缓倾斜薄矿脉铝土矿采矿方法优选及采场结构参数优化研究.pdf

中图分类号 U D C 硕士学位论文 学校代码 密级 1 0 5 3 3 缓倾斜薄矿脉铝土矿采矿方法优选及采场 结构参数优化研究 O p t i m i z a t i o n0 fu n d e r g r o u n dm i n i n gm e t h o da n ds t o p e s t r u c t u r ep a r a m e t e rf o rg e n t l yi n c l i n e dt h i no r e b o d y b a u x i t 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 论文答辩日期型 鱼 王凯 矿业工程 资源与安全工程学院 陈建宏教授 答辩委员会主席益丝兰二／ 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 墨盆王。 日期 型丝年上月丛日 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。 作者签名皇堂【- ．导师签名 万方数据 缓倾斜薄矿脉铝土矿采矿方法优选及采场 结构参数优化研究 摘要铝，是当今世界应用最为普遍的金属之一。目前，我国己经成为 当今世界上铝产量和铝消费量世界第一大国，其在维护国家稳定和保持社 会经济快速发展方面具有重要的战略地位。铝土矿是生产铝金属的主要原 料，随着铝资源需求的不断增加及扩张，国内铝土矿资源储量消耗日益剧 增，可供露天开采的堆积型铝土矿床日益减少，迫切需要展开原生沉积型 铝土矿地下开采研究。 中铝重庆分公司南川铝土矿矿区，矿区内大多为缓倾斜厚度薄的原生 沉积型铝土矿，是目前世界上开采难度大的矿床。矿床的矿体完整性和连 续性较差，直接顶底板围岩稳固性不高；矿体厚度薄；矿床水文地质条件 较复杂，造成铝土矿资源的严重浪费。 针对矿山的实际情况，在采矿方法优化时采用选择层次分析法与模糊 数学相结合的方法进行选择，确定采矿方法优化选择的指标体系，从中选 择与矿山实际相符合的指标。通过对这些指标赋予权重，结合同种采矿方 法矿山的经济技术指标，可以选择出较为合理采矿方法。应用层次分析法 与模糊数学相结合的方法，既避免了由于主观判断对数据选择的影响，又 能将定性的指标进行定量转化，从而以数值的形式表达出采矿方法的优 劣。最后得到液压支柱护顶连续采矿法为最优方案，为缓倾斜薄矿脉开采 提供了参照，有一定的指导意义。 在采场结构参数优化中，采用大型有限元分析软件A N S Y S 进行分析， 结合专家经验以及类似矿山实际选出接近的采场结构参数，得到以之相符 合的采场结构参数。在优化的时候，可以先确定一个采场参数，对另一个 参数进行变化优选；确定之后，在其基础上再对另一个参数进行优化研究。 通过这样的方法可以很好地避免重复实验研究，充分发挥了A N S Y S 在力学 分析上的优势。通过这样一系列的分析优化，最终选择最优的采场参数为 6 0 m 1 0 m 2 m 。对矿山的生产具有指导意义，研究过程及成果对其他类似 矿山具有一定的借鉴价值。 关键词缓倾斜薄矿体；采矿方法优选；A N S Y S ；结构参数；数值模拟 分类号 万方数据 O p t i m i z a t i o no fu n d e r g r o u n dm i n i n gm e t h o da n ds t o p e s t r u c t u r ep a r a m e t e rf o rg e n t l yi n c l i n e dt h i no r e b o d yb a u x i t e A B S T R A C T A l u m i n u mi so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dm e t a li nt h e w o r l dn o w ．A tp r e s e n t ，C h i n ah a sb e c o m et h ew o r l d ss u p e r p o w e ri n a l u m i n u mp r o d u c t i o na n da l u m i n u mc o n s u m p t i o n ，A l u m i n u mh a sa n i m p o r t a n ts t r a t e g i cp o s i t i o n o n m a i n t a i n i n gn a t i o n a ls t a b i l i t y a n d m a i n t a i n i n gr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ．