资源描述：
分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． U D C ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．一 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 十l 初大謦 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y 论文题目 金川矿区破碎矿石下向六角形 学科、专业 研究生姓名 导师姓名及 专业技术职务 进路充填采矿技术研究 矿业工程 崔继强 张钦礼 教授、博导 薛忠杰 高工 中南大学 2 0 1 2 年9 月 分类号 U DC 密级 编号 硕士学位论文 金川矿区破碎矿石下向六角形 进路充填采矿技术研究 A s t u d ya b o u td o w n w a r dh e x a g o n a l a c c e s sb a c k f i l l i n g m i n i n gt e c h n o l o g yu n d e rc r u s h i n g o r e si nJ i n c h u a nM i n e s 作者姓名崔继强 学科专业矿业工程 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师张钦礼 教授 、 薛忠杰 高工 论文答辩日期趁区 琊答辩委员会主席 中南大学 二零一二年九月 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。 作者签名叠基啦 日期 业年且月粤日 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。 作者躲纽争导师签牡嗽也年旦月孚日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 金川公司龙首矿由于回采总面积减小和矿石品位下降的原因，致使生产 能力无法得到保障。综合矿山开采条件，必须开展软弱破碎矿石下向六角形 进路充填采矿技术研究，以寻求矿石产量和金属产量的稳产和提高。本论文 通过对进路结构参数研究、爆破参数优化以及六角形大断面进路开采技术研 究，综合运用理论分析、数值模拟及现场工业试验等，得到如下主要研究成 果 第一，利用有限元软件，根据岩石力学性质和充填体质量，模拟了下向 六角形大断面进路充填采矿法的回采顺序和过程，总结了其受力规律，确定 了最优的断面尺寸顶、底宽3 ．5 m ，腰宽7 ．O m ，高6 ．0 m ，进路断面面积为 3 1 ．5 m 2 。 第二，为提高回采强度，通过对爆破机理分析与爆破参数优化研究，总 结了不同矿体条件下进路炮孔布置方式、掏槽方式、炸药选型、装药与起爆 方式等，采用直线掏槽方式，扩孔钻头扩孔，半秒雷管起爆方式，实现单炮 进尺2 。O m ，单炮落矿量1 1 0 ～1 3 0 t ，炸药单耗0 ．2 5 ～0 。2 8 k g ／t 以内，提高了下向 六角形进路式回采单炮进尺。 第三，根据以上研究，在龙首矿进行现场工业试验，通过工业试验来验 证大断面采矿进路和回采工艺的连续性及可靠性。通过扩大化的工业试验， 寻找更加优化的采场结构参数。确定出适用于大断面采矿工艺的生产技术标 准。 通过以上研究成果，有效解决了龙首矿下向六角形大断面进路充填采矿 法的关键技术，现场工业试验证明下向六角形进路采矿方法的合理性。总之， 本次研究完成了预定目标，提高了矿山的生产能力和生产强度，增加了生产 效率，为金川龙首矿的稳产提供了坚实的保障，也对其他矿区或类似矿山的 生产提供了参考。 关键词六角形，充填采矿，进路参数，爆破优化 堕奎耋堡主兰垡笙塞． A B S T R A C T 一一 一_ A B S T R A C T A sar e s u l to ft h ed e c r e a s ei nm i n i n ga r e aa n dt h el o w e ri no r eg r a d e ，t h e p r o d u c t i o nc a n n o tb eg u a r a n t e e di nL o n g s h o um i n eo f 删C ．I t ’sn e c e s s a r yt o r e s e a r c ht h ed o w n w a r dh e x a g o n a ld r i f tf i l l i n gt e c h n o l o g yi nw e a k c r u s h i n go r e s ， f o rs t a b i l i z i n ga n di m p r o v i n gt h eo r e sa n dm e t a lo u t p u t ．T h i sp a p e rd i s c u s s e dt h e a c c e s ss n u c t L l r ep a r a m e t e r s 、o p t i m i z e dt h eb l a s t i n gp a r a m e t e r sa n d r e s e a r c h e dt h e l a r g es e c t i o nh e x a g o n a la c c e s sm i n i n gt e c h n o l o g y ．