中厚缓倾斜矿体采场结构及顶板支护参数优化研究.pdf

中图分类号 U D C T D 8 5 6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 圣三 密级公珏 中厚缓倾斜矿体采场结构及顶板支护参数优化研究 O p t i m i z a t i o no fs t o p es t r u c t u r ea n ds u p p o r t p a r a m e t e r i nt h eg e n t l yi n c l i n e dm e d i u mt h i c k o r e b o n i e s l1 ● 作者姓名苟国刚 学科专业矿业工程 研究方向采矿工程 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师周科平教授 副指导教师 答辩委员会主席囱硅 中南大学 年月 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 萄1 亟 型日期2 竺』竺年羔月监日 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。 作者签名垫亟亟虫 万方数据 中厚缓倾斜矿体采场结构及顶板支护参数优化研究 摘要目前，对近矿节理较发育的中厚缓倾斜矿体进行回采时，一般采用 空场法、充填法，其主要包括有预切顶中深孔房柱法、分段空场法和分条 充填法等。这些采矿方法具有矿柱损失率大、采切比高或充填成本高等不 足，很难实现高效开采的目标。因此，云锡集团与中南大学合作开展了此 类矿体开采的采矿方法、人工矿柱以及采场支护等方面的研究。本文以高 峰山南盘区中厚缓倾斜矿体为依托，进行了矿区岩石力学参数实验、采矿 方法简介、采场结构参数及采场支护参数优化等方面的研究。以下是本论 文的主要内容 1 查阅大量相关文献，借鉴国内、外相似矿山的开采经验，归纳了开 采缓倾斜中厚矿体的技术以及采场参数研究方法，结合高峰山南盘区的具 体情况，寻找在开采过程中可能遇到的问题； 2 提取具有代表南盘区真实地质情况的岩样，运用岩石力学实验设备 测定出岩样的单轴抗压强度、抗拉强度、粘聚力等参数，为后续数值模拟 提供基础资料； 3 汇总大量地质资料，充分了解高峰山矿区的地质地貌。认真利用钻 孔数据库，正确提取地表等高线、矿体线等，运用三维软件构建地表和矿 体模型，为矿山建立三维可视化打好基础； 4 基于结合北盘区的采场结构参数，通过对高峰山南北盘区的开采技 术条件进行对比，最后提出十五种采场结构方案； 5 N 用M I D A S 软件建立包含十五种不同采场结构参数的整个地质模 型，运用F L A C 3 D 软件模拟分析采场顶板、矿柱应力、应变以及塑性区， 最终确定出合理的采场结构参数。 6 幂t J 用工程类比、经验公式、理论公式综合计算分析后提出六组锚杆 支护参数，通过F L A C 3 D 软件对上面所确定的合理采场的支护效果进行模 拟，最终选择出比较合理的支护参数。 通过以上所做工作，推荐高峰山南盘区中厚缓倾斜矿体采场长为 5 0 m ，跨度为1 2 m ，人工矿柱宽度为1 0 m 的采场结构参数，推荐支护用 2 0 M n S i 左旋螺纹钢树脂锚杆，锚杆长度为2 ．6 m ，直径为2 0 m m ，排、间 距均为0 ．8 m 。 关键词中厚缓倾斜矿体；采场结构；高效开采；环境再造；树脂锚杆 分类号T D 8 5 万方数据 O p t i m i z a t i o no fs t o p es t r u c t u r ea n ds u p p o r tp a r a m e t e ri nt h e g e n t l yi n c l i n e dm e d i u m t h i c ko r e b o d i e s A b s t r a c t A tp r e s e n t ，t h em e t h o d so f m i n i n gt h eg e n t l yi n c l i n e dm e d i u mt h i c k o r e b o d i e sw h i c hh a v ej o i n t si ni t sr o o f si n c l u d es t o p i n gm e t h o da n df i l l i n g m e t h o d ．I ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v et h eg o a lo f h i g hm i n i n ge f f i c i e n c yd u et ot h e s e d i s a d v a n t a g e s ，s u c ha st h el o s sl o wr a t eo fr e c o v e r y , h i g hc u t t i n ga n dh i g h f i l l i n ge x p e n s e ．T h e r e f o r e ，Y u n x ig r o u pc o o p e r a t e sw i t hc e n t r a l s o u t h u n i v e r s i t yc a r r y i n go u tm i n i n gm e t h o d ，a r t i f i c i a lp i l l a r , r o o fs u p p o r ta n dS Oo n o nt h e s er e l e v a n to r e b o d i e s ．T h e r e f o r e ，b a s e do nt h es o u t h e r nd i s t r i c to f G a o f e n g s h a n ，r o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r so ft h ee x p e r i m e n t ，i n t r o d u c t i o no f m i n i n gm e t h o d ，o p t i m i z a t i o no fs t o p es t r u c t u r ea n ds u p p o r t i n gp a r a m e t e r sa r e s t u d i e di nt h i st h e s i s ．