B a u x i t ei s t h em a i nr a w m a t e r i a lf o ra l u m i n u mp r o d u c t i o n ，w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n df o r a l u m i n u mr e s o u r c e s ，w i t ht h ei n c r e a s i n gd o m e s t i cc o n s u m p t i o no f b a u x i t er e s e r v e ss u r g e ，a c c u m u l a t i o n t y p eb a u x i t ef o ro p e n - p i tm i n i n g d e c l i n e dd a yb yd a y ，S Oi ti su r g e n tt ot a k er e s e a r c ho nu n d e r g r o u n d m i n i n go fp r i m a r ys e d i m e n t a r y b a u x i t e ． T h eN a n c h u a nb a u x i t e m i n i n g a r e ao fT h eC h a l c oC h o n g q i n g B r a n c h ，m o s t l yc o n t a i n ss l o w l y i n c l i n e dt h i no r e b o d yo fp r i m a r y s e d i m e n t a r yb a u x i t ei nt h i sa r e a ，w h i c hi sd i f f i c u l tm i n i n gd e p o s i t sn O W i n t h ew o r l d ．I n t e g r i t ya n dc o n t i n u i t yo ft h i st y p eo r ed e p o s i ti sp o o r ，t h e r o c ks t a b i l i t yo fd i r e c tr o o fa n df l o o ri sn o ts t r o n g ，o r e b o d yi st h i n ； d e p o s i tm o r ec o m p l e xh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，r e s u l t i n gi nas e r i o u s w a s t eo fb a u x i t er e s o u r c e s ． A c c o r d i n gt o t h ea c t u a ls i t u a t i o no fm i n e ，t h em i n i n gm e t h o d o p t i m i z e db ya d o p t i n gt h ec o m b i n a t i o no fa n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s A H P a n df u z z ym a t h e m a t i c sm e t h o dt os e l e c ta n dd e t e r m i n et h ei n d e x s y s t e mo fo p t i m a ls e l e c t i n gm i n i n gm e t h o d ，c h o o s ec o n s i s t e n tw i t h m i n e a c t u a li n d i c a t o r s ．B a s e do nt h eg i v e nc r i t e r i aw e i g h t sa n di nc o m b i n a t i o n w i t he c o n o m i ca n dt e c h n i c a li n d i c a t o r so ft h es a m em i n i n gm e t h o di nt h e m i n e ，c a nc h o o s et h er e a s o n a b l em i n i n gm e t h o d s ．