，进行采 矿方案单体设计，并进行现场工业试验。 研究结果表明，采用理论分析、调查统计、室内试验、有限元数 值模拟、方案设计与现场工业试验相结合的方法，能够提出合适的采 矿方法和合理的采场结构参数，使矿山的生产取得良好的经济效应， 同时也为其他矿山提供一种新的思路和方法。 关键词节理裂隙，数值模拟，采场结构参数，工业试验 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T A B S T R A C T T h eH o u g u a n y i n s h a no r eb l o c ko fH e m u s h a ni r o nm i n ei st h em a i n p r o d u c i n gm i n eo fG u s h a nm i n ec o m p a n y , b e l o n g i n gt oM a g a n g G r o u p H o l d i n gC o m p a n yL t d ．A n dt h es u b l e v e lo p e ns t o p em i n e db ys u b s e q u e n t ● ⋯■■●o一 b a c K t i l l i n gm i n i n gm e t h o dh a sc a u s e ds e r i o u sl o s sa n dd i l u t i o no fo r e 。 w h i c hr e s u l t e di nw a s t eo fr e s o u r c e s ，a n dp o o rs e c u r i t y ．T h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt oc h o o s em o r ea p p r o p r i a t em i n i n gm e t h o di no r d e rt om a k e u s eo fr e s o u r c e sm o r ee f f i c i e n t l ya n ds a f e l y ． I nt h i ss t u d y , t h em a t h e m a t i c a lm e t h o da n dl a r g e ．s c a l es i m u l a t i o n s o f t w a r e ⅦD A Sw e r eu s e dt op r o b et h eo p t i m i z a t i o no fm i n i n gm e t h o d s e l e c t i o n sa sw e l Ia ss t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ．T h em a i nr e s e a r c hw a sa s f o l l o w s 1 T h er o c km e c h a n i c a lp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e db yt h ef i e l d i n v e s t i g a t i o no nt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fH o u g u a n y i n s h a no r e b o d y , d a t ac o l l e c t i o n ，r o c ks a m p l i n ga n dr o c km e c h a n i c a lt e s t ． 2 1 1 1 ee f f e c to f j o i n td i s t r i b u t i o no nr o c km a s sq u a l i t ya n ds t a b i l i t y w a sa n a l y z e dt h r o u g hs t a t i s t i c so ft h ejo i n t s p a c i n g a n do c c u r r e n c e d i s t r i b u t i o nd a t ab a s e do nr o c kj o i n ti n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i s ． 3 B a s e dO i lt h el o c a lm i n i n gc o n d i t i o n s ，am i n i n gm e t h o dw i t hh i g h p r o d u c t i o nc a p a c i t y , s a f e t y , e c o n o m ya n de f f i c i e n c yw a sg i v e nb y d r a w i n gm i n i n gm e t h o d si ns i m i l a rm i n e s ，t h e no p t i m a lp r o g r a m sw e r e o b t a i n e db ym a t h e m a t i c a lm e t h o d ． 4 1 1 1 es t o p es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tw e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d b yu s i n gt h eb ⅢD A Ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ．A n dt h es t o p es t a b i l i t yw a s i n v e s t i g a t e d ，t h e r e b yd e t e r m i n i n g t h er e a s o n a b l e s t o p e s t r u c t u r e p a r a m e t e r s ． 5 T h es i n g l ed e s i g no fm i n i n gp r o g r a mW a sp e r f o r m e da c c o r d i n g t ot h eo p t i m i z e dm i n i n gp r o g r a m s ．T h eo n s i t ei n d u s t r i a lt e s t sw e r ea l s o c o n d u c t e d ． 砀er e s u l t ss h o wt h a ta na p p r o p r i a t em i n i n gm e t h o da n dr e a s o n a b l e s t o p e s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s c a nb eo b t a i n e d b yi n c o r p o r a t i n gt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i n v e s t i g a t i o na n ds t a t i s t i c s ，l a b o r a t o r yt e s t s ，p r o g r a m d e s i g na n do n - s i t ei n d u s t r i a lt e s t s ，w h i c hw o u l dl e a dt oag o o de c o n o m i c I I 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T e f f e c ta n da l s op r o v i d ean e wm e t h o df o rs i m i l a rm i n e s ． K E Y W O R D S j o i n tc r a c k ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s t o p es t r u c t u r e p a r a m e t e r , i n d u s t r i a lt e s t I I I 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 课题研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 缓倾斜中厚难采矿体开采技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 采场结构参数优化研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 ．3 本文研究内容、方法与思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．1 主要研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 一研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 第二章地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 矿区交通位置及自然地理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．2 矿区地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 ．1 矿区地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．2 ．2 构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 ．3 岩浆岩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．4 变质作用及围岩蚀变⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．3 矿床地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．3 ．1 矿体地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 ．2 矿石质量特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．4 矿床开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．13 2 ．4 ．1 矿岩物理性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 ．