U s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s 、 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dl o c a li n d u s t r i a le x p e r i m e n t s ，w eo b t a i n e ds o m er e s u l t sa s f o l l o w s F i r s t l y ，a c c o r d i n gt Ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c ka n dt h ef i l l i n gq u a l i t y ， t h i st h e s i ss i m u l a t e dt h em i n i n gs e q u e n c ea n dt h ec o u r s eo ft h ed o w n w a r dl a r g e s e c t i o n h e x a g o n a l a c c e s s b a c k f i l l i n gm i n i n gu s i n g f i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e ， s u m m a r i z e dt h eb e a r i n gl a w ，a n dt h e nd e t e r m i n e dt h eb e s ts e c t i o ns i z e t o pa n d b o t t o mw i d t h3 ．5 m ，w a i s t7 ．0 m ，h i g h6 ．0 m ，s e c t i o na r e a31 ．5 m 2 ． S e c o n d l y ，i no r d e rt oi m p r o v em i n i n gi n t e n s i t y ，b a s e do nt h e b l a s t i n g m e c h a n i s m a n a l y s i s a n d b l a s t i n gp a r a m e t e r so p t i m u mr e s e a r c h ，t h i sp a p e r s u m m a r i z e dt h ea c c e s sb l a s th o l ea r r a n g e m e n t ，c u tw a y 、e x p l o s i v es e l e c t i o n c h a r g i n ga n di n i t i a t i o nw a yo fe x p l o s i v ea n dS Oo nu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ． A p p l y i n gl i n e a rc u tw a y 、r e a m e rb i ta n ds e c o n dd e l a yd e t o n a t o rC a nr e a l i z e2 ．0 m f o o t a g ep e rb l a s t i n g ，110 M 3 0 tb l a s t e do r ee a c ht i m e ，e x p l o s i v es p e c i f i cc h a r g el e s s t h a nO 。2 5 ～0 。2 8 k g ／t ，i m p r o v i n gt h ef o o t a g ep e rb l a s t i n gi nd o w n w a r dl a r g es e c t i o n h e x a g o n a la c c e s sm i n i n g ． L a s t l y ，o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c h e sb e f o r e ，l o c a li n d u s t r i a lt e s t sw e r ec a r r i e d o u t ．T h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，t h ec o n t i n u a n c ea n dr e l i a b i l i t yo fl a r g es e c t i o n a c c e s sm m m ga n dm m m gs y s t e mw e r ep r o v e d 。W ea l s o g a i n e do p t i m a ls t o p e s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ．