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中图分类号婴墨2 U D C6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 5 3 3 密级公五 四川汉源高品质石膏矿低贫化地下开采研究 L o wr a t eo fd i l u t i o ns t u d yo nt h eh i g hq u a l i t yg y p s u m u n d e r g r o u n d m i n i n go fS i c h u a nH a n y u a nG y p s u mM i n e 作者姓名周碧辉 学科专业采矿工程 研究方向采矿与充填技术 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师张钦礼 教授 副指导教师 论文答辩日期出生丝三 2 答辩委员会主席盔。』三∥ 中南大学 2 0 1 4 年4 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。 作者签名鳟日期．毕年上月丝日 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。 作者签名鳟 作者签名i 玉隧型 日期摊年莹月担日 导师签名二眇 日期雄年乒- “ Y l o o E ] 万方数据 中南大学硕士学位论文中文摘要 四川汉源高品质石膏矿低贫化地下开采研究 摘要四川汉源石沟高品质石膏矿能否在确保原矿白度的前提下，实现 最大限度地回收，其关键在于确定合理的采矿方案使贫化率最小，而合 理的采矿方案不仅要求抉择合适的采矿方法，更需要确保采场的稳定性 与采场结构参数的合理性。为解决高品质石膏矿在复杂的赋存条件下实 现最大限度地回采问题，进行了四川汉源石沟高品质石膏矿低贫化地下 开采研究。本文通过现场勘察，室内试验，分析该高品质石膏矿体的开 采技术条件，初步确定三种比较合适的采矿方法，然后基于网络分析法 与模糊数学理论，对采矿方案进行优选，抉择出最佳采矿方法，随之， 利用M a t h e w s 图表稳定法与岩石力学理论，初步分析采场稳定性，最终 利用分析软件M I D A S ／G T S ，进一步确定采场的稳定性并优化采场结构参 数。研究的主要成果如下 1 运用网络分析法与模糊数学理论进行研究分析，得出这三个备 选方案机械化上向水平分层充填法，分段凿岩阶段空场嗣后充填法与分 段凿岩阶段矿房法的优越度分别为7 8 ．4 7 ％、6 5 ．3 2 ％、4 2 ．3 4 ％。即机械 化上向水平分层充填法更适合四川汉源石沟石膏矿的开采技术条件。 2 运用M a t h e w s 稳定图法与岩石力学理论，对石膏矿采场稳定性 进行分析，得出采场的最大暴露面积为4 9 5 m 2 ，在矿柱的长度3 3 m ～定 时，当矿房跨度不大于1 5 m ，矿柱的宽度不小于6 m 时。 3 针对优选的采矿方案，进行详细方案设计，最终决定当矿块垂 直走向布置时，推荐选用的采场结构参数为矿房宽度1 4 m ，矿柱宽度 8 m ，分段高度9 ．9 m ，长度为矿体厚度3 3 m ，每个分段负责3 个分层，分 层高度3 ．3 m ，回采过程中最小控顶高度3 m ，最大控顶高度6 ．3 m 。 4 根据采矿方案设计，计算出机械化上向水平分层充填法标准矿 块主要技术经济指标。其中采场生产能力大概为1 6 0 t ／d ，回收率为8 6 ．6 ％， 贫化率为3 ．3 ％。 文中包含图3 0 幅，表1 9 个，参考文献7 5 篇。 关键词高品质石膏矿；网络分析法；采矿方法优化；低贫化；结构参 数优化 分类号T D 8 5 2 Ⅱ 万方数据 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T L o wr a t eo fd i l u t i o ns t u d yo nt h eh i g hq u a l i t yg y p s u mu n d e r g r o u n d m i n i n go f S i c h u a nH a n y u a nG y p s u mM i n e A b s t r a c t T h ek e yt or e a l i z et h em a x i m u mr e c o v e r yo ft h eh i g hq u a l i t y g y p s u md e r i v e df r o mG y p s u mM i n e ，l o c a t e d i nH a n y u a nc i t yS i c h u a n p r o v i n c e ，u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h eo r ee x c a v a t e di ss u p p o s e d t om e e tt h e r e q u i r e m e n to ft h ep u r i t yi s t os e l e c tar e a s o n a b l em i n i n gp r o g r a mw h i c h s e r v e sah i g h l yu s e f u lp u r p o s ei nd e c r e a s i n gt h er a t eo fd i l u t i o n ．A n dt h e a p p r o p r i a t em i n i n gm e t h o dc l a i m sn o to n l ya na d v i s a b l em i n i n gm e t h o d b u t a l s ot h es t a b i l i t yo ft h es t o p ea n dt h er a t i o n a l i t yo ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s o nt h es t o p ea sw e l l ．