缓倾斜薄矿体采矿方法创新设计与采动损伤过程模拟.pdf

分类号 U DC 密级⋯⋯⋯⋯⋯ 编号●----●●●●●●--。●I’●●●-●●●●● 十南『大学 C E N T R A L S O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目 学科、专业 研究生姓名 导师姓名及 专业技术职务 绻笾觥麓筢体采燕杰迭剑新然斌 与暴动损伤过程模拟 采矿工程 ⋯⋯鄞⋯⋯⋯⋯⋯。匪⋯⋯⋯⋯⋯。 ⋯⋯⋯屉．．赫。王。熬撬⋯⋯⋯⋯⋯。 U DC 硕士学位论文 编号 缓倾斜薄矿体采矿方法创新设计与采动损伤过程 模拟 I n n o V a t i v ed e s i g no fg e n t l yi n c l i n e dt h i no r em i n i n g J ●11 ● ■J ● 一 ●● 1 m e t n o d Sa n dS l m U l a t l o n0 tm l n l n 2d a m a 2 ep r 0 C e S S 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 郭旺 采矿工程 资源与安全工程学院 周科平教授 论文答辩日期兰 12答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 1 年1 1 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己在论文中作了明确的说明。作者签名羔浮日期．旦年坐月L 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。日期型年卫月垒日 中南大学硕士论文摘要摘要缓倾斜薄矿体的开采技术受到地质条件的限制，发展较为缓慢，由于不能实现自溜，且通常认为机械化程度受到环境的限制，被认为是一种难采矿体。针对这类矿山，国内外做过多项研究来解决效率低和出矿难题，也得到了不少研究成果，但未形成一套有效的开采模式，尚不成熟。因此，加强缓倾斜薄矿体安全高效开采的研究对于提高我国薄矿体开采技术水平，建设资源节约型、环境友好型矿业具有十分重要的推动作用。以华锡集团铜坑矿锌铜矿体为研究对象，以缓倾斜薄矿体安全高效开采技术研究为研究载体，以T R 亿理论为指导，综合运用理论分析、室内实验、数值模拟等方法，对缓倾斜薄矿体开采的安全性和高效性做了深入研究。主要研究内容如下 1 结合地质资料对矿体开采技术条件做了详细介绍说明，对前期工作做了总结，介绍了点载荷实验的相应过程和得到的相关数据，并对实验结果做了分析统计。 2 介绍了T R | z 创新理论的创新路线，通过查询T R 亿理论矛盾矩阵，总结了在设计中存在的矛盾，根据创新原理得到解决问题的措施，并最终设计出适应缓倾斜薄矿体安全高效回采的可行性方案。对创新方案从采准切割、凿岩爆破到顶板处理作了详细说明，对采场生产能力做了验算，结果表明此种方案完全能够达到设计年产1 0 0 万吨的生产能力要求。 3 利用岩石真实破裂过程分析软件 R F P A 对岩体开挖过程作了数值模拟研究，得到了四种不同工况下顶板岩层损伤和整体稳定性情况。分析结论表明单采场开挖时，在没有点柱的情况下，采场拉开3 0 米即出现顶板失稳破坏现象，而在有规整点柱支撑下，采场整体拉开5 0 米时顶板只需局部锚杆或者喷浆支护即可保证安全；整个矿块开挖时，在没有充填体支撑的情况下，两个采场拉开后即出现顶板冒落和点柱受压破坏现象，而当空区有充填体支撑的时候，顶板和点柱表现出比较好的稳定性。 4 分析总结了开采过程中顶板下沉与冒落的可能因素，结合锌铜矿体开采时可能出现的问题，提出了一些采矿过程中项板控制手段和注意事项。将铜坑矿废弃的块石胶结充填系统改进后重新投入使用，对胶结充填系统和块石运输系统做了详细介绍说明。将块石和水 中南大学硕士论文摘要泥砂浆通过天井同时下放，在坠落过程中和在料堆面上的滚动过程中，块石和水泥砂浆可以得到充分混合，提高充填体的强度。关键词缓倾斜薄矿体，T R 亿，采矿方法，R F P A ，细观损伤力学，安全控制I I A B S T R A C TG e n t l yi n c l m e dm i l lo r ei sc o n s i d e r e dau n e a s i l ym i n i n go r eb o d yd u et oi t sg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，m em i n i l l gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ti sr e l a t l V e l ys l o w ．Am 1 1 n b e ro fs t u d i e sw a s 1 0 n ea th o m ea n da b r o a dt os 0 1 V et h el o we m c i e n c ya n dt h em i n i n gp r o b l 锄so f 廿1 e s em i n e s ，a n dg o ts o m er e s e a r c h ，b u td i d n ’tf ．o ma ne f f e c t i v ee x p l o r a t i o nm o d e l ．1 1 1 e r e f o r e ，s t l ．