中厚急倾斜破碎磷矿体安全高效开采技术研究.pdf

中图分类号 U D C T D 8 5 3 硕士学位论文 学校代码 密级 1 0 5 3 3 中厚急倾斜破碎磷矿体安全高效开采技术研究 S t u d yo fs a f e t ya n de f f i c i e n tm i n i n gt e c h n o l o g yf o r m e d i u m - - t h i c ks t e e pa n df r a c t u r e dp h o s p h a t eo r e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 廖九波 采矿工程 采矿与岩石力学 资源与安全工程学院 李夕兵教授 中南大学 2 0 13 年3 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。 作者签名扯 日期趔年』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。 作者签名丝导师上哆年』月卫日 中南大学硕士学位论文摘要中厚急倾斜破碎磷矿体安全高效开采技术研究摘要用沙坝矿中厚急倾斜矿体松软破碎、埋藏深、价值高，为复杂难采矿体，针对此类矿体的开采技术条件，从技术经济比较初选五种采矿方案。然后针对影响采矿方法优劣的1 4 项评价指标的未确知性，利用V C 语言开发了基于未确知数学理论的采矿方法优选系统，结合用沙坝矿的工程实际情况，通过计算和分析研究，确定了该类矿体最优的采矿方法为人工假顶下向交错分段充填采矿法。通过C A D 和M I D A S ／G T S 软件严格按设计图纸建立了前期实体模型，将其导入到F A L C 3 D 有限差分计算软件中进行数值计算，对人工假顶下向交错分段充填法的人工假顶和采场结构参数作为一个有机整体进行分析。针对不同参数方案，分别模拟回采中矿岩位移场、应力场和塑性区的变化情况，确定采场最优结构参数为高2 0 m 、宽2 0 m 。现场工程应用证明，最优结构参数的人工假顶下向交错分段充填法能保证回采作业的安全性，显著地提高了矿石回收率，降低了矿石贫化率，及时有效地充填了采空区，减小了采矿成本，扩大了采场生产能力，增加了矿山的综合效益。同时，针对该采矿方法的高应力脉内凿岩巷道受到爆破震动破坏的情况，运用颗粒流程序P F C 2 D 对动载荷作用下凿岩巷道的稳定性进行了数值分析，根据B l a s t m a t eI I I 监测仪得到现场实测数据，选取了3 条不同的实测振动速度时程曲线作为动载荷输入，分别进行了静力和动力分析。结果表明相比于静态分析，爆破震动作用下岩体应力、位移及塑性区发生了更显著地变化；随岩体质点振动速度增大，巷道围岩的应力、位移及裂纹数量也明显增加。为了避免爆破震动诱发高应力脉内凿岩巷道失稳冒落，提出了相关合理的建议。该论文有图1 1 7 幅，表3 9 个，参考文献8 0 篇。关键词急倾斜破碎矿体；采矿方法优选；未确知数学理论；采场结构参数；脉内凿岩巷道；爆破震动分类号T D 8 5 3 S t u d yo fs a f e t ya n de f f i c i e n tm i n i n gt e c h n o l o g yf o rm e d i u mt h i c k n e s ss t e e pa n df r a c t u r e dp h o s p h a t eo r eA b s t r a c t T h ed e p o s i to ft h eY o n g s h a b am i d d l e - t h i c ks t e 印a n df r a c t u r e dO r e ．b o d ym i n ep o s s e s s e ss o m ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sp o o rr o c k m a s s ，d e e p ．1 y i n ga n dh i g h ．v a l u e ，b e l o n g st od i f f i c u l t t o - m i n eo r e - b o d i e s ．F i v em i n i n gm e t h o d sa r es e l e c t e df o rt h e s eO r e b o d i e s ，a c c o r d i n gt o1 t st e c h n i c a lc o n d i t i o na n dr e a l i t y , t e c h n o - e c o n o m i c s ．T h e n ，t a m i n ga tu I l C e r t a i ni n f o r m a t i o no f14e v a l u a t i o nf a c t o r si na f f e c t i n gm i n i n gm e t h o d st h ep r o sa n dc o n s ，m i n i n gm e t h o do p t i m i z a t i o ns y s t e mb a s e do nu n a s c e r t a i n e dm a t h e m a t i c st h e o r yw a sd e v e l o p e db ym e a n so fV C l a n g u a g e ．