和睦山铁矿后观音山矿段深部扩能开采技术优化研究.pdf

中图分类号婴墨5 2 U D C6 2 2 硕士学位论文 学校代码l Q 5 3 3 密级公珏 和睦山铁矿后观音山矿段深部扩能 开采技术优化研究 T e c h n o l o g yo p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho nd e 印u n d e r g r o u n do f t h e H o u g u a n y i n s h a no r eb l o c ki nH e m u s h a n i r o nm i n e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 秦健春 矿业工程 充填理论与技术 资源与安全工程学院 王新民教授 论文答辩日期丝 三苎垄 答辩委员会主席垄．丝三二纱 中南大学 2 0 1 3 年0 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已在论文中作了明确的说明。 作者签名 詹遂笤兰日期丛年工月上日 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。 作者签名腽导师签名塞鱼全垡日期丛年工月上日 中南大学学位论文摘要 和睦山铁矿后观音山矿段深部扩能 开采技术优化研究 摘要和睦山铁矿作为马钢 集团 姑山矿业有限公司的主力矿山之 一，其中后观音山矿段利用上向水平进路充填法进行回采，该方法虽 能够适应矿山开采技术条件，切实解决矿体开采过程中遇到的关键技 术难题，但是由于该采矿方法本身的制约，生产能力低，无法满足该 矿段生产的需要，为此，姑山矿业公司决定对后观音山矿段进行深部 开采，即在后观音山矿段．2 0 0 m 水平以上继续采用上向水平进路充填 法加大回采力度的同时，必须加快深部的开拓与采准工程，实现开采 水平的平稳转化，保证产能平稳衔接。本文主要内容如下 1 查阅相关参考文献资料，借鉴国内外相似矿山宝贵的开采 经验，归纳缓倾斜复杂难采矿体开采技术，结合后观音山矿段实际情 况，寻找开采生产过程中可能遇到的各类问题； 2 针对后观音山矿段深部的开采技术条件，通过技术、经济 比较，得出最佳开拓方案； 3 根据矿山开采技术条件要求，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，然后在 综合层次分析法和逼近理想解的排序法基本理论的基础上，建立 A H P ．T O P S I S 综合评判指标体系模型，对备选的采矿方法进行综合评 判优选，确定最优方案； 4 运用M I D A S 有限元分析软件模拟不同采场结构参数下的 采场应力和变形情况，确定最优的采场结构参数； 5 对优选采矿方法进行单体方案设计，包括采切工程的巷道 布置、采矿设备选型与配套、采场充填技术、采矿方法经济效益分析、 安全回收措施等。 研究表明借助调查统计、数学方法、有限元分析软件模拟、方 案设计及优化对矿山安全开采的核心问题进行了研究，对矿山资源的 安全、高效开采具有重要的工程应用价值，同时也为其他矿山提供一 种新的思路和方法。 本文中包括图4 8 幅，表2 8 个，参考文献7 8 篇。 关键词综合评判模型；数值模拟；采场结构参数；设计优化 分类号T D 8 5 2 中南大学学位论文垒型 二_ 一。 T e c h n o l o g yo p t i m i z 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 d o ft h e H o u g u a n y i n s h a n o r eb l o c ki nH e m u s h a ni r o nm i n e 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 k o fH e m u s h a ni r o nm i n ew a st h e m a i np r o d u c i n gm i n ei nG u s h a nm i n ec o m p a n yb 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 y L t d ，w h i c hu s e dt h eu p w a r dh o r i z o n t a lr o u t e f 1 1 1 i 1 1 9m i n i n gm e t h o dt om i n e ．T h em e t h o dw a sa b l et oa d a p tt o t h e m i n i n gt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，a n d s o l v e do r e b o d ym i n i n gp r o c e s s w i t ht h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m s ，h o w e v e r , b e c a u s eo ft h er e s t r i c t i o no t t h em i n i n gm e t h o di t s e l f , p r o d u c t i o nc a p a c i t yw a sl o w , a n dc o u l dn o t s a t i s f yt h en e e d so f t h em i n ep r o d u c t i o np e r i o d ，t h e r e f o r e ，G u s h a nm i n e c o m p a n yd e c i d e dt od e e pm i n i n gi nH o u g u a n y i n s h a no r eb l o c k ，n a m e l y ．