资源描述：
分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯。 U D C ⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 十约大学 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学 论文题目 学科、专业 研究生姓名 导师姓名及 专业技术职务 中南大学 2 0 1 2 年4 月 文 圭究一 一 一 监巫 一 一 旦塞坠 一 薹} 一 煎苤划一盔斯一丛剃一L 直望{ 一一 生鱼 一 一 分类号 U DC 硕士学位论文 密级 编号 【I I I l [ 1 i l t [ 1 l l [ I [ 1 l t M I l l l 1 [ 1 l l { q [ 1 l l l Y 2 19 7 3 7 2 锡矿山残矿资源安全回收专项论证 及开采技术方案研究 S t u d yo ft a i l i n g - - c e m e n t e dm a t e r i a l sp r o p o r t i o na n d b a c k f i l l i n gt e c h n o l o g yt r a n s f o r m a t i o n 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 杨建 安全技术及工程 资源与安全工程学院 壬新民 教授 论文答辩日期盘 丛f 生旦哆日 答辩委员会主 中南大学 2 0 12 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。 作者签名垃壁日期之 兰年上月丛日 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。 作者签名拖箜 导师签名蒸鼬日期立 兰年』月粤日 硕士学位论文 摘要 摘要 锡矿山经过百余年来的开采，特别是前期受采矿技术的局限，导致残留大量的 锑矿资源不能及时回收，并形成了大量采空区。采空区的存在使残矿回采环境恶化， 矿柱易发生变形破坏，严重时可能导致大面积冒落、地表塌陷和突水等自然灾害的 发生，甚至造成重大的人员伤亡和严重的经济损失。随着社会经济的快速发展，矿 产资源加速消耗，导致易于开采的优质资源日渐枯竭，为维持矿山企业稳定生产， 除加大深部和外围勘探力度，增加保有储量外，还应加大残矿资源回收力度。为此， 本文针对湖南闪星锑业有限责任公司怎样安全、经济、高效的回采残矿资源进行了 系统和深入的研究，主要内容如下 1 通过对锡矿山残矿资源开采技术条件的分析和开采范围内大量采空区的 实地勘查，针对采空区的稳定性，利用模糊数学理论分析原理，对采空区的稳定性 进行危险性分级。 2 由于模糊评判原理自身的局限性，分析结果不一定非常可靠，因此，为 了佐证分析的正确性，在此基础上，利用数值模拟方法进行客观的分析，分析结果 表明2 “和矿空区群部分地段顶板拉应力值超过极限抗拉强度，处于临界状态，其 余空区均相对安全。 3 为了安全、高效、科学的回采锡矿山残矿资源，设计残矿回收方案，根 据残矿资源技术分类和技术条件，运用模糊数学 F u z z y 和层次分析法 A H P 的基本理论，在建立综合评判指标体系的基础上，对4 种备选开采模式方案进行综 合评判优选。从经济、技术、安全指标三方面综合考虑影响开采方案的因素，并将 其转换成隶属矩阵。通过层次分析法客观的确定各因素的权重向量，进而构建模糊 综合评判模型。运用模糊数学原理计算出各方案基于影响因素的综合优越度，得出 备选开采模式方案的优越度，从而确定开采方案最优。 4 为了选取合理的采场结构参数，在矿岩与充填体力学参数的基础上，运 用M I D A S 有限元分析软件，对残矿资源回采的采场结构参数进行优化。基于采场 极限暴露面积，利用M I D A S 模拟不同采场的结构参数、不同回采模式下的采场应 力状态和变形情况，综合分析模拟结果，最终确定最优方案。 5 对最优采矿方案进行单体设计和优化，包括采准切割工程的巷道布置、 采矿设备选型与配套；采场充填技术 包括接顶技术、泄滤水技术等 ；采矿方法 经济效益分析；安全回收措施等。 关键词残矿采空区危险性分级模糊评判层次分析法M I D A S 中南大学硕士学位论文 一 些璺里坚 A BS T R A C T A 舭rh u n d r e d so fy e a r so fm i n i n go fX im i n e s ，e s p e c i a l l yw i t ht h el i m i t a t i o no f e a r l ym i n i n gt e c h n o l o g y , al a r g ea m o u n to fr e m a i n i n ga n t i m o n yo r e ，c a nn o tb et i m e l y r e c o v e r e d ，i sr e m a i n e d ．A n dal a r g en u m b e ro fm i n e d - o u ta r e a sa r ef o r m e d ，w h i c h l e a d s t ot h ed e t e r i o r a t i o no ft h ee n v i r o n m e n to fr e m a i n i n go r er e c o v e r y ，d e f o r m a t i o no fo r e p i l l a r , m a r l yn a t u r a ld i s a s t e r sl i k el a r g ea r e ar o o ff a l l ，s u r f a c es u b s i d e n c ei nl a r g ea r e aa n d Ⅵr a t e ri I l r u s h 。a n de v e nc a u s i n gs i g n i f i c a n tc a s u a l t i e sa n ds e r i o u se c o n o m i cl o s s e s W i t h t h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h ec o n s u m p t i o no fm i n e r a lr e s o u r c e sI S a c c e l e r a t i n g ．