Y o n g s h a b aa c t u a le n g i n e e r i n gp r o j e c ti sc a l c u l a t e da n da n a l y z e db yu s i n gt h ee v a l u a t i o ns y s t e m ，a n dt h er e a s o n a b l em i n i n gm e t h o df o rt h em a n u a lr o o fd o w n w a r ds t a g g e r e ds u b l e v e lb a c k f i l li ss e l e c t e d ．S t r i c t l ya c c o r d i n gt od e s i g nd r a w i n g s ，e n t i t yo r e b o d ym o d e lw a se s t a b l i s h e dt h r o u g hM I D A S ／G T Sa n dC A Ds o f t w a r e ，a n di tW a si m p o r t e di n t oF A L C 3 Df i n i t ed i f f e r e n c es o f t w a r ea n de n t i t yo r e b o d ym o d e ln u m e r i c a lc a l c u l a t i o n sw e r ep e r f o r m e d ．T h em a n u a lr o o fa n ds t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e ri nf i n a lm i n i n gm e t h o dw e r ea n a l y z e da sa no r g a n i cw h o l e ．R o c kd i s p l a c e m e n tf i e l d ，s t r e s sf i e l da n dt h ep l a s t i cz o n ev a r i a t i o nr u l ed u r i n gm i n i n gw e r es i m u l a t e da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ts t o p e sp a r a m e t e r s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb e s ts t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e ra r e2 0 ms t o p e ’sh e i g h t ，2 0 ms t o p e ’Ss p a n ．T h r o u g he n g i n e e r i n gs i t ea p p l i c a t i o n s ，t h ef i n a lm i n i n gm e t h o dp r o v e st h a tt h es u g g e s t e dm i n i n gm e t h o dC a np r o v i d e sas a f ew o r k i n gc o n d i t i o n ，i n c r e a s e st h eo r er e c o v e r yr a t i oo fm i n i n gs i g n i f i c a n t l y , r e d u c e st h eo r ed i l u t i o nr a t e ，f i l l sm i n e d - o u t - a r e a se f f e c t i v e l y , a n dr e d u c e sm i n i n gc o s t ．T h u s ，t h ep r o d u c t i v ea b i l i t yC a nb ee x t e n d e d ，a n dt h em i n e ’Sc o m p r e h e n s i v eb e n e f i t sC a nb eo b t a i n e d ．M e a n t i m e ，f o rt h er e a s o nt h a tt h eh i g h l y - s t r e s s e di n - v e i nd r i l ld r i f ti nt h ef i n a lm i n i n gm e t h o di ss e v e r e l yd e s t r o y e db yb l a s t i n gv i b r a t i o n ，t h es t a b i l i t yo ft h ed r i l ld r i f tu n d e rd y n a m i cl o a d i n gi sc a r r i e do u tw i t hp a r t i c l e ．