T h em e t h o dc o m b i n i n g t h e a p p l i c a t i o n o f a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s A H P a n df u z z y m a t h e m a t i c s ，a v o i d st h ei n f l u e n c eo ft h es u b j e c t i v ej u d g m e n to fd a t a s e l e c t i o n ，a n dc a nt u r nt h eq u a l i t a t i v ei n d e xq u a n t i t a t i v e l y ，t h u se x p r e s s e d a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fm i n i n gm e t h o d i nt h ef o r mo fn u m e r i c a l ． F i n a l l y ，t h eh y d r a u l i cp r o pc a n o p yg u a r dc o n t i n u o u sm i n i n gm e t h o di s t h eo p t i m a ls o l u t i o n ，p r o v i d ear e f e r e n c et og e n t l yi n c l i n e dt h i no r e b o b y m i n i n g ，h a sc e r t a i ng u i d i n gs i g n i f i c a n c e ． I I 万方数据 I nt h es t o p es 仃u c t u r ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ，u s i n gt h el a r g e ‘s c a l e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eA N S Y St oa n a l y z e ，c o m b i n e dw i t ht h e e x p e r t s ’e x p e r i e n c e a n dt h ec h o s e nc l o s et oa c t u a l s t o p es t r u c t u r e p a r a m e t e r so fs i m i l a rm i n e s ，g e tt h em a t c h i n gs t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ． A tt h et i m e o fo p t i m i z a t i o n ，f i r s td e t e r m i n eas t o p ep a r a m e t e r s ，t h e n c h a n g ea n o t h e rp a r a m e t e rt oo p t i m i z e ．A f t e rd e t e r m i n i n g ，o nt h eb a s i so f i t ，t h er e s e a r c ho na n o t h e rp a r a m e t e ri so p t i m i z e d ．B yt h i sw a y ，i ti sa g o o dw a y t oa v o i d r e p e a t i n gt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h ，g i v ef u l lp l a yt ot h e a d v a n t a g eo fA N S Y S i nt h em e c h a n i c a la n a l y s i s ．T h r o u g hs u c has e r i e s o fa n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n ，t h ef i n a lc h o i c eo ft h eo p t i m a lp a r a m e t e r s f o rt h es t o p ei s6 0 m 10 m 2 m ．I th a sag u i d i n gs i g n i f i c a n c eo nm i n e p r o d u c t i o n ，t h er e s e a r c hp r o c e s sa n dr e s u l t sh a v eac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e f o ro t h e rs i m i l a rm i n e s ． K e y w o r d s G e n t l y I n c l i n e dT h i n O r e b o d y ；M i n i n g M e t h o d O p t i m i z a t i o n ；A N S Y S ；S t r u e t u a lP a r a m e t e r ；N u m e r i e a lS i m u l a t i o n s C l a s s i f i e a t i o n I I I 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A B S T R A C T ．．．．．