近空区资源开采安全性分析与治理方法.pdf

分类号 U DC 密级 编号 十I 初大学 C E N T RA I ，S O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目．⋯⋯适窒垦资噩开采安全灶金析⋯⋯一 ⋯⋯⋯⋯⋯点渔堡方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 学科、专业⋯⋯⋯⋯⋯⋯采矿王翟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯⋯朱一生一磊⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯～赵凰彦⋯．熬撬⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 二。一二年五月 分类 U DC 密级 编号 硕士学位论文 l I I I I I I lllllllI MH H II UIIIIII ＼2 19 6 2 6 3 近空区资源开采安全性分析与治理方法 S a f e t yA n a l y s i so fM i n i n gR e s o u r c en e a rt h eG o b a n dP r e v e n t i o nM e a s u r e 作者姓名 学科、专业 学院 系、所 指导老师 朱坤磊 采矿工程 资源与安全工程学院 赵国彦教授 论文答辩日期妇2 兰墨兰答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 2 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。 作者签名垂型≤塾 日期冱座年羔月上日 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。 作者签名泷导师 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 从建国以来，在我国大量矿产资源广泛采用空场法进行开采，与 此同时，在这些采矿过程中也形成数量庞大的采空区，并且未能够得 到及时有效地治理。此外，在较长时期内，由于受采矿技术水平较低、 矿产资源政策法规不健全、生态环境保护力度不至I j 位等诸多因素的影 响，在矿产资源开发的过程中出现了较多民采、群采等乱采乱挖现象， 在很多矿区附近形成了难以统计的复杂民采空区群，同时也形成了大 量的“近空区残矿资源”。 在复杂开采技术条件下，如何保障安全、高效、低贫损地对“近 空区残矿资源“ 进行回采是一项涉及到近空区资源勘探、开采工艺优 化设计、采空区灾害治理等多个相关技术的综合性采矿难题。本文在 对国内外相关文献进行综述的基础上，紧密结合“抱伦金矿民采空区 残矿资源勘探及采矿技术研究”，综合岩石力学理论、地压理论等， 运用F L A C 3 D 数值模拟软件，开展了近空区残矿资源勘探、近空区残 矿资源开采技术、近空区开采稳定性分析、采空区灾害及治理等方面 的研究，获得以下成果 1 针对海南山金抱伦金矿的近空区残矿资源，进行了详细的地 质调查和储量勘探； 2 针对海南山金抱伦金矿的四种不同的近空区残矿资源，进行 了合理的回采方案研究； 3 运用F L A C 3 D 模拟软件对近空区残矿资源开采稳定性进行模 拟计算，分析采场围岩与矿柱的应力和应变的变化规律以及塑性破坏 区的分布规律，为确定出合理的采场跨度提供了有力的参考依据； 4 对采空区引发的矿震、冲击气浪所造成的危害进行了理论研 究，分析了诱发采空区灾害的主要影响因素，总结了采空区治理方法。 在我国矿产资源日益紧张的情况下，本文的研究对地下矿山近空 区残矿资源回采与空区治理具有广泛的指导意义，特别是在提高资源 利用率，消除安全隐患，降低采矿成本等方面都具有十分重要的现实 意义。 关键词残矿回采，数值模拟，稳定性，灾害治理 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T A B S T R A C T S i n c et h ef o u n d i n go fo u rc o u n t r y , o p e n s t o p em e t h o dw a sw i d e l y u s e di nt h ee x p l o i t a t i o n so fm i n e r a lr e s o u r c e s ，i nt h em e a n t i m e ，ah u g e n u m b e ro f g o a f w a sg e n e r a t e db e c a u s eo f m i n i n g ，a n dt h e s eg o a fw a sn o t a b l et og e tg o v e r n a n c et i m e l ya n de f f e c t i v e l y ．