f l o wp r o g r a mP F C 2 D ，a c c o r d i n gt ot h ei n - s i t ut e s td a t am e a s u r e dI I I 中南大学硕士学位论文 b yB l a s t m a t eI I Im o n i t o ri n s t r u m e n t ．T h r e ed i f f e r e n tm e a s u r e dv i b r a t i o n v e l o c i t yt i m e - d e p e n d e n tc u r v e sa r es e l e c t e da sb l a s t i n gv i b r a t i o ni n p u t ． A n ds t a t i cc a l c u l a t i o na n dd y n a m i cc a l c u l a t i o na r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y ． T h er e s u l t ss h o w st h a tt h ev a r i a t i o nr u l eo fs t r e s s f i e l d s ， d i s p l a c e m e n tf i e l d sa n dc r a c kf i e l d si ns u r r o u n d i n gr o c ku n d e rb l a s t i n g v i b r a t i o nw i l li n c r e a s eo b v i o u s l yc o m p a r e dw i t ht h es t a t i ca n a l y s i s ．T h e h i g h e rr o c kv i b r a t i o nv e l o c i t y , t h em o r es i g n i f i c a n td y n a m i cd i s t u r b a n c e i n f l u e n c e so nt h es t r e s s ，d i s p l a c e m e n ta n dc r a c kq u a n t i t i e si ns u r r o u n d i n g r o c k o ft h et u n n e l ．S e v e r a ls u g g e s t i o n st oa v o i di n s t a b i l i t ya n ds u b s i d eo f h i g h l y - s t r e s s e dt u n n e li n - v e i nd r i l ld r i f ti n d u c e db yb l a s t i n gv i b r a t i o na r e m a d e ． K e yw o r d s s t e e pa n df r a c t u r e do r e b o d y ；m i n i n gm e t h o do p t i m i z a t i o n ； u n a s c e r t a i n e dm a t h e m a t i c st h e o r y ；s t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r ；i n v e i nd r i l l d r i f t ；b l a s t i n gv i b r a t i o n C l a s s i f i c a t i o n T D 8 5 3 I V 中南大学硕士学位论文目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。i 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 课题研究意义、目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．3 国内外研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 ．1中厚急倾斜破碎矿体开采的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 ．2 采场结构参数优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．3 动力扰动下巷道围岩动态响应规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．4 研究方法、内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．4 ．