1 e a d i n gt od e p l e t i o no fe a s i l ym i n e dr e s o u r c e so f h i g hq u a l i t y ．I no r d e rt o m 副碱ns t a b l ep r o d u c t i o no fm i n i n ge n t e r p r i s e s ，r e s e r v e s h o u l db ei n c r e a s e db Y i m p r o v i n gt h ei n t e n s i t yo fd e e p a n dp e r i l - h e r a lp r o s p e c t i n g ；f u r t h e rm o r ee n o r t so t r e m a i l l i n go r er e c o v e r ys h o u l db ep a i d ．T h e r e f o r e ，t h i sp a p e rh a ss y s t e m a t i ca n di n ’d e p t h r e s e a r c hb a s e do nh o wt om i n et h er e m a i n i n g l i m i t e dR e s p o n s i b i l i t yC o m p a n y , w i t hs a f e t y , i sa Sf o l l o w s o r e ，i nH u n a nS h a n x i n ga n t i m o n yi n d u s t r y e c o n o m ya n de f f i c i e n c y ．T h em a i nc o n t e n t 1 T h r o u g ht h ea n a l y s i so fm i n i n gt e c h n o l o g yc o n d i t i o n si nX im i n e s a n daw i d e r a l l g eo ff i e l de x p l o r a t i o ni nm a n ym i n e d - o u ta r e a sa n dt h es t a b i l i t yo fm i n e d ‘o u ta r e a S ， r i s kc l a s s i f i c a t i o no ns t a b i l i t yo fm i n e d - o u ta r e a sh a sb em a d ew i t h t h ea n a l y s i sp r i n c i p l e o ff u z z ym a t h e m a t i c st h e o r y ． 2 D u et ot h el i m i t a t i o n so ff u z z ye v a l u a t i o nt h e o r yi t s e l f , a n a l y s i sr e s u l t sm a y n o tb e v e r yr e l i a b l e ．a n dt h e r e f o r ei no r d e rt os u p p o r t t h ec o r r e c t n e s so ft h ea n a l y s i s ，n 眦e n c a l s h I l u l a t i o nm e m o d ，f o r6 b j e c t i v ea n a l y s i s ，i su s e da n da n a l y s i sr e s u l t sp r e s e n tt h a tr o o f t e n s i l es t r e s sv a l u e si ns o m es e c t i o no f2 j f } a n d4 } ≠a r e a e x c e e dt h eu l t i m a t et e n s i l e 咖e n 啦，t h ec o n d i t i o no fw h i c hi sc r i t i c a l ，a n dt h er e s tm i n e d 。o u t a r e a sa r er e l a t i v e l y s a f e ． 3 I no r d e rt os t o p e t h er e m a i n i n go r er e s o u r c ei nX im i n ew i t hs a f e t y , h i g he f f i c i e n c e 锄db e i I l gs c i e n t i f i c a la n dt h er e c o v e r yp r o g r a m m ed e s i g no fr e m a i n i n go r e ，b a s e do n t h e t e c h n 0 1 0 9 vo f r e m n a n to r ec l a s s i f i c a t i o na n dt e c h n i c a lc o n d i t i o n s ，u s i n gb a s i ct h e o r yo f 内亿z 、rm a t h e m a t i c s F u z z y a n da n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s A H P ， f o u rk i n d so f o p t i I 】 1 i z a t i o no fm i n i n gm o d e lo fa l t e r n a t i v ea r ee v a l u a t e dc o m p r e h e n s i v e l y O i lt h eb a s i s o fi n d e xs v s t e mo fc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ．T h ei m p a c to ft h ef a c t o r s o fm i n i n g s c h e r r l es h o u l db ec o n s i d e r e df r o mt h r e ea s p e c t se c o n o m y , t e c h n o l o g y , a n ds a f e t y , w h i c h s h o u l db ec o I Ⅳe r t e di n t oa t t a c h e dm a t r i x ．T h r u o u g hA H P , i td e t e r m i n e so b j e c t i v e l yt h e I I w e i g h tv e c t o r 。ff a c t o r s a n dc 。n s t r u c t saf u z z yc 。m p r e h e n s i V e e V a l u a t i 。nm o d e l ． P r o g r a n l l n e s ，b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v es u p e r i o ro f i n f l u e n c ef a c t o r s ，a r ep r o d u c e d 谢t 1 1 舭吻m a t h e m a t i c st h e o r y , w h i c hp r e s e n t st h es u p e r i o ro fa l t e r n a t i v em i n i n g m o d e lt od e t e r m i n eo p t i m a lm i n i n gm o d e l f 4 I no r d e rt os e l e c tp r o p e rs t r u c t u r ep a r a m e t e r s o ft h es t o p e ，o nt h eb a s l so r m e c h a m c a lp a r a m e t e r so fr o c ka n db a c k f i l l i n g ，u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o 士t 、V a r eo t M I D A S ．咖c t I 】r ep a r a m e t e r so fr e m a i n i n go r em i n i n gs t o p eC a n b eo p t i m i z e d B a s e do n m i n i n gl i m i te x p o s u r ea r e a , s i m u l a t i o n ，u s i n gM I D A S ，o f d i f f e r e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r s 0 fS t o p e ，s t r e s s e sa 1 1 dd e f o r m a t i o n so fm i n i n gs t o p eo f d i f f e r e n tm o d e ，s i m u l a t i o nr e s u l t s o fa n a l y s i s ，i tu l t i m a t e l yd e t e r m i n e st h eo p t i m a lp l a n f 5 1o p t i m i z a t i o n so fa r c h i t e c t u r a ld e s i g na n dt h eo p t i m u mr m m n gp r o g r 黜e 盯e i n c l u I a e dd e v e l o p i n gm i n i n g ．c u t t i n gp r o j e c ta n dl a y o u to fr o a d w a y , m l m n ge q u i p m e n t s e l e c t i o na 1 1 dm a t c l l i n g ，s t o p eb a c k f i l l i n gt e c h n o l o g y i n c l u d i n g t o pb a c k f i l l i n g t e c l l l l o l o g y ，w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e s ，a n a l y s i so f t h ee c o n o m i cb e n e f i t so fm l m ‘培 m e t h o d sa n ds e c u r i t yr e c o v e r ym e a s u r e s ． K e y w o r d s r e m a i n i n go r e ，m i n e d o u ta r e a , r i s k c l a s s i f i c a t i o n ，f u z z ye v a l u a t i o n ， a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sA H P , M I D A S I I I 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯_ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 目 录⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I V 第l 章概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外残矿回收研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 国外残矿回收研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 国内残矿回收研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。