e n g m e n i n gm er e s e a r c ho fg e n t l yi n c l i n e dm i no r em i n 洒gi sv e 珂l Ⅱ1 p o r t a n tt oi m p r o v i n gm et e c h n i c a l1 e v e lo fC h i n a ’st h i n ．o r em i n i n ga n dt h ec o n s t n l c t l o no fr e s o u r c e - s a v i n ga n de n v i r o m n e n t ．衔e n d l ym i n i n gi n d u s t r y ．T h et 1 1 0 r o u 曲r e s e a r c hs a f ．e 够a n de m c i e n c yo fg e n t l yi n c l m e dt b i no r em i n i n gw a sm a d eb yt a k et 1 1 ez i n cc o p p e r0 r eb o d yo fT o n 酞e n gM i l l e ，H u 喇劬u pa ss t u d yo b je c t ，m eg e n t l yi n c l i n e dt 1 1 i no r eb o d ys a f ea 1 1 de m c i e mm i n i I l gt e c h n o l o g ya ss t u d yc a r r i e r ，m eT I U Zm e o 珂a sag u i d e ，a n du s e dm e o r “c a la n a l y s i s ，l a be X p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e m o d s ．T h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s 1 Ad e t a i l e dd e s c r i p t i o no fm eo r em i n i n gc o n d i t i o n s 啪sg i v e nc o m b i n e dw i mg e 0 1 0 9 i c a ld a t a ，a sw e na st h es 1 瑚m a 巧o ft h ep r e l i m i n a 珂w o r k ，i n n ’o d u c e d 廿1 ec o r r e s p o n d i n gp o i n t1 0 a dt e s tp r o c e s sa n dt 1 1 er e l e V a n td a t a ，s t a t i s t i c a l 姐a l y z e dm ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ． 2 1 1 1 _ 仃o d u c e dm em n o v a t i v em e o 巧o fT R J Zr o u t eb yq u e 珂i n gt 1 1 eT I U Zc o n t r a d i c t i o nm 撕xt 1 1 e o 巧，s u m m e du p 也ec o n t r a d i c t i o n st 1 1 a te i s ti 1 1t 1 1 ed e s i g n ，a c c o r d m gt ot 1 1 ep r i n c i p l et ob ei n n o v a t i v ep r o b l e m 。s 0 1 V i n gm e a s u r e s ，f i n a l l yd e s i g n e daf e a s i b i l i t yp r o 野a mo ft oa d a p tt og e m l yi n c l m e dt 1 1 i no r eb o d ys a f e t ya n de m c i e n t l yr e c o v e w ．A d o p t i o no fi l u l o V a t i V es o l u t i o n s 仔o mt h eq u a s i ．c u t t i I l g ，d m l i n gb l a s t i n gp r o c e s sw a sd e s c r i b e di nd e t a i lt ot h er o o f ，m es t o p ep r o d u c t i o nc a p a c 岫w a sc h e c l i 】呜，t 1 1 er e s u l t ss h o wm a ts u c hp r o g r a m sc a na c h i e v e 如1 1d e s i 印c 印a c 蚵o f1m i l l i o nt o n so fp r o d u c t i o nc a p a c 时r e q u i r e m e n t s ． 3 T h es i m u l a t i o no fr o c ke x c a v a t i o np r o c e s sw a sm a d eb yt h eu s eo fr e a lr o c kf a i l u r ep r o c e s sa n a l y s i ss o f 呐a u r e R F P A ，f o u rd i f ．