2 0 0 ml e v e la b o v ei nt h eH o u g u a n y i n s h a no r eb l o c kt oc o n t i n u eo nu s i n g t h eu p w a r dh o r i z o n t a lr o u t ef i l l i n gm i n i n gm e t h o dt oi n c r e a s et h em i n e s t r e n g t ha tt h es a m et i m e ，a n dm u s ts p e e du pt h ed e e pd e v e l o p m e n t a n d m i n i n gp r o je c t ，r e a l i z e dm i n i n gl e v e l o fs m o o t ht r a n s f o r m a t i o n sa n d e n s u r e dt h ec o n n e c t i o nc a p a c i t y ．T h em a i nc o n t e n t a sf o l l o w s 1 、 R e f e rt ot h er e l e v a n tr e f e r e n c em a t e r i a l ，r e f e r e n c e dt h ev a l u a b l e m i n i n ge x p e r i e n c ef r o mt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l s i m i l a rm i n e s , i n d u c t i v e dt h em i n i n gt e c h n o l o g yo nc o m p l e xd i f f i c u l tm i n i n gb o d y , c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h eH o u k u a n y i n s h a no r eb l o c k ， 1 0 0 k e df o ra 1 1k i n d so fp r o b l e m si nm i n i n gp r o d u c t i o np r o c e s s ； 2 、 A c c o r d i n g t ot h e m i n i n gt e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n so ft h e H o u g u a n y i n s h a n o r eb l o c k ，t h r o u g h e dt h et e c h n i c a la n d e c o n o m i c c o m p a r i s o n ，i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h eb e s td e v e l o p m e n tp l a n ； 3 A c c o r d i n gt o t h e m i n i n gt e c h n i c a l c o n d i t i o nr e q u i r e m e n t s ， r e f e r e n c e dt h ee x p e r i e n c eo fs i m i l a rm i n i n gm e t h o d s ，a d o p t e d t h e a n a l o g ym e t h o ds e l e c t e d t h ep r o d u c t i o nc a p a c i t y , s a f e ，e c o n o m i ca n d e f f i c i e n tm i n i n gm e t h o d ，a n db a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s 削哪 a n da p p r o a c ht h ei d e a l s o l u t i o no ft h eb a s i c t h e o r yo fr a n k i n gm e t h o d ，e s t a b l i s h e dt h e 趾皿一T O P S I Se v a l u a t i o n i n d i c a t o r ss y s t e mm o d e l ，t os e l e c tm i n i n gm e t h o d ，e n s u r e dt h eo p t i m u m s c h e m e ； f 4 、 U s e dt h eM I D A Sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r et os i m u l a t e I I I 中南大学学位论文 d i f f e r e n t s t o p e s t r u c t l l r ep a r a m e t e r so fs t o p es t r e s sa n dd e f o r m a t i o n c o n d i t i o n s ，d e t e r m i n e dt h eo p t i m a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r s ； 5 T h eo p t i m i z a t i o no ft h em i n i n gm e t h o do fm o n o m e rd e s i g n ， i n c l u d i n gt h em i n i n gc u t t i n ge n g i n e e r i n go fr o a d w a yl a y o u t ，t h em i n i n g e q u i p m e n ts e l e c t i o na n dm a t c h i n g ，t h es t o p ef i l l i n gt e c h n o l o g y , t h e m i n i n gm e t h o do fe c o n o m i cb e n e f i t ，t h es a f e t yr e c o v e r ym e a s u r e s ，e t c ．． 