F u r t h e r m o r e ，i nal o n g p e r i o do ft i m e ，d u et ot h el o wl e v e lo fm i n i n gt e c h n o l o g y , t h eu n s o u n do f m i n e r a lr e s o u r c e sp o l i c ya n dr e g u l a t i o n s ，i n s u f f i c i e n c yo fe c o l o g i c a l e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ns t r e n g t ha n dl o t so fo t h e r f a c t o r s ，t h e r ew e r e p h e n o m e n o n so ff l o km i n i n ga n du n l e g a l o r g a n i z e dm i n i n gi nt h e e x p l o i t a t i o np r o c e s so fm i n e r a lr e s o u r c e s ．T h e r e f o r e ，m o r ea n dm o r e c o m p l e xg o a fg r o u p sa n dr e m n a n to r ew h i c hw e r ed i f f i c u l tt oc a l c u l a t e n e a rt h eg o a ft o o k p l a c ea r o u n dt h em i n i n ga r e a ． U n d e rt h ec o m p l e xm i n i n gc o n d i t i o n s ，i ti sac o m p r e h e n s i v em i n i n g p r o b l e mt h a th o wt op r o t e c tt h es a f e ，e f f i c i e n t ，l o wd i l u t i o na n dl o s si n m i n i n gp r o c e s s ，r e l a t e dt or e s o u r c ee x p l o r a t i o n ，m i n i n gt e c h n o l o g y ，g o a f d i s a s t e rm a n a g e m e n ta n dS Oo n ．I nt h i sp a p e r , w er e v i e w e dt h er e l e v a n t l i t e r a t u r e ，c l o s e l yi n t e g r a t e dB a o l u ng o l df o l kg o a fr e s i d u a lm i n e r a l r e s o u r c e se x p l o r a t i o na n dm i n i n gt e c h n i q u e sr e s e a r c h ，c o m p r e h e n s i v e d r o c km e c h a n i c st h e o r ya n dt h et h e o r yo fe a r t hp r e s s u r e ，u s e do fF L A C 3 D n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ，c a r d e do u tt h er e s e a r c ho fr e m n a n to r e e x p l o r a t i o n ，m i n i n gt e c h n o l o g y , m i n i n gs t a b i l i t ya n a l y s i s ，t h eg o a f d i s a s t e r sa n dg o v e m a n c e ，o b t a i n e dt h ef o l l o w i n gr e s u l t s 1 A g a i n s tt h er e m n a n to r eo fB a o l u ng o l d ，c a r r i e do u tad e t a i l e d g e o l o g i c a ls u r v e ya n dr e s e r v e se x p l o r a t i o n ． 2 F o rf o u rd i f f e r e n tk i n d s o ft h er e m n a n to r eo fB a o l u ng o l d ， c a r r i e do u tt h er e a s o n a b l em i n i n gp l a n s ． 