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中图分类号 旦墅兰 U D C 丝2 硕士学位论文 学校代码 Q 5 3 兰 密级公开 后和睦山铁矿采矿方法及采场结构参数优化研究 S t u d yo nm i n i n gm e t h o d s a n ds t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r s i nH o u h e m u s h a nI 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 副指导教师 王石 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 论文答辩日期丝 墨竺兰答辩委员会主席盔。兰三笙■ 中南大学 2 0 1 3 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。 作者签名导师签名立弛日期年一月一日 生直太耋壅堂盆论奎摘要 后和睦山铁矿采矿方法及采场结构参数优化研究 摘要无底柱分段崩落法采场结构参数选取的合理性直接决定着矿 山开采的安全可靠性和生产能力。后和睦山铁矿矿体形态比较稳定、 连续性好，但矿岩破碎、粉矿多、含水量高、遇水易结块。为解决开 采过程中遇到的脊部残留难以回收的问题，本文针对无底柱分段崩落 法的可行性和采场结构参数的有效性展开了研究。此外，结合矿山实 际情况，探究了地表移动带圈定问题。得到的主要结论如下 1 导致措施井、风井及部分未征农田位于地表移动带内的原 因是，未将后观音山铁矿和后和睦山铁矿的矿体视为两分开独立的矿 体，它们之间存在一个无矿带。 2 移动带重新圈定后，仅需在1 8 ～1 旷勘探线之间留2 ．0 9 万t 的矿柱矿量，保护少量未征用农田。 3 引入层次分析法和模糊数学，经计算后可得，上向水平进 路充填法、下向水平进路充填法和无底柱分段崩落法三个备选方案的 优越度分别为5 8 ．2 3 ％、5 5 ．5 2 ％、7 9 ．6 0 ％。即无底柱分段崩落法更 加适合后和睦山矿的开采技术条件。 4 从技术和经济的角度分析，在不考虑无底柱分段崩落法的 贫化率和增加的废石提升费用的情况下，上向水平进路充填法与无底 柱分段崩落法利润总额分别为3 0 9 7 6 万元、3 4 7 8 4 ．4 万元。从简化 管理，降低支护工程量和成本等角度综合考虑，建议采用后者。 5 结合矿山实际数据，运用放矿椭球体理论进行分析计算， 可得松动椭球体短半轴坟的范围是5 ．9 0 - - 7 ．9 6 m ，即导致存在脊部残 留的主要原因是相邻松动椭球体不相互影响或相切。 6 利用灰色关联理论分析影响进路间距的因素，得到散体结 构因子、水渗透破坏因子和地质因子的关联度分别是O ．9 1 9 、O ．8 4 9 和O ．8 4 9 ，它们是影响进路间距的核心因素。 图2 2 幅，表3 1 个，参考文献7 9 篇 关键词无底柱分段崩落法，脊部残留，采矿方法优化，放矿椭球体 理论，灰色关联理论 分类号T D 8 5 3 I I A na n a l y s i sa n ds t u d Vo fm l n m S ；t e c l m o l 0 9 1 C a lp r o b l e m si n ●●‘ ■●● ●● ● ●●● ● H o u h e m u s h a nI r o nM i n e A b s t r a c t S a f er e l i a b i l i t ya n dp r o d u c t i o nc a p a c i t yo f m i n i n gw a s i m m e d i a t e l yd e ci d e db yt h er a t i o n a li t yo ft h es e l e c t i o no ns t o p es n u c 咖 p a r a m e t e r si nn o n - pi l l a rs u b l e v e lc a v i n g ．A l t h o u g ht h em o r p h o l o g yo f o r e b o d yi nH o u h e m u s h a nI r o nM _ l n ew a ss t a b l e ，g o o dc o n t i n u i t y , t h er o c k W a sb r o k e n , o r ef i n e sW a sl a r g e ，m o i s t u r ec o n t e n tW a sh i ．g ha n do r ef i n e s c a k e de a s i l yw i t hw a t e r ．T os o l v ew h i c hW a sh a r dt or e c o v e rt h er i d g eo f r e s i d u a li nm i n i n g ，t h i st h e s i sc o n d u c t e das t u d ya b o u tt h ef e a s i bi l i t yo f n o n - p i l l a r s u b l e v e lc a v i n ga n dt h ee f f e c t i v e n e s so fs t o p es 仃u c t u r e p a r a m e t e r s ．