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中图分类号婴墨5 3 U D C6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 5 3 3 密级公珏 复杂条件下深孔回采间柱稳定性研究 S t a b i l i t yS t u d i e so fR i b P i l l a rR e c o v e r y b y D e e pH o l e M i n i n gM e t h o du n d e rC o m p l e xC o n d i t i o n s 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 黄宣东 矿业工程 采矿工程 资源与安全工程学院 唐礼忠教授 史秀志教授 论文答辩日期凶 答辩委员会主席 中南大学 二零一三年五月 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，除了论文中特另t i D n 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 日期旦年上月卑日 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 、导师签锉日期丝年』月丑曰 复杂条件下深孔回采问柱稳定性研究 摘要地下大直径深孔采矿法作为一种安全高效经济的采矿方法，广 泛应用于急倾斜厚大矿体的矿房和间柱。但目前问柱回采条件越来越 复杂，采场频繁出现大面积冒落、充填体垮塌等现象，稳定性问题突 出。本文依托凡口铅锌矿的无底柱深孔后退式崩矿嗣后充填采矿工艺 的研究，综合运用现场调研、文献查阅、理论分析和数值模拟等多种 手段，研究了深孔回采间柱时的采场稳定性和充填体稳定性，取得了 一些有意义的成果，为矿山生产提供参考。主要研究内容与结论如下 1 通过现场调研与资料分析对凡口铅锌矿地质构造、采矿方 法以及间柱状况进行总结分析，分析了深孔采矿法回采间柱时的稳定 性影响因素； 2 从间柱采场结构面调查出发，分析了凡口矿大断层、充填 体与间柱的接触面对问柱稳定性的影响，建立了侧向崩矿的力学模 型，并采用极限平衡理论的安全系数法评估了结构面失稳的可能性； 3 采用F L A C 3 D 建立数值模型，并采用分界面技术模拟断层、 充填体与间柱的接触面，通过多种方案对比模拟，得到位移、应力、 应变及塑性变化规律，评价了断层、硐室点柱、充填体及崩矿过程对 间柱稳定性的影响程序； 4 通过国内外的经典理论分析了充填体稳定性的影响因素， 并通过工程类比法与理论计算法得到了凡口矿充填体的强度以及与 采场尺寸的关系； 5 结合凡口铅锌矿某垮塌采区的实际情况，提出两种开采顺 序，即V 型开采与倒V 型开采，并建立矿房充填体力学模型；运用 F L A C 3 D 模拟两种间柱开采顺序对充填体稳定的影响，结果表明，V 型开采时，发生剪切破坏，而倒V 型开采时不形成剪切破坏面，只 发生局部破坏，稳定性更好。 图5 9 幅，表1 3 个，参考文献9 3 篇 关键词大直径深孔采矿法间柱回采；采场稳定性；极限平衡分析； F L A C 加数值模拟；充填体稳定性；开采顺序 分类号T D 8 5 3 ；T D 3 2 5 S t a b i l i t yS t u d i e so f 础bP i l l a rR e c o v e r yb yD e e p H o l e M i n i n gM e t h o du n d e rC o m p l e x C o n d i t i o n s A B S T R A C T U n d e r g r o u n dl a r g e - d i a m e t e rl o n g - - h o l em i n i n gm e t h o da Sa s a f e ，e f f e c t i v ea n de c o n o m i cm i n i n gm e t h o d ，i sw i d e l yu s e di ns t e e p l yo n r o o ma n dr i bp i l l a r ．B u ta tp r e s e n tt h em i n i n gc o n d i t i o n so fr i bp i l l a ra l e m o r ea n dm o r ec o m p l e x ．S t o p ef r e q u e n t l yo c c u r r e n c et h ep h e n o m e n o no f al a r g ea r e ao fc a v i n g ，f i l l i n gc o l l a p s e d ，s e r i o u s l yh i n d e r e ds t a b i l i t yi s s u e b e c o m e sm o r es e r i o u s ．T h i sp a p e rb a s e do nt h er e s e a r c ha b o u tp i l l a r l e s s d e e p h o l er e t r e a t i n gc a v e do r ea f t e r w a r d sb a c k f i l lt e c h n o l o g yi nf a n k o u l e a d z i n cm i n e ，u s i n gm a n yk i n d so fm e a n sc o m p r e h e n s i v e l ys u c ha Ss i t e i n v e s t i g a t i o n ，l i t e r a t u r ec o n s u l t i n g ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dS Oo n ，s t u d i e dr i bp i l l a r ss t a b i l i t ya n db a c k f i l ls t a b i l i t yb y d e e p - h o l em i n i n g ，o b t a i n e ds o m es i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n st op r o v i d et h e r e f e r e n c ef o rt h em i n ep r o d u c t i o n ．