⋯．⋯．⋯⋯．．．⋯．．⋯．⋯．．⋯．．．⋯．．．⋯⋯．．．．⋯．⋯⋯⋯．．．⋯．．．⋯．⋯．⋯．．．⋯⋯⋯．．．．⋯．⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．i 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题提出及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l - 2 ．2 国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 论文技术路线及主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 中铝重庆铝土矿矿体赋存特征研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1 矿区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．1 矿区地理位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．2 矿区自然地理条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 矿体特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 矿石特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 矿区水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 缓倾斜薄铝土矿采矿方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 3 ．1 缓倾斜薄铝土矿开采技术条件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．2 矿山现行采矿方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．3 缓倾斜薄铝土矿可行采矿方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 ．1 液压支柱护顶连续采矿法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 ．2 长壁式崩落法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 ．3 长臂式削壁充填法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 ．4 倾斜分条全面采矿法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 缓倾斜薄铝土矿采矿方法优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 4 ．1 采矿方法优选指标体系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．2 基于层次分析法与模糊数学的采矿方法选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．3 优选结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．3 ．1 构建层次模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．3 ．2 建立评判矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 万方数据 4 ．3 ．3 构建模糊评判矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 ．4 计算模糊权重向量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．3 ．5 最优方案确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 采场结构参数优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 5 ．1A N S Y S 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 5 ．1 ．1A N S Y S 软件的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 5 ．1 ．