F u r t h e r m o r e ，t h ep r o b l e mo fd e l i n e a t i n gs u r f a c em o v e m e n t W a s e x p l o r e dc o m b i n i n gt h ep r a c t i c a l s i t u a t i o ni nm i n e ．T h em a i n c o n c l u s i o n ses u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 T h er e a s o nw h yi m p r o v e dw e l l , w i n dw e l la n ds o m ef a r m l a n d w i t h o u te x p r o p r i a t i o ni sl o c a t e dw i t h i nt h es u r f a c em o v e m e n ti st h a tt h e O r eb o d yo fH o u g u a n y i n s h a nI r o nM i n ea n dH o u h e m u s h a nI r o nM mi s r e g a r d e da st w os e p a r a t ea n di n d e p e n d e n to n e s ，a m o n gw h i c ht h e r e i s s o m er e g i o nw i t h o u to r e ． 2 O n l y2 0 ．9t h o u s n dt o n so fp i l l a rn e e d st ob er e t a i n e da m o n g 18 ～19e x p l o r a t i o nl i n et op r o t e c tf e wf a r m l a n dw h i c hi sn o te x p r o p r i a t e d a f t e rt h es u r f a c em o v e m e n ti sd e l i n e a t e da g a i n ． 3 A f t e rt h ec a l c u l a t i o 玛t h es u p e r i o r i t yo f t h r e ea l t e r n a t i v e su p w a r d l e v e la p p r o a c hm e t h o d ，d o w n w a r dl e v e la p p r o a c hm e t h o da n dn o n - p i l l a r s u b l e v e lc a v i n gi s r e s p e c t i v e l y5 8 ．2 3 ％，5 5 ．5 2 ％a n d 7 9 。6 0 ％，w h i c hi s a c h i e c e db yi n t r o d u c i n gt h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sa n dt h e 舵巧 m a t h e m a t i c s ．N a m e l y , n o n - p i l l a rs u b l e v e lc a v i n gi sm o r ea p p r o p r i a t et o t h em i n i n gc o n d i t i o no fH o u h e m u s h a nM i n e ． 4 T h et o t a lp r o f i to fu p w a r dl e v e la p p r o a c hm e t h o d , d o w n w a r d l e v e la p p r o a c hm e t h o da n dn o n - p i l l a rs u b l e v e lc a v i n gi s s e p a r a t e l y 3 0 9 ．7 6m i l l i o ny u a na n d3 4 7 ．8 4 4m i l l i ony u a ni nt e c h n ol o g ya ne c o n o m y t e r m s ，w h i c hi sn o tc o n s i d e r e dt h ed i l u t i o nr a t eo fn o n - p i l l a rs u b l e v e l c a v i n g a n dt h ei n c r e a si n g e x p e n s e s o f p r o m o t i n g b a r r e nr o c k ． I T T C o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r i n gt h et e r m so fs i m pl i f y i n gm a n a g e m e n ta n d d e c r e a s i n gq u a n t i t i e so fs u p p o r t i n ga n dc o s t ，t h el a t e ri s a d v i s e d ． 