1 1 1 ef o l l o w i n gi st h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i s 1 A c c e s st oal a r g en u m b e ro fr e l e v a n tl i t e r a t m - e ，u s i n gt h ee x p e r i e n c e o fd o m e s t i ca n df o r e i g ns i m i l a rm i n i n gm e t h o d s ，a n ds u m m a r i z e st h em i n i n g m e t h o d sa n dd e t e r m i n i n gs t o p ep a r a m e t e r si ng e n t l yi n c l i n e dm e d i u mt h i c k o r e b o d y ．A n dl o o k i n gf o rp o s s i b l ep r o b l e m si nt h ep r o c e s so fm i n i n gb a s e do n t h es p e c i f i cs i t u a t i o no fs o u t hp a n e li nt h eG a o f e n g s h a n ． 2 A f t e re x t r a c t i n g t h e r e p r e s e n t a t i v es a m p l eo ft h e r e a l g e o l o g i c a l s i t u a t i o n ，u s i n gr o c km e c h a n i c se x p e r i m e n t sd e t e r m i n et h es a m p l eo ft h e u n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t e n s i l es t r e n g t h ，c o h e s i v ef o r c ea n dS Oo n ．i t p r o v i d e sb a s i cp a r a m e t e r sf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ． 3 I no r d e rt of u l l yu n d e r s t a n dt h eg e o l o g i c a ll a n d s c a p eo fG a o f e n g s h a n m i n ea r e a ．C a r e f u l l yu s eo fd r i l l i n gd a t a b a s ea n dc o r r e c t l ye x t r a c tt h es u r f a c e a n d o r e b o d yl i n e ，e t c ．A n d e s t a b l i s h e d b o d y s u r f a c em o d e l b yu s i n g t h r e e ．d i m e n s i o n a ls o f t w a r e ． 4 B a s e do nc o m b i n i n gt h es t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r so f n o r t h e r nd i s t r i c t o fG a o f e n g s h a n ，c o m p a r 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 n sb e t w e e nt h e n o r t h e r na n dt h es o u t h e m ，a n df i n a l l yp u t sf o r w a r d15k i n d so fs t o p es t r u c t u r e s c h e m e ； 5 B u i l d i n gt h ew h o l eg e o l o g i c a lm o d e lc o n t a i n i n g 15d i f f e r e n ts t o p e s t r u c t u r es c h e m e sb yu s i n gM I D A Ss o f t w a r e ．A n de v e n t u N l yd e t e r m i n e r e a s o n a b l es t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r st h o r o u g ha n a l y z i n gt h es t r e s s s ，s t r a i na n d t h ep l a s t i cz o n ei n s t o p er o o fa n dp i l l a rb yu s i n gF L A C 3 D ．A tl a s t ，t h e T I T 万方数据 r e a s o n a b l es t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d ． 