3 U s e dt h eF L A C 3 Dt os i m u l a t i o nt h es t a b i l i t yo fr e m n a n to r e m i n g i n g ，a n a l y s i s e dt h ev a r i a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fs t r e s s , s t r a i n ，p l a s t i c z o n ei nt h es t o p es u r r o u n d i n gr o c ka n dp i l l a r , p r o v i d e das t r o n gr e f e r e n c e t od e t e r m i n ear e a s o n a b l es p a no ft h es t o p e ． 4 R e s e a r c h e dt h eh a r mc a u s e db yt h em i n es h o c ka n ds h o c kb l a s t ， a n a l y s i s e dt h em a i nf a c t o r st h a ti n d u c e dg o a fd i s a s t e r s ，s u m m a r i z e s e dt h e t r e a t m e n tm e t h o d so ft h eg o a ￡ 生壹奎兰堡主堂位笙文 A B S T R A C T 一一 A tp r e s e n t ，u n d e rt h et e n s es i t u a t i o ni nt h em i n e r a lr e s o u r c e si n C h i n a ，t h i ss t u d yh a saw i d er a n g eg u i d i n gs i g n i f i c a n c eo fr e s o u r c e e x t r a c t i o nn e a rt h eg o ba n dg o v e r n a n c e ，e s p e c i a l l yh a sav e r yi m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i ni m p r o v i n gt h er e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，e l i m i n a t i n g s e c u r i t yr i s k s ，r e d u c i n gm i n i n gc o s t s ． K E YW O R D S t h ee x t r a c t i o no fr e m n a n to r e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ， s t a b i l i t y , h a z a r dm a n a g e m e n t I I I 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 近空区资源开采⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 近采空区资源开采稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 采空区灾害治理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 本文研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 第二章近空区资源勘探⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．1 矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．1 ．1 矿区概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 ．2 矿山发展历程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 ．3 矿区地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 2 ，1 ．4 矿体基本情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．2 近空区资源勘探⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．3 近空区资源勘探结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 ．1 勘探方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 ．