5 T h es c o p eo fl o o s ee l l i p s o i d a ls e m i m i n o ra x i s i s5 ．9 队7 ．9 6 m , w h i c hi s g o tb yu s 访go r e - d r a w i n ge l l i p s o i d a lt h e o r y a n dc o m b i n i n g a c t u a ld a t ai nm i n e ．N a m e l y , t h em a i nr e a s o nl e a d st ot h er i d g eo f r e s i d u a l i st h a tt h en e i g h b o r i n gl o o s ee U i p s o i d a li sa w a yo rt a n g e n t i a lf r o me a c h o t h e r ． 6 P a r a m e t e r sw h i c he f f e c t ss u b l e v e ld r i v ei n t e r v a la r ea n a l y s e db y g r a yr e l e v a n c et h e o r y ．C o r r e l a t i o n s o fl o o s es t r u c t u r ef - a c t o r ’w a t e r s e e p a g e f a i l u r ef a c t o ra n dg e o l o g i c a lf a c t o ra r er e s p e c t i v e l y0 ．9 1 9 ， 0 ．8 4 9 a n d 0 ．8 4 9 ，a n dt h e y a r et h ek e yp a r a m e t e r sw h i c hi n f l u e n c e s s u b l e v e ld r i v e ． 2 2F i g u r e s ，31T a b l e s ，7 9R e f e ．r e n c e K e yw o r d s n o n - p i l l a rs u b l e v e lc a v i n g ，r i d g eo fr e s i d u a l , o p t i m i z a t i o no f m i n i n gm e t h o d ，o r e d r a w i n ge l l i p s o i d a lt h e o r y , g r a yr e l e v a n c et h e o r y C l a ss i f i c a t i o n 6 2 2 I V 主醢太芏亟主芏位论玄 目丞 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．Ⅱ A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．Ⅲ 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 项目背景及目的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 无底柱分段崩落法采场结构参数研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．2 ．2 国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 椭球体放矿理论研究新进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．3 ．1 椭球体放矿理论的形成与现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．2 我国放矿理论研究取得的成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．5 主要研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 2 开采技术条件分析及地表移动带研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．1 矿区地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．1 矿区地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 ．2 矿体地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1 ．