f e r e mc o n d i t i o n so fr o o fs t r a t a 蛳u 巧a n dm eo v e r a Us t a b i l i 田s i t u a t i o nw e r ea c h i e V e d ．A n a l y s i sc o n c l u d e dt h a t u n d e ras i n g l es t o p ee x c a v a t i o nc a s e ，I I I i ft 1 1 e r ei sn op o i n ti nm ec o l u m n ，m es t o p e 印p e a r su n s t a b l e 士a l l u r ep h e n o m e n o nw h e n 也es t o p eo p e n e d30 m ，b u ti ft 1 1 e r ei sr e g u l a rc o l u r I Ⅱls u p p o n ，j u S ts p r a yt h er o o f0 rs u p p o n i n g 血el o c a la n c h o rc 吼e n s u r es a f - e t yw h e nt h es t o p eo p e n e d5O m ．U n d e rm e 、V h 0 1 eo r eb l o c ke x c a v a t i o nc a s e ，、沛e nt h eb a c 始1 ls u p p o r ti sa b s e n c e ，a f t e r h a v i n go p e n e dt 、v os t o p er o o fc a V i n ga n dp o i n tc 0 1 u I n nc o m p r e s s i o nf a i l u r ep h e n o m e n o n ；、V h e nm es t o p eh a sf i l l e ds u p p o r t ，让L er o o fa I l dp i l l a r ss h o w e dg o o ds t a b i l 毋． 4 A n a l y z e sa n ds u m m a r i z e sm ep o s s i b l ef - a c t o r so fr o o fs u b s i d e n c e 觚df a l l i n gp r o c e s si 1 1m i n i n gp r o c e s s ，c o m b i n e dw i t ht h ep o s s i b l ep r o b l e m so fz m c c o p p e ro r eb o d ym m m gp r o c e s sm a d ean u m b e ro fm i l l i n gr o o fc o n t r 0 1m e a s u r e sa n dp r e c a u t i o n s ．M a k et 1 1 ew a s t er o c kc e m e n t e df j1 1 i n 2s v s t e mo fT o n g k e n gM i n eb a c ki n t ou s e ，m a d ear o c kc e m e n t e d 士1 1 1 l n gs y s t e mo tlO n g K e n gM m eD a c Km 【ou s e ，I I l a u ead e t a i l e dd e s c r i p t i o no fc e m e n tf i l l i n gs y s t e ma n dm I er o c k 倾n s p o r ts v s t e m ．S t o n ea 1 1 dc e m e n tm o r t a ra r ef ．a 1 1t h r o u g hm ep a t i ot o g e 也e r ，w h i l et h ef a l lp r o c e s sa n d 廿1 er 0 1 1 i n gp r o c e s si nt h es u r f a c e ，s t o n ea I l dc e m e n tm o r t a rc a nb em l l ym i x e d ，、v h i c hc a J li m p r o v em es t r e n g mo fb a c k f i l l ．K E YW O R D S g e n t l yi n c l i n e dm i no r eb o d y ’T R I Z ，m i n i n gm e m o d s ，R F I A ，m e s o - d 锄a g em e c h a l l i c s ，s e c u r 埘c o n t r 0 1I V 中南大学硕士论文目录目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯IA B S T R A C T ⋯⋯。⋯⋯⋯。⋯⋯⋯。。⋯⋯。．。。。。。。。⋯。。⋯⋯⋯．III第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．’⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 ．2 国内外研究现状及发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21 ．