F i n a l l y ，p r o d u c t i o no ft e c h n i c a l s t a n d a r d ss u i tf o rl a r g e s e c t i o nm i n i n gs y s t e mw a se s t a b l i s h e d ． A l lo ft h ea b o v ea c h i e v e m e n t ss o l v e dt h ek e yt e c h n o l o g yo fd o w n w a r dl a r 2 e s e c t i o nh e x a g o n a la c c e s s f i l l i n gm i n i n gi nL o n g s h o um i n e ．T h ei n d u s t r i a lt e s t s d e m o n s t r a t e di t sr a t i o n a l i t y ．I nc o n c l u s i o n ，t h i ss t u d yh a v ef i n i s h e di n t e n d e dt a r g e t ， i m p r o v e dp r o d u c t i o nc a p a c i t y 、p r o d u c t i o ni n t e n s i t ya n de f f i c i e n c y ，a n dg u a r a n t e e d 1 t ss t a b l eo u t p u t ，p r o v i d i n gr e t e r e n c ef o ro t h e rs i m i l a ro r e s ． 中南大学硕士学位论文 A B S T I t A C T K E Y W O R D S h e x a g o n a l ，b a c k f i l l i n gm i n i n g ，a c c e s sp a r a m e t e r s ，b l a s t i n g o p t i m i z a t i o n 中南大学硕士学位论文目录 目录 第一章概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究背景、目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 破碎矿体开采技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 采场结构参数优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．2 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 第二章六角形大断面进路充填法结构参数优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 数值模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．1 计算范围与网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 ．2 计算方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 - 3 力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．4 地应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．5 力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．3 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．3 ．1 模拟步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 ．3 ．2 总体模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 。4 方案比较分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 第三章六角形进路爆破参数优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 龙首矿爆破的现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．2 确定掏槽方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．2 ．1 掏槽孔药量及装药结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 ．2 微差爆破间隔时间⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3六角形进路的布孔设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．3 ．1 参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．