3 矿石质量特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．1 ．4 矿岩物理性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 矿山开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．1 开拓系统现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．2 开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 地表移动带研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．3 ．1 地表移动带原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．3 ．2 鞍山院固定的地表移动带评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 V 虫宙太芏鳃土芏位论玄 目丞 2 ．3 ．3 地表移动带重新圈定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．4 新移动范围与鞍山院地表移动带对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．5 保安矿柱验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．3 ．6 保安矿柱预留⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 后和睦山铁矿采矿工艺技术优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．1 采矿方法选择的原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．2 ．2 0 0 - - ．3 0 0 M 采矿方法初选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．1 上向水平进路充填法 方案I ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．2 ．2 下向水平进路充填法 方案I I ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．2 ．3 无底柱分段崩落法 方案I I I ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．3 ．2 0 0 - ．3 0 0 M 采矿方法理论优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．1 采矿方案综合评价指标体系构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．3 ．2 运用层次分析法确定权重向量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．3 ．3 模糊综合评判⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．4 ．2 0 0 - - ．3 0 0 M 最终推荐采矿方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 无底柱分段崩落法采场结构参数优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．1 矿岩散体的主要物理力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．1 ．1 矿岩散体物理性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．1 ．2 矿岩散体力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．2 崩落矿岩散体整体流动特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．2 ．1 放出体⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 4 ．2 ．2 松动体⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．2 ．3 放出漏斗⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．2 ．4 放出漏斗性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．2 ．5 松动椭球体与放出椭球体关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．3 多漏斗放矿时相邻漏斗的相互关系研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 4 ．