2 ．1 缓倾斜薄矿体开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21 ．2 ．2 缓倾斜薄矿体开采发展趋势及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 ．2 ．2 真实破裂过程分析 R F P A 软件发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．41 ．3 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41 ．3 ．1 矿脉岩体工程及开采技术条件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51 ．3 ．2 缓倾斜薄矿体的采矿方法及其工艺的创新设计研究⋯⋯⋯⋯⋯．51 ．3 ．3 采动过程中顶板岩层损伤的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51 ．3 ．4 岩体采动影响与安全控制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51 ．4 研究的技术路线和手段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6第二章矿山概况及岩体力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72 ．1 矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72 ．1 ．1 矿区地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．72 ．1 ．2 矿体基本特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．82 ．1 ．3 矿区工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92 。2 点载荷实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 02 ．2 ．1 实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 12 ．2 ．2 实验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 12 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯■⋯⋯⋯⋯．．1 7第三章缓倾斜薄矿体采矿方法及其工艺的创新设计研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯183 ．1T R I Z 基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 83 ．1 ．1T R 亿的起源和发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 83 ．1 ．2T R 亿理论的理论体系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 83 ．1 ．3T R l z 理论的适用范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 13 ．2 基于T R 亿创新理论的采矿方法概念设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 13 ．2 ．1 问题描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 13 ．2 ．2 定义技术矛盾⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2V 中南大学硕士论文目录3 ．2 ．3 查询矛盾矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 23 ．2 ．4 发明原理的分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 33 ．3 采矿方法与工艺研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 43 ．3 ．1 采矿方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 43 ．3 ．2 采矿工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 53 ．3 ．3 生产能力验算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 03 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3第四章采动过程中顶板岩层损伤的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 54 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 54 ．