2 矿石储量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 第三章矿岩力学参数实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1 岩体结构调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．1 ．2 节理裂隙调查方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1 ．3 节理裂隙调查数据统计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 ．4 调查结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 样品采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3 矿岩力学性质测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．4 后观音山矿段矿岩体稳定性分级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 Ⅳ 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 第四章采矿方法选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 ．1 采矿方法选择的原则与依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 采矿方法初选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 ．1 分段空场嗣后充填法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 ．2 上向水平分层充填法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 ．3 上向水平进路充填法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．3 采矿方法优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．1 影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．3 ．2 模糊数学基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．3 ．3 模糊数学综合评判⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．3 ．4 综合评判⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 第五章采场结构参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 5 ．1 基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2 模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2 ．1 数值模型建立原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 5 ．2 ．2 矿岩及充填体力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．2 ．3 采场结构参数优化结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 4 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 第六章上向水平进路充填采矿法单体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．61 6 ．1 凿岩爆破⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．2 通风⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．6 2 6 ．3 采场顶板管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 6 ．4 出矿⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 6 ．5 充填⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 6 ．6 技术经济分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 6 ．7 安全技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 6 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 第七章现场工业试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 7 ．1 试验采场开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 7 ．2 采准切割工程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 7 ．2 ．1 采切工程布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 7 ．