2 1 ．3 研究内容与路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 ．2 研究路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 第2 章残矿资源开采技术条件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 ．1 矿山地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 。1 ．1 矿区地理位置及交通情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 2 ．1 ．2 矿区气候条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 ．1 ．3 矿区工作制度和劳动组织形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．2 矿山地质及构造特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．2 ．1 矿床地质特征及矿体特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．2 ．2 地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．3 矿物成份⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．2 ．4 矿床的构造特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．5 工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．6 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1O 2 ．3 矿山开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．1 开采概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．2 采矿方法及评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．4 矿山地压活动情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．5 采空区现状及影响范围分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．6 残矿资源分布及开采技术条件分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．6 ．1 残矿资源分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．6 ．2 残矿资源分类统计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 第3 章采空区稳定性综合评判⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 I V 中南大学硕士学位论文目录 3 ．1 大面积采空区失稳的危险度分级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 ．1 影响大面积采空区失稳的地质因素及指数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．1 ．2 影响大面积采空区失稳的开采技术条件因素及指数⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．1 ．3 大面积采空区失稳状态的综合指数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．1 ．4 大面积采空区失稳的危险度等级划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．1 ．5 锡矿山大面积采空区失稳的危险度等级确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 3 ．2 锡矿山空区群稳定性模糊评判⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．2 ．1 模糊评判方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．2 ．2 影响采空区稳定性的地质因素及指数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．2 ．3 隶属函数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．2 ．4 锡矿山采空区稳定性模糊评判⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 3 ．3 空区稳定性数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．3 ．1 空区模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 3 ．3 ．2 矿区数值计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 3 ．3 ．3 模型有限元网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 3 ．3 ．4 力学属性赋值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 3 ．3 ．