3 残矿类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．“ 2 ．3 ．2 勘探结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 第三章近空区资源安全开采技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．1 常用开采方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．2 回采方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．1 空区顶部残矿回采方法设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．2 ．2 空区点柱回采方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．2 3 留矿法间柱回采方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 ．4 近空区厚大矿体回采方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．3 开采建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 第四章近空区资源开采稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．1 数值模拟概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 计算原理及流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 l 中南大学硕士学位论文目录 4 ．2 ．1 F L A C 3 D 计算原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 ．2 F L A C 3 D 计算流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．3 近空区开采数值模拟工程实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 3 ．1 模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．3 ．2 力学参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．3 ．3 边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．3 ．4 围岩破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．3 ．5 计算结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 第五章采空区危害与治理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．1 空区危害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．1 ．1 矿震⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 ．1 ．2 冲击气浪⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．1 ．3 其他危害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6l 5 ．2 影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．2 ．1 地质因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 2 ．2 环境因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．2 ．3 采空区的形态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．3 采空区治理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 引言 第一章绪论 矿产资源是人类社会延续和发展的物质基础。目前，我国9 2 ％以上能源和8 O ％以上的工业原料来源于矿产资源，是我国社会经济进步和发展的重要支柱 [ i l l 2 1 。然而我国作为一个资源储量丰富且分布广泛的大国，要实现对资源合理开采 和严格管理十分困难。二十世纪七十年代，我国矿产资源开发处于严重失控阶段， 民采和群采猖獗，致使我国大量矿山采空区丛生，矿体千孔百疮，大量宝贵矿产 资源难以开采。