2 。2 采切工程量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 V 中南大学硕士学位论文 目录 7 ．2 ．3 回采工序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 7 ．3 主要技术经济指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 7 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 第八章结论和展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 8 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 8 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 攻读学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 V I 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 课题研究背景及意义 第一章绪论 随着我国改革的不断深化和国民经济的持续高速稳定发展，各行各业，特别 是房地产、汽车、建筑、机械制造等钢材高消耗行业得到快速发展，进而促使钢 铁市场持续升温，我国2 0 1 0 年粗钢产量已超过6 亿t ，粗钢产量已持续多年位居 世界上第一。粗钢产量的持续增长，带动铁矿石需求量不断增加。长期以来，国 产铁矿石资源作为我国钢铁企业生产的主要食粮，有力地保障了我国钢铁工业持 续、稳定、健康发展。但由于我国铁矿山贫矿多、富矿少，中小型矿多、大型矿 少，开采和选冶难度大等特点，导致国内铁矿石自给率较低，产量远远不能满足 钢铁生产企业的需求，大量的矿石需要从国外进口，导致国际铁矿石价格和海运 费大幅上扬。进口价格从2 0 0 2 年的3 0 美元／t 左右 到岸价 上涨到2 0 1 0 年4 月份1 9 0 ．1 9 2 美元／t ，预计价格仍会在未来一段时间内持续在高位运行。高昂的 进口矿石成本致使钢铁生产企业成本不断增加。由于国内自有矿山铁矿石成本一 般相对稳定，受国际市场价格波动影响较小，因此不断扩大国内铁矿石产量将是 我国钢铁生产企业寻求降低成本的一种主要途径。 和睦山铁矿是马钢 集团 控股有限公司姑山矿业公司 以下简称姑山矿 的一个主力矿山，由后和睦山矿段和后观音山矿段组成。后和睦山矿段于2 0 0 6 年投产，采用诱导崩落法 ．1 0 0 m 、．1 5 0 m 水平 和无底柱分段崩落法 - 2 0 0 m 水平 开采1 8 矿体；2 0 0 9 年开始采用分段空场嗣后充填法少量开采后观音山的 2 撑矿体。矿山当前已形成7 0 万讹的生产能力，为进一步缓解马钢 集团 公司 铁矿石原料供应短缺压力，拟通过改扩建，将矿山生产能力提高到1 1 0 万妇， 其中后观音山矿段能力要达到6 0 万蚀。但由于该矿段矿石稳固性较差，目前采 用的分段空场嗣后充填法第一步矿柱采完后，相邻矿房极易冒落，致使第一步矿 柱采场充填作业和第二步矿房回采作业难度增大，无法满足矿段生产的需要。为 此，在由中钢集团马鞍山矿院工程勘察设计有限公司和马钢集团设计研究院有限 责任公司2 0 1 0 年7 月完成的马钢 控股 有限公司姑山矿业公司和睦山铁矿 扩建项目初步设计中，提出将后观音山矿段采矿方法变更为2 撑矿体及与2 徉 矿体相距较近的选用点柱式分层充填采矿法；3 4 缓倾斜薄矿体和其他小矿体选用 房柱采矿法l l 剖。 后观音山矿段有相当数量的储量属倾斜缓中厚至厚矿体，倾角2 0 - 3 0 0 ，厚 度2 - 3 3 m ，平均厚度1 3 m ，顶板主要岩性为灰岩、砂岩、页岩，此类缓倾斜中厚 矿体是国内外公认的复杂难采矿体。点柱式分层充填采矿法虽然兼具充填法和房 中南大学硕士学位论文第一章绪论 柱法的优点，但因需留设规则的场内矿柱，不仅造成矿石回收率降低 场内问柱 无法回收 ，而且点柱影响无轨设备运行效率，更重要的是在实际生产工程中， 难以严格按照设计留设点柱，致使点柱支撑作用受到削弱，容易留下安全隐患。 因此，开展以开拓系统和采矿方法优化为核心内容的缓倾斜中厚难采矿体综合开 采技术研究，不仅可以切实解决矿体开采过程中遇到的关键技术难题，在确保生 产安全的前提下，达产稳产，提高资源回收率，而且为其余两个矿区地下开采提 供经验和参考依据，为马钢 集团 公司可持续发展做出应有的贡献。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 缓倾斜中厚难采矿体开采技术 缓倾斜中厚难采矿体的开采技术，主要涉及到采矿方法选择、落矿工艺、矿 石运搬、采空区顶板控制等[ 4 - 6 ] 。 1 采矿方法选择 倾角1 5 0 ～3 5 0 、厚度6 ～2 0 m 的缓倾斜中厚矿体开采，在国内外一直是一个技 术难题。矿体倾角缓，矿石无法自溜，需采用机械运搬或人工扒运，而采场空顶 较高，顶板管理困难。据对国内缓倾斜中厚矿体矿山的统计，这类矿体采矿方法 中房柱采矿法占5 0 ％，底盘漏斗采矿法占3 5 ％，其余为分层充填法和电耙留矿 法。国外这类型的矿体则主要采用房柱法和充填法，比例分别为6 1 ％和2 3 ％。 应该指出的是，随着矿产品价格的持续走高和对地表环境保护 包括限制地 表移动和变形、减少地面尾矿堆放量等 的日益重视，现在越来越多的矿山采用 回收率高、安全性好的充填法来回采这类难采矿体。 2 落矿工艺 缓倾斜中厚矿体采用浅孔落矿时，需进行分层回采；若采用上向梯段或下向 梯段工作面，凿岩爆破工艺复杂，回采效率降低，且在顶板暴露面下作业，工作 安全性差；如采用中深孔落矿时，虽可提高凿岩爆破效率，但凿岩、装药工艺要 求高，需采用凿岩台架及装药器辅助作业，且大块产出率高，影响出矿效果。 