1 研究方法及内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 中厚急倾斜破碎磷矿体采矿方法选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．1 采矿方法选择依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 ．2 采矿方法初选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 ．2 ．1 人工假顶下向阶段充填采矿法 方案一 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．2 ．2 人工假顶下向同分段充填采矿法 方案二 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．3 人工假顶下向交错分段充填采矿法 方案三 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．2 ．4 脉内采准上下凿岩中深孔侧向落矿充填采矿法 方案四 ⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 2 ．2 ．5 脉外脉内联合采准向上凿岩中深孔落矿充填法 方案五 ⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 2 ．3 采矿方法优化选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 2 ．3 ．1 各采矿方案综合比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 2 ．3 ．2 未确知测度理论方案优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 采场稳定性数值模拟与参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．1 数值计算方法的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．2 基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．3 岩体力学参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．4 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 中南大学硕士学位论文目录 3 ．5 模拟计算及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 3 ．5 ．1 采场顶板稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 3 ．5 ．2 人工假顶稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 3 ．5 ．3 参数优化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 中厚急倾斜破碎矿体采矿方法工业试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．1 工程应用背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．1 ．1 试验地点选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 4 ．1 ．2 试验矿段开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 4 ．2 采切工程布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．3 人工假顶设计与施工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 4 ．3 ．1 人工假顶目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 4 ．3 ．2 人工假顶方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 4 ．3 ．3 人工假顶方案现场施工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 4 ．4 采场回采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 4 ．4 ．1 采场凿岩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 4 ．4 ．2 采场爆破⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 4 ．4 ．3 采场支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 4 ．4 ．