6 B yu s i n gt h ee m p i r i c a lf o r m u l a ，t h e o r e t i c a lf o r m u l ao fb o l ts u p p o r t ，s i x s e t so fb o l ts u p p o r tp a r a m e t e r sa r ep u tf o r w a r d ，a n dr e a s o n a b l es u p p o r t i n g p a r a m e t e ro na b o v er e a s o n a b l es t o p ep a r a m e t e ri ss i m u l a t e db yF L A C 3 D ． f i n a l l yt h er e a s o n a b l es u p p o r tp a r a m e t e r sa r ec h o o s e d ． T 1 1 r o u g ht h ea b o v ew o r k ，t h er e l a t i v e l yr e a s o n a b l es t o p es t r u c t u r e p a r a m e t e r so fs o u t h e r nd i s t r i c to fG a o f e n g s h a na r er e c o m m e n d e d ，w h i c hi S 5 0 m l e n g t h ，12 mw i d e t h ，a n d10 mw i d t ho fa r t i f i c i a lp i l l a r ．2 0 M n S il e f t h a n d t h r e a ds t e e lr e s i nb o l ti Sr e c o m m e n d e d ，a n dt h eb o l tp a r a m e t e r sa r e2 ．6 ml e n g t h ． 2 0 m mo f d i a m e t e r , 0 ．8 mo f r o wa n d s p a c e ． K e yw o r d s g e n t l yi n c l i n e dm e d i u mt h i c ko r e b o d i e s ；s t o p es t r u c t u r e ；e f f i c i e n t m i n i n g ；e n v i r o n m e n t a lr e c o n s t r u c t i o n ；r e s i nb o l t C l a s s i f i c a t i o n T D 8 5 Ⅳ 万方数据 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 工程背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 课题由来、研究目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．3 国内外中厚缓倾斜矿体开采现状以发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．3 ．1 国内中厚缓倾斜矿体开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 ．2 国外中厚缓倾斜矿体开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．4 采场顶板支护技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．4 ．1 国内锚杆支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 ．2 国外锚杆支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．5 课题研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 矿区概况及开采条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 矿区概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 矿区地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1 矿区地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．2 矿区构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．3 矿床成因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．3 矿区水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 2 ．4 南盘区开采技术条件、现状及采场储量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4 ．1 南盘区开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．4 ．2 南盘区开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．4 ．3 南盘区采场储量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 矿岩力学参数测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 矿岩力学参数测试分析的目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．2 试验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 3 ．3 取样与试样加工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．4 矿岩物理力学参数测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．4 ．