3 ．2 布孔设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 六角形进路爆破工业试验与结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 第四章六角形大断面进路开采设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1 龙首矿采矿方法选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．2 采场结构尺寸⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．3 采准切割工程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．3 ．1 采切方式及工程布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 ．2 采切工程量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．4 回采工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 ．4 ．1 高效凿岩台车铲运机配套作业线作业循环⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．4 。2 龙首矿当前作业模式作业循环⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．4 ．3 采场作业循环与生产能力比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．5 采场充填⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．6主要技术经济指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 第五章现场工业试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．1 凿岩台车技术要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．2 工业试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．2 ．1 采场规格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．2 ．2 凿岩、爆破⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l 5 ．3 试验情况与结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．3 ．1 第一次试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．3 ．2 第二次试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．3 第三次试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 第六章龙首矿区下向胶结充填系统方案优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．1 充填依据标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 6 ．1 ．1 质量要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 6 ．1 ．2 充填工艺参数要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．1 ．3 充填过程控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 中南大学硕士学位论文 目录 6 ．2 充填系统调查与评估⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 6 ．2 ．1 充填系统调查内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．2 ．2 充填系统现状调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 。2 ．3 存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 ．3 充填系统总体评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．．7 2 6 ．3 ．1 充填钻孔⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 ．3 ．2 其他充填设施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 ．