H e n c e ，as t u d yo nt h eu n d e r g r o u n dm i n i n g ，w i t hal o w d i l u t i o nr a t e ，o ft h eh i g hq u a l i t yg y p s u mf r o mt h eG y p s u mO r e ，t h em i n i n g t e c h n i c a lc o n d i t i o no fw h i c hw a sc o m p l i c a t e d ，w a sc o n d u c t e dt os o l v et h e i s s u eo nt h em a x i m u mr e c o v e r y ．B yp a y i n gav i s i tt ot h ef i e l da n dc o n d u c t i n g l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，t h r e ea l t e m a t i v em i n i n gm e t h o d sw e r e s e l e c t e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h em i n i n gt e c h n i c a lc o n d i t i o no fG y p s u m O r eb e f o r et h e o p t i m a lm i n i n gm e t h o dw a sd e t e r m i n e db yo p t i m i z i n gt h et h r e em i n i n g m e t h o d sa b o v eb a s e do nt h eA n a l y t i cN e t w o r kP r o c e s s A N P a n dF u z z y M a t h e m a t i cT h e o r y ，a f t e rw h i c ht h es t a b i l i t yo ft h es t o p ew a sa n a l y z e d p r e l i m i n a r i l yb ya p p l y i n gM a t h e w s s t a b i l i z a t i o nc h a r tm e t h o da n dr o c k m e c h a n i c st h e o r y ．F i n a l l y ，af u r t h e rs t a b i l i t ya n a l y s i so fs t o p ea n dt h e o p t i m i z a t i o n o fs t o p es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw e r em a d et h r o u g hu t i l i z i n g a n a l y s i s s o f t w a r eM I D A S ／G T S ．T h em a i na c h i e v e m e n t so b t a i n e di nt h i s p a p e rw e r e a sf o l l o w s 1 B ya p p l y i n gA N P a n dF u z z ym a t h e m a t i ct h e o r y ，t h es u p e r i o r i t yo f t h et h e r ea l t e r n a t i v e so fu p w a r dh o r i z o n t a lc u ta n df i Us t o p i n gm e t h o d ， s u b l e v e ld r i l l i n go p e ns t o p i n gi ns t a g ew i t hs u b s e q u e n tf i l l i n gp r o c e s sa n d s u b l e v e ld r i l l i n g s t a g er o o ms t o p i n g a r e7 8 ．4 7 ％，6 5 。3 2 ％a n d4 2 ．3 4 ％ r e s p e c t i v e l y ．C o m p a r a t i v e l ys p e a k i n g ，t h eu p w a r dh o r i z o n t a l c u ta n df i l l s t o p i n gm e t h o di sm o r ea p p r o p r i a t et ot h em i n i n gt e c h n i c a lc o n d i t i o no f t h e G y p s u mO r ei nH a n y u a nc i t yS i c h u a np r o v i n c e ． 2 T h r o u g ht h es t a b i l i t ya n a l y s i so ft h es t o p ec o m b i n i n gt h eM a t h e w s s t a b i l i t yc h a r tm e t h o da n dr o c km e c h a n i c st h e o r y ，t h em a x i m u ma r e ao f m 万方数据 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T e x p o s u r ei S4 9 5 r n 2a n dt h es p a no f t h er o o mi ss u p p o s e dt ob e1 e s st h a n15 m w h e nt h el e n g t ho ft h ep i l l a ri s33 m ． 