1 1 1 er e s e a r c hs h o w e dt h a t r e f e r e n c e dt h ei n v e s t i g a t i o na n ds t a t i s t i c s ， t h em a t h e m a t i c sm e t h o d ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r es i m u l a t i o n ， d e s i g na n do p t i m i z a t i o no fm i n es a f e t yp r o d u c t i o nc o r e ，m i n er e s o u r c et o ● ●，■一 ●●● ●●● ‘●o t h es a t ea n de f f i c i e n tm l n l n go ti m p o r t a n te n g i n e e r i n ga o o l i c a t i o nv a l u e ， a n dan e wt r a i no f t h o u g h ta n dm e t h o df o ro t h e rm i n i n gp r o v i d e s ． 1 1 1 ea r t i c l ec o n t a i n s4 8F i g u r e s ，2 8 t a b l e s ，7 8r e f e r e n c e s ． K e y w o r d s c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e l ；、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 ep a r a m e t e r s ；d e s i g no p t i m i z a t i o n C l a s s i f i c a t i o n 6 2 2 I V 中南大学硕士学位论文目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 铁矿资源现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 世界资源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．2 我国铁矿资源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 研究背景及目的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 缓倾斜矿体开采研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 ．1 开采技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 ．2 结构参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．4 本文研究内容与思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 ．1 主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 ．2 研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 矿山概况与现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 矿区交通与地理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1 岩浆岩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 2 ．2 ．2 围岩蚀变及变质作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．3 矿区地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．4 构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 矿床地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．1 矿体地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．2 矿石的质量特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4 矿山开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 开拓工程设计与优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．19 3 ．1 开拓方案选择依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 开拓工程延伸重要性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．