3 ．3 评估结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．4 充填钻孔技术方案优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 6 ．4 ．1 西部充填系统方案优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 6 ．4 ．2 建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 第七章全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯8 6 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 7 中南大学硕士学位论文 第一章概述 1 _ 1 研究背景、目的与意义 第一章概述弟一早僦怂 金川集团有限公司 以下称金川公司 是采矿、选矿、冶金、化工等相配套的大型有 色冶金和化工综合企业，主要生产镍、铜、钴、稀有贵金属以及硫酸、亚硫酸钠、液氯、 盐酸、烧碱等化工产品，并对有色金属进行深加工。铂和镍族稀有贵金属占全国产量的9 0 ％ 多，被业界赞为中国的“镍都”，是我国最大的镍钴生产基地。 金川集团公司经过多年的努力己形成年产镍1 3 万t 、铜4 0 万t 、钴l 万t 、铂族金属 3 5 0 0 K g 、金8 t 、银1 5 0 t 、硒5 0 t 及1 5 0 万t 无机化工产品的综合生产能力。 金川集团公司拥有全球著名的超大型共生多金属硫化镍铜矿床，己形成了年产镍7 ．5 万t 、铜1 2 万t 的生产能力。金川矿区矿体具有、埋藏深、厚度大以及矿岩破碎等特点，经 多金川集团公司多年来的开采实践经验，已经逐步形成了以下向六角形进路式充填法为核 心的采矿方法，该方法在采矿当中有效地改变了矿岩的受力状况，提高了采场回采的安全 性，基本满足矿山生产的安全性【lJ 。 随着公司选冶产能的经一步扩大，目前的矿山的生产能力已经逐步不能满足选冶的需 要。作为金川集团公司开发最早的地下矿山龙首矿，他划分为东、中、西三个采区，其中 西采区多以贫矿为主，东、中采区的以富矿为主。龙首矿目前开采集中在东采区和中采 区以及西部下盘富矿和部分贫矿。目前，龙首矿东采区正在回采1 1 6 0 l 冲段的矿体， 尽管东采区8 5 0 ～1 2 2 0 m 水平保有矿石储量达1 4 6 8 万t ，而且矿石品位较高，但由于开采条 件差和东采区下向六角形进路式充填法方案的局限性，采区生产能力无法在近期内迅速提 高。而中采区矿石储量和采场数量随开采深度增大而锐减，当回采至1 3 0 0 ～1 2 2 0 m 2 _ 间即 逐渐尖灭，截止2 0 0 3 年底中采区保有储量约1 6 2 万t 。目前中采区生产能力己降至3 8 万 仇，预计以后中采区生产能力将以每年近6 万t 的速度下降，至2 0 0 9 年将下降至1 0 万讹， 2 0 1 0 年以后中采区矿量将彻底消失。西采区富矿体在1 1 6 0 m 水平以下基本尖灭，截止2 0 0 3 年底西采区保有储量约1 4 5 5 万t ，此外西采区上盘尚有大量贫矿尚未开采。尽管 西采区的生产能力以6 研吨／年的规模尽管可稳定1 薛以上，但随着开采深度的下降， 品位也将逐步降低。 综上所述，龙首矿在未来的生成中将会面临诸多问题。如何提高龙首矿矿石产量和金 属产量已成为龙首矿在未来生成发展中所要解决的重要课题。因此，开展软弱破碎矿石下 向六角形进路充填采矿技术研究对金川公司具有重要意义。 1 能够保证龙首矿持续稳产1 2 J 东部采区目前正在进行11 6 0 m 中段的回采，尽管东部采区8 5 0 m 一1 2 2 0 m 水平还有 1 6 2 8 2 。7 k t 的保有储量，但由于盲竖井无法满足提升要求，出矿能力受限中采区1 2 2 0 m 中南大学硕士学位论文 第一章概述 以上仅有1 6 2 6 ．7 1 a 的保有矿石储量，现有生产能力3 9 6 k t ／a ，己到减产期，仅能维持2 3 年； 根据矿山保有矿石储量，部采区在1 3 a 内生产能力能够维持在6 6 0 k t ／a 左右， 但由于开采深度逐渐增加，矿石品位随之下降，预计2 0 1 7 年后西采区1 2 2 0 m 以上的矿石 将全部采完。 根据公司的产量计划，如果维持现状，对东部采区不进行扩能技术改造，总的出矿量 将由1 3 2 0 k t ／a 下降到8 6 0 k t ／a 。2 0 1 8 年以后，全矿总的矿石产出量会下降到2 0 0 k t ／a 。 为了更好地开发利用东部采区1 2 2 0 m 水平以下的矿产资源，确保龙首矿持续稳产，需 要对龙首矿东采区进行扩能技术改造。 2 有利于提前开采西采区贫矿，大幅度提高龙首矿产量 金川矿区保有贫矿储量占全部保有储量的6 8 ％左右，目前富矿开采规模己基本处于极 限，估计2 0 a 后富矿开采规模将开始下降。二矿区贫矿在较长时间内尚不能开采。龙首矿 具备提前开采贫矿的技术条件，且在金川矿区贫矿储量中，龙首矿贫矿的品位相对较高， 为合理开发利用资源、贫富兼采，在目前镍市场较好的情况下，建议加大贫矿开采规模， 提前开采龙首矿西采区贫矿。 