3 A c c o r d i n gt ot h ed e t a i l e dd e s i g no f t h em i n i n gp r o g r a md e t e r m i n e d ， t h eo r eb l o c ki ss e t t l e dv e r t i c a lt ot h es t r i k eo ft h eo r eb o d yw i t ht h er o o m s p a no f14 m ，p i l l a rw i d t ho f8 m ，s u b l e v e li n t e r v a l o f9 ．9 m ，l e n g t ho f 33 m ，n a m e l yt h el e n g t ho ft h et h i c k n e s s ．A n de a c hs u b l e v e li n v o l v e st h r e e l a y e r sw i t ht h e1 a y e rh e i g h to f3 ．3 m ．A l s o ，t h em i n i m u md i s t a n c eo ff a c er o o f i sc o n t r o l l e dw i t h i n3 m ，t h em a x i m u mw i t h i n6 ．3 m ． 4 B a s e do nt h e d e s i g n o f m i n i n gp r o g r a m ，t h e m i a n t e c h n i c a l ．e c o n o m i c a li n d e x e sa r ec a l c u l a t e d ，o fw h i c ht h ep r o d u c t i o n c a p a c i t yi Sa r o u n d16 0 t ／dw i t ht h er e c o v e r yr a t eo f8 6 ．7 ％a n dd i l u t i o nr a t eo f 3 ．3 ％． T h i sp a p e rc o n t a i n s19f i g u r e s ．3 0t a b l e sa n d7 5r e f e r e n c e s ． K e y w o r d s h i g hq u a l i t yg y p s u m ，A n a l y t i cN e t w o r kP r o c e s s ，o p t i m i z a t i o no f m i n i n gm e t h o d s ，l o w r a t eo fd i l u t i o n ，o p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s C l a s s i f i c a t i o n T D 8 5 2 I V 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 研究背景及目的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”1 1 ．2 国内外石膏矿开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”2 1 ．2 ．1 采矿方法选择的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 采场稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”5 1 ．4 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 四川汉源石沟石膏矿概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 7 2 ．1 概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 矿区及矿床地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 ．2 ．1 矿区地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 ．2 矿床地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．3 矿石质量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 矿区水纹地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”1 1 2 ．3 ．1 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 - 3 ．2 涌水量预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．3 环境地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”1 4 2 ．3 ．4 影响开采的其它因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”1 5 2 ．4 矿产资源储量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 ．1 工业指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 ．2 矿区保有资源储量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”1 6 2 ．5 矿岩稳定性的地质背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 ．1 岩体⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 ．2 矿区构造体系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”1 8 2 ．