1 ．1R F P A 软件概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 54 ．1 ．2 岩石的细观损伤力学本构关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 54 ．1 3R F P A 软件基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 64 ．1 ．4R F P A 的分析过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 04 ．2 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 04 ．2 ．1 岩体力学参数的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 14 ．2 ．2 计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 24 ．2 ．3 数值计算方案及网格模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 34 ．2 ．4 模型边界约束条件及控制条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 64 ．3 数值模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 74 ．3 ．1 单采场无点柱稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 74 1 3 。2 单采场有点柱稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 14 ．3 ．3 多采场无充填时稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 34 ．3 ．4 多采场充填条件下稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 84 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2第五章岩体采动影响与安全控制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 45 ．1 采场顶板控制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 45 ．1 ．1 采场顶板控制的影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 45 ．1 ．2 采场顶板控制措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 45 ．2 块石胶结充填系统研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 55 ，2 。1 地表充填系统在矿山充填中的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 55 ．2 ．2 原充填系统介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 65 ．2 ．3 充填系统的恢复与改进⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 85 ．2 ．4 块石胶结充填的作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 05 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1V I 中南大学硕士论文目录第六章结论与展望．．．．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．7 26 ．1 主要研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 26 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3参考文献⋯．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯⋯．．⋯7 5致谢⋯⋯。。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1V I I 中南大学硕士论文第～章绪论1 ．1 引言第一章绪论矿产资源是人类赖以生存和发展的基础，在国民经济和社会发展中占有非常重要的地位，但是近年来，随着工业化、城镇化进程加快，中国对矿产资源的需求持续增加，供求矛盾不断加大，资源短缺愈加成为制约我国经济社会发展的瓶颈性因素u 弓】。我国许多重要的矿产资源具有贫矿占有分量多、难选矿产丰富、富矿储量偏少的特征，这对我国矿产资源充分的开发利用影响巨大。我国铜矿的资源储量平均品位仅为o ．8 7 ％，而未利用铜矿的资源储量 2 7 5 9 ．4 万t 品位更低，平均品位仅为o ．4 5 ‰仅略高于铜矿工业品位；其中品位低于1 ％的铜矿资源储量2 0 7 9 ．5 4 万t ，占8 9 ．6 ％。