3 高应力破碎软岩的开采有重要的科研和工程价值 地质构造运动造成了金川矿区内的高地应力，使得矿岩破碎严重，这样就给金川矿区 矿石的开采带来了极大的困难。严重影响矿山企业安全和高效生产。根据金川矿区地 应力测量结果，地下水平最大应力与垂直应力之比达到9 ．9 2 ，属于典型的高应力矿床。 钻孔揭露矿区矿岩体的岩石质量指标R Q D 值平均值为3 1 ．5 ％，圈厚度约2 ．0 ～2 ．5 m ，岩石 松动圈均位于破碎软岩的判定指标范围之1 3 1 。 因此，若下向六角形大断面进路充填采矿技术研究成功，具有非常重要的科研价值， 同时对国内外同类矿山也具有很好的参考借鉴意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1破碎矿体开采技术研究 长期以来岩石力学与工程界仍未就软岩的概念达成共g 只t 4 ] t 5 】【6 】【7 】【8 】【9 】[ 1 0 】【1 l 】，文献㈣认为， 在高地应力区经常遇到一类特殊的岩体，当在低地应力或地表浅部条件下时，岩体呈现为 较坚硬的性质，而当位于高地应力环境下时，围压较低时具有比较高的强度及弹性模量， 围压较高时却表现出软岩性质。显而易见，这种岩石与一般意义上的软岩有所区别，是一 种在高应力环境下、特殊的工程软岩体，岩石力学中称其为高应力软岩【l3 1 。 在矿岩松软破碎及地压力较大的矿山，地压显现最明显的标志之一是巷道的变形破坏。 在坑道开挖之前，矿岩均处于应力平衡状态，在开挖过程中，巷道围岩发生卸载回弹， 以及应力重新分布，若围岩坚固性很好，则围岩不会因卸载回弹和应力发生变化而产 2 中南大学硕士学位论文第一章概述 生显著的变形及破坏，因此巷道处围岩于稳定状态。但倘若遇到围岩较破碎时，围岩不 能够均衡回弹应力和重分布应力的作用，所以巷道围岩失稳而产生非弹性变形甚至破坏， 因此必须布置合理的支护结构对巷道进行加固处理。通常顶板垮冒、侧帮片垮和底鼓隆起 为采准巷道围岩变形破坏的一般形式【1 4 1 。 通过以上的软岩定义可以看出，高应力软岩的形成条件主要有以下几个方面【1 5 j 第一，高应力软岩中的大多数岩石均比较坚硬，单轴抗压强度 饱和 大于2 5 M P a ； 如果岩石强度过高，则开挖过程中会产生岩爆而不会表现出软岩的特征；若果岩石强度过 低，及时是软弱岩石，也不会呈现出高应力软岩的特征。 第二，岩体破碎、流变性强、模量及强度较低。由于高应力环境使开挖前的岩体处于 高围压状态，岩体结构面处于闭合状态而比较稳定。开挖后围岩处于低围压状态，从而使 结构面不闭合，岩体的强度和模量相对变低。 对深部高应力松软复杂围岩巷道变形破坏特征的实测研究，许多专家学者采用不同的 测试手段进行了不同侧面的研究。 现阶段，国内外监测巷道稳定性的手段主要有位移测量、应力测量和支护结构上的压 力测量等。其中，由于位移测量最直观简单、数据可靠被广泛采用，它包括深基点位移量 测和巷道表面位移量测【1 6 】。 破碎软岩中巷道压力大、变形量大，一般要进行支护，如采用结构复杂的全封闭支护 系统、锚喷网联合支护系统、特种钢和加大型钢质量以及硬石膏、水泥砂浆、聚氨酷或其 它建筑材料壁后充填等【1 7 】。 马路坪矿是贵州开磷集团公司开采时间较早的矿山，随着开采向深部进行及 巷道服务时间的增加，大部分巷道出现了严重的变形和破坏，如片帮、崩落、坍塌等。 资料记录显示，马路坪矿采场面积为5 0 0 ～8 0 0m 2 时可保持2 ～3 个月不冒落，甚至达到 6 个月左右；项板为水云母粘土岩、页岩的采场一般为1 0 m 2 即可冒落。在巷道施工中， 原来使用支护方式为锚网喷、锚索和注浆等，一次支护后巷道变形、破坏比较严重，虽然 经过多次维修，仍不能控制围岩的变形。通过在采场顶板采用锚喷网联合注浆加固支护技 术进行控制，单轴的抗压强度增加2 倍。通过现场实践，证明能够有效控制围岩的较大变 形，可以保证巷道稳定【I 剐。 山东黄金矿业有限公司焦家金矿属破碎带蚀变岩型金矿床，矿岩破碎，矿 体赋存条件复杂，节理裂隙发育，品位变化不均，是国内外著名的“焦家式”金矿床的 典型代表。采矿方法主要为上向水平分层充填采矿法、机械化上向水平分层 进路充填采矿法等。为降低成本，提高生产能力和效率，需要扩大其进路规格，而锚索锚 固支护在软弱破碎岩体中有很好的应用价值。通过长锚索支护，采场顶板安全性得到较大 提高，未出现冒顶片帮事故，表明锚索支护起到了很好的安全作用，提高了回采的安全性 1 1 9 ] 。 中南大学硕士学位论文 第一章概述 中南大学运用M I D A S ／G T S 有限元软件模拟金川软岩巷道的支护方式[ 2 们，结果表明， 优化后的锚杆支护方式能有效地控制了顶底板移近量，减d , T 巷道断面的收敛速度和收敛 量。同时改善了围岩应力状态，形成类似圆形巷道均匀分布，浅部应力集中区消失， 高应力向围岩深部转移，形成一个较大的应力承载圈，确保巷道的稳定性。 除了进行巷道和采场支护外，对于破碎软岩也可以采用较合适的采矿方法，一般为下 向胶结充填采矿法。 武山铜矿是江西铜业公式的骨干矿山之一，目前正在进行5 0 0 0 t ／d 生产能力技术改造。 北矿带矿体处于层间破碎带之间，矿岩体裂隙十分发育，矿体以含铜黄铁矿和含铜碳酸盐 岩为主，矿石相对坚硬，破坏形式以块体破坏为主。矿体开采给采场稳定提出了很高的要 求。矿山采用下向胶结充填采矿法，以确保回采进路充填体及矿岩体的稳定【2 】】。 