5 3 区域地质稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“1 9 2 ．5 ．4 矿岩物理力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 9 2 ．6 岩体结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．7 工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 2 ．8 岩体工程初步工程地质分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 四川汉源石沟石膏矿采矿工艺技术优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 开采范围及开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．1 开采范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 V 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．1 ．2 开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ．2 3 3 ．2 采矿方法选择原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3 采矿方法初选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 ．1 机械化上向水平分层充填法 方案I ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 ．2 分段凿岩阶段空场嗣后充填法 方案I I ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 ．3 分段凿岩阶段矿房法 方案I I I ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”3 1 3 ．4 采矿方法理论优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．4 ．1 网络分析法 A N P ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．4 ．2 采矿方案综合评价指标体系构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 5 3 ．4 ．3 运用网络分析法确定综合评价指标体系中因素的权重⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．4 ．4 模糊综合评判⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”3 9 3 ．5 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 采场稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．1 采场围岩破坏判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．1 ．1 岩石强度理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．1 ．2 容许的极限位移量判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．1 ．3 塑性区判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．1 ．4 岩体工程破坏综合判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“4 7 4 ．2 采场稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2 ．1 采场极限暴露面积及结构参数研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～4 7 4 ．2 ．2 入工矿柱稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”5 0 4 ．3 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 采场结构参数优化及采矿方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．1 软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯’5 7 5 ．2 基本假设及矿岩与充填体力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．2 ．1 基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．2 ．2 矿岩及充填体力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”5 8 5 ．3 上向水平分层充填法采场结构参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．3 ．1 数值模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．3 ．2 采场结构参数优化结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．4 机械化上向水平分层充填法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 V I 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．’