3 原初步设计主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．4 开拓方案优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 V 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．4 ．1 开拓方案优化背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．4 ．2 ．3 0 0 m 阶段运输巷道优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．4 ．3 ．2 5 0 m 阶段运输巷道优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．4 ．4 主斜坡道布设调整⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．5 基建进度计划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．5 ．1 编制的原则和依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．5 ．2 基建范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．5 ．3 基建工程量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．5 ．4 三级矿量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．5 ．5 基建计划表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 采矿方法优化选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．1 采矿方法初选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．1 ．1 开采范围与矿体分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．1 ．2 ⋯2 0 03 0 0 m 矿体采矿方法初选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．1 ．3 浅孔留矿嗣后充填法 方案I ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．1 ．4 分段凿岩阶段出矿嗣后充填法 方案I I ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 ．5 上向水平分层充填法 方案I I I ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 7 4 ．1 ．6 上向水平进路充填法 方案Ⅳ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．2 采矿方法优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 ．1 确定权重向量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 ．2A H P ．T O P S I S 综合评判模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．2 ．3 评判模型应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2 ．4 综合评判⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．2 ．5 备选采矿方法经济指标与优缺点比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 - 3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 采场结构参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．1 模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．1 ．1 基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．1 ．2 模型构建原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．1 ．3 模型构建思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．1 ．4 物理力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．2 优化结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 V I 中南大学硕士学位论文目录 6 上向水平进路充填法单体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 6 ．1 设计开采范围与资源储量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 ．2 主要采矿设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 ．3 采切工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 ．