3 ．1 相邻松动椭球体不相互影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 V I 虫亩太芏亟坐位i 金玄 目苤 4 ．3 ．2 相邻松动椭球体相切⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．3 ．3 相邻松动椭球体相交⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．4 后和睦山铁矿脊部残留的原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．4 ．1 现场测定自然安息角⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 4 ．4 ．2 放矿层高度办确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 4 ．4 ．3 纯矿石放出量Q 翩定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 4 ．4 ．4 放出椭球体参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 4 ．4 ．5 脊部残留原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 4 ．4 ．6 基于松动椭球体的采场结构参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 4 ．5 基于推荐采场结构参数的爆破参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 基于灰色关联理论的影响进路间距因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 5 ．1 灰色系统理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 5 ．1 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．1 ．2 灰色关联分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．2 进路间距影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．2 ．1 进路间距影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．2 ．2 模糊灰色相关分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 6 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 ⅥI 1 绪论 1 ．1 项目背景及目的意义 和睦山铁矿位于安徽省当涂县，由后和睦山和后观音山两个矿段组成。后观 音山矿于2 0 0 9 年开始采用分段空场嗣后充填法少量开采2 撑矿体，因矿岩稳固性 差，回采率低，矿山与中南大学合作，进行上向水平进路充填法试验获得成功。 目前，后观音山已全部改用上向水平进路充填法 包括⋯2 0 03 0 0 m 深部矿体 ， 获得了满意的现场使用效果和较好的技术经济指标。后和睦山于2 0 0 6 年投产， 采用诱导崩落法 - l O O m 、．1 5 0 m 中段 和无底柱分段崩落法 ．2 0 0 m 中段 开采1 矿 体。．1 0 0 m 中段选用的分段高度为l O m ，．1 5 0 m 和．2 0 0 m 中段分段高度为1 2 ．5 m 。 近7 年的生产实践表明，诱导崩落法和无底柱分段崩落法适合后和睦山铁矿的开 采技术条件，为矿山稳定生产做出了贡献【1 ．3 】。但这两种采矿方法在应用过程中， 也存在如下一些一直未能很好解决的问题 1 在鞍山设计研究总院 以下简称‘‘鞍山院” 2 0 0 2 年9 月提交的马钢 集团姑山矿业有限责任公司和睦山矿区初步设计说明书中，根据岩石移动角圈 定了开采至．3 0 0 m 最低水平时地表的移动范围。按照该移动界线，矿山措施井和 风井以及部分农田位于岩层移动带内。按照姑山矿业公司和睦山铁矿扩建项目 资源开发利用方案和姑山矿业公司和睦山铁矿扩建项目初步设计，在开采 ．2 0 0 - - 3 0 0 m 深部中段资源时，措施井将作为2 撑副井，负责提升后和睦山铁矿3 5 万蚀矿石和部分人员及全部废石。换言之，措施井将成为深部开采的主要井筒， 必须采取切实可行的技术、安全措施，保护措施井、风井和未征用农田不受采动 影响。 2 崩落法开采已经引起地表出现塌陷，而且随着开采深度的增加，塌陷 范围还将进一步扩大，随着开采向深部推进，必须对塌陷范围和影响范围做出一 个科学的判断和预测，并有针对性地采取措施。 3 后和睦山矿段矿岩破碎、粉矿多、含水量高、遇水易结块，随着崩落 法回采引起地表塌陷，地表水系进入井下，不仅增加了井下排水费用，而且恶化 了崩落法回收指标。 4 崩落法设计进路间距为1 2 m ，但在．2 0 0 m 中段开采过程中发现，由于 矿体破碎，含水量大，当前开采的．1 6 2 ．5 m 、．