4 采场出矿⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 4 ．4 ．5 采场通风⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 4 ．4 ．6 采场充填⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 4 ．5 现场试验应用效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 4 ．5 ．1 采矿直接成本计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 4 ．5 ．2 充填材料成本计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 4 ．5 ．31 1 0 0 分段人工假顶成本⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 4 ．5 ．4 总成本分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 5 爆破震动对脉内巷道稳定性影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 5 ．1脉内凿岩巷道受动载荷扰动破坏概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 5 ．2 爆破震动效应的现场研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 5 ．3 数值计算模型和方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 5 ．3 ．1 颗粒流软件P F C 2 D 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 5 ．3 ．2P F C 2 D 动力计算步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 5 ．3 ．3 数值分析模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 中南大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 ．1 课题来源 开磷集团是我国大型磷矿生产基地，其旗下的用沙坝矿目前面临的主要困难 是占全矿1 0 ％左右的中厚急倾斜破碎矿体无法安全高效地开采，造成矿山回采的 采场数量少，难以达到设计生产能力【l 训。集团公司2 0 1 2 年对下属矿山下达了进 一步扩大生产能力要求，矿山增产压力严重。如何安全经济地回采中厚急倾斜破 碎矿体，是当前矿业总公司以及用沙坝矿上下特别关心的问题，也是本课题研究 将要解决的重大技术难题。 2 0 0 9 年，矿山曾组织人员对中厚急倾斜破碎矿体采矿方法进行过初步研究， 采用机械化盘区分段中深孔落矿充填采矿法，但该开采方案回收率和采场生产能 力过低，废石混入率和贫化率过高。同时，还存在着如下问题①铲运机直接在 暴露高度1 0 多米的采场中作业，安全性差；②脉内分段巷道多，采准比大；③ 采场一次崩矿量少，工作面数量少，回采强度与生产效率低等问题【5 ‘‘7 1 。 虽然通过技术研究与优化设计，通过合理布置矿块结构，提高机械化程度； 通过严格管理制度，加强监督管制，规范作业流程等措施，可提高资源回收率， 降低开采的贫损指标，减少贫化率，但受矿体开采技术条件的影响，其降低的贫 损程度有限，必须积极寻求新的采矿方法，才能从根本减少矿石的贫化指标，从 而达到提高企业经济效益的目的，并要能确保回采作业的安全。 故急需针对这类中厚急倾斜破碎矿体开展相应的采矿方法研究。 1 ．2 课题研究意义、目的 用沙坝矿中厚急倾斜破碎磷矿体多分布在矿区两翼，即赋存于S l 盘区、S 2 盘区和S 4 盘区，这类矿体倾角2 0 0 ～9 0 0 ，厚度3 ～7 m ，矿体直接顶板为0 ．5 m - 3 m 的 废石假顶，矿体极其破碎，有些采场刚拉开脉内凿岩巷道或切割槽时，矿体即开 始冒落，紧接着一段时间后顶板围岩也开始冒落，导致人员和设备都不能进入采 场作业，造成大量的矿石损失，回收率仅仅只有5 5 ％- 6 0 ％。此外，用现有方法 开采，为保障回采安全，上个中段与下个中段间预留了大量保安顶柱，造成了大 量优质资源的严重浪费。因此，为了提高矿山的年生产能力以及确保这类矿体回 采的安全，非常有必要对中厚急倾斜破碎磷矿体进行安全高效开采技术研究。 本项目针对中厚急倾斜破碎矿体的开采技术特点，进行回采方案研究，旨在 确定技术可行、经济合理的矿体回采方案，保证矿山安全生产，满足矿山整体运 营目标与采选匹配等方面的需求，达到良好的经济效益。 中南大学硕士学位论文绪论 有鉴于此，贵州开磷集团矿业有限责任公司遵从贵州省政府“把磷及磷化工 发展成为贵州经济支柱产业，把资源优势转化为经济优势”的战略部署，与中南 大学资源与安全工程学院开展技术合作，签订项目合同“用沙坝矿急倾斜破碎矿 体采矿方法研究”，针对用沙坝矿中厚急倾斜破碎矿体开展采矿方法与技术研究， 通过资料检索、采矿方法设计与优选、理论计算与数值模拟及现场工业试验，研 究确定合理的采矿方法及其回采技术，实现中厚急倾斜破碎难采矿体的安全、高 效、低成本开采，确保用沙坝矿产效稳步上升。 