7 7 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”8 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 V I I 万方数据 中南大学硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景及目的意义 石膏资源是本国矿产资源的有效组成部分，据统计，至今国内拥有的石膏资源总 量已经超过6 0 0 亿吨【l ，2 1 。同时，石膏资源分布比较广泛，遍布于全国各地，目前存 在的石膏矿区大约有1 6 9 处，而山东省是目前国内拥有石膏储量最多的地方。然而， 我国优质的石膏资源比较稀少，石膏资源普遍多为普通石膏与硬石膏，优质的石膏 资源比较紧缺口J 。据统计，国内的石膏矿山超过5 0 0 个，但年均产量较小，一般为5 万吨左右，年产量大于1 0 万吨的矿山数量目前不超过矿山总数的十分之一【1 ．3 1 。 通常，石膏是一种结晶系矿物，由于其主要组成成分为硫酸钙，因此，外观看起 来多呈白色或无色u ’4 | 。同时，随着经济快速与稳定的发展，石膏矿作为一种很好的 建筑材料与工业材料，其需求量越来越多，目前已经成为国民经济的基础资源之一。 长期以来，相比有色金属、钢铁、煤炭等矿产资源，我国在石膏资源矿山开采 上投入的资金、技术、人员设备等都比较少，同时加上石膏矿的赋存条件较为复杂， 矿区的地质条件较差，矿体和围岩的强度往往较低，导致很多石膏矿山都面临着生产 能力小，回收率低，贫化率高，采场不稳定等疑难问题【5 。7 】。在地下矿山开采中，由 于采场参数设计的不合理，往往会导致严重的矿山开采安全隐患。我国开采历史中， 发生了较多采场失稳破坏事故，如山东峰城石膏矿、广西合浦恒大石膏矿、河北邢 隆石膏矿以及广东兴宁叶塘石膏矿等都曾发生过采场项板冒顶或矿柱失稳破坏等安 全事故，不仅给矿山生产，机械设施造成重大损失与破坏，甚至威胁到工作人员生 命安全等严重后果。这同时也引起了相关管理部门的高度重视，如何保证石膏矿采 场的稳定性，已成为确保石膏资源能够高效、安全、合理回收的紧迫课题【8 。1 0 】。 同时，对于高品质的石膏矿，许多矿山在开采时，一味追求生产能力的提升， 忽略对矿石质量的要求，没有注重对矿体开采时矿石贫化率的管理，导致矿山出矿 品质严重下降，矿石生产成本明显增加，生产产品质量较低，直接影响到产品的销 售价格，最终严重影响到高品质石膏矿的开采效益【5 】。 四川汉源县鑫金矿业有限公司的石沟石膏矿为新建矿山，位于四川省汉源县皇 木镇石沟村境内，依据该石膏矿的相关地质报告，矿区拥有3 3 1 储量多达5 9 2 ．1 万吨， 推断的内蕴经济资源量 3 3 3 4 4 4 ．8 7 万吨，合计矿石总量1 0 3 6 ．9 7 万吨，矿石平均 品位 C a S 0 4 C a S 0 4 0 2 H 2 0 为6 9 ．1 5 ％，属优质石膏矿资源。目前矿山正在矿体下 盘山沟内建设石膏加工厂，设计采矿规模为3 0 万妇 其中供应石膏加工厂二水石膏 1 2 万吨，硬石膏6 万吨；外销石膏1 2 万吨 ，工程产品方案为二水石膏和硬石膏矿 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 原矿，优质的二水石膏和硬石膏矿直接运往石膏加工厂进行深加工，质量稍差的石 膏则原矿外销。石膏加工厂最终产品为普通高强度石膏和超高强度石膏成品。 因此，高回收率与采场安全和低贫化率与采场生产能力之间常发生不可避免的 矛盾。鉴于此，进行高品质石膏矿地下开采研究，决策出合理的贫化率较小的采矿 方案并确定出采场最优的结构参数，在保证采场安全的前提下，最大限度提高采场 生产能力及矿石回收率，对矿山开采高品质石膏矿具有重要指导意义。因此，有必 要对课题高品质石膏矿低贫化率的地下开采进行深入研究。 1 ．2 国内外石膏矿开采研究现状 据统计，国内外石膏矿资源开采很少采用露天开采，通常为地下开采，其储量 占据石膏资源总储量的三分之二左右[ 4 ，8 ，1 1 】。通常石膏矿的赋存状况较为复杂，其矿 床一般为沉积型矿床，矿体的覆岩稳固性较差，泥岩或砂岩往往是石膏矿的直接顶 板，其岩石力学性质较差，导致许多石膏矿山往往发生采场失稳破坏等安全事故u 2 ， 1 3 】。依据目前国内外石膏开采现状，矿山在开采一些优质石膏矿时，通常选用贫化率 较低，采场生产能力较大开采方法，如房柱式充填法。为确保采场项板的稳定性， 常利用石膏护顶层来增强采场顶板的稳固性，防止采场项板冒顶事故的发生。但长 期利用空场法对石膏矿进行开采，随地下开采范围的逐步扩大以及时间的不停积累， 造成矿山地下采空区面积不断增大，其暴露面积目前已超过几十万平方米，体积则相 应达到上百万立方米。如此大的地下暴露空间加上采场围岩的不稳固性，对地下石 膏矿的正常安全开采构成严重的威胁。在矿山开采设计时，如果采矿方案选择不当， 采场结构参数设计不合理，采场暴露面积超过顶板围岩的极限暴露面积，将会造成 采场顶板坍塌，地表下沉开裂等安全事故，进而严重影响到矿山的正常生产，甚至 造成人员伤亡，给矿山带来严重的经济损失蟑 丌。 1 ．2 ．1 采矿方法选择的研究现状 矿山生产中，最为关键的环节便是针对矿体开采技术条件，选择合适的采矿方 案，它直接影响到矿山的生产安全、生产效率、生产质量等，对矿山的生产经济效 益起到决定性的作用【3 6 ，8 ，1 1 】。然而，采矿方案的选择需要历经一个非常复杂的决策 过程，它涉及到诸多方面的因素，包括矿体的赋存状况，矿山管理水平，市场经济 状况等，并且采矿方案的选择与众多因素之间构成了一个较为复杂的非线性关系。 所以，确定采矿方案是一个多目标、多层次的复杂决策过程。但过去人们在确定矿 床开采方法时，往往主要依据采矿专家的经验，而没有对具体的矿床地质条件等诸 多客观因素做足够的研究，采矿方案的选择具有较大的主观性与片面性，导致所选 择的采矿方法与矿山工程实际有时并不能很好吻合。因此，在确定矿体采矿方案时， 有必要采取科学合理的决策方案。 2 万方数据 中南大学硕士学位论文 l 绪论 1 模糊数学法 依据矿山实际的开采技术条件，常利用模糊数学理论，对矿体的开采方案进行 决策并预测相关的采矿技术经济指标。