2A N S Y S 软件分析基本流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 5 ．2 采场结构参数优化数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．1 矿山几何模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．2 材料参数的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．3 采场结构参数模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．3 ．1 初始应力状态模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．3 ．2 相同采场长度宽度优化模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．3 ．3 宽度一致采场长度优化模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 攻读学位期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题提出及研究意义 铝土矿矿产资源是一种国家重要的矿产资源，是关系到人民生活的一件大事 Ⅲ。我国铝土资源多为浅部埋藏，所以应用的多为露天开采。但是随着这几年的 开采，浅部埋藏铝土资源已渐渐变少，对深部铝土资源的开采已提到日程上来。 因此，针对地下铝土矿的现状，对其采矿方法的研究是必不可少的【2 川。 本文针对的是中铝重庆分公司地下铝土矿采矿方法的优化研究。该矿床是一 个缓倾斜薄矿床，矿石是高硫矿石，低铝硅比。按边界品位A ／S 2 ．6 的标准，圈 定的矿体地质储量为4 6 3 4 5 ．8 k t ，平均厚度1 ．6 2 m ，矿石平均品位A 1 2 0 3 6 3 ．3 5 ％、 S i 0 21 1 ．8 2 ％、F e 2 0 35 ．8 2 ％、S1 ．2 2 ％、M S5 ．3 6 。矿体设计利用储量为4 5 6 11 ．3 1 t 。 矿山年生产铝矿石的能力为1 6 5 万吨。其氧化铝生产工艺为选矿脱硫串联法，矿 山直接向氧化铝厂提供块度 3 5 0 m m 原矿，原矿直接送氧化铝厂破碎站进行破 碎。 根据地质勘探资料，重庆分公司铝土矿现存的矿石，由于铝的价格影响，加 大成本是不可能的。矿体的厚度是非常小的，并且是分布在较大的范围内，开采 困难，部分矿体的直接顶底板的稳固性不好，开采条件相当复杂。为响应国家两 型社会的政策，安全合理的回采矿石，有必要研究适用于该矿山的新的采矿方法 和回采工艺，寻找适合自身矿山的合理的开采方法和回采方案，保证矿山能够经 济、高效、安全开采【5 1 。 我国大部分的地下铝土矿赋存条目极其驳杂，均属难以开挖的矿床，它的特 色是薄矿层【6 】，不牢固项板围岩，缓矿体倾角，未便重力坑矿开采，也不便崩落 采矿，困难钻井条件【_ 7 1 。尤其是对重庆分公司的地下铝土矿，其赋存的水文地质 范例属以溶蚀裂隙为主的顶板直接充水的岩溶充水矿床，其水文地质条件复杂程 度属中等偏复杂类型1 8 - 1 0 】。当结合选择采矿方法时矿体地质条件，考虑到矿石价 值不大，排除充填方法。其次，由于薄矿体倾角缓，间接顶板稳定性还是不错的， 虽然表面上允许陷落，如果用崩落法，贫化率和损失率高，放顶困难【1 1 1 。空场 法可充分利用矿岩的稳固条件，工艺比较简单，损失贫化指标容易控制。经过可 行性研究的综合比较可以看出空场法最合适，具体是根据矿体赋存情况及地质条 件分别采用全面采矿法，倾斜分条全面采矿法和电耙浅孔留矿法。 但按照该三种采矿方法设计确定回采参数时察觉预留矿柱大而多矿房内点 柱3 3 m 2 ，间距1 0 m ，顶柱6 米，矿柱6 米，安放设置随意，导致损失率大、贫 化率高。初步设计计算的矿石回采平均贫化率为9 ．9 5 ％，平均损失率为1 2 ．9 1 ％。 由于是重庆分公司是新建矿山，设计过程中没有考虑估算资源枯竭矿山不合理的 万方数据 中南大学硕士学位论文 绪论 损失和贫化损失，没有考虑到每个矿山和矿井各个时期的地质，采矿条件的特殊 性，忽视经济，社会和损失，不良的关系，所以贫化及采矿损失率比理论数据的 实际设计高[ 1 2 - 1 4 1 。要降低铝土矿开采的贫化损失，合理有效利用铝土矿资源，同 时实现企业经济利益最大，就必须从重庆分公司矿山的实际出发，分析公司地下 铝土矿矿山的地质条件及矿体赋存情况，分析矿山目前的采矿方法、工艺等，找 出导致矿石贫化损失的原因，从而提出控制贫化损失的综合措施，优化、完善现 行贫化损失控制措施。 对地下铝土矿，采矿方法是影响损失贫化最核心的因素，因此分析优化和 完善现有采矿方法和工艺、研究新的开采工艺技术、加大管理力度来降低采矿的 贫化损失，提高矿石的出矿品位，最大程度的保证开采的安全，经济、高效，提 高铝土矿资源利用效率和安全性，努力构建“资源节约型和环境友好型“ 两型社 厶[ i S l 石0 是以，务必举行改良和优化现有的采矿方法和回采程序，合理概括来设置回 采和采矿方法工艺目标参数，以此来下降采矿的贫化亏损，抬高矿石的出矿品位， 最大程度地保证开采的安全、经济、高效，提高铝土矿矿产资源利用效率和开采 的安全性【1 6 1 。 