通过开展技术研究与攻关，了解与摸清贵州开磷 集团 矿业总公司公司用 沙坝矿中厚急倾斜破碎矿体三维地应力特征、矿岩基本物理力学参数及岩体力学 特性，提交合理的巷道、采场支护方法与支护手段；针对用沙坝矿该类矿体的赋 存条件，参考国内外相关的研究，初选几种可行的采矿方法，再用未确知优选理 论对采矿方法进行优选，选择适合该类矿体最合理的采矿方法，最后对选出的采 矿方法进行采场结构参数优化，现场工业试验以及爆破震动对采场内的凿岩巷道 稳定性的研究，通过这一系列研究确保该类矿体高效安全回采。课题研究各类目 标指标如下①损失率S 1 5 ％，贫化率≤6 ％；②人员伤亡率0 ；③盘区生产能力 8 0 0 t ／d 。 1 ．3 国内外研究概况 1 ．3 ．1 中厚急倾斜破碎矿体开采的研究现状 国内外广泛采用进路法、下向水平分层充填法、无底柱分段崩落法开采中厚 急倾斜破碎矿体，如专利C N l 0 1 1 3 9 9 3 0 A t 8 】“高进路转低进路提前降低顶板的方 法”采用下向分层进路充填法，安全程度高，贫损率小，但其缺点为机械化装 备水平低，工艺操作程度复杂，生产能力有限；专利C N 8 5 1 0 9 1 3 7 1 9 】“金属矿床下 向分层开采法”，虽然该法贫化率及损失率均不高，但该采矿法生产能力小，且 对地表环境破坏大；专利C N l 0 1 7 1 8 1 9 6 A [ 1 0 】“一种松软破碎矿体开采方法”采用无 底柱分段崩落采矿法，该方法虽生产能力大、安全性高、工艺简单，但其缺点为 贫化损失率过大，这对于高品位富矿体开采是不适合的，且极易造成地表沉降。 每个特定矿山中厚急倾斜破碎矿体赋存条件都不一样，没有统一的采矿方法可供 利用，需具体问题具体分析。因此本文研究创新核心体现在预构筑人工假顶框架 结构，采用下向胶结充填法，对中厚急倾斜破碎矿体的高安全性、高效率及低贫 化损失开采。 目前国内外在中厚急倾斜破碎矿体开采上的发展趋势主要为 1 采矿设备 机械化、大型化‘自动化，提高开采的高效性； 2 改善落矿工艺，采用大孔、 中南大学硕士学位论文绪论 中深孔，降低开采成本； 3 充填采矿法将成为未来低品位不稳固中厚急倾斜矿 体开采的主要方法，其将最大限度地降低开采的贫化率和损失率； 4 提高开采 的安全性，采用先进和合理的支护方法。 1 ．3 ．2 采场结构参数优化研究 1 力学解析法 采用力学解析法研究采场及其围岩稳定问题，分析采场结构参数优化时，一 般有弹塑性和弹性两种方法可以采用，都可按平面应变问题分析。原因在于，在 分析采场结构参数问题时，通常将围岩假设为连续性、各向同性的介质，同时采 场的延伸要远远超过采场断面的尺寸，故可采用平面应变问题进行研裂1 1 】。 2 工程地质条件判别 在地下工程，围岩破坏常常伴有声发射等现象，有时目测也能发现一些明显 的地质标志，故采用一定的设备和方法能掌握各类围岩的稳定性状态，在对采场 围岩稳定性评价时，需要给出不同岩体的各类稳定性级别，供现场设计和施工采 用【1 2 1 。 3 数值模拟法 大多的实际工程在特定地质条件下只能利用数值计算模拟求解，当前使用较 多的数值模拟方法主要有人工神经网络分析法、边界单元法、流形元法、有限单 元法、有限差分法、块体单元法和离散单元法等，采用这些数值模拟手段可定量 分析在开挖后采场围岩的应力场、位移场和塑性区等变化情况【1 3 J7 1 。 1 ．3 ．3 动力扰动下巷道围岩动态响应规律研究 在工程实际，处于高静应力作用下的巷道，周围的动力扰动极易致使巷道失 稳塌陷，附近传来的应力波会对巷道的稳定性构成极大的威胁，爆破效应等动力 扰动对地下工程安全稳定的破坏是客观存在的【1 8 , 1 9 】。朱万成等【2 0 ，2 1 】利用数值软件 R F P A 分析了高应力巷道围岩在动力扰动作用下的碎裂失稳过程，计算结果表明 动力扰动诱使巷道失稳与其周围的地应力状态密切相关。左宇军等【2 2 】借助R F P A 软件分析了在动载荷作用下的巷道围岩失稳过程。李顺波f 2 3 】等利用L S ．D Y N A 软 件分析了爆破振动速度对地下工程衬砌混凝土的影响，现场测震资料和室内实验 表明，地下工程爆破产生的应力波会造成新浇混凝土的损伤破坏。闰长斌等【2 4 J 采用F L A C 3 D 分析了爆破载荷对采空区稳定性的影响，计算表明在爆破震动 研究方面，现场测震确定安全距离和最大震速是主要的方法，此方法能够宏观控 制爆破效应对工程结构的破坏程度，但是无法确定围岩的动应力场和塑性区变化 中南大学硕士学位论文绪论 趋势，数值模拟可以系统研究动应力场分布规律，将成为近年研究爆破震动的主 要方法。本文采用颗粒流计算软件P F C 2 D 分析爆破振动速度对用沙坝矿高应力 脉内巷道围岩稳定性的影响，所得结果以便能为现场施工提供技术指导【”捌。 1 ．4 研究方法、内容和技术路线 I4 1 研究方法及内容 研究探讨中厚急倾斜破碎难采矿体的采准系统，结合用沙坝矿生产实际，获 得技术可行、经济合理的采准方式针对中厚急倾斜破碎难采矿体赋存条件和不 稳固的矿岩状况，查询国内外同类矿山的开采方法与支护技术，在此基础上对采 矿方法进行设计与优化，确定出适合的采矿方法与中厚急倾斜破碎难采矿体采 准、切割、出矿、通风、支护、充填等方法及技术手段等。