金川矿床赋存条件以‘‘富’、‘‘大≮‘深’和‘碎”著称于国内外。通过金川集团有限公司多年 生产实践，已探索出与金川I 矿区矿体开采技术条件相适应的机械化下向胶结充填采矿法， 并在一、二期工程1 1 5 0 中段以上成功实施无矿柱大面积连续续开采方案[ 2 2 】。 1 ．2 ．2采场结构参数优化研究 采场结构参数主要取决于矿体赋存条件、矿体倾角、厚度及矿体和围岩的稳固程度， 矿区的地质构造以及采空区附近构筑物的重要程度等1 2 3 】。采场结构参数是影响其稳定性的 关键因素【2 4 1 。 1 经验类比法 最简单实用的参数确定方法为参考国内外类似的矿山经验，通过分类比较，选择适合 待采矿山的采场结构参数。这种方法比较简单实用，虽然结果比较保守， 但仍然在国内外的矿山中被广泛应用。 白银深部的铜矿为露天转地下采矿的典型矿山实例[ 2 5 1 。初期采用无底柱分段崩落法， 由于采矿强度低、矿石的损失率和贫化率高，矿山的开采效率非常低。依据矿山实际情况， 结合矿体的赋存状态，确定采用下向分段空场法作为该矿的工业试验方案。自上到下依 次划分为5 个阶段，每个段高l O r e ，布置两个矿房，后退式落矿。根据类比法原则，最终 确定矿房长5 0 ～7 5 m ，顶柱厚6 ～8 m ，底柱高8 m ，回采宽度为矿体水平厚度。该采矿方法 的应用有效减小了由于采空区长度增加，而在空场两端产生的应力集中现象，很好的 维护了空场的稳定。 2 数值模拟法 当前地下采场结构参数的数值模拟理论己日趋成熟。对矿山岩体稳定性影响评价常 用的数值模拟方法包括有限差分法、有限单元法、边界单元法、半解析法、离散元法、无 界元法及有限元与边界元的耦合等。有限单元法在处理复杂结构和边界及载荷条件、模拟 4 中南大学硕士学位论文 第一章概述 介质非均性方面的优势，以及在开挖、支护、充填等过程中的灵活性，在模拟和计算分析 中起到重要作用【2 6 j 。 目前，国内外用于岩土工程分析的计算软件有许多，如A D t N ，S A P ，N C A P ，N O L M 8 3 ， U D E C 。R F P A 2 D 【2 7 1 ，F L A C [ 2 8 “ 2 9 】，D I M I N E [ 3 0 1 ，A N S Y S [ 3 1 ] 等，为采矿工程岩体稳定性计算 和分析提供了有利的工具。 北京科技大学乔兰【3 2 】在对新城金矿深部采场结构参数优化研究和开采顺序优化中， 采用有限元数值模拟计算方法，对深部采场的4 种结构参数和2 种开采顺序等方案进行了 不同开采时期的优化分析，获得了最佳的结构参数。 中国瑞林工程技术有限公司的贺健f 3 3 】在对紫金山铜矿空场采矿方法结构参数选择时， 利用A N S Y S 弹塑性有限元分析软件，对矿房、矿柱尺寸的选取，初步确定了合理的采场 结构参数，得出高边坡下矿房、矿柱等效应力与屈服应力值大，露天坑底下部矿房、 矿柱稳定性较差的结论。其他单位也大量应用A N S Y S 等软件进行模拟研究[ 3 4 - 3 6 1 。 K O ，A ．莫纳斯特尔斯基有限元法确定了回采矿房隔离矿柱的最优结构参数，矿块的矿 量回收率达7 3 ％以上【3 7 _ 38 1 。 3 遗传算法 采场结构参数的影响因素比较复杂，参数优化就较为困难，传统的优化方法往往不 现实。现代工程结构设计和工业设计中，这些应用问题要求结构参数的优化能够考虑各 种设计的类型变量、约束及单元组合结构相适应。最近几年，受工程界广泛重视和应用 的基因遗传算法就具有这种条件和潜力。遗传算法简单通用，可以作为全局优化方法，具 有并行处理的优点，有较广的应用范围。但由于种种原因，在矿业中的应用起步较晚。 作为一种新的优化技术，遗传算法受到了广泛的注意。它在解优化问题时有很大优 势【3 9 】。 在生产实践中采用充填采矿法时，通常根据物理模拟实验法和经验类比法得出结构参 数。物理模拟实验法虽然结论大体可靠，但耗时、耗力并且耗费大量的财力。根据经验及 类比法，往往有很强的主观性，很难得出合理真实的结论。 随着计算机技术和数值仿真技术的发展，以及岩石力学理论的优化，数值模拟方法己 成为分析采场稳定性的有效手段之一。它具有使用快捷、计算成本小等很多优点，在计算 模型选择合理、力学参数真实时，数值模拟得到的结论具有很好的参考价值和指导意义【4 0 】。 三维有限元法是分析模拟地下开挖稳定性问题的有效手段[ 4 1 1 ，它能比较“真实”地反映 采场情况[ 4 2 1 ，计算和分析各个过程中采场围岩位移、应力以及破坏区的分布情形，帮助我 们对采场稳定性状态做出较为合理的判断【4 6 1 。大型有限元分析软件可以分析模拟各种介 质中工程结构的受力与变形性质，计算时允许发生屈服及流变等。 中南大学硕士学位论文 第一章概述 中南大学周科平教授[ 4 2 m 1 采用遗传算法，对采场参数进行合理的选择和优化，并且根 据矿山实例，证明此法可以较好地与现场对应，从而可以获得较为合理的采场参数，具有 较大的推广价值。 徐国元教授【4 8 J 在理论分析的基础上，利用分析软件F L A C 3 D ，针对进路法模拟了相邻 分层中不同的进路布置方式对采场稳定性的影响。在相同的回采顺序时，采用垂直交错的 布置形式，更有利于保持采场的结构稳定性。 兰州大学在现场调研基础上，结合计算机数值模拟
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