1 试验准备工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 9 3 ．4 ．2 单轴抗压试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．4 ．3 巴西劈裂试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 V 万方数据 3 ．4 ．4 试验结果数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．5 岩石力学参数工程折减⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 中厚缓倾斜矿体采场参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 中厚缓倾斜矿体采矿法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．2 采场岩体工程破坏判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 4 ．2 ．1 岩石强度理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 4 ．2 ．2 容许极限位移量判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．2 ’3 塑性区判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．2 ．4 采场岩体工程破坏判据综合应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．3 采场参数选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．4 数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．4 ．1M i d a s 和F 1 a c 3 D 软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 。4 。2 模拟方案选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．4 ．3 建立数值模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．4 ．4F L A C 3 D 数值计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．5 数值模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．5 ．16 m 矿柱模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．5 ．28 m 矿柱模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．5 ．3l O m 矿柱模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一51 4 ．6 南盘区采场稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 采场顶板支护研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 l 5 ．1 支护方式选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 l 5 ．2 采场顶板锚固机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 l 5 ．2 ．1 采场顶板变形特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 ．2 ．2 采场顶板锚固机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．3 锚杆的定义和选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．3 ．1 锚杆的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 3 5 ．3 ．2 锚杆选择的基本原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．3 ．3 锚杆的选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ，4 锚杆支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 5 ．4 ．1 工程类比法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 5 ．4 ．2 经验公式计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 V T 万方数据 5 ．4 ．3 理论公式计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．4 ．4 锚杆模拟参数选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 5 ．5 锚杆支护数值模拟模型及参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 5 ．5 ．1 数值模拟模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 5 ．5 ．2 数值模拟计算参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 l 5 ．