1 7 5 m 等分段存在脊部残留，而且 这部分矿量即使在菱形布置的下一个分段进路也无法全部回收，造成了巨大的经 济损失和资源浪费。为此，姑山矿业公司和睦山铁矿根据该矿段实际情况，在两 虫亩太堂亟堂位论塞 绪论 进路之间增加一条进路，以回收脊部残留。这种不得已的补救措施虽然回收了部 分崩落矿量，但安全性差 增加进路后，进路中心线间距4 ．4 m ，进路矿柱间距 仅有2 ．8 m 。 目前后和睦山铁矿．2 0 0 m 中段以上保有矿量已大为减少，按照当前生产能力， 仅能维持1 ．5 ～2 a 左右的时间，为保持三级矿量平衡，维持矿山可持续发展，矿 山进行深部 - 2 0 0 ～．3 0 0 r n 开拓工程设计与施工建设。显而易见，随着开采深度 的增加，上述问题将愈加突出。为此，本文拟根据后观音山与后和睦山中间存在 相当距离无矿带 两个矿段实际上是互不相连的独立矿体 的实际情况，重新圈 定岩层移动界线，科学评价主要保护设施 措施井、风井及未征农田 与岩层移 动界线的关系，同时通过理论研究和分析，确定后和睦山铁矿⋯2 0 03 0 0 m 水平 合适的采矿方法及合理的采场结构参数，在确保地面主要保护设施 措施井、风 井及未征农田 安全前提下，最大限度地回收宝贵的矿产资源。 1 ．2 无底柱分段崩落法采场结构参数研究现状 无底柱分段崩落法于1 9 6 5 年被我国引入，之后在大庙铁矿成功地进行了工 业试验，并逐渐运用于生产实践。由于该方法具有机械化程度高、采准结构简单、 生产能力大、安全性高等优点，其在金属矿山，尤其是铁矿山中得到了广泛应用 和长足发展降5 1 。据统计，该种方法在我国大中型铁矿中的使用率占到7 0 ％以上。 但是，该方法也存在极大的不足，其中最大的缺陷为矿石贫化率和损失率较其他 方法高，且会对地表造成一定程度的破坏。 近些年来，随着铁矿石价格的不断提高，该方法高贫化率、低回收率的显著 缺陷已经越来越不适应市场经济的变化规律，况且随着国家和社会对保护环境重 视程度的日益提高，此种方法的应用比重已经越来越低。实际上，随着环境友好 型采矿新方法的兴起，近些年来，大部分新建铁矿山都已经放弃使用无底柱分段 崩落法，而且原来采用无底柱分段崩落法的矿山，许多也改用其他低贫化率、高 回收率、环境友好的方法，比如充填采矿法等。 1 ．2 ．1 国外研究现状 国外大多数使用无底柱分段崩落法的矿山，都是在由露天开采转入地下开采 后采用的。伴随科技的不断进步，采矿技术水平的不断提升，机械大型化已经成 为国外大型矿山提高采矿效率的主要方式。无底柱分段崩落法的采矿工艺正朝着 增加一次崩矿量、加大采场结构参数、采用全液压和电动等大型无轨采矿设备的 方向发展。 虫直太堂亟堂位i 金玄 l 缮论 瑞典的基律纳 K i r n u a 铁矿将采场结构参数 进路间距分段高度 由 1 2 1 6 ．5 m 提高到了2 7 3 0 m ，年产量高达1 0 0 0 万t ，被誉为‘‘地下露天矿”；瑞典 的马尔姆贝里耶 M a l m b e r g e t 铁矿的采场结构参数也由1 5 1 5 m 增加到2 0 2 2 ．5 m ； 乌克兰的克里沃罗格 K r i v o yR o g 矿区地下矿的分段高度也增加到了2 5 m r 5 1 。基 律纳铁矿无底柱分段崩落法采场结构参数的演变情况见表1 ．1 。 国外矿山选用无底柱分段崩落法的主要原因为 ． 1 可以对不同品位和带有夹石的矿体进行选别回采； 2 比较容易适应矿体形态的变化，灵活性较大； 3 投产快，可以较快的回笼资金； 4 机械化程度高，可以提高采矿效率和强度； 5 无需留设矿柱； 6 回采工作面较小，安全可靠，工人和设备在掩护区段内部工作； 7 采准即采矿，副产矿量大； 8 可以适应围岩不稳固的采场条件。 从目前国外液压凿岩设备在井下应用的发展趋势来看，无底柱分段崩落法的 采场结构参数还有进一步增大的可能。 表1 ．1基律纳矿结构参数的演变情况 1 ．2 ．2 国内研究现状 国内许多采用无底柱分段崩落法的矿山所使用的采场结构参数 进路间距 分段高度 一直为1 0 1 0 m ，该参数大小比国外矿山小，这主要是受国内采矿技 术水平和设备条件限制所致【6 - 8 1 。近些年来，随着国内矿山技术力量的不断发展， 无底柱分段崩落采矿方法的结构参数在原先基础上有了较大的变化，增加到了 1 5 x 1 5 m 、2 0 2 0 m 等。而且，生产实践发现和证明了进路间距等于分段高度的结 构参数并不一定是最好的参数组合，这根矿山的实际情况息息相关。目前，国内 一些地下铁矿山为了扩大产能，都朝着增大采场结构参数的方向发展【射1 1 ，如梅 山铁矿【1 2 】、程潮铁矿、镜铁山铁矿等。 从表1 ．2 中实例可以看出，围岩稳固的矿山所使用的采场结构参数都较大， 而围岩不稳固的矿山所采用的结构参数则相对较小。因此，矿山应从自己的实际 虫亩太堂亟堂位j 金塞 l 缮论 情况出发，根据椭球体放矿理论、数值模拟等方法进行分析计算，最终确定出科 学合理的采场结构参数，以达到最佳的开采效果。切忌盲目的追求高产，采用大 进路间距、高分段高度进行回采，最后不但没有实现产能的提高，还造成了资源 浪费，甚至导致安全生产事故。 表1 - 2国内主要矿山的开采现状对比 1 ．3 椭球体放矿理论研究新进展 1 ．3 ．1 椭球体放矿理论的形成与现状 进行单漏斗放矿模拟试验可得，已放出的矿岩散体在模型中占有的空间形状 大致是一个旋转椭球体，所以，该放出的矿岩散体可用椭球体方程来表示【l 引。 