深孔间柱开采贫损控制技术研究.pdf

中图分类号 U D C 硕士学位论文 学校代码 Q 5 3 3 密级 坌珏 深孑L 间柱开采贫损控制技术研究 D i l u t i o na n dL o s sC o n t r o lo fP i l l a rS t o p e sM i n i n g U s i n gD e e pH o l eBl a s t i n g 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 谭浪浪 采矿工程 资源与安全工程学院 罗周全教授 论文答辩日期丝 兰 塑答辩委员会主席盔，箜三耖 中南大学 2 0 1 3 年4 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。 作者魏社吼蹲年』月』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。 f F 者- g - g 幽师签 Ⅱ 日期塑年』月』L 摘要 深孔间柱开采贫损控制技术研究 摘要i 本文针对凡口铅锌矿大爆破开采间柱采场的生产实际，紧密 结合“大爆破采场三维边界探测获取及贫损控制技术研究”科研课 题，综合运用现场探测、室内实验和理论分析的方法，采用空区激 光探测系统 C M S 、显式动力分析软件L S ．D Y N A 以及三维矿业软 件S U R P A C 等数字化工具，开展了间柱采场开采贫损控制技术的研 究，旨在揭示凡口铅锌矿深孔间柱两帮矿房充填体的力学特征和破 坏机理，确定适合现场情况的充填体合理强度配比，从充填体强度 角度控制间柱采场的开采贫化率；与此同时，运用显式动力分析软 件L S ．D Y N A ，研究优化产生最小贫化和损失的边孔装药结构、边孔 距，从爆破角度实现对间柱采场的开采贫化和损失的有效控制。最 后通过现场试验，验证了所研究的贫损控制技术的有效性。论文的 主要研究内容和成果如下 1 开展了不同配比 1 4 、1 5 、1 6 的分级尾砂胶结充填体的 单轴抗拉、抗压、抗剪切等室内力学性能实验研究；获得了三种不 同配比的分级尾砂胶结充填体的物理力学性能参数及其破坏特征。 2 分析了分级尾砂胶结充填体的物理性质及细观结构，建立 了分级尾砂胶结充填体的损伤力学本构模型，揭示了分级尾砂胶结 充填体损伤规律，获得了不同开采深度对应的分级尾砂胶结充填体 的合理强度曲线，确定了不同开采深度区间对应的分级尾砂胶结充 填体的配比方案。 3 从控制间柱采场复杂边界的角度，对间柱采场的贫损控制 技术进行了研究，运用显式动力分析软件L S ．D Y N A 对间柱采场边 排孔的装药结构、两帮以及两端的边孔距进行了数值优化，获得了 最佳边界爆破效果的两帮和两端边孔距分别为1 ．6 m 和1 ．2 m 、合理 装药结构的空气间隔比例为0 ．5 8 8 。 4 以凡口铅锌矿S h ．4 0 0 m S l 2 ．1 3 间柱采场为试验采场开展间 柱采场贫损控制技术的应用研究，获得试验采场实际回采的贫化率 和损失率指标并进行分析。结果表明试验采场的贫损控制效果明 显，贫化率和损失率分别下降了4 ．9 0 个百分点和6 ．0 6 个百分点，验 证了深孔间柱贫损控制技术的有效性。 研究成果对提高矿山的资源回收率、改善开采质量，创造更大 的经济效益具有重要的工程实用价值。 摘要 关键词间柱采场，充填体强度，贫化损失，控制 分类号T D 8 5 3 Ⅱ 中南大学硕士学位论文 D i l u t i o na n dL o s sC o n t r o lo fP i l l a rS t o p e sM i n i n gU s i n g D e e pH o l eB l a s t i n g A B S T R A C T A c c o r d i n gt ot h es i t ep r a c t i c et h a td e e ph o l eb l a s t i n gi s a d o p t e dt oe x t r a c to r eo fp i l l a rs t o p e si nF a n K o uL e a d ．Z i n cm i n e ， t i g h t l y c o m b i n e dw i t ht h er e s e a r c h t a s k - d e t e c t i o n ，o b t a i no f3 D b o u n d a r y , a n dc o n t r o lo fd i l m i o na n dl o s si nd e e ph o l eb l a s t i n gm i n i n g ． t h e p a p e r h a sc o m p r e h e n s i v e l ye m p l o y e ds i t e d e t e c t i o n ，l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a lm e t h o d s ．t h a ti S ，u t i l i z i n gC M S ，e x p l i c i t d y n a m i ca n a l y s i ss o f t w a r eL S D Y N Aa n d3 Dm i n i n gs o f t w a r es u r p a c ， r e s e a r c ho nh o wt ob e s tc o n t r o ld i l u t i o na n dl O S Si np i l l a rs t o p e sm i n i n g W a sc o n d u c t e d ．