6 数值模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 l 5 ．6 ．1 采场顶板位移分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 5 ．6 ．2 采场项板应力分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 5 ．6 ．3 锚杆轴力统计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 5 ．6 ．4 六种支护方案对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 5 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 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 硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 工程背景 云南锡业集团 控股 有限责任公司简称云锡，是一个具有上百年悠久历史的锡 矿公司。该集团坐落于四面环山中央有湖的个旧市。个旧市自古文明，百年之前就已 有锡都得美誉。该企业是世界上所有锡企业中产业链最长、最完整的企业，在锡行业 中排名第一。云锡集团经过百年发展，成为拥有数十家子公司的大型锡矿龙头企业。 作为一个综合性的国家大型企业，云锡集团从事地质勘探、采、选、冶、砷化工、锡 产品加工、材料、建筑、房地产等业务，是世界上最大的锡材加工中心以及世界希贵 金属研究中心。 高峰山采选分司隶属于云南锡业集团 控股 有限责任公司，主要围绕塘子凹本 区、3 3 号周边生产区、高峰山生产区、西凹北段勘查区、驼峰山生产区；马吃水研究 区；西凹西部远景区等七个生产、规划区开展工作。高峰山是保障采选分公司持续生 产的重要生产、资源接替区。而高峰山矿段位于个旧矿区东部一级成矿控制构造．五子 山复式背斜中部，面积2 ．6 平方公里，位于个旧市区东南约8 公里，行政区划隶属云 南省个旧市老厂镇，其中心地理位置，东经1 0 3 。0 9 2 6 ”，北纬2 3 0 2 27 4 0 ”，海拔标高1 3 0 0 ～ 2 6 0 0 米。按断裂构造划分，该区为北连马吃水断裂，南接炸药库断裂，西至芦塘坝断 裂，东达麒阿西断裂的菱形区域。除地表分布有坡积、洪积等第四纪沉积物外，地层 均为中三迭统个旧组碳酸盐类岩石。主要为石灰岩，泥质灰岩、白云岩、灰质白云岩、 白云质灰岩、白云岩等组成。 高峰山I 一1 号矿体埋深8 0 0 m 左右，是赋存于花岗岩突起与碳酸盐类岩层接触带 上的矿体，储量大，锡、铜品位高。I ．1 矿体形态极其复杂，产状从近水平到缓倾斜 到急倾斜变化，厚度从薄向中厚变化，矿体突起及层问矿较多，矿体下盘常为不稳的 花岗岩，上盘项板也存在为不稳花岗岩的现象，工程地质条件极复杂，为典型的难采 矿体。 1 ．2 课题由来、研究目的和意义 云锡集团高峰山采选分公司目前使用的采矿方法主要以“空场法”为主，常用的方 法为“有底部结构分段空场法”、“全面法”和“房柱法”。但这些方法主要存在采切工程 量大，采场建设周期长，回采工艺复杂，采装运设备水平低，生产效力不高，矿石损 失、贫化大等问题。因此，中南大学与云锡集团开展了有轨和无轨相结合高效采矿工 艺技术与装备应用研究的项目。 通过与高校合作，研究出适合高峰山生产区I ．1 矿体南盘区复杂难采特点的开采 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 技术条件的高效采矿方法，实现南盘区生产能力的大幅提高，促进云锡公司采矿技术 的进步，创造良好的经济效益、社会效益和环境效益。根据开采技术条件，首先，提 出合理高效的“超前切顶环境再造连续采矿法”并确定出比较合理的几组采场结构参 数；其次，通过数值模拟软件对所提出的采场结构参数进行数值模拟，通过分析采场 的应力、应变以及塑性区确定出确定出合理的采场结构参数；最后，在相对合理的采 场结构参数下，利用模拟软件对所提出的几组锚杆支护参数进行模拟，通过分析采场 的位移、应力以及锚杆轴力来确定出相对合理的支护参数。 通过以上内容的研究，在现有开拓生产系统的基础上实施采矿方法变革，以发展 和推广现代采矿技术和高效采掘设备，从而提高生产效率，降低成本，提高效益，达 到采矿工艺简单化、生产系统便捷化、生产设备高效化、矿山生产生态化、成本节约 化，确保分公司万吨级矿山持续发展的目标。 1 ．3 国内外中厚缓倾斜矿体开采现状以发展趋势 1 ．3 ．1 国内中厚缓倾斜矿体开采现状 随着采矿技术和采矿设备的快速发展，国内外学者对中厚缓倾斜矿体的采矿方法 进行了大量研究，并提出了许多克服原来单一、老旧的采矿方法的组合采矿方法。以 下是国内开采中厚缓倾斜矿体的主要开采方法。 1 预切顶中深孔房柱法 该方法在贴近项板超前切一定距离的矿房矿体，通过锚杆、锚索等支护手段对顶 板进行支护，最大限度的为钻凿炮孔、装药起爆和出矿等工序提供安全的作业条件， 在被锚杆等支护后的采场顶板下进行钻凿中深孔并装药起爆，在被锚杆支护后的稳定 项板下进行采场出矿作业。 该采矿方法优缺点比较突出。首先对采场进行切顶并通过锚杆等手段支护岩体， 可以为后续工作提供安全作业条件。同时，超前切顶对起浮比较大的矿体适应性好， 可以减少回采过程的贫化率。在切顶后并支护的安全顶板下，实施中深孔爆破生产效 率相对较高。由于采场首先得到支护，后续工作对顶板的稳定性影响较小，有利于采 场的长期稳定。而不利于对矿石的分采是该采矿方法的主要缺点】。 2 浅孔落矿胶结矿柱房柱法 随着矿产资源的日渐枯竭，应用矿柱损失量达到4 0 ％以上并产生大量空区的普通 房柱法已经不能满足矿业发展的要求，因此，浅孔落矿胶结矿柱房柱法应运而生。该 采矿方法首先对矿柱进行回采并用达到一定强度的胶结充填体对矿柱进行充填，待到 充填矿柱的充填体强度达到设计要求时，然后在对矿房进行回采。该采矿方法的实质 就是通过两步骤对矿柱矿房进行回采，最后对采空区进行充填的[ 2 】。虽然该方法客服 了传统房柱法的缺点，但是，由于国内采矿设备发展缓慢，国外进口的矿山设备价格 万方数据 硕士学位论文1 绪论 昂贵，目前大多数矿山仍使用低效率的凿岩设备回采矿柱矿房。