3 矿石运搬 矿石的运搬方式有重力运搬、爆力运搬、水力运搬及机械运搬等。对于缓倾 斜中厚矿体，重力运搬显然不适应；爆力运搬由于爆破受夹制，抛掷距离受限， 矿量损失大，而且必须使用电耙或推土机清理底板以提高回收率，因此效果也不 理想；水力运搬一般用于冲运残留在底板的矿石，在国内运用不够成熟，且大量 的冲运水给井下开采带来严重影响；机械运搬指电耙、铲运机等运搬，前者生产 能力低，粉矿损失大，后者机械化程度高、生产能力大、崩落矿石回收率高，但 所需工作空间大，爬坡能力受到一定限制。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 4 采空区顶板控制 覆岩总重假说认为，在水平和缓倾斜矿体中，开采空间承受的载荷P ，是开 采空间上部直达地表全部覆岩重量的总和，当采空区的跨度与长度一定时，顶板 中的最大拉应力随回采深度成倍数增加【7 2 1 。根据国内外类似矿山地压监测情况， 缓倾斜矿体在埋深不大时，顶板最大拉应力会远远超过其抗拉强度，对采场安全 构成极大威胁。 1 ．2 ．2 采场结构参数优化研究方法 采用合理的采场结构参数是控制地压，危害实现高效、安全开采的重要措施。 对于采场结构参数优化研究，目前国内外主要采用解析法、经验类比法、数值分 析法和综合分析法等。 1 解析法 目前，应用解析法对矿岩稳定性进行分析时，采用复变函数法对矿岩应力与 应变进行计算，并得出弹性解析解。解析法具有分析速度快、精度高和易于进行 规律性研究等优点，不足之处是对受地面荷载和地表边界影响的浅埋隧道围岩分 析时，在处理数学公式上存在一定的困难。因此，解析法只能分析有限的工程实 际问题，但其分析结果，可以提供一些有规律性的认识【7 】。 2 经验类比法 参考国内外相近矿山，统计分析后确定采场结构参数。此方法根据经验类比， 结果偏于保守，并且人为主观因素过多。但其优点在于方法简单、可行，在国内 外矿山中被广泛应用。 3 数值分析法 数值分析法在大体上分为两类方法，一是以有限元法 F E W 、边界元法、 有限差分法为代表的连续介质力学分析方法，一是以离散单元法 D E M 、块体 单元法、D D A 法为代表的非连续戒指力学分析方法”2 】。 有限元法在2 0 世纪5 0 年代出现并得到广泛应用，解决了血多经典力学解析 法难以解决的实际工程力学问题。它基于最小总势能变化原理，方便处理各种非 线性问题，灵活的模拟岩体工程复杂施工过程，因而成为实用性最强、应用性最 广的数值模拟方法。它将连续的求解域离散为一组有限个单元的组合体，解析的 模拟或逼近求解区域。 但由于自身理论缺陷，在处理一下几种非连续问题时显得无能为力 1 界面单元设置过多； 2 次生非连续界面无法处理； 3 对于复杂地质条件的地下工程，若不进行大量简化，会造成计算工作 量大、计算精度不准确等影响； 中南大学硕士学位论文第一章绪论 4 界面弹簧刚度选取困难； 5 处理奇异性的问题困难。 边界元法，将边界积分的方程作为其数学基础，并在边界上划分单元，且将 边界积分的方程离散成线性代数的方程组，进而使用数值方法得到线性代数的方 程组的解，即原问题边界积分的方程解，并进一步确定区域内解和它的一种数值 分析方法。但是边界元法的解只有计算误差，没有离散误差，对于模拟复杂几何 形状，降低了维数，节省了数据准备的工作量。与有限元比较，边界元以存在解 析基本解为前提条件，基本解的寻找困难也是制约边界元法广泛应用的一个主要 因素，并且边界元法对奇异性问题也难处理。 有限差分法最具有代表性的软件是由美国R a s e a 咨询公司开发的F L A C 3 D t h r e eD i m e n s i o n a lF a s tL a g a n g i a nA n a l y s i so fC o n t i n u e 。它采用显示有限差分格 式求解场的控制微分方程，仅需通过本构关系，由应变直接计算应力。在某种程 度上克服了有限元与离散元不能统一的矛盾。它在非均质各向异性和非线性为主 的岩体介质也具有很好的适应性，目前已成为现代岩体工程计算分析的主流方 法。 离散元是国外分析节理岩体的主要方法，该方法克服了连续岩体力学的局限 性，在模拟节理岩体失稳条件及运动趋势方面有其独到的优点，二维离散元程序 U D E C 和三维离散元程序3 D E C 已成功应用于放矿力学、巷道稳定性和边坡工程 研究中。 块体单元法是2 0 世纪7 0 年代后期提出的，该理论认为结构面把坚硬和半坚 硬岩体纵横切割成大小不一的镶嵌块体，根据块体可移性和有界性寻求可移块 体，将围岩稳定问题转换到分析关键块体的稳定问题上。 D D A 方法是由G o o d m a n 与石根华提出的块体系统不连续变形分析方法。 D D A 模型构建一整套块体系统运动学理论，有效的模拟具有非连续面岩体的变 形特性以及运动趋势。由于该模型把岩体完全离散化，与实际情况不完全吻合， 因此，该模型与有限元法的结合，将是其研究应用的发展方向。 4 综合分析方法 在早期，综合分析法主要是通过建立影响采场结构参数的各因素之间的数学 表达式来选取最佳参数。到后来，逐渐引入人工智能方法 如神经网络、遗传算 法 、反分析方法、断裂损伤力学方法、和不确定理论 如模糊数学、灰色理论 。 随着资源开采规模的日益扩大，依靠经验的方法已经很难适应地下工程的实 际需要。随着计算机的进步和相关新方法、新理论的出现，像有限元、边界元、 有限差分法、离散元、不连续变形分析法等数值模拟方法得到了丰富发展，并在 解决岩体工程实际问题中显示出了独特的灵活性和强大的生命力。