此外，研究采场充填 方法与工艺，设计充填构筑物，探讨充填接顶技术，确保采场充分安全高效回采， 使回收率达到8 5 ％以上。主要研究内容如下 1 赉料收集与调研 2 矿体采准 系统耦合研究； 3 W 体开采方法设计与优化选择；f 4 采场回采工艺与技术研究； 5 采场地压控制技术研究； 6 井下充填方法与技术设捕； 7 现场工业试验； 8 技术经济分析 9 提交试验研究报告。 142 技术路线 本论文的技术路线如图1 - 1 所示 图1 - 1 论文的技术路线 摹 中南大学硕士学位论文中厚急倾斜破碎矿体采矿方法选择 2 中厚急倾斜破碎磷矿体采矿方法选择 2 ．1 采矿方法选择依据 中厚急倾斜破碎磷矿体采矿方法选择时，应遵循的原则如下 a ．使用充填料及时处理采空区，有效控制采区地压及围岩变形与移动； b ．工艺操作简单，采矿方法对不同矿体适应性强； c ．盘区生产能力高，采矿各类指标好，为矿山新增更多的经济效益； d ．井下脉外工程量大，废石量多，因此采矿方法要求尽量考虑废石与磷石 膏混合充填，以增大充填体强度，减少水泥耗量，降低充填成本 e ．用沙坝矿矿体平均真厚度为6 m ，根据矿体的开采技术条件，根据不同生 产能力的要求，选择采用脉内采准、沿脉采准、脉外采准或者脉内与脉外联合采 准等采准系统【2 7 2 引。 2 ．2 采矿方法初选 针对用沙坝矿中厚急倾斜破碎磷矿体的赋存状况，结合采矿方法选择依据， 初选了五个可行的方案。分别为人工假顶下向阶段充填采矿法 方案一 、人工假 顶下向同分段充填采矿法 方案二 、人工假顶下向交错分段充填采矿法 方案三 、 脉内采准上下凿岩中深孔侧向落矿充填采矿法 方案四 及脉外脉内联合采准向 上凿岩中深孔侧向落矿充填采矿法 方案五 。 2 ．2 ．1 人工假顶下向阶段充填采矿法 方案一 方案一为人工假顶下向阶段充填采矿法，如图2 - 1 所示 中南大学硕士学位论文中厚急倾斜破碎矿体采矿方法选择 矿体平均水平厚度按6 m 计算，高度4 38 m ，盘区长度为4 0 0 m ，矿体体重 28 7 9 ／c m 3 ，一个盘区矿石量为3 0 1 6 9 4 t 。根据表2 一l 统计结果，采切比为1 09 6 m ／k t 。 2 支护 采场支护地点主要为凿岩平巷和通风切割上山，视矿岩稳固情况采用不同的 支护形式①当矿岩稳固，采用一掘一锚．施工工序爆破叶锚网支护_ 出矿 当矿岩较破碎，采用一掘一锚．施工工序爆破叶先喷射混凝土_ 锚网支护_ 出矿③当矿岩极破碎，采用一掘一锚，施工工序超前锚杆预支护_ 爆破_ 喷 射混凝土_ 锚网支护一出矿。 3 】回采工艺 “采场凿岩 采准切割工作完成后即可开始采场凿岩。采用S a n d v i kD L 3 3 0 ．5 凿岩台车 见 图2 _ 3 ，在脉内平巷中施工上向平行中深孔。采场崩矿中深孔凿岩参数为排距 16 - - 25 m ，孔底距1 ．8 - 22 m 。采场中深孔凿岩时，顶板稳固性差，靠顶板的孔原 则上不超深，考虑矿体为急倾斜且极破碎，每个炮孔孔底距顶板2 叫m 。采场凿 岩示意图如图2 ．4 所示。 图2 - 3S a n d v i k D L 3 3 0 ．5 采矿凿岩台丰 中南大学硕士学位论文 中厚急倾斜破碎矿体采矿方法选择 采用s T ．1 0 3 0 柴油铲运机出矿，如图2 - 6 所示，在阶段出矿横巷中集中出矿 矿石经出矿横巷至中段运输平巷倒入运输皮带。 囤2 - 6S T l 0 3 0 柴油铲运机 d ．采场充填 采场出矿完毕，即可进行充填作业。上下分段采场一起充填，采场4 m 高度 以下使用强度达2 M P a 的磷石膏充填料浆 水泥粉煤灰磷石膏配比为1 l 4 进行充填，从而在下中段矿体回采时．避免上部强度较低充填体的垮塌；采场 4 m 高度以上则使用强度较低充填料浆进行充填。采场充填见图2 ．7 。 1 、中段运输平巷2 、搬出矿横巷3 、充填体4 、充填挡“ 5 、人工假顶6 、充填小巷7 、盘区斜坡递 囤2 1 采场克填 2 2 ．13 主要技术经济指标 1 采场出矿能力 S T l 0 3 0 柴油铲运机的理论出矿能力按下式计算 Q 3 6 0 0 u 础 2 一1 m f 式中p 铲运机理论出矿能力，t ／h 中南大学硕士学位论文 中厚急倾斜破碎矿体采矿方法选择 l 卜一铲斗容积，m 3 ； 卜矿石比重，t ／m 3 ； k _ 铲运机铲斗装满系数； m ．矿石松散系数； T ．一铲运机铲装、运、卸一斗的时间，s 。 在工程实际中，影响铲运机工作效率的主要因素如下 a ．装矿点与卸矿点之间的距离，即运距； b ．矿堆的形状、块度分布及大块率； c ．矿石的比重、松散性、干湿度等； d ．运输巷道断面状况、弯道数量和弯道半径； e ．井下作业人员和设备的互相影响程度； ￡井下通风条件、井下照明和司机视距； g ．司机的技术熟练程度和操作水平等； h ．铲运机行驶坡度和路面状况等。 运距控制在2 0 0 m 范围内，保障铲运机台班工作时间5 小时，铲运机理论出 矿能力1 0 0 0 吨／台班，实际能力可达到9 0 0 吨／台班。 2 采场生产能力与采场尺寸的关系 根据用沙坝矿开采现状，结合国内外相关的研究经验，计算用沙坝矿的生产 能力所