此外，许多矿山企业，受采矿技术水平限制，广泛采用全面法、 留矿法、房柱法等采矿方法，由于充填成本较高，并未对采空区进行充填或处理， 以至于形成众多采空区。由于复杂的矿体地质条件、不合理的开采方法、较低的 采矿技术水平，在形成采空区的同时，也不可避免地增加了采空区附近其他矿体 的开采难度，形成所谓的“近空区资源“ 。 随着国民经济高速发展，我国对矿产资源的需求日益增大，由于地表浅部资 源日渐枯竭，迫使矿产企业不断向深部、难采资源进军。为了保障国民经济的高 速发展，国家制定了科技含量高、经济效益好、环境污染少、资源利用率高的产 业政策。充分开发和综合利用近空区残矿资源，使矿产资源在保护中开发，在开 发中保护，符合我国矿产资源基本国情。现阶段产业政策、“合理开发，综合利 用”的资源开发总方针。 采空区也是矿山灾害最主要诱发因素之一【3 5 J 。在我国很多矿山都存在采空区安 全隐患，如广西大厂矿、广东大宝山矿、铜陵狮子山铜矿、云南兰坪铅锌矿、河 南栾川钼矿、甘肃厂坝铅锌矿等诸多大中型国有矿山。随着采空区暴露时问的积 累，其围岩的稳定性日益减弱，经常诱发围岩崩塌、山体滑坡、地面塌陷等矿山 地质灾害，这不仅严重影响矿山企业的生产安全和企业效益，甚至还将造成重大 生命危险和财产损失。如广东大宝山矿区有3 3 个工业矿体，多数采用空场法开 采，形成空区体积数百万m 3 ，并且未进行处理，矿区曾先后出现过三次大的地 压活动，致使矿山被迫关闭；贵州开磷集团自上世纪五十年代建矿以来，已连续 生产磷矿石累计超过4 0 0 0 万吨，造成大量采空区存于矿区，山体时常出现滑坡 和塌陷，对矿区安全造成危害1 6 1 ；1 9 9 6 年7 月，湖南涟源青山硫铁矿由于地下采 空区诱发里氏2 ．6 级矿震，致使采场大面积围岩冒落而被迫停产，造成直接经济 损失2 0 0 0 多万元1 7 1 ；2 0 0 1 年5 月，广西合浦恒大石膏矿由于顶板冒落，致使2 9 名工人伤亡【8 J ；2 0 0 1 年7 月，广西南丹拉甲坡矿发生透水事故，造成8 1 名工人 遇难，直接经济损失8 0 0 0 余万1 9 1 ；2 0 0 2 年5 月，兰坪县金顼镇南场铅锌矿发生 地裂及地面塌陷，导致l O 人被困井下，5 人获救，5 人失踪；2 0 0 4 年1 0 月，四 中南大学硕士学位论文第一章绪论 川雅安宇通石材公司矿山发生坍塌事故，1 3 人死亡，9 人受伤；2 0 0 5 年1 1 月， 河北邢台石膏矿由于空区坍塌，造成6 9 名工人伤亡【1 0 1 ；2 0 0 6 年8 月1 9 日，湖 南石门县蒙泉镇天子岗村天德石膏矿老采空区发生大面积顶板垮塌，造成6 人遇 难，4 人失踪。据不完全统计，近年来，我国共发生大规模采空区灾害1 8 0 处以 上，累计塌陷面积超过7 0 万公顷，造成经济损失5 0 0 余亿元1 1 1 ～1 3 l 。由此可见， 如何进行采空区治理是我国矿山科研工作的当务之急。 本论文工作的实施地点海南抱伦金矿，矿区早期民采严重，采富弃贫，采厚 丢薄，掠夺式开采，在采空区中留下许多形状极不规范的高品位矿柱，以及在采 空区侧翼留有相当厚度的低贫矿体，使规整的矿床遭到严重破坏，大量矿产资源 难以回收。此外，矿体多为急倾斜矿体，长期采用留矿法开采。多年以来，民采 与空场法开采形成了难以统计的大面积采空区，且形态多变，体积大小不一，甚 至相互贯通，上下连绵上百米。近年来，采空区内矿柱片帮、顶板冒落现象严重， 特别是民采遗弃的采空区周边矿柱出现明显的开裂破坏特征，局部地段采空区冒 落大块重达数十吨，出现了多次大规模地质灾害，安全事故频发，生产几近瘫痪。 本文通过开展对民采空区残矿资源的调查和勘探，总结出采空区分布规律及特 点；从硬岩矿床开采特征出发，采用物质描述有限元方法模拟分析近采空区开采 稳定性和安全性；针对近空区残矿资源，研究设计了合理可行的回收途径和治理 方案。为海南山金抱伦金矿采空区治理与灾害预防以及下一步近空区资源安全开 采提供了理论支持和技术保障。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 近空区资源开采 国外矿业发达国家一贯重视资源的回收利用。在地下近空区残矿资源的回收方面 开展了大量研究工作【1 6 1 。如美国亚利桑那州M o r e n c i 铜矿和R a y 铜矿，是美国 最早开发的铜矿山之一，早期进行地下开采，形成了众多采空区，后期通过地采 转露采，使年产矿石量达到4 3 6 万讹，成为美国大型铜矿之一；S a nM a n u e l 铜 矿位于亚利桑州，根据其矿体厚大、破碎、品位低等特点，采用阶段崩落法进行 开采，并采用溶浸方法对老崩落区残留铜矿进行回收；W h i t eP i n e 铜矿位于美国 密执安州，该矿采用溶浸法对前期房柱法遗留矿柱和残矿进行了成功回收。二十 世纪五十年代以来，前苏联克里沃罗格铁矿所属矿山使用阶段矿房法开采3 1 3 7 号矿体，开采结束后，4 8 8 0 0 t 矿石 占1 6 ．7 6 ％矿块储量 残留于采空区之中， 最终采用底盘漏斗法进行残矿进行回收，六个月后回收铁矿石2 1 8 4 3 t 品位 5 3 ．4 2 ％ ，使矿块损失率降至7 ．