T h e s t u d yi n v o l v e s 1 r e v e a l i n g t h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dd a m a g em e c h a n i s mo fs i d eb a c k f i l lb o d vi np i l l a r s t o p e s ； 2 d e t e r m i n i n gt h er e a s o n a b l es t r e n g t hr a t i oo fb a c k f i l lb o d y s u i t a b l ef o rp r a c t i c e ；a n d 3 c o n t r o l l i n gt h ed i l u t i o na n dI O S Sr a t eb y b a c k f i l lb o d ys t r e n g t hc o n t r 0 1 ．M e a n w h i l e ，e m p l o y i n ge x p l i c i td y n a m i c a n a l y s i ss o f t w a r eL S D Y N A ，s i d el o a d i n gs t r u c t u r ea n ds i d es p a c i n g w i t ht h em i n i m u md i l u t i o na n dl O S Sw e r eo p t i m i z e d ，t h u s ．m a k i n gi t p o s s i b l et oc o n t r o ld i l u t i o na n dl O S Si nt e r m so fb l a s t i n gc o n t r 0 1 ．L a s t l y , t h e f e a s i b i l i t y o fd i l u t i o na n dl o s si s p r o v e db yc o n d u c t i n gs i t e e x p e r i m e n t s ，t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s 1 B yp e r f o r m i n gi n d o o rm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n t s s u c h a su n i a x i a l t e n s i o n ， c o m p r e s i o n ， s h e a rw i t hd i f f e r e n t r a t i o i e ．1 4 ，1 5 ，1 6 ，p h y s i c a lm e c h a n i c a lb e h a v i o rp a r a m e t e r sa n df a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c so ft h et h r e ek i n d so fb a c k f i l lb o d yw e r eo b t a i n e d ． 2 E s t a b l i s h e dd a m a g e m e c h a n i c sc o n s t i t u t i o n a lm o d e lo f c l a s s i f i e dt a i l i n g sc e m e n t e db a c k f i l lb o d yo fF a n K o uL e a d ．Z i n cm i n eb y m a k i n gt h e o r ya n a l y s i s ．R e a s o n a b l es t r e n g t hc u r v e so fc l a s s i f i e dt a i l i n g s c e m e n t e db a c k f i l lb o d yi nd i f f e r e n tm i n i n gd e p t h sw e r eg a i n e d ．T h e r a t i os c h e m eo fc l a s s i f i e d t a i l i n g s c e m e n t e db a c k f i nb o d yu n d e r d i f f e r e n tm i n i n gd e p t h sW a sa l s og a i n e d ． 3 U t i l i z i n gE x p l i c i td y n a m i ca n a l y s i s s o f t w a r eL S - D Y N A ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o no p t i m i z a t i o nt ol o a d i n gs t r u c t u r eo fs i d eh o l e s ， s p a c i n go fs i d e sa n db o t he n d so fp i l l a rs t o p e sw e r em a d e ．O nt h i sb a s i s ， 1 1 1 中南大学硕士学位论文一． 竺翌墨竺 - l - 。_ _ - 。。’，一一 c o n c l u d i n gt h a t s i d es p a c i n gi ns i d e sa n db o t he n d su n d e rt h eb e s t b o u n d a r yb l a s t i n g r e s u l ta r e1 ．6 m a n d 1 ．2 m ，r e s p e c t i v e l y ；a n d t h e r e a S o n a b l ei n t e r v a lr a t eo fl o a d i n gs t r u c t u r ei s0 ．