4 回采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．5 充填工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 6 ．6 技术经济指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 6 ．7 安全技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 6 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 攻读学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 9 V I I 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1绪论 1 ．1铁矿资源现状 铁矿石作为我国钢铁冶炼行业的第一资源、主要粮食、经济发展的物质基 础，必须科学、合理的开发利用矿石资源，积极研究铁矿资源现状，做好资源 勘探工作，为我国经济可持续发展战略方针做出应有的贡献⋯。自9 0 年代以来， 随着改革开放的快速蔓延，中国钢铁业得到快速的发展和质的飞跃，但是国内 的大多数铁矿山生产能力很小，远不能满足工业需求，因此，国家为积极应对 这一发展现状，投入巨额资金开展找矿勘查工作，地质勘查者在铁矿资源的地 质勘查中做了很多的研究与工作，据相关资料统计整理，我国现今铁矿石储量 6 0 0 亿t 【2 J ，但是品位低、杂质含量高、难选冶的矿石特征严重制约了我国钢铁 行业的发展。 1 ．1 ．1世界资源 世界范围内的铁矿资源储量极其富饶，根据有关机构研究调查数据统计显 示，全球铁矿石储量接近19 0 0 亿t ，储量基础约3 4 0 0 亿t 【3 】。然而全球铁矿资源 高度集中，多数集中于中国、乌克兰、俄罗斯、加拿大、巴西以及澳大利亚等 国家，其中，中国铁矿资源储量位居世界排名第四，名列前茅。世界铁矿区分 布图如图1 ．1 所示。 图1 ．1 世界铁矿区分布图 中南大学硕士学位论文1 绪论 1 ．1 ．2 我国铁矿资源 据2 0 1 2 年国土资源部全国铁矿勘查数据统计，未探明铁矿储量多达2 0 0 0 亿t ，从另一方面意味着我国铁矿资源有着很大的发展前景与潜力。2 0 1 2 年年底， 国土资源部发布的矿产资源报告，探明我国铁矿储量7 8 1 亿t ，但铁矿石品位普 遍偏低，其他矿物含量较高，选冶条件差。 随着国家经济的蓬勃发展，国内市场对钢铁的需求逐年的快速增长，所需 的铁矿石也相应的增加，从2 0 0 2 年到2 0 1 2 年这1 0 年中，我国铁矿石原矿产量 从2 ．3 1 亿t 增至1 3 ．2 7 亿t ，将近翻了6 倍。 根据相关机构对铁矿石市场前景的分析，我国铁矿石产量虽然很大，但含 铁品位偏低，铁精粉产量远不能满足国内市场的需求，也就意味着我国更加依 靠从国外进口高价铁矿石来进行补给和维持市场的供需平衡。相关统计显示， 2 0 1 1 年我国进口矿石总量6 ．2 亿t ，2 0 1 2 年进口矿石总量6 ．9 亿t ，进口矿石量 增长率约为1 1 ％，且我国铁矿石自给率远达不到矿石需求的一半。 综上，从长远考虑，不单是中国，乃至整个世界，对铁矿石资源的需求量 仍就会增长，从目前消费现状来看，最主要的消费地区是亚洲，像中国、日本、 韩国等国家，因此，为国家经济发展实现进一步的飞跃，国内铁矿山的生产能 力亟待提高。 1 ．2研究背景及目的意义 和睦山铁矿包括后和睦山和后观音山两个矿段，矿山目前生产能力已达到 年产量7 0 万t ，为了进一步缓解铁矿资源供应短缺对马钢集团公司造成的压力 与可持续发展的制约，公司欲通过矿山改造扩建，将和睦山铁矿生产能力提高 至1 1 0 万忱，其中，后观音山矿段生产能力要求达到6 0 万讹。然而，由于后观 音山矿段开采技术条件极为复杂，矿体形态多变万化，尖灭再现现象明显，矿 岩稳固性较差，采用的中深孔分段空场嗣后充填法⋯o 】分两步回采矿块，第一步 先回采矿柱，由于受到爆破的扰动，以致矿柱回采完毕后的充填工序和矿房的 回采难度陡然变大，资源总体回采率不足5 0 ％，且安全性差，因此，后观音山 矿段将中深孔分段空场嗣后充填法更换为上向水平进路充填法【l 卜1 4 】，虽然上向水 平进路充填法能够适应矿山开采技术条件，切实解决矿体开采过程中遇到的关 键技术难题，但是由于该采矿方法本身的制约，生产能力低，无法满足该矿段 生产的需要，为此，姑山矿业公司决定对后观音山矿段进行深部开采 - 2 0 0 m ～．3 0 0 m 中段 ，即在后观音山矿段．2 0 0 m 水平以上继续采用上向水平进 路充填法加大回采力度的同时，必须加快．2 0 0 m 一．3 0 0 m 中段的开拓与采准工程。 中南大学硕士学位论文1 绪论 后观音山矿段大多数矿体属于缓倾斜中厚至厚矿体，倾角约在2 0 0 ～3 0 0 之间， 矿体厚度2 ～5 0 m ，平均厚度3 0 m ，加之后观音山矿段矿岩稳固性较差，深部地 压增大，更增加了．2 0 0 m ～．3 0 0 m 中段资源开采的难度，必须在充分借鉴．2 0 0 m 中 段上向水平进路充填法成功经验的基础上，通过进一步优化进路结构、采场布 置、回采顺序、回采工艺等，在保持进路充填法高回采率的同时，提高进路回 采效率和产能，以实现观音山矿段深部矿石资源的安全、经济、高效回采。为 此，根据观音山矿段1 9 线 2 5 线之间、．2 0 0 m ～．3 0 0 m 中段范围内的矿体赋存条 件，通过技术攻关，力求探索出一种行之有效的复杂难采矿体安全开采方案， 同时根据开采方案要求，对后观音山矿段深部开拓系统工程进行相应的调整和 优化。该研究与设计成果，不仅可以切实解决后观音山矿段．2 0 0 m ～．3 0 0 m 中段 矿体开采过程中遇到的技术难题，在保证安全生产的基础上，实现达产稳产， 提高矿石回收率，不但为姑山矿业有限公司乃至马钢集团公司所属其他矿山开 采提供可靠经验和参考依据。 缓倾斜矿体开采研究 1 ．3 ．