其它如锰矿、铝土矿、硫铁矿和磷矿等也有这种情况。较大矿产已查明的资源储量中，富矿所占的比重是很小的，然而贫矿所占的比重非常的高，低品位贫矿资源的开发利用具有巨大的潜力。国内外采矿界的相关专家普遍认为如地下难采矿体主要包括难采薄矿脉、难采中厚矿体、自燃难采矿体、难采极厚矿体、三下难采矿体、多水难采矿体、松软难采矿体和各类难采残矿残柱等【7 】。如果顶板不稳的缓倾斜薄矿体赋存于应力集中区域，则被认为是典型的难采矿体。此处难采主要表现在以下三个方面 1 在应力集中区域的原岩应力是很大的，矿体回采势必会破坏了原有的应力平衡状态，同时产生较大的次生应力，在这两项应力的共同作用下，地下工程将承受巨大的应力作用； 2 采空区顶板不稳固，极容易造成顶板的冒落和塌方，给采矿工作带来很大的威胁； 3 缓倾斜薄矿体的开采过程中，对采场结构参数确定、矿石运搬的方式、回采工艺等方面都没有安全有效的方法。这三方面的因素结合在～起，要开采这类矿体是极具难度的，因此对这类矿体的安全高效开采成为了国内外采矿界共同关注和研究的课题口m j 。广西华锡集团股份有限公司是我国重要的有色金属矿产基地，其中铜坑矿为集团公司的重要资源保障矿山，随着9 2 号矿体资源的开采进入残采，为保持矿山的规模化生产能力的稳定和资源开发的持续，必须加快锌多金属矿矿体的开发利用进度。然而，锌铜矿体为缓倾斜薄矿体，如果采用传统的采矿方法则生产效率低，难以满足矿山生产的要求。同时，锌铜矿部分地表为目前铜坑矿生产生活区。因此，开展缓倾斜薄矿体开采技术研究，创新传统的缓倾斜薄矿体采矿技术，提高采矿机械化水平，减轻矿体开采对地表环境的损害，对提高我国薄矿体开采的技术水平，建设资源节约，环境友好型矿业具有十分重要的推动作用，对我国 中南大学硕士论文 第一章绪论 大型有色金属可持续发展具有十分重要的意义。 1 ．2 国内外研究现状及发展趋势 1 ．2 ．1 缓倾斜薄矿体开采研究现状 缓倾斜薄矿体的开采技术受到地质条件的限制，发展较为缓慢，由于不能实 现自溜，且通常认为机械化程度受到环境的限制，被认为是一种难采矿体【8 4 1 1 。 其选用的采矿方法要求必须能适应不规则的矿体边界，同时在尽可能降低矿石贫 化的条件下获得较高的回收率，此外还要尽量减少采准工程量。就目前来看，国 内外对这类矿体开采的主要方法有充填法、房柱法、全面法、壁式崩落法以及它 们的变形方法【1 0 ，1 2 ，1 8 1 。对于缓倾斜矿床，在采矿方法上，国内使用全面法和房柱 法的占7 0 ％左右，使用分段空场法的占3 0 ％左右。国外使用全面法和房柱法的比 例在逐年减少，而使用分段空场法的比例且逐年增大【1 3 。1 5 1 。 1 国内缓倾斜薄矿体开采现状 针对缓倾斜薄矿体的赋存特征，我国对其采矿方法进行了大量的实践研究， 并取得了较显著的效果【5 再J 9 1 。同时出现了一些新型的组合采矿方法，如房柱全面 矿块空场法、垂直分条采矿法、前进式普通全面法等，这些采矿方法的应用大大 地改善了矿山生产效率，提高了作业环境的安全性，使矿山的生产建设发展到一 个更高的水平1 4 ，2 ∞2 1 。 但是不同矿山的缓倾斜薄矿体的赋存条件不尽相同。山东王村铝土矿矿体平 均厚度2 ．4 m 、矿体倾角9 ～1 8 。、平均1 3 。，采用人工底柱壁式崩落法，阶段高度 4 0 m ，分段斜长即矿块斜长4 0 ～5 0 m 、矿块走向长度一般为3 0 0 ～4 0 0 m ，在王村 铝土矿取得了良好的效果，并通过减少采准工程节约了大量成本；陕西羊坪湾金 矿的矿床的厚度较薄 o ．7 3 ～6 ．9 m ，平均2 ．2 9 m ，倾角较缓 1 5 ～5 0 。 且变化 较大，有些地方还出现波状起伏，属于缓倾斜薄矿脉型，他们提出采用房柱全面 矿块空场法来解决采矿难题，并取得了良好的效果【2 3 1 。河西金矿1 6 | } 缓倾斜似层 状薄矿体，走向约2 0 m 、延深1 0 0 m 、垂直厚度2 ～4 m 、水平厚度4 ～9 m 、倾角 约2 7 。，采用垂直分条采矿法，该方法不仅提高了采矿回采率、降低了工人的劳 动强度、提高了工人作业的安全性，而且大大减少了采切工程量、得到的经济效 益十分显著，同时还降低了产品的损失贫化率，为河西金矿创造了巨大的经济效 益。金山金矿矿体为缓倾斜极薄矿脉，倾角5 。～2 8 。，属产状不稳定的缓倾斜 极薄矿脉，矿脉厚度几厘米至几十厘米，平均不到0 ．1 5 m ，矿石品位较高，平均 品位1 7 ．1 9 5 9 ／t ，他们采用全粒级废石胶结条柱连续分条采矿法，通过数值模拟 手段得到最佳回采参数，实践证明也是实用可行的【2 1 ，2 4 1 。 2 国外缓倾斜薄矿体开采现状 2 中南大学硕士论文 第一章绪论 南非T w e e f o n t e i n 铬矿的M G l 矿层厚度1 ．6 3 m ，夹层厚度o ．1 1 一o ．2 1 m ，矿层 向西倾斜，倾角大约为1 3 。。目前T W e e f o n t e i n 铬矿M G l 矿层采用传统房柱式 采矿法和无轨设备机械化采矿法进行回采，其中在8 水平．9 水平之间采用传统房 柱式采矿法、9 水平- 1 1 水平之间采用无轨设备机械化采矿法进行回采。经过分 析认为该矿在技术上不断改进，机械化程度高，采场凿岩和支护都比较规范，这 些技术和管理方面的完善是该矿取得良好效益的关键【2 5 1 。前苏联的恰图拉锰矿、 尼波尔锰矿，法国的莫耶弗尔矿以及南非相当一部分金属矿山采用了长壁法。苏 联有些铁矿采用胶结充填的房式采矿法，来开采缓倾斜矿体，但是这样裁切比很 大，炮孔的崩矿效率低，导致了采矿的劳动量大【2 阪7 1 。