5 8 8 ．d e e pr e s e a r c ho n d i l u t i o na n dl o s sc o n t r o lo fp i l l a rs t o p e si nv i e wo fc o m p l e xb o u n d a r y c o n t r o li nd e e ph o l eb l a s t i n g ． 4 T a k i n gn u m b e rS h ．4 0 0 m S 12 ．13 p i l l a rs t o p ea sa ne x a m p l e ， r e s e a r c ho na p p l i c a t i o no fd i l u t i o na n dl o s sc o n t r o lo fp i l l a rs t o p ew a s c o n d u c t e d ．a n dac o m p a r i s o no fd i l u t i o na n dl o s s i n d e xb e t w e e nt h e a c t u a la l l dt h et e s to n eW a sm a d e ．I ti ss h o w nt h r o u g ht h er e s u l tt h a tt h e d i l u t i o nr a 土ea n dl o s sr a t ed e c r e a s e s4 ．9 0 ％a n d6 ．0 6 ％，r e s p e c t i v e l y ．w h i c h v e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo fd i l u t i o na n dl o s sc o n t r o lp i l l a rs t o p e s T h es t u d yi m p r o v e st h er e c o v e r yr a t eo fr e s o u r c e s ，b o o s t st h e e 伍c i e n c yo fm i n i n g ，a n dp r o d u c e sal a r g e re c o n o m i cb e n e f i tf o rt h e m i n e ，w h i c hi So fg r e a te n g i n e e r i n gv a l u e ． K E YW O R D S p i l l a rs t o p e ；b a c k f i l lb o d ys t r e n g t h ；d i l u t i o n a n dl O S S ；c o n t r o l I V 中南大学硕士学位论文目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅱ 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 课题由来、研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。l 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 ．2 ．1 矿房充填体力学特性的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 充填体损伤理论的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．3 贫损爆破控制技术的研究现状⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．3 研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l3 第二章分级尾砂胶结充填体力学性能实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．1 充填体试样制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 试验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 2 ．3 试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．1 分级尾砂胶结充填体密度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 2 ．3 ．2 试块声波速度测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 2 ．3 ．3 单轴抗压试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．3 ．4 单轴压缩变形试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．5 抗拉强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2l 2 ．3 ．6 抗剪试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 2 ．4 分级尾砂胶结充填体破坏特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．4 ．1 分级尾砂胶结充填体破坏特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．4 ．