5 模型边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 2 3 ．3 ．6 荷载及计算方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 3 ．3 ．7 采空区稳定性数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 3 ．4 ／I 、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 第4 章残矿回收方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 4 ．1 残矿资源回收前空区处理措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．2 残矿资源技术分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 4 ．3 残矿开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．4 残矿回收方案初选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．4 ．1 人工混凝土矿柱替代法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 4 ．4 ．2 房柱嗣后充填法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 4 ．4 ．3 上向水平分层进路充填法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 4 ．4 ．4 分段矿房嗣后充填法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 4 ．5 矿壁回收方案优化选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 4 ．5 ．1 采矿方案综合评价指标体系构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 4 ．5 ．2 层次分析法确定影响因素权重⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 4 ．5 ．3 采矿方法模糊综合选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 4 ．6 采场结构参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 V 中南大学硕士学位论文 目录 4 ．6 ．1 采场极限暴露面积⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 4 ．6 ．2 空区极限暴露面积与跨度确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 4 ．6 ．3 采场结构参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 4 ．7 采矿方法方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 4 ．7 ．1 上向水平分层进路充填法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 4 ．7 ．2 人工混凝土矿柱替代法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 9 4 ．8 残矿回收安全措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 5 第5 章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 4 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 5 V I 中南大学硕士学位论文第1 章概述 1 ．1 研究背景及意义 第1 章概述 矿物是加工工业的重要基础材料，随着国民经济持续快速发展，矿产这种不可 再生资源被加速消耗，易于开采的优质矿产资源日渐枯竭。为满足工业生产对原材 料日益增长的需求，保持经济社会可持续发展，矿产资源开发除继续向地层深部推 进外，还应充分回收残矿资源。但残留资源二次开发，安全技术条件极为复杂，许 多矿山在回收残矿资源时，常常因为遇到安全和技术的困难，而达不到预期的效果。 因此，研究残留资源安全开采工艺技术，寻找解决这一问题的科学途径，对于充分 回收有用资源、提高矿山企业经济效益，保证经济持续发展均具有十分重要的意义。 湖南闪星锑业有限责任公司 原锡矿山矿务局，以下简称“闪星锑业” 位于号 称世界锑都的湖南省冷水江市，以储量大、质地纯、产量高、质量好而著称于世界。 矿体属典型的缓倾斜似层状，矿体倾角1 5 ～2 5 0 ，局部可达3 0 ～4 0 0 ，矿体厚度1 ．5 ～4 m 至4 - - i m ，局部可达1 5 ～2 0 m ，各层矿体间夹层厚度2 ～6 m 。矿体顶板为钙质页岩或 碳质页岩 西部断层附近 ，稳定性较差，易冒落。 锡矿山矿务局是一个开采历史百年以上的老矿山，其锑储量及产量曾居世界第 一位，经过数次技术改造，已形成年产原矿5 5 ～6 5 万t ／a ，采掘总量6 0 万t ／a 南矿 3 0 ～3 5 万t ／a ，北矿2 5 ～3 0 万t ／a 的生产能力。与其他老矿山一样，闪星锑业也面 临储量消耗过大，保有储量日益减少的困境。为维持矿山企业稳定生产，除加大深 部和外围勘探力度，增加保有储量外，还应加大残矿资源回收力度。 闪星锑业经过百余年来的开采，特别是前期受采矿技术的局限，残留了大量宝 贵的锑矿资源，其中南矿残矿量更高达1 2 9 7 1 6 0 t ，如能将这部分残留资源充分加以 回收，不仅可以提高矿山经济效益，延长矿山服务年限，而且在回收残矿的同时， 对遗留采空区进行处理，可以从根本上消除采空区安全隐患，保护地下地表环境， 兼具较高的环境效益和社会效益。