1 ．2 国内外研究现状 缓倾斜薄矿脉由于矿体厚度较薄，导致所采用的设备受到限制以及考虑到每 一种采矿方法的损失贫化率都要达到矿山的实际需求，故而发展较为缓慢‘1 7 - 1 8 ] 。 1 ．2 ．I 国内研究现状 国内铝土矿采矿方法比较落后，基本上停留在全面法或别的房柱法上。基本 原因是铝土矿价值相对而言比较低，矿体较为平缓，顶板围岩较为不稳固，在采 空区必须采取相应的支护措施以保证采空区的稳定性。根据采取的措施可以分为 两大类，第一类为崩落围岩填充采空区控制地压；第二类为预留顶底柱和矿柱支 撑采空斟1 9 】。第一类方法工艺简单，作业劳动条件较好，但是损失率居高不下， 生产能力低第二类采矿方法预留矿柱，在安全上起到保障作用，但是由此带来 的损失贫化率是不可逆转的。 缓倾斜矿山在国内的开采情况如表1 一l 。 万方数据 中南大学硕士学位论文 绪论 下面将简单介绍几种国内相似矿山所采用的采矿方法。 1 明水铝土矿长壁式崩落采矿法[ 2 0 - 2 2 】 明水铝土矿为硬质粘土铝矿，矿石相对稳固f - 3 “ ～5 ，o ～1 0 0 的矿体倾角， 矿体厚度为0 ．8 m “ ～2 ．6 8 m 。铁质泥岩作为顶板，中等稳固f - 3 ～4 ，底板为粘土页 岩，不稳固f 3 “ - 4 。 该矿阶段矿块高度为8 ～1 4 m ，矿块长度大约是1 0 0 “ ～3 0 0 m ，5 0 “ - - 6 0 m 的矿 块斜长。采准切割安置上部三个阶段的搬运平巷布置在下盘脉外，下部四个阶段 的运输平巷布置在脉内。沿倾斜方向每隔5 0 “ - 6 0 m 开挖一条半岩半矿的分段平 巷，把它作为运输或耙矿用。为便于装车，要求分段平巷一侧的底板低于矿体底 板1 ．1 ～1 ．3 m ，其平巷打到矿体顶板。在与分段平巷平行的同一水平面上，留3 ～ 5 m 的矿柱，再掘一条回风巷。该方法的矿块生产能力4 5 0 0 0 f f a ，采切比为1 0 ～ 2 0 m ／k t ，废石混入率是5 ％，矿石损失率为1 0 ％。在采空区支护过程中使用坑木 进行支护，这样造成的是木材消耗量增大，生产能力也不如人意。采矿方法如下 图。 5 4 l ， ， 蘩黝 0o { o ● B 一。 一 ．} 毋 f 纭铆f 入铸 矗 ’ ， f ， ￡以f 力f 以f f ＼ T 图1 1 明水铝土矿长壁式崩落采矿法 1 一脉内分段运输平巷；2 一回风巷；3 一联络道；4 一普通支柱；5 一密集支柱 万方数据 中南大学硕士学位论文 绪论 2 全面采矿法[ 2 3 - 2 4 】 全面采矿法是空场法的一种，主要的特点就是将矿体沿走向划分为规则的矿 块，再回采矿块。顶底板易塌陷时需要对其进行支护，可以使用锚索也可预留矿 柱支撑采空区。将矿体划分为段可以是在倾向上，也可以是在走向上，针对不同 的矿房可以同时进行回采。 全面采矿法一般会形成较大的暴露面积，可以达到2 0 0 , - - - , 5 0 0 m 2 ，矿块长度 取5 0 “ - - 6 0 m ，也有3 0 m 的。矿块开采的最大厚度可以达到3 ．O m ，最薄则为1 ．5 m 。 适合的矿体倾角也必须是缓倾斜，3 0 。之下为最佳。在形成的采空区中主要靠预 留的矿柱来支撑，整体的稳定性关乎顶底板的破碎程度。当厚度较小时，其它的 工具不适合进入采场，只好应用电耙进行出矿。在运输巷道的一侧布置电耙绞车 硐室，利用电耙出矿。 全面采矿法具有很多的优点，国内很多矿山都应用它进行开采。成本的低廉 以及采切量小。但是不能回采在采空区预留的矿柱、顶底柱，这样造成1 0 ％ - - “ 1 5 ％ 以上矿石的损失率。采空区的暴露面积大，并且回采作业基本上都在暴露的顶板 下进行，对工人的生命安全造成隐患，这就要求有严格的顶板管理和通风要求。 在新时代下，寻求更为方便的人工矿柱是它的一个方向。 图1 2 全面采矿法 1 一运输巷道；2 一支撑矿柱；3 一电耙绞车 万方数据 中南大学硕士学位论文绪论 3 房柱法[ 2 5 - 2 6 】 根据这里矿山的实际情况，房柱法的实际情况是浅孔房柱法。缓倾斜或者水 平的矿体开采的特点是矿房与矿柱两者交叉布置。在房柱法中，采区与矿块沿走 向划分，每一个矿块由两部分组成，那就是矿房和矿柱，为了支撑采场的顶板， 保证回采空间的稳定性，这时就需要在采空区预留矿柱，用以保证工作人员的人 身安全。 房柱法是空场法的一种，适用的条件为矿体倾角在3 0 。之下。因为矿体的厚 度小于3 m ，因此可以应用于整个矿层回采。矿房的长度取决于所采用的机械运 输设备的有效运距。采用一般的4 0 - - - 6 0 m 。矿房的宽度，根据顶板的稳固性来决 定，一般是8 ～2 0 m 。 方案灵活，应用范围广；机械化程度比较高，提高劳动生产率和安全度；顶 板易塌陷或矿体的真厚度非常大时，护顶难。矿柱矿量亏损量大。减少矿柱的损 失，改进矿柱或锚杆的使用，应是房柱法的发展方向。 