2 充填体参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 第三章分级尾砂胶结充填体损伤力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．1 分级尾砂胶结充填体物理力学特性及胶凝机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 ．1 物理力学性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．1 ．2 分级尾砂胶凝机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 分级尾砂胶结充填体损伤本构模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．2 ．1 损伤力学研究方法与损伤本构理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．2 ．2 分级尾砂胶结充填体损伤模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 3 ．3 分级尾砂胶结充填体合理强度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 第四章贫损爆破控制技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．1 装药结构优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．1 ．1 边孔装药结构方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 4 ．1 ．2L S ．D Ⅵ呵A 数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 ．1 ．3 数值模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．2 两帮边孔距优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2 ．1L S ．D Ⅵ、I A 数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 9 4 ．2 ．2 数值模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 - 3 两端边孔距优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．3 ．1L S ．D Ⅵ、j A 数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 5 4 ．3 ．2 数值模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 l 第五章间柱采场贫损控制技术应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 3 5 ．1 试验间柱采场模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．1 ．1 试验间柱采场两帮矿房采空区探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．1 ．2 试验间柱采场三维模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．2 试验间柱采场贫损指标计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．2 ．1 试验间柱采场采下充填体量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 5 ．2 ．2 试验间柱采场回采贫损指标计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 5 ．2 ．3 矿山前期间柱采场开采贫损指标统计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．3 试验间柱采场贫损控制效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．3 ．1 试验间柱采场贫损指标控制效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 5 ．3 ．2 贫损控制产生的经济效益效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 l 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 第六章全文总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 6 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．2 下一步工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 攻读学位间的主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 4 T 1 中南大学硕士学位论文第一章绪论 l 绪论 1 ．1 课题由来、研究目的及意义 众所周知，矿产资源是国民经济和社会发展的物质基础。随着我国国民经 济的进一步发展，对矿产资源的需求量必然不断增大。我国正处于国民经济迅 速发展的时期，而国民经济持续稳定发展很大程度上依赖于资源的充足供应。 