纵观岩体稳定 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 性方法的发展，各种方法均不能完美解决实际岩体工程问题，但可以将不同的方 法组合优化，充分发挥每种方法的优点，以求达到优势互补。这将是未来岩体稳 定性方法发展的一种趋势。 1 ．3 本文研究内容、方法与思路 1 ．3 ．1 主要研究内容与方法 为了科学确定后观音山矿段最优采矿方法及最佳采场结构参数，本论文研究 内容主要如下 1 、查阅大量文献资料，对国内外缓倾斜中厚难采矿体开采技术和采场结构 参数优化的发展进行综述，并综合分析对比各个方法的优缺点。 2 、简介和睦山矿区概况，对其进行工程地质调查对矿区岩体进行取样， 进行室内岩石力学实验，得出岩石物理力学参数；对该矿区各中段大量岩体节理 裂隙进行调查分析，统计其节理间距和产状分布数据。总结节理裂隙分布对岩体 质量与稳定性的影响。 3 、对研究范围的矿体根据倾角和厚度进行分类，初选出2 ～3 个合适的采矿 方法。并简要概述了各个采矿方法的方案特征和主要采切工程；并将层次分析法 和模糊数学理论结合起来，应用到采矿方法选择这个复杂的系统工程中，最终确 定出最优的采矿方法。 4 、简介大型有限元分析软件M A D I S 工作原理，对不同的采场结构参数进 行数值模拟研究，科学优选出合理的采场结构参数，以确保矿区的安全、高效开 采。 5 、根据优选出的采矿方法和数值模拟所得的采场结构参数，对研究范围内 的矿体进行回采方案工艺设计，并据此与矿山协商，选取现场工业试验地点，验 证此次研究成果。 1 ．3 ．2 研究思路 本次研究采用理论分析、调查统计、室内试验、有限元数值模拟、方案设计 与现场工业试验相结合的方法，提出后观音山矿段充填采矿法的采场结构参数及 采准、切割与回采工艺，划分矿块并制定矿块回采规划，布置井下充填管路，设 计辅助开拓工程。 中南大学硕士学位论文 第二章地质概况 第二章地质概况 2 ．1 矿区交通位置及自然地理 和睦山铁矿隶属于马钢 集团 控股有限公司姑山矿业公司，位于安徽省当 涂县城南1 2 k m 处，地理坐标东径，1 1 8 0 3 1 ’1 2 ”，北纬，3 1 0 2 17 2 9 ”。 矿区有公路与宁芜公路相连。马钢至姑山矿专用线从矿区北部通过。青山 河距矿区约2 k m ，并与长江相通，在矿区北东面由南向北流过，河床最低标高．2 m 左右，最大流量5 6 8 m 3 ／s ，最高洪水位据龙山桥水文站5 4 年测定为1 2 ．3 6 m 。该 河常年可行驶3 0 t 位以下船只，多雨季节可通行l O O t 位的船只。矿区水陆交通十 分方便，矿区交通位置图如图2 ．1 所示。 矿区位于钟姑山矿田的西北部，处于低山丘陵与长江冲积平原接触部位。矿 区地形属于侵蚀残丘，由4 座海拔标高在 5 3 - - 1 0 2 m 的小山和山间凹地组成， 矿区外围，南部、西部为冲积平原，地面标高 8 9 m ；北部、东部为低山和山 间凹地，标高在 1 2 1 0 9 m 之间。矿区面积约3 k m 2 ，其中2 ／5 是稻田，其余为 低山坡地，植被发育。 本区属中亚热带湿润季风气候，气候温暖，雨量充沛。多年平均降雨量 1 9 0 6 ．5 m m ，雨季在6 、7 、8 月，多年平均蒸发量1 3 6 1 m m ，年平均气温1 6 ．1 ℃， 年平均风速3 ．3 m ／s ，冰冻期1 5 ～6 0 d ，最大冻土深度9 c m 。 图2 - 1 矿区交通位置图 6 中南大学硕士学位论文第二章地质概况 2 ．2 矿区地质概况 2 ．2 ．1 矿区地层 和睦山矿区内出露的地层由老至新依次为 1 三迭系中统周冲村组 T 2 Z 白云质灰岩、灰岩夹钙质页岩。地表分布 在后和睦山南坡，厚度2 0 - 8 0 m 。岩石大理岩化、硅化，有溶蚀现象，钻孔中可 见大小不一的溶洞，最大的达1 ．1 7 m 。矿石普遍有矿化现象，地表为赤铁矿化、 褐铁矿化，深部主要为磁铁矿化。本层为矿区主要的赋矿层位。 2 三迭系上统黄马青组 T 3 h 分为下段 杂色岩段T 3 h 1 和上段 紫色岩 段T 3 h 2 。 T 3 h l 第一层 T 3 h 1 ．1 粉砂质页岩、泥质粉砂岩，在矿区广泛分布，最大 厚度2 7 3 ．5 4 m 。与下伏周冲村组灰岩呈假整合接触，接触处普遍有赤铁矿化，矿 化带厚度3 ～1 0 m 。在后观音山区段矿化较强，是本矿区次要的赋矿层位。 第二层 T 3 h 1 ．2 - 中粗粒砂岩夹含砾砂岩、细砂岩。主要分布在后观音山顶 部，厚度2 0 ～9 0 m ，矿化弱。 第三层 T 3 h 1 ．3 细砂岩、粉砂岩，仅分布后观音山两个山头，厚度 4 5 m ， 断层上盘 后观音山 的砂质页岩裂隙发育。该断层是矿区主要的导浆、导矿及容 矿构造。 F 1 断层 龙山南坡断层 断层长5 0 m ，断层破碎带宽1 0 ～2 0 m ，断层走向 N E 6 5 0 ，倾角近9 0 0 ，为平移断层，使黄马青组砂岩错距1 0 m 左右。该断层为成 矿后形成的断层。 2 ．2 ．3 岩浆岩 矿区产出的岩浆岩主要为燕山运动晚期岩浆侵入作用形成的闪长岩体和闪 长玢岩脉及辉绿岩脉。 1 闪长岩矿区内闪长岩体呈岩钟、岩枝状，岩体与上覆地层呈侵入接 触关系。闪长岩在空间上、矿物组分及蚀变特征上与矿体关系密切，是和睦山铁 矿床的成矿母岩。 2 闪长玢岩脉是与闪长岩同源晚期侵入的岩脉，其矿物组分、结构构 造、蚀变特征等与闪长岩基本一致。在矿区分布广泛，接触带附近更为发育，常 顺层侵入在围岩中、充填于裂隙或破碎带中。 3 辉绿岩脉在矿区分布普遍，在后和睦山区段，地表出露有长2 5 0 m 的辉绿岩脉，岩脉穿插闪长岩、周冲村组灰岩及矿体，为成矿期后岩浆侵入产物。 2 ．2 ．4 变质作用及围岩蚀变 1 变质作用 矿区内变质作用包括由构造作用而导致岩浆入侵而引起的岩石接触变质、自 变质及动力变质，以接触变质最为发育。接触变质主要发生在闪长岩与围岩接触 带，按变质作用方式不同