1 ．2 ．2 国外研究现状 自从上世纪7 0 年代，随着振动设备，无轨全自动设备，皮带运输技术的应 用和推广，以及越来越注重环境保护以及采场复垦。最主要的是充填采矿法的不 断应用，加快了相应配套技术的不断发展，国外的缓倾斜薄体脉矿山取得了很大 发展。 1 长臂式削壁充填法[ 2 7 - 2 8 】 长臂削壁充填采矿法是指从矿块回采工作的一边到另一边走向，面笔直或有 一定倾角的方向。采场是沿走向布置。矿房走向一般长1 0 0m 左右，倾向长则 为5 0 m 左右。 回采自进路天井开始，且回采是采场工作面沿矿体走向推进， 应用控制爆破技术落矿。矿石和围岩浅孔爆破，岩崩于工作面上，用电动耙耙 出废石则抛在距工作面2m 以外，并充填于采空区达到支护顶板的目的。在 有些时候可以在矿石品位低的地方预留矿柱，作为采空区的支柱，也可用废石和 混泥土预制块垛护顶。该方法运矿尚可，有效地控制了矿石的损失贫化率，通风 条件好，但是劳动强度大，工作效率不高。 采矿方案图如图1 3 所示。 万方数据 中南大学硕士学位论文 绪论 图l _ 3 长臂式削壁充填法 1 一崩落矿石；2 一工作面；3 一上阶段运输平巷；4 一顶柱；5 一切割天井； 6 一底柱；7 一阶段运输巷；8 一电耙硐室 2 分段房柱法[ 2 9 - 3 1 】 外国某矿为伟晶花岗岩有色金属矿山。矿体的倾角变化范围为1 5 0 “ - 4 0 0 ，平 均具有2 8 0 倾角。1 到1 2 m 是矿体的厚度变化范围，矿石及围岩稳固。f 1 2 “ - “ 1 4 。 采区有1 8 0 m 的长度，分段巷道宽6 ．5 至7 ．5 m ，3 m 宽的顶柱。斜坡道设在各个 分段巷道的脉内，用以联络，在斜坡道的旁边就有2 个放矿溜井。矿块千吨采 切比是1 2 m 3 ／l t ，矿块平均生产能力为1 4 5 吨／班，矿石的贫化率为1 1 ．8 ％，1 2 ％ 的损失率。其采矿方法示意图见图1 4 。 图l 4 分段房柱法 1 一运输平巷；2 一斜坡道；3 一溜矿井；仁通风平巷；5 一凿岩台车； 仁铲运机；7 矿柱 万方数据 中南大学硕士学位论文 绪论 3 垂直分条充填采矿法[ 3 2 - 3 3 】 垂直分条充填采矿方法可以应用于倾斜或缓倾斜矿体的开采，先将矿体分为 房柱和矿房，继而分两步回采，首先回采的是矿柱，选择合适的充填料，胶结充 填形成的人工支柱替代矿柱；然后是对矿房进行回采。 西德派勒铁矿就是一个缓倾斜薄矿体，矿体倾角为1 0 0 “ - - 2 2 0 ，最厚矿体厚度 有6 ．5 m ，薄的只有4 m ，平均厚度为6 m 。矿体上部顶板则为石灰岩，板岩形成 了矿体的底板。西德派勒铁矿最早选择上向水平分层水砂的充填法进行开采，但 是由于回采工艺的缺陷，直接的结果就是矿石生产效率不高，作业工作面较长， 造成较大的经济损失。后来改用图1 5 所示的垂直分条充填采矿法，矿石生产 效率明显有所增长。 B 2 6 o o0 ●●●●● o qC ＼。R _ 、 1 j 7 ‘ ／ l B 5 A B B 图1 5 垂直分条充填采矿法 l 一凿岩巷道；2 一充填体；3 一护壁矿柱；4 一凿岩巷道；5 矿房；6 矿柱； 7 一梯段工作面；8 一炮孔 1 ．3 论文技术路线及主要研究内容 本文依托于中南大学与中铝重庆铝土矿科研合作项目“缓倾斜薄矿体地 下铝土矿采矿新方法和新技术应用研究”，对矿山存在的矿石损失率、贫化率居 高不下的问题，提出相对应的解决方案。通过中铝重庆铝土矿南川矿区的地质资 料的调查研究，结合现有采矿方法全面采矿法的现状，对相似国内外矿山所 采用的采矿方法进行对比分析，再通过数学方法进行优化得出最终适合本矿山实 际情况的采矿方法。最后对该采矿方法的采场矿房矿柱结构参数进行数值模拟分 析。进而得出更为合理的采场矿房矿柱结构参数。 1 ．本文的主要研究内容如下 万方数据 中南大学硕士学位论文 绪论 1 中铝重庆铝土矿采场生产现状调查研究； 2 缓倾斜薄矿体开采研究背景； 3 中铝重庆铝土矿矿体赋存特征研究； 4 缓倾斜薄铝土矿采矿方法研究 5 缓倾斜薄铝土矿采矿方法优选； 6 采场结构参数优化研究。 2 、拟采用研究方法和预期成果 本文所采用模糊综合评价法对所选择的采矿方法进行优化。对初选的每个采 矿方法方案，都要进行全面而细致的分析。对所选择的采矿方法要从下面的六大 方面来进行对比分析【3 4 1 ，从中择优 1 矿块工人劳动生产率； 2 采准切割工作量及时间； 3 矿块生产能力； 4 主要材料消耗量 坑木及炸药等 5 矿石的损失率和贫化率； 6 采出矿石的直接成本。 在采矿方法优化时采用选择层次分析法与模糊数学相结合的方法进行选择， 确定采矿方法优化选择的指标体系，从中选择与矿山实际相符合的指标。通过对 这些指标赋予权重，结合同种采矿方法矿山的经济技术指标。继而可以选择出较 为合理采矿方法。应用层次分析法与模糊数学相结合的方法，既避免了由于主观 判断对数据选择的影响，又能将定性的指标进行定量转化，从而以数值的形式表 达出采矿方法的优劣。 在采场结构参数优化中，采用大型有限元分析软件A N S Y S 进行分析，结合 专家经验以