在预测技术经济指标时，结合模糊数学理论， 总结出与目标矿山采取相同采矿方案的其它矿山案例，随之，根据各采矿案例与目 标矿山开采条件的相似程度的大小，对各矿山案例进行赋权值，与目标矿山相似程 度最高的矿山，赋最大的权值，其它矿山，根据相似程度，逐个赋相应较小的权值， 通过对各矿山案例的技术经济指标进行计算加权平均，最终得到目标矿山的技术经 济指标【1 4 1 5 】。在选择矿山合理采矿方案时，同理，将与目标矿山开采的地质技术条 件相类似矿山所采用的开采方案进行聚集，并将开采方案与目标矿山的地质技术条 件相比较，然后，计算出目标矿山的地质技术条件与矿山案例地质条件的模糊相似 度，最终选择相似程度最高矿山所采用的采矿方法。但由于模糊数学理论中隶属函 数的构造方法多样，造成权重矩阵之间存在一定的差别，最后导致决策结果具有一 定的主观性，因此，实际应用中，常利用层次分析法理论来确定评价指标的权值，使 评价指标的权值更具有客观性与合理性，然后利用模糊数学进行综合评判，决策最 优采矿方案。 2 多目标决策法 利用多目标决策理论，选取矿山采矿方法，有效降低了采矿方法决策时的主观 随机性，然而，该理论中的求解方法选择及因素权重的选取方面，主观能动性较强， 对评价结果造成直接影响，据此，通过多目标决策法抉择出矿山的采矿方法有时与 实际状况并不相符【1 6 。1 引。 3 灰色系统理论法 基于灰色系统理论，关联分析法和灰色局势决策法常用于矿山采矿方案的抉择。 关联分析法主要是通过几何关系曲线，确定关联度，从而选出最优方案；而利用灰 色局势决策法时，其一般过程往往是针对问题提出解决方案，然后明确一目标，最 终利用效果测度对方案进行评价【1 9 。2 1 1 。利用灰色系统理论，在采矿方案优选时，能 够量化影响因素。但量化影响因素有时会均化决策结果，直接导致方案优选变难， 最终导致得出的结论与实际不符。 4 价值工程法 矿山在进行采矿方案优选时，矿山往往会考虑到投资回收期，内部收益率等。 通过计算投入资金的时间价值，结合各采矿方案的采矿经济指标，对采矿方案进行 抉择，这种方法称为价值工程法【2 2 ，2 3 1 。通常选取的采矿方案在经济效益方面较好， 但该方案不一定与工程实际相符合，经济上可行，但开采技术上不一定可行。 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 5 突变级数法 突变级数法，基于突变理论与模糊数学，通过综合量化突变模糊隶属函数，得 出总的隶属函数，然后根据隶属函数对目标进行评价与排序，最终选出最佳方 案【2 4 ．2 6 1 。利用突变级数法，对评价目标进行逐步分解，通过对各级评价指标进行评 价，最终得出综合的评价结果，然而，它并没有区分各评价指标权值，以至于使评 价结果不够准确，并且目前还未有效证实其适用性。 6 神经网络 神经网络是一种自动化式的信息处理系统，其工作原理类似与人的大脑神经系 统较相似[ 2 7 , 2 8 】。通过分析诸多影响采矿方案选择的因素，神经网络方法可以有效实 现采矿方案优选问题，目前应用较为广泛。 1 ．2 ．2 采场稳定性研究现状 确保矿山正常生产，使机械设施不受破坏，保证工作人员的作业安全，是矿山 生产经营中较为重要的内容，其关键在于确保采场的稳定性。同时，采场的稳定性 分析是一个复杂的过程，国内外诸多学者专家都对采场稳定性做过深入研究，其中 包括2 0 世纪7 0 年代英国J o n e s 等人所研究的采场坍塌对地面道路的影响，8 0 年代， 美国M ．e ．W a n g 等人通过研究采场及地下空洞的危害机理，从而确定它们对地表构筑 物及建筑物地基的影响[ 1 2 ，1 3 ，2 9 1 。传统上采场稳定性问题的研究中常根据经验、半经 验的方法分析，往往忽略了一些潜在的不安全因素。随着社会的发展，现实中遇到的 工程规模越来越大，工程中出现的问题也越来越复杂，仅仅依靠传统的经验方法， 往往很难确保工程中出现复杂性与规模的逐渐增大，这种依靠经验的方法常常不能 使工程中出现的稳定性问题得到有效的解决。 近期以来，为适应现代岩体工程实际发展的要求，国内外诸多学者专家都对采 场稳定性问题进行了更深入的研究，所采用的研究方法也较多，主要包括岩石力学 方法、经验模拟法、遗传算法与数值模拟法等。随着计算机水平的不断发展，目前采 场稳定性研究中较为常见的理论与方法是岩石力学理论与数值模拟法等。其中基 于岩石力学理论，采用的研究方法包括附加应力法、力平衡分析法、数值计算分析 法等。在工程实际应用中，在对采场稳定性进行评价分析时，通常基于岩石力学理 论，通过岩石力学试验，利用安全系数方法，来分析采场围岩是否稳定。而采用数 值模拟的方法主要有M a t h e w s 稳定图法、有限元法与有限差分法等[ 3 0 。3 2 1 。 由于采场暴露面积与采场结构参数直接影响到采场的稳定性，据此，在进行采 场稳定性研究时，有必要确定采场的极限暴露面积与采场的最优结构参数。由于矿 山地下作业的环境非常复杂，在进行矿体回采时，矿岩的稳定性往往收到诸多因素 的影响，包括地压活动、地下应力、地下水等，且一些影响因素的活动往往具有突 发性，活动规律难以预测。鉴于此，地下矿体开采活动往往会相应发生一些地下地 4 万方数据 中南大学硕士学位论文 l 绪论 压灾害事故，对采场稳定性构成较为严重的威胁，因此有必要对采场稳定性作一个 深入研究，确保采用合理的采场结构参数，防止采场暴露面积超过采场围岩的暴露 极限，是预防地压灾害产生的有效措施队3 3 , 3 4 1 。 1 ．3 研究内容及方法 1 矿山开采技术经济条件的掌握。通过现场勘查，收集资料，掌握四川汉源 石沟石膏矿的矿床地质条件，水文地质条件等基本研究资料。通过室内岩石力学试 验，结合岩石力学理论，掌握矿岩的基本力学性质。 2 采矿方法的初选、优选研究。根据四川汉源石沟石膏矿开采技术经济条件， 依据类似矿山开采经验，确定石膏矿山开采的初选方案。基于A N P 网络分析与模糊 数学理论，建立采矿方案的评价模型，最终抉择出最优采矿方法。 3 采场稳定性研究。采场极限暴露面积与采场结构参数的确定，矿柱的稳定 性的研究是研究采场稳定性的重要方面，基于M a t h e w s 理论与岩石力学理论，结合 工程实际，确定出石膏矿采场的极限暴露面积以及矿柱的稳定性。 4 结构参数优化。根据工程实际，依据采场稳
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