5 ％；伊里奇铁矿采用充填法对瓦梁柯箕斗井、工 业广场的保安矿柱进行开采，获得1 5 ．1 2 万卢布的经济效益；英古列茨采选公司， 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 采用崩落法对英古列茨河床下8 3 ．7 万t 保安矿柱进行了成功回采，直接经济效益 2 0 5 ．1 万卢布。 我国大量矿山都存在残矿回收问题，所采用的回收方法也是多种多样，这为 近空区残矿资源开采方法的研究积累了丰富的经验[ 1 7 ～2 2 t 。湖南黄沙坪铅锌矿采用 留矿法形对形态极不规则的边角细脉矿体进行开采；广西高峰矿业有限责任公司 采用支架进路式回采方案对存窿残矿进行回采；广东高要河台金矿采用人工混凝 土出矿假巷浅孑L 留矿法对隔墙型残矿进行了回采。王明立等人对刀柱式老采空区 上行长壁法开采的可行性进行了研究【2 3 1 ，为保障近空区开采的安全性，对层问岩 体在采动压力作用下的稳定性进行了分析，确定了长壁工作面开采的技术参数。 王荣林对宜昌磷矿采空区附近1 7 6 个残留矿柱进行了统计和调查 2 5 l ，在矿体上部 覆盖层厚度为2 0 - - 1 7 2 m 条件下，将矿柱破坏程度划分为6 个等级 O - V I 级 ， 其中I I I 级表示矿柱开始受到破坏。邢万芳等对东桐峪金矿近空区资源提出开采 措施【2 6 1 回采矿房、矿柱和处理采空区作为一整体，使用人工底柱代替矿石项底 柱与顺路天井，将矿柱划分在矿体中较富或厚大的部位，先采用于式充填法对矿 柱进行回采，然后再对矿房进行回采。莱芜矿业有限公司业庄铁矿属于大水矿山， 地表为良田不许塌落，该矿山近空区资源开采措施用高水材料对采空区作充填 处理，不预留矿柱，进行连续开采[ 2 7 1 。实践表明，近采空区残矿资源的回收需要 针对其具体的赋存状况和开采技术条件，参考类似矿体开采经验，研究切实可行、 安全合理的回采方案，最终方可达到理想效果。 1 ．2 ．2 近采空区资源开采稳定性分析 近年来，因为采空区引起围岩失稳及治理的难题引起了矿山、路桥、建筑、 电力等众多部门的关注和重视，进行了相关方面的研究。然而地下空硐围岩稳定 性受各种地质因素和非地质因素的影响，其稳定性的分析和评价是一个非常复 杂的动态过程1 2 S ] 。1 9 7 0 年，英国J o n e s 等人1 2 9 】研究了采空区塌落对公路路基稳定性 的影响；自1 9 8 0 年以来，M ．e ．W a n g t 3 0 ] 、J o n e s [ 3 、S e r g e a n t3 2 1 等人对矿山开采及 下伏空区对建筑物地基的影响进行了研究。 传统采空区围岩稳定性分析方法是从上覆岩层的力学性质和应力分布状态 入手，主要研究岩体破坏机理、塌落带划分、地表变形和移动的计算、移动速度 及过程的持续时间、岩层位移的观测方法和观测网络设置原则等，对于后期岩层 位移预测多是以探讨计算方法为主，目前常用定性与半定量的分析方法。采空区 围岩稳定性定量分析方法包括力平衡分析法、附加应力法、数值计算分析法等。 通常采空区稳定性可以从顶板和矿柱的稳定性以及地表变形等三方面进行分析。 随着计算机技术在数值分析方法中的广泛应用和发展，数值模拟也逐渐成为 岩石力学研究的重要手段，人们在研究岩石力学方面有了突破性进步1 3 3 - 3 8 1 。在 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 岩体工程力学研究中常用数值模拟分析方法主要包括有限差分法、有限单元法、 边界元法、半解析法、离散元法、无界元法等。其中，早在计算机被发明之前， 有限差分法就已经在岩石力学研究工作中得到了应用。二十世纪四十年代初，有 限元法的基本思想首先由C o u r a n t 提出，T u r e n e 和C l o u g h 等人首先成为成功的 应用者。二十世纪六十年代，C l o u g h 在平面弹性问题中，进一步采用有限元法 处理，并提出有限单元，这有力地促使了有限元法理论的应用和发展。目前，有 限元法理论己经在各行各业的科研工作中得到广泛应用。二十世纪七十年代，边 界元法逐渐兴起，其特点就是具有降维作用，计算精度较高。与此同时，Y ．K ．c h e n g 提出半解析解法的基本思想，该方法把数值分析与数理方程解析相结合，借用部 分解析结果来减少数值分析的运算量。众所周知，地质构造运动使岩体被众多结 构面切割，这些结构面同时决定着岩体的变形与破坏，但是以上所述方法主要用 于解决连续体力学分析，并不适合具有十分明显非连续性特征的岩体稳定性分 析。因此，离散元法和刚体节理元法应运而生。1 9 7 1 年，C u n d a n 最早提出离散 元法，经过多年不断地发展，主要用于解决离散非连续体相关问题的重要手段， 并广泛应用于巷道、边坡等工程稳定性分析。无界元法主要用于解决有限元法分 析过程中计算范围与边界条件不易确定等问题，该方法与有限元法等耦合用于解 决岩石力学问题十分有效。以上数种数值分析方法都有其各自的优缺点以及其适 用条件，在实际应用过程中应根据实际情况选择合理的数值分析方法。 