一些专家学者通过研究放出体的基本特性，发现了矿岩散体在放出时的一些规律， 又用一些方程式来表达这些规律，以此来说明矿岩散体的移动特征，即所谓‘椭 球体放矿理论’1 4 l 。1 9 5 2 年，前苏联岩石移动专家r ．M ．马拉霍夫率先做了这 方面的研究，著写了崩落矿块的放矿，这就是最早的椭球体放矿理论。他同 时也对有底柱崩落法结构参数选择和崩落法的放矿管理等方面的理论做了大量 的研究。后来，1 9 6 8 年r ．M ．马拉霍夫与B ．P ．别朱赫等人共同编写了放 矿理论与实践，该书主要引用了一些实验与矿山的生产实际资料，并未在放矿 理论研究方面取得新的突破和进展。 1 9 6 5 年，B ．B ．库里柯夫出版了金属矿床的联合开采与二次开采，书中 着重对单孔放矿理论进行了研究。他认为放出体的表面颗粒与放矿漏斗方程在移 虫亩太堂亟堂盈j 金玄 l 缓论 动场中是保持相对不变的。1 9 7 2 年，B ．B ．库里柯夫又对该书进行了修订，1 9 8 0 年出版了放矿。这些书都深入地研究了单孔放矿理论，同时也大量的研究了 随机介质放矿理论，并对计算机随机模拟放矿原理进行了简单介绍。 1 9 6 5 年，H ．r ．杜培宁编写了地下开采的放矿，其通过模型试验来得出 与放出椭球体相关的各种关系值，但缺乏比较系统理论研究工作。 上述三种著作是前苏联对崩落法放矿进行的研究情况。 美国、英国、瑞典和澳大利亚等国也对放矿理论进行过大量研究，大部分都 采用椭球体理论体系，其中，流动椭球体概念的提出具有一定理论意义，然而， 这些国家从整体研究水平上讲，都没有达到前苏联的水平。 综合国外放矿理论研究现状，可得到以下结论 1 前苏联在放矿理论方面所做的研究说明和解决了～些生产实际问题； 2 椭球体放矿理论在崩落法矿山中得到了广泛的应用； 3 单孔放矿理论研究比较充分，一些研究成果已经进入了定量应用阶段； 4 具有边界条件下放矿理论和多孔放矿理论的研究尚存在空白，已做的 研究工作也只限于现象的说明，并把模拟实验作为基本的研究手段； 5 放矿理论研究并未涉及矿石损失贫化的预测。 1 ．3 ．2 我国放矿理论研究取得的成果 崩落法简单易行，是我国使用的比较多的采矿方法，因此，研究放矿理论的 基本原理也逐渐受到许多国内专家学者地重视。所得的主要研究成果有 1 对于单孔放矿理论，在前苏联一些专家研究的基础之上，发表了抽象 放出体的全新概念，该理论的提出在很大程度上解决了表面颗粒“同时到达”的问 题；根据此理论得到了有关放出体移动的一些特性，这些特性很好得解释了矿岩 散体移动的一些规律，最终将这些特性归纳为放出漏斗方程、移动迹线方程和颗 粒点移动速度方程等【1 3 ‘1 4 1 。这些方程都体现了矿岩散体的移动规律，相互之间存 在差异但也相互统一，它们可以定性和定量得分析移动场中的各种问题f 1 5 】。 矿岩散体在移动时又可以被称为移动体，移动体的基本性质是由放出椭球体 偏心率的大小和变化规律决定的，而矿岩散体的放出条件和基本性质又在很大程 度上决定着偏心率。一些专家提出用回归方程1 一￡2 刊摊来表示该偏心率的变 化规律，该方程对椭球体表达式的完善有一定的积极作用【l4 1 。 放矿理论中一个极为重要概念就是归零量【1 6 J 。与传统的单漏斗放矿试验不 同，其通过研究标志颗粒的归零量来获得归零曲线，即归零量场，在该场中依据 归零量的等面值原理最终绘制出放出体，该方法是获取抽象放出体最为科学合理 生亩太堂亟坐位论玄 缝论 的方法【1 7 - 1 8 1 。 2 对于多漏孔放矿理论，最早于2 0 世纪8 0 年代初开始研究，其研究的 主要内容有多漏孔矿石残留体、多漏孔放出体、矿岩表面的移动规律以及矿石与 废石的混合过程。最后由这些研究内容得到了颗粒点逆移动方程组和移动方程组， 这在很大程度上解释了多孔放矿问题【1 9 】。 3 数值模拟放矿理论体系。己知放出体的具体移动条件和颗粒坐标，再 结合颗粒点的移动方程组，最终可获得颗粒点在移动完之后的坐标。基于归零量 理论和颗粒点的移动方程组，建立放矿理论数值模拟体系，通过计算机的模拟和 分析，最后获得崩落法的放矿过程。研究表明，该数值模拟过程可以比较好的解 决多漏孔放矿中遇到的基本问题，并且可以对矿石的贫化率和损失率作出较为科 学合理的预测[ 2 0 - 2 1 】。 4 崩落法采场边界条件的研究。由崩落围岩的移动条件，可将该边界条 件分为三大类无限边界条件，指的是开采矿体厚度较大的中间矿块或者顶板软 弱破碎的缓倾斜矿块；半无限边界条件，指的是回采无底柱分段崩落法采场的矿 体；复杂边界条件，指的是回采上下盘呈倾斜面时的矿块。经过这些年得不断研 究，前两种边界条件下颗粒点的移动方程组和数值模拟理论体系已经建立出来。 然而对于复杂边界条件，由于其情况复杂多变，放出体的形态已经脱离椭球体的 范畴，因此，还未能得出颗粒点的移动方程，对于这一未解问题，需要更多的专 家学者投入精力进行研究个发现【2 2 ．2 3 】。 5 不 低 贫化放矿研列2 4 】。在以往研究的基础上，将工作的重心转移到 经济效益上来，以实现矿山开采经济效益最大化为最终目标。在该研究过程中， 不考虑单分段放矿，把多分段共同放矿时的散体流动情况作为研究的重点，上一 个分
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