但残留资源开采的可行性必须通过安全开采的专 题研究，在充分考虑如下特殊开采条件的前提下，经过科学论证和相应的安全技术 对策，确保残矿资源安全回收 1 残矿资源周围多为老采空区，尤其是南矿2 中段及其以上中段两边的残 采资源 3 0 万t 是解放前遗留下来的，周围空区密布，分布状况不明，且接近地 表。其他中段残采资源周围空区虽然进行了充填处理，但处理效果较差，普遍没有 充满，如果空区上方存在积水，则残矿回收时必须充分考虑积水的控制和处理措施。 2 残采资源都是历史上采用空场法开采时作为矿柱遗留下来的，如果对其 中南大学硕士学位论文 进行回收，势必引起上覆岩层和地表的沉降与移动， 理同步进行，且做好地压监测与安全监控工作。 第1 章概述 因此，残矿回收必须与空区处 3 残矿资源的突出特点是点多面广，且单个地点矿量有限，必须统筹考虑 运输、提升、充填、通风等系统。 为此，湖南闪星锑业有限责任公司和中南大学合作开展残矿资源回收可行性及 安全、高效、经济开采技术研究，在充分调查、分析残矿资源开采技术条件 尤其 是空区状况 的基础上，通过理论分析、数值模拟等综合手段，对残矿资源回收的 可行性进行专项论证，并对残矿资源的开采方法进行研究，为最大限度地安全回收 残矿资源提供技术支持。 1 ．2 国内外残矿回收研究现状 1 ．2 ．1 国外残矿回收研究现状 非可再生矿产资源的开发和利用一直以来都是国外矿业发达国家十分重视的 问题，他们在矿产资源充分回收的研究方面一直走在世界的前列。如美国开发最早 的铜矿山M o r e n c i 铜矿和R a y 铜矿，最初均是地下开采矿山，由于产生了众多 空场，使得大量残矿资源无法回收，后改造为露天开采矿山，产能达到了4 - 6 万t ／d ， 残矿资源均得到了充分回收；同样位于亚利桑那州S a nM a n u e l 铜矿，针对其品位低、 破碎、矿体厚大的赋存特征，矿体开采主要采用阶段崩落法，而老崩落区的残矿则 利用溶浸采矿法对铜金属进行回收；针对房柱法遗留的矿柱及残矿如美国密执安州 的W h i t eP i n e 铜矿，同样采用了溶浸采矿法。前苏联二十次党代会中央矿的3 1 ～3 7 号矿体利用阶段矿房法开采，在采空区中残留4 ．8 8 万t 矿石，矿山利用底盘漏斗回 收残矿，半年后回收了2 ．1 8 万t 铁矿石，平均品位达5 3 ．4 2 ％，同时大大降低了矿 块损失率伊里奇铁矿瓦梁柯箕斗井工业场地保安矿柱采用充填法开采，取得了良 好的经济效益。 1 ．2 ．2 国内残矿回收研究现状 国内许多矿山企业针对具体矿体残矿的特殊赋存情况和开采技术条件，借鉴国 内外类似矿山的开采经验，采用切实可行，合理可靠的回采方案进行残矿资源回收， 积累了较为丰富的经验。 湖南黄沙坪铅锌矿的残矿主要是边角细脉矿体以及少数遗留在巷道周边的细 小矿脉。这类残矿的赋存状态极不规则，矿岩稳定性好、强度高，矿石品位高，采 用全面空场留矿法进行回收。开采方式是工人站在矿堆上作业，自下而上分层回 采，每一分层采出的矿石利用自重放出1 ／3 左右，剩余部分暂留在矿房中充当继续 上采的工作台，矿房结束回采后，再放出全部矿石。 2 中南大学硕士学位论文第1 章概述 湘西金矿挂壁残矿规模较小 一般宽度为3 - 5 m ，厚度1 ．5 ～3 ．5 m ，斜长约5 0 m ， 残留矿壁遗留在尾砂与干式充填料中，由于充填料强度低，稳固性差，因而向上开 掘小断面拉底沿脉上山至上阶段回风平巷，然后从沿脉上山分段后退并采用控制爆 破技术进行扩帮压顶回采矿石。工作面顶板岩层则通过安设长锚索和短锚杆来加 固。若两侧的尾砂在残矿回采过程中崩塌，则通过人工将选出的矿石运出，随后用 立柱与木板或水泥堵封塌落区域，阻止尾砂持续崩塌。残留矿壁回收完毕后，封堵 漏斗，利用充填料回填空区。若难以在矿壁中掘进上山，则可从矿壁与尾砂接触面 掘出尾砂的同时通过超前支护构筑假进路，再从假进路一侧自上而下，剥皮式采出 矿壁。 广西高峰矿业有限责任公司采用支架进路法残矿回采矿岩中等稳固的1 0 0 号矿 体残矿。首先将分段沿脉电耙运输巷道布置在矿体下盘，溜矿井则间隔4 0 m 布置。 采空区利用沿脉电耙运输巷运送的充填料进行回填，并在充填体上构筑混凝土假 顶，厚度0 ．5 ～1 ．O m ，养护后的混凝土强度必须达到2 - 3 M P a 。然后沿矿体的一端掘 进穿脉进路。当地压较小时，回采进路采用木支架进行支护；当地压大且顶板破碎 时，回采进路则采用液压支架进行支护。在进路中采用浅孔落矿，电耙和溜井出矿。 铜绿山矿条柱实际宽度一般为8 ～l O m ，被流动性好的松散炉渣充填料包裹。矿 房一次回采始于上世纪7 0 年代初，充填接顶效果不理想，大多数残留矿柱成为地 下应力的集中区。因受回采爆破的影响，加之井巷工程的穿越，矿柱的完整性与稳 定性均遭受不同程度的削弱。残柱开采区段上盘地表为古铜矿遗址，属国家重点保 护文物，矿山开采不能对该遗址产生任何不良影响。因此，对铜绿山矿残留矿柱回 收来说，保证地表建筑物的安全是回采作业的前提，降低成本是关键。根据这一原 则，针对残留矿柱所特有的开采技术条件，确定选用上向梯段胶结充填采矿方法为 残柱回采的试验方法。该采矿方法采用超前拉槽、分次落矿、梯段式推进等独特的 采矿工艺，成功地解决了残矿回收过程中技术和经济难于统一的问题，取得了良好 的技术效果与显著的经济效益u j 。 邵东石膏矿矿体位于县城、农田和河流下，走向长约9 0 0 ～1 2 0 0 m ，倾角6 ～1 2 0 。 为降低开采成本，自1 9 6 0 年以来，一直采用房柱法开采，采后空区不充填，沿走 向和倾向留连续矿柱支撑上覆岩层，随着开采时间的推移，采空区不断扩大，其稳 定性及空区内矿柱的应力状态等问题越来越引起矿山的关心。为了解决上述问题， 武汉工业大学和矿方组成联合攻关组，采用大量光弹应力计全面长期监测采空区的 地压变化，进而摸索出采空区地压变化的规律，对空区的稳定性作出评价，以指导 矿山生产。 综上所述，对于残柱残矿，在充分掌握具体开采技术条件基础上，经周密设计， 审慎施工，并采取充分安全措施，可以实现最大程度的安全回采。 中南大学硕士学位论文第1 章概述 1 ．3 研究内容与路线 1 ．3 ．1 主要研究内容 1 安全专项论证 1 采空区现状、处理方式与处理效果调查与分析； 2 残矿资源分布状态及规模与开采技术条件调查、分析、分类； 3 矿山工程地质条件综合分析与评价； 4 矿岩力学参数测试及工程处理； 5
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