尽管数值计算方法与理论日益完善，但也难以完全与复杂的地质和工程条件 相对应，因此，数值计算的定量结果只可作为准定量评价或定性评价。当然，对 于实际工程中岩体的力学状态与稳定性分析评价，并非一定苛求特别精确的理论 和计算方法，而是采用简单方便，并且可以较多考虑岩体地质条件的复杂性和工 程施工等因素的计算方法。F L A C 3 D 有限差分法可以满足上述要求，在采空区围 岩稳定性分析方面具有较好的适用性。因此本文选用F L A C 3 D 有限差法对抱伦金 矿近采空区资源开采的稳定性进行数值模拟分析。 1 ．2 ．3 采空区灾害治理 采空区灾害治理的实质是转移采空区围岩应力集中部位，减缓围岩应力集中 程度，使采空区周围地应力场重新恢复平衡，从而对地压进行控制和管理，保障 矿山生产安全。目前，国内外矿山采空区的治理主要包括封闭、加固、崩落、 充填等1 3 9 1 。 崩落主要是指通过崩落采空区围岩对采空区进行充填，以形成缓冲保护垫 层，以防止采空区内大量顶板岩石突然冒落形成气浪伤害。该方法具有简单易行 和成本低等突出优点，因而在矿山中广泛应用。 充填主要是指采用充填工艺对采空区进行充填，具有安全和环保等优点。虽 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 然采用充填法处理采空区经济成本比较高，但是随着充填所用材料与充填工艺的 发展和进步，充填法处理采空区在矿山中应用日益广泛[ 4 0 t 。充填法处理采空区主 要包括干石充填法、尾砂充填法和胶结充填法等。 在采空区治理过程中，经常选择两种或多种方法联合治理，如选择崩落和充 填相结合、加固和充填相结合等；在我国，由于经济体制与历史等方面的因素， 采空区治理还存在较多难题，如存在大量未处理空区、治理资金筹措艰难、缺乏 长远的采空区治理规划、空区灾害治理力度与空区稳定性监测工作严重不足等突 出问题【4 l 】。我国许多矿山在对采空区的治理问题上基本停留于空区塌落后的“事 后处理”层面上。随着矿产资源开采量的不断增加，地下采空区面积将会日益扩 大，因此而引发的采空区地质灾害也会越来越多，越来越频繁。长此以往，这将 最终影响我国矿产资源的开发和利用，制约我国国民经济的快速发展。 1 ．3 本文研究的内容 1 针对海南山金抱伦金矿的近空区残矿资源，进行了详细的地质调查和 储量勘探；对四种不同的近空区残矿资源，进行了合理的回采方案研究。 2 运用F L A C 3 D 软件模拟近空区厚大矿体开采过程中采场的地压应力和 位移变化，为合理地确定出矿体的采场参数，保持采场稳定性提供了有价值的参 考依据。 3 对采空区主要危害一冒落矿震和冲击气浪进行了危害分析，全面分析 了诱发采空区灾害的主要影响因素，主要为地质因素、水文因素、环境因素以及 采空区自身的几何参数等四个方面。 4 系统地研究了矿山采空区治理方法。． 中南大学硕士学位论文 第二章近空区资源勘探 2 ．1 矿山概况 第二章近空区资源勘探 2 ．1 ．1 矿区概述 抱伦金矿床位于乐东县城西南约1 9 k m 处，是海南省新近发现的大型金矿床 之一。矿床产于华南褶皱系南缘琼中复背斜的西南端，东西向尖峰岭一大吊罗断 裂、九所一陵水断裂与北东向临高一望楼断裂、老城一岭头断裂的交接复合部位。 抱伦金矿地理坐标东经1 0 8 0 5 9 ’0 0 “ - 1 0 9 0 0 2 ’3 0 ”，北纬1 8 0 3 7 ’o o ”～1 8 0 4 l ’3 0 ”。北 自望楼河北岸3 k m ，南至龙石岭，东起三疗村东6 0 0 m ，西至斯苗岭，矿区面积 4 8 k m 2 。 抱伦金矿矿区出露下志留统陀烈组浅变质岩系与白坐系红色碎屑岩，西北侧 分布印支期花岗岩。北北东向豪岗岭断裂 F 1 与其上盘的北北西向断裂破碎带组 成矿区基木构造格架。赋矿围岩为陀烈组下段石英绢百母千枚岩，矿体定位于北 北西向断裂破碎带内。 抱伦金矿床是受构造控制的岩浆热液型金矿床，金矿化类型以含金石英脉型 为主，少数蚀变片岩型。与矿化密切相关的蚀变主要有硅化、绢百母化、绿泥石 化、碳酸盐化、黄铁矿化及白百母化等，偶见钠长石化。金矿物具有成色高、颗 粒大的特点，并且大量发育秘矿物和含秘矿物，反映出成矿作用与岩浆热液的密 切关系。成矿流体包裹体特征和氢氧同位素研究表明，成矿流体以岩浆水为主， 有少量变质水的参与，大气降水影响很小，成矿元素地球化学背景、硫同位素、 稀土元素、初始锶比值等反映成矿物质来源虽然以变质岩为主，但有部分来源于 岩浆岩；同位素年代学研究表明成矿时代为印支期成矿物质和成矿流体来源反映 出成矿作用与岩浆活动的密切关系，而且成矿作用与二叠纪特提斯构造演化特点 相吻合。 豪岗岭矿段 原抱伦金矿 位于豪岗岭四周，即豪岗岭以北至望楼河，往南至 3 4 8 ．2 高地，往东西各5 0 0 m 范围，面积2 ．6 k m 2 。重烂岭矿段位于豪岗岭矿段的 西侧，与豪岗岭矿段紧密相连，该矿段北自望楼河，南至重烂岭以南8 0 0 m ，西 止重烂岭以西l k m ，面积2 ．8 8 4 k m 2 。 矿区内交通尚属方便，省道毛 阳 ～九 所 公路从矿区南部通过，连接海榆中 线和西线高速公路。矿区内有简易公路，自干家村通向矿区。矿区属低山丘陵地 形，位于黎母山脉与乐东盆地连接处