矿业是我国国民经济的基础，其为国民经济各部门提供了大量的原材料 9 5 ％ 的能源、8 0 ％以上的工业原料和7 0 ％以上的农业生产资料都来自矿产资源 【l J 。 为了保障矿产资源对我国国民经济发展的基础物质供应，我国很多主要的地下 金属矿山都在不断探索深部矿产资源，很多大型的地下矿山已经进入深部开采 阶段。我国有着几千年的矿产资源开采历史。特别是改革开放以来，金属矿产 资源开采量不断增加【2 】，很多金属矿山的矿产资源正在走向枯竭，而新的、大 储量的替代矿尚未发现，导致很大一部分矿产资源需要从海外进口。由于海外 资源的依赖度大，致使部分国家以种种借口对出口中国的矿产资源不合理涨价， 严重制约着我国经济的发展。除了通过探寻更多更大的矿产储量来解决日益紧 张的矿产资源供应外，对现有矿产资源更充分、更合理、更高效的回收利用无 疑是一个重要的解决办法【3 】，而这些办法正是国内很多大型矿山正在努力的方 向。 凡口铅锌矿是我国目前最大的地下铅锌矿资源开采基地之一，该矿于1 9 5 8 年开始建设，1 9 6 0 年投产，目前企业的生产能力为金属量1 8 万吨／年。为了 完成年产1 8 万吨金属量的目标，近年来矿山大量开采矿房采场，导致所剩矿 房采场越来越少，间柱采场所占的比例越来越大，而且．3 6 0 m 中段以上的矿产 资源已经所剩无几。因此，如何尽可能的降低深部间柱采场开采的贫化率和损 失率，做到充分、有效回采深部间柱矿产资源，是当前亟待解决的课题。 与矿房采场相比，凡口铅锌矿间柱采场的开采条件相对较差，间柱采场周 围都是胶结充填体，由于使用大爆破的方式对两边的矿房采场进行开采，使得 间柱采场的裂隙增多，导致矿石更容易破碎，同时间柱边界十分复杂。假如采 用上向分层充填法进行回采，采场顶板可能会产生严重的冒落，影响生产安全。 因此对于深部间柱采场采用深孔崩落 大爆破 、遥控产运机出矿的无底柱方 法开采能更好的保证采矿作业的回采安全。而采用大爆破法如图1 - 1 所示，对 深部间柱进行开采，势必会打破原本已经处应力平衡的矿房充填体的应力平衡 状态，这些间柱采场和两帮矿房采场充填体的应力场和位移场会更加复杂，再 中南大学硕士学位论文第一章绪论 加上开采深度的增加，地压显现更加明显，以及岩温增高，充填体强度因素等 因素的综合影响，可能会造成矿石较大的贫化和损失。 I I 剖面图I 卜Ⅱ剖面图 卜上部硐室 2 一下部硐室 3 一崩落矿石 4 - 矿体边界 5 一进路巷道 6 一回风巷道 7 一胶结体 图l - l 凡口矿深孔崩落法 大爆破法 的采矿工艺示意图 贫化和损失是评价采场回采质量优劣的十分重要的指标，对矿山的经济效 益有着重要的影响【4 ’5 6 1 。矿石的贫化会导致选矿成本的增加，而矿石的损失更 是直接的经济损失。因此，如何有效地实现凡口铅锌矿深孔间柱开采贫损控制 问题是矿山当前面临的重要研究课题。 本文针对凡口铅锌矿深孔间柱开采的生产实际，紧密结合“大爆破采场三 维边界探测获取及贫损控制技术研究”科研课题，综合运用现场探测、室内试 验和理论分析的方法，采用空区激光探测系统 C M S 、显式动力分析软件 L S ．D Y N A 以及三维矿业软件S U R P A C 等数字化工具，开展了深孔间柱开采贫 损控制技术的研究，旨在揭示凡口铅锌矿深孔间柱两帮矿房充填体的力学特征 和破坏机理，确定适合现场情况的充填体合理强度配比，从充填体合理强度角 度实现对间柱采场开采的贫化控制；与此同时，运用显式动力分析软件 L S ．D Y N A ，研究优化导致最小贫化和损失的边孔装药结构、边孔距，从爆破角 度控制边界，实现对间柱采场开采的贫化和损失的有效控制。最后通过现场试 中南大学硕士学位论文第一章绪论 验，验证所研究的贫损控制技术是有效的，能为矿山深孔间柱开采贫损控制起 到积极的作用。 1 ．2 国内外研究现状 随着矿产资源这种不可再生资源的价格进一步走高，使得越来越多的矿山 开始注重早期开采矿房采场留下的间柱采场的回采。如何更安全更高效的回采 间柱采场也成为了时下较为热门的研究内容。而要高效回采间柱，既要保证开 采效率高还要做到减少贫化损失，有效控制其贫损指标。高效开采时下最常用 的就是采用大爆破的采矿方法。因此，研究有效的控制深孔间柱贫损技术具有 重要现实意义。近年来，国内外有关于大爆破间柱回采贫损控制问题的研究， 主要集中在以下几个方面。 1 ．2 ．1 矿房充填体力学特性的研究现状 国外对充填体的研究与应用已经有了较长的一段历史。早在2 0 世纪中叶， 一些国家就开始了利用选矿厂产生的分级尾砂来进行水力充填。到2 0 世纪6 0 年代以后，美国、加拿大、德国、前苏联、澳大利亚等国就对充填材料的单轴 压缩等力学性质进行了研究，并取得了一定的进展，总结出充填体的实验室试 验的一些方法和结果。1 9 6 2 年加拿大的弗鲁德 F R O O D 矿进行过尾砂胶结充填 体强度等力学性能试验研究并得到满意效果，然后将其投入到了工业应用。 1 9 7 0 年以后，多个国家的大学或学者研究机构的专家学者，包括加拿大 的J ．O u e l l e t 和S ．S e r v a n t 、英国的T ．J ．B i d w e l l 、瑞典的A ．S e l l g r e n 、美国 的C ．M ．K ．B o l d t 和L ．A ．A t k i n s 、前苏联的B ．W ．霍米亚科夫教授、澳 大利亚的D ．V ．B o g e r 、德国的W ．H e l m s 、南非的C ．G ．V e r k e r k 等人对充 填体材料的力学性质、影响因素进行了研究，完善了充填体试验室力学研究的 方法，在许多方面取得了比较先进及可靠的科研成果，使得充填体力学性能的 研究得到了巨大的发展。 1 9 7 3 年8 月，在澳大利亚芒特艾萨举行了第一次充填国际讨论会。从此以 后每过一段时间就会有一次国际性的充填会议召开，涉及很多充填体力学性能 的测定和检测方法。 我国对充填体力学性能的研究也有较长的一段时间。