在波兰地下开采的煤大约 有7 5 ％是用崩落上盘的长壁法开采的，其余的约2 5 ％是用采空区充填或上盘崩 落岩石注浆加固的长壁法开采的。 纵观国内外缓倾斜薄矿脉的采矿方法，主要包括三种采矿方法1 长壁采 矿法。这种采矿方法矿石回收率达8 0 ～9 5 ％，采准工程量少，当矿体边界规则时 特别有利。2 房柱法。此方法适用于1 5 。以下缓倾斜矿体，通过无轨或轮胎式 设备来提高生产能力。3 全面法。在针对缓倾斜薄矿脉的长壁采矿法应用中， 共同的问题就是回采工序复杂、工效低、材料消耗高，以及必然带来的采矿成本 高；而在房柱法和全面法的应用中，其主要问题体现在矿柱损失量较大，矿石回 采率较低，资源的利用程度偏低，有时还需要锚杆的支护，而且工作人员经常在 采空区或崩落岩层下作业，其安全性差，工作人员的生命安全得不到保障。 1 ．2 ．2 缓倾斜薄矿体开采发展趋势及展望 缓倾斜薄矿体由于其赋存条件的局限性，采场的结构方式比较繁琐；加上生 产的自动化程度低，作业方式以人工为主，导致其生产效率低下；在生产设备的 配套关系上得不到合理地确定，完全依赖于国外在这方面的先进技术，未形成自 己独立的研究体系，导致其在发展上具有一定程度的局限性。针对存在的这些问 题，我们应将研究重点转向改进采矿方法，简化采场结构以及优化采矿工序等方 向上；做到自主研发，优化设备的性能，发展综合配套，提高设备的可靠性、耐 久性和适应性。同时引进自动化技术，采用机械手、遥控技术、机器人技术来有 效地降低工人的劳动强度，以此来提高劳动生产率，形成机械化高效开采技术。 要解决此类矿山的开采问题，势必会向以下几个方面发展 1 正确选择采 矿方法，进一步发展组合式采矿方案，实现优势互补，完善回采工艺，以此来降 低采矿损失率和贫化率，提高回采效率； 2 研制和使用无轨化、液压化、自动 化程度高的无轨自行小型采掘设备，实现采矿机械化f 2 8 】，提高采场生产能力； 3 进一步完善护顶技术，保证矿体的安全回采。通过这些技术来尽可能的提高采矿 强度，降低贫化损失，充分回收地下资源 4 应用计算机仿真技术、有限元技 中南大学硕士论文第一章绪论术、多体动力学理论技术、c A D 技术和A N s Y s 等现代技术确定系统最优方案，从而提高设计质量和可靠性，与科学的管理方法相结合，形成一个优化的矿山生产系统，大幅度的提高矿山综合生产能力，改善企业总体效益【2 “ 1 1 。在一些采矿业比较发达的国家，薄矿脉矿山的机械化采掘设备都已普遍推行，这是高效率发展矿山生产、大幅度提高经济效益的必然途径1 1 叭剐。我国近年来在这方面的工作进展很快，但还有大量的工作需要完成。对于缓倾斜薄矿体，安全开采的同时要求生产能力大、采准比小，贫损率低，目前尚无可套用的开采方法。因此，如何实现缓倾斜薄矿体的安全、高效、低采准比、低贫损开采是本论文研究的核心。1 ．2 ．2 真实破裂过程分析 R F P A 软件发展现状真实破裂过程分析系统是利用统计学和细观损伤力学的理论知识，基于有限元计算原理开发的岩石失稳破坏分析软件，主要用于研究岩体材料从细观损伤到宏观破坏的整个过程，并充分考虑了岩石破裂过程中的非线性、非均匀性等特点【s 3 】o自唐春安教授开创真实破裂过程分析系统以后，各方学者以此为手段做过多项研究。黄明利、张晓春、尤明庆等人对岩石的非均质性进行了研究【3 7 弓9 1 。其中黄明利主要研究了岩石的非均质性与岩石裂纹扩展机制的关系，得出当岩石的均质度较低时，裂纹扩展表面粗糙，且呈现断断续续方式扩展的规律；张晓春就层状岩体中洞室围岩的层裂及破坏进行了数值模拟，得出的结论是较高均质度的洞室围岩表现出层裂破坏，而较低均质度的洞室围岩表现出局部弱化失效；尤明庆对岩石的非均质性与强度尺寸效应做了研究，证明了岩样强度的平均值随着尺度的增大而减小的规律，即岩样的离散程度随尺寸增大而降低，。祝方才结合现有的岩爆研究情况，对岩爆发生机制的力学模型以及在室内实验和数值模拟方面所做的工作进行了很好的总结，而且利用R F P A 程序研究了均质度对岩石破坏和声发射的影响，得出的结论是在破坏特征方面R F P A 模拟的结果表现出渐进破坏模式，而岩爆材料的实验结果则发生突然破坏，这与通常研究结果一致m 】。马占国用时变边界力学理论讨论了煤矿覆岩失稳破坏过程，归纳出了采煤过程中覆岩移动和破坏的一些规律【4 1 1 。除此之外，很多学者还在岩石力学实验方面做了不少研究，和传统的岩石力学室内实验相比，R F P A 软件具有操作可重复性的优点，得到的结果和力学实验结论一致【4 2 。4 3 1 。1 ．3 主要研究内容目前，国内金属矿山针对缓倾斜薄矿体的技术研究相对较少，尚没有形成一4 中南大学硕士论文第一章绪论种完善的理论体系。本次研究针对广西铜坑锌铜矿体的赋存状况，展开缓倾斜薄矿体资源安全回采的全面分析，为建缓倾斜薄矿体开采理论体系的完善提供技术支撑和工程依据。本文针对缓倾斜薄矿体地质特征和物理特性，主要基于采矿学、岩土力学、机械工程学、矿山工程学和系统科学等基础理论，以数字化的地质调查、采矿物理与数值模型试验等试验技术为手段，形成多学科、多方法的综合集成与系统优化，提出非传统的薄矿体地下开采技术工艺，解决缓倾斜薄矿体集中化高效开采技术难题。同时，运用数值模拟手段，对采矿过程的安全控制进行研究，为矿山安全生产提供技术支持。1 ．3 ．1 矿脉岩体工程及开采技术条件分析对矿山地质及开采条件进行了说明，同时对前期做的一些基础工作做了总结。通过室内点载荷实验及相应公式计算，得到锌铜矿体及围岩的部分力学参数。1 ．3 ．2 缓倾斜薄矿体的采矿方法及其工艺的创新设计研究利用T R 亿创新理论找出缓倾斜薄矿体的开采技术难题，提出解决矛盾的有效方案，设