因此，随着国内采矿 设备技术的发展，该方法的应用会更加广泛。 3 分段空场法 该方法将矿房划分多个分段，并在各个分段布置相应的采准、切割巷道。利用凿 岩设备钻凿上向或者下向中深孔，装药起爆后通过铲运机将各分段的矿石运搬到各分 段溜井出，最后将通过提升设备将矿石提升到地表‘3 ‘8 ] 。由于在矿体的每个分段布置了 联络道、采准、切割等巷道，这些巷道增加了采准切割量。同时，由于各分段矿柱回 收率比较低。因此，由于采切工程量大、矿柱回收率低制约了该方法的大规模使用。 4 阶段矿房法 随着矿房的逐渐开采，矿房的暴露面积逐渐显现出来，因此，围岩的暴露面积可 以大一些。由于凿岩、爆破、回采等工序是在凿岩巷道下作业，因而，该方法可以保 证工作人员和设备的安全。当矿体为中厚以上矿体时，一般垂直走向布置，矿房的宽 度由矿体的稳定性决定‘9 删。同时，由于矿房的项底柱和间柱矿量比较大，且很难对 这些矿柱进行回收，因此，使用该方法时整体损失率大、回收效率低。 5 机械化分层充填法 目前，对高品位的矿体一般采用机械化分层充填采矿。该采矿方法已在凡口铅锌 矿、金川、焦家等多个矿山使用，并取得了良好的效益【1 2 - 1 8 J 。该采矿方法主要同过应 用高效的凿岩设备、装药设备、锚杆支护设备、出矿设备和充填设备，实现矿山的高 效开采。 1 ．3 ．2 国外中厚缓倾斜矿体开采现状 1 分段房柱采矿法 该方法在苏联的维什涅夫矿山应用并取得成功。该矿山将矿体划分为盘区，并开 凿1 0 0 的脉内斜坡道，并在斜坡道旁设置两个溜矿井[ 1 9 】。首先在掘进上下分段平巷后 对部分项柱进行回采，采用双机台车钻凿两米二左右的炮孔，并用装药机安装铵油炸 药，起爆后用铲运机出矿。该采矿方法的矿石损失率较高为1 2 ％，而贫化率1 1 ．8 ％。 2 对角式运输斜巷房柱采矿法 该方法充分利用采矿设备的爬坡能力，在矿房中布置伪倾斜的运输巷道，有时候 也称为对角斜巷或者斜坡道。采场的工作顺着矿体走向向前推进，崩落下来的矿石用 铲运机或者矿用汽车沿着倾斜的巷道运搬到主要的运输水平， 从而使得普通的房柱法得到了更广泛的应用。 3 垂直分条密实充填采矿法 该采矿方法利用滤干后的尾砂能够维持一定坡度的坡面的现象，将缓倾斜中厚一 下的矿体划分为一定宽度的倾斜的或者垂直的条带，并根据一定的顺序对这个一定宽 度的分条进行回采。这些分条在回采过程中不留中间间柱。由于该采矿方法仅利用尾 万方数据 硕士学位论文1 绪论 砂进行充填，不添加任何的胶结材料，因而很大程度上降低了单位矿石的成本。该方 法在德国派勒铁矿的应用中取得很高效益。 4 “瀑布式”分段空场法 该方法将每个阶段划分为一定高度的 9 ～1 2m 的分段，同时在每个分段中设置 一条用于运搬矿石的出矿平巷和一条为了在采场底部开凿拉底的两条平巷。同时在每 条出矿平巷的垂直方向开凿用于出矿的横巷。首先在矿房边界的切割巷道中后退式对 矿房进行回采，利用浅孔钻机在上下分段的巷道中钻凿下向或者扇形炮孔，利用出矿 的横巷将矿房中的矿体运到溜井。第二步利用第一步骤中回采矿房所产生的空间为自 由面依照一定的次序对矿柱进行大规模回采，矿石被爆炸时的爆破力推到堑沟中，最 后用铲运机将矿石运出。 1 ．4 采场顶板支护技术研究现状 目前，国内外一般采用锚杆、锚索和锚网等支护手段或者相互结合的支护手段对采 场进行支护[ 2 0 1 ，根据高峰山开采技术条件，应用锚索支护采场较少。因此，本文只对 锚杆支护参数做相关研究。 锚杆首先被应用与德国的谢列兹矿山的井下巷道支护，至今已有1 0 0 多年的历史。 由于应用锚杆支护可以提高井下的巷道的围岩的稳定性和安全性，节约使用钢材支护 的成本、减轻其他支护工作的劳动强度、对于井下的巷道的维护费用比较低和施工相 对比较方便等诸多优点，因而使得锚杆支护大规模广泛应用于岩土、岩体和水利等工 程。在大规模使用锚杆的同时，锚杆支护机理也的到很大的发展，以下是国内外锚杆 支护理论的研究现状。 1 ．4 ．1 国内锚杆支护理论 锚杆技术传入中国的时间相对比较晚，但是近几十年国内锚杆支护机理发展比较 快并提出了很多支护机理。以下是国内研究的主要的支护机理 1 全长锚固中性点理论【2 1 l 该“中性点”支护理论由王明恕学者提出来。他认为和岩体壁面相互靠近的锚杆 对围岩向壁面的方向的变形起到相对阻止的作用。而在围岩的深处，锚杆被围岩阻止 向着壁面的方向变形。在锚杆的中性点上剪切力相反，而该处的剪切应力等于零。该 中性点理论被国内众多学者接受，由于该理论对锚杆的尾部的断裂解释不充分，因此， 众多学者对该理论有一定的异议。 2 松动圈理论1 2 2 J 该理论由董方庭教授经过深入的研究最终提出的。该理论认为巷道周围固有松动 圈这一特性，一般可以通过相关的设备对该区域进行检测。由于巷道周围的松动圈区 域大小不同，因而应根据具体的的松动圈区域大小选择支护方式。一般对于I 类 4 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 L 0 ．4 0 0 m m 小型松动圈区域内破碎的岩体一般较少，因此，一般只需要在巷导的 表面喷射部分混凝土，此时无需进行锚杆支护；对于I I 、I I I 类 L 4 0 0 ．1 5 0 0 m m 的 围岩，一般直接根据悬吊理论的公式计算出锚喷支护的具体参数；对于I V 、V 类 L 1 ．5 2 ．0 m 、L 2 ．0 ．3 ．0 m 的围岩，可以直接根据组合拱的理论计算出相关支护参数。 对于I V 类 L 3 ．0 m 的围岩，在没有取得相应的研究之前，应对围岩采用锚喷网结 合的复合性支护。由于该理论计算简单，对于松动圈比较小时该理论的应用取得效果 比较明显，但是对于较大级别的松动区域应用效果不理想。因此，该理论的广泛应用 受到一定的限制。 3 锚固力与围岩变形量关系理论【2 3 ] 该理论深入的研究了锚固力地内涵和作用机理，认为根据岩体变形所产生的锚固 力对围岩起到了锚固的作用。由于锚杆的支护是在岩体开挖完成以后进行实施的，此 刻围岩岩体的弹塑性变形基本已经完成，从而受到围岩的剪切膨胀变形产生锚固力， 对着时间推移，在锚杆的径向和切向两个方向上的锚固力越来越高、从而使得围岩和 锚杆在一定的能量状体下达到了一定的平衡。 4 锚固平衡拱理论【2 4 】