1 开采技术 我国缓倾斜中厚至厚矿体的开采技术【1 5 ．1 7 】，一般包括采矿方法优选、落矿 工艺、顶板管理、矿石运搬等主要工序。 1 采矿方法优选 缓倾斜中厚至厚矿体倾角较为平缓，崩落的矿石既不能利用铲运机出矿也 不能借助矿石重力自溜出矿，加之这类矿体采场控顶较高，也无形中加大了顶 板支护。通过对国内开采此类矿体相关资料统计显示，采用房柱法开采的约占 5 5 ％左右，底盘漏斗法开采的约占3 0 ％左右【1 8 - 19 1 ，剩余的为电耙留矿法【2 0 。2 2 1 和分 层充填法。在国外，此类矿体主要使用充填法和房柱法[ 2 3 - 2 6 】，所占的比例分别 为2 3 ％和6 1 ％。 值得说明盼是，随着矿石价格的不断升高和矿山对矿区地表周边环境的保 护 包括地表的变形和移动、地表尾砂堆放量等 的要求，现今更多的矿山考 虑采用资源回收率高、回采安全性好，生产能力大的充填法来开采此类型矿体。 2 落矿工艺 假如利用上向或下向梯段的凿岩工作面，爆破落矿工艺较为复杂，资源回 收效率变低，在暴露的顶板面下回采作业，作业安全性较差；倘若利用中深孔 爆破落矿时，即便可以提升凿岩爆破的工作效率，但是对凿岩钻孔和装药量的 要求较高，需要使用凿岩台架以及装药器等来作业，降低出矿效率。 中南大学硕士学位论文 1 绪论 3 顶板管理 “覆岩总重理论假说”指出，对于近水平或者缓倾斜类矿体，开采过程中 形成的回采空区所支承的载荷等同于回采空区位置上部至地表间所有上覆矿岩 重量的总和，按照国内外相似矿山的井下地压监测状况【2 9 。3 1 】，若矿体埋深较浅， 则项板承受的最大拉应力会大于其抗拉强度。 4 矿石运搬 爆力运搬因为爆破受到制约，抛掷的距离受到一定的限制，加之须采用设 备清理底板来增加矿石回收率，故成效不甚理想；机械运搬指的是铲运机等设 备运搬，其生产能力大、自动化、智能化程度高，需要大空间进行作业；水力 运搬主要用在冲运底板残留的矿石，目前在国内矿山使用该技术还不娴熟，使 用的冲运水给井下回采作业造成巨大影响；重力运搬明显不适用于开采缓倾斜 中厚至厚矿体。 1 ．3 ．2结构参数 总体而言，地下采场结构参数【3 2 。5 】选定的主要依据在于矿体的赋存条件， 倾角及矿体厚度，矿岩的稳固性程度，采空区附近地表构筑物级别和矿山地质 构造等。在对采场结构参数做选择时，多数矿山都有着自己的经验，但不可能 有一个万能的结构参数适用于任何矿山，因而要根据矿山的实际情况选择适合 的结构参数。目前国内外矿山在选取结构参数时主要采用的方法有公式计算 法、遗传算法、经验对比法、数值模拟等。 1 公式计算法 徐长佑等研究人员用矿山作为实例，利用岩体力学理论，归纳了矿柱的设 计、应力的计算及防范矿柱失稳方法，得出计算矿柱尺寸的公式，以下式表示 S p 引V d 1 - 1 式中S 。矿柱的强度，P a ； 一单向抗压强度，P a ； 曰。矿柱的宽度，m ； 日．矿柱的高度，m ； 阿柱的体积，m 3 ； C ，仁常数。 作用在矿柱上的应力表示为 中南大学硕士学位论文1 绪论 咿巫生业O ／“ 1 - 2 p u ，u 式中仃。矿柱的应力； 最矿房的宽度，m ； H 房的长度，m 。 直到目前为止，顶板跨度的最大尺寸计算均可用的公式表示如下 吉韧[ 嘉j m 3 ， 式中g t 一顶板围岩最大拉应力，N ／m 2 ； y 覆岩容重，g ／c m 3 ； 三一采场的深度，c m ； 爿r ．开采的深度，c m ； a 、卜常数。 公式 1 ．3 得出的最大跨度是针对于完整矿岩的理想值。因为在顶板围岩 中含有各种产状的不同结构面【3 6 。9 1 ，大大减弱了矿岩自身的强度，以此同时， 含有裂隙的顶板的最大跨度相当于无裂隙的顶板最大跨度的0 ．5 o ．7 倍。 2 遗传算法 结构参数被影响的因素非常复杂，很难以一种数学表达公式去概述它们彼此 之间的联系，以至于给结构参数选择带来很大的困扰。在现代工程的结构优化 中，越来越多的实际应用难题强调结构优化必须能够完全适用于不同类别的优 化变量、不同类别的约束以及不同类别单元组合结构的非线性、线性、动力、 静力以及控制结构的优化等。近些年来，遗传算法【4 0 4 1 1 广泛被工程界所重视。 3 经验对比法 经过分类、对比、分析后选择与本矿山最为适宜的结构参数是较为常用的 确定方法，这种方法以经验对比为依据，结果过于保守，而且存在很多的主观 因素，但是，由于对比法方便且简单，广泛被应用于国内外众多矿山中。 4 数值模拟 数值模拟被普遍应用于各类矿山结构参数选取中，基本步骤如下 ①离散将要研究的对象； ②根据本构关系的确定，对单元组合的力学与运动学进行分析； ③采用全部单元组合来表达整体的特征。 ④在确定模型边界条件的基础上，利用解联立方程组，得出应力与变形状 况。 数值模拟原理应用于结构参数的条件已十分的成熟。在实践过程中，不同 中南大学硕士学位论文1 绪论 类别的评价方法以及稳定分析H 2 4 5 1 得到的结果都不是唯一确定的，其中很大的 原因是由于不同的评判方法、稳定分析的自身局限所造成，更甚是由于干扰矿 山矿岩稳固性的影响因素极为众多和复杂，此类因素中多数均含有不同程度上 的不确定性。 三维有限元数值模拟广泛应用于结构参数、回采顺序H 6 书l 的优化行之有效 的方法。其可定量的分析和计算开采过程中得出每一步开采的动态变化状况， 以致对采区围岩的稳顾性作出正确判断。经过多种方案的分析和计算，对比不 一样的结构参数、不一样的回采顺序以及开挖步骤状态下的围岩稳固性状况， 从而做出优化的回采设计，得到最优的采区结构参数、回采顺序以及开挖步骤。 在确保生产安全的基础上，尽可能的缩减开拓成本，增加矿山生产能力与经济 效益。 1 ．4本文研究内容与思路 1 ．4 ．1主要内容 为加快完成后观音山矿段深部矿体的开拓工程及采准工程，早日实现投产， 科学、合理的确定适合后观音山矿段开采的最优采矿方法、最佳采场结构参数 及采准、切割与回采工艺优化研究，主要研究内容如下 1 矿体开采、技术条件的分析以及矿体分类； 2 开拓系统工程设计与优化； 3 采矿方法比较分析，择优选择； 4 采场结构参数优化； 5 最优采矿方法的单体方案设计； 6 采