2 0 世纪中叶以来，充 填采矿法在我国的很多金属矿山得到了应用，5 0 年代初期我国三种主要的采 矿方法之一就包括废石干式充填法，但是在那段时期我国对充填体力学性能研 中南大学硕士学位论文第一章绪论 究较少。直到2 0 世纪六七十年代，我国开始对充填体的力学性质进行试验研究。 1 9 8 0 年开始，胶结充填体的力学性能的相关研究得到较快速地发展。中南 大学、中国矿业大学、北京科技大学、东北大学等各个高校以及各大研究院再 加上几个大型有色金属矿山 包括凡口铅锌矿 的众多的科研工作者对充填体 的力学性能特征进行了研究，提出了许多试验方法和理论。1 9 9 0 年到目前为止， 充填体性能的研究工作已经从单纯的宏观研究进逐步入到微观研究的层面上， 一些学者进行的充填体损伤本构模型的研究对后续研究具有很强的指导作用， 大大活跃了充填体性能研究的气氛。 人们普遍认为，充填体是被动性支护结构，借助围岩或者矿柱的变形以被 动反作用力的形式作用于围岩或矿柱，从而达到控制地压目的1 7 , 8 , 9 】。南非 T ．R ．S t a c e y 与H ．h ．D ．K i r s t e n 在对充填机理进行研究后得出充填体在维 护采场稳定的作用方式具有多种形式。布雷迪和布朗对于充填体的支护作用提 出三种作用机理，①表面支护；②局部支护；③总体支护。我国学者于学馥教 授也提出了三种作用机理 1 应力转移与吸收、2 应力隔离机理充填、3 系 统的共同作用 。此外，蔡嗣经、卢平教授等人在此方面也作了大量的工作。 充填体的力学特性决定充填体的稳定性以及承载力，因此，许多研究机构 和矿山都对其进行过研究[ 1 0 , 1 1 , 1 2 】。 结合力学知识和充填的特点，形成了对充填体进行力学研究的包括经验公 式法f 1 3 , 1 4 ] 、数值模拟法【1 5 , 1 6 ] 、物理模拟法和现场实测等在内的多种研究方法【1 7 , 1 8 】。 1 ．2 ．2 充填体损伤理论的研究现状 斯旺 s w a n ，1 9 8 5 通过试验，得出了尾砂胶结充填体的变形模量E 与强 度瓯之间的关系【1 9 】 E 0 ．2 1 a c l 4 4 1 ．1 杨宝根等人通过研究得出弹性模量E 与其影响因素的回归方程【2 0 】 E 6 ．9 6 2 。0 5 a 4 ．6 2 b 1 ．2 4 c 0 ．4 5 a b ．0 ．6 0 a c 0 ．3 1 b c 1 ．1 6 a 2 1 ．0 2 b z ．O ．3 1 c 2 1 - 2 式中a 为浓度，％；b 水泥含量，％；c 为．2 0 t a m 含量，％。 赖德 R y d e rJ A ，1 9 7 8 则通过其他函数用来描述对于水砂充填体的近似 特性1 2 1 】 仃 冬笋 1 - 3 6 一￡ 式中a 为模数 当￡Q c 时，a 0 ；￡t 为初始应变b 为常数，约等于初 始孔隙率。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 对于胶结充填体，则用双曲线函数来表示 盯鲁1-4 盯 ● D E 式中6 1 “ ．充填体应力；￡．充填体应变；a ．特性应力参数；b ．临界应变渐 近线。 损伤力学是一门比较系统的研究微缺陷及其发展响应的科学。近年来， 连续介质损伤力学 C D M 已经发展成十分活跃的固体力学新的分支，并 在混凝土和岩石以及复合材料等各种工程材料的蠕变、疲劳、断裂等问题 中得到了广泛而深入的应用【2 2 】。 “损伤”不是一种独立的物理性质，它泛指材料内部一种劣化因素， 与材料环境密切相关。在损伤力学中用损伤变量 用字母D 表示 描述损 伤程度。假设有一单元体，其法向量为n ，单元体在其n 方向的横截面面积 用字母A 来表示。当单元体受到外荷载作用时，由与微缺陷导致的应力集 中及缺陷的相互贯通作用，单元体的有效承载面积减小为A 。设这一些微 裂纹、微孔隙等均匀分布，A 与n 无关，那么可以得到各向同性损伤张量D 为 D A - A 1 ．5 彳 材料损伤的实质是各向异性的，充填体是一种不连续的、各向异性的 材料，其微裂纹与微孔洞等在空间上的分布都是非均匀的。通常采用2 阶 或者4 阶张量D 定义损伤来描述损伤的各向异性。针对分级尾砂胶结充填 体这种各向异性材料，采用4 阶张量定义损伤。 根据公式1 ．5 定义的有效面积，可得，有效C a u c h y 应力张量仃 社％2 彳一D 1 - 6 公式中仃是名义C a u c h y 应力张量。由于材料的各向异性，致使其损伤 为各向异性损伤，公式1 ．6 中定义的有效应力可以推广为 孑 M 功盯 1 ．7 公式中，符号 为对张量的两个指标的缩并；M D 称为损伤影响 张量，是一个4 阶张量定义的对称性算子，一般M D 有2 1 个独立分量。 有效应力在损伤力学中是一个很重要的概念。到目前为止，损伤力学 的很多假定都是在有效应力基础上提出来的。 对M 功进行简化使4 阶张量成为矩阵，假定应力主方向与损伤主方向 中南大学硕士学位论文第一章绪论 重合。应变、应力、损伤的2 阶张量的矢量形式 p l ，盯2 ，0 “ 3 ，盯4 ，盯5 ，口6 y p l l ，仃2 2 ，0 “ 3 3 ，仃2 3 ，盯3 l ，盯1 2 y p I ，6 2 ，岛，g 4 ，毛，氏厂 p I l s 2 2 ，占3 3 ，2 6 ，2 6 ，2 6 2 6 2 32 8 3 12 6 1 2 r侈I ， ，岛， ，毛，氏，2 节I l ，s 2 2 ，占3 3 ， ，， j p l ，D 2 ，皿，D 4 ，D ，，D 6 } 7 ’ 伽，D 2 2 ，D 3 3 ，2 D 2 3 ，2 D 3 ，，2 D 1 2 y 其中“T ，，为转置，M D 可表示为 M D l 1 一D l 0 0 O l 1 - 0 2 0 O 0 l 1 0 3 1 - 8 将公式 1 - 8 与L e m a i t r e ．C h a b o c h e 热力学理论中的弹性本构方程相结 合，得 H ， 仨r i l 1 一D l V 1 一D l V 1 一日 芸- - V 翮 1 。