T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n sa r ea Sf o l l o w s 1 T h r o u g ht h ef i e l di n v e s t i g a t i o na n dd a t aa n a l y s i st os u m m a r i z e f a n k o ul e a d - z i n cm i n eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，m i n i n gm e t h o d sa n dr i b p i l l a r ss t a t u s ，a n da n a l y z e d f a c t o r so ft h es t a b i l i t yo fr i bp i l l a rb y d e e p - h o l em i n i n gm e t h o d ； 2 S t a r t i n gf r o mt h es t o p es t r u c t u r ep l a n es u r v e y , t h ep a p e ra n a l y z e d t h ef a n k o uf a u l t ，f i l l ．r o c ki n t e r f a c ef o rt h ee f f e c to nt h es t a b i l i t yo fr i b p i l l a r , am e c h a n i c a lm o d e lo fl a t e r a lo r ec a v i n gW a Se s t a b l i s h e d ，a n da l s o e s t i m a t e ds t r u c t u r ep l a n ei n s t a b i l i t yo f p o s s i b i l i t yb yu s i n gs a f e t y c o e f f i c i e n tm e t h o di nt h el i m i te q u i l i b r i u mt h e o r y ； 3 T h ep a p e ru s e dt h eF L A C Ⅲs o f t w a r et os i m u l a t er i dp i l l a r m i n i n gp r o c e s s ，a n du s e d i t ’Si n t e r f a c et e c h n o l o g yt os i m u l a t ef a u l t , f i l l 一r o c ki n t e r f a c e ．T h r o u g hav a r i e t yo fp r o g r a m sc o m p a r i s o n ，t h er e s u l t a n a l y s i s e dt h er u l eo fd i s p l a c e m e n t ，s t r e s s ，s t r a i n a n dp l a s t i ca r e a , o b t a i n e dt h ek e yf a c t o r st h a ta f f e c t i n gt h es t a b i l i t ya n dt h er o l e ，s u c ha u s f a u l t ，p o i n t e dp i l l a r si nc h a m b e r , b a c k f i l la n dc a v e d o r ep r o c e s s ． 4 T h ep a p e ra n a l y s i s e dt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h es t a b i l i t yo f b a c k f i l lt h r o u g ht h ec l a s s i c a lt h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ed o m e s t i ca n d f o r e i g n ，t h e nt h r o u g ht h ee n g i n e e r i n ga n a l o g ym e t h o da n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nm e t h o dv a l i d a t i o nf o rf a n k o um i n eb a c k f i l ls t r e n g t ha n dt h e I I I r e l a t i o nw i t ht h es i z eo f 血es t o p e ． f 5 1C o m b i n e dw i t h t h ea c t u a ls i t u a t i o no fac o l l a p s e ds t o p ei n f a n k o ul e a d ．z i n cm i n e ，p r o p o s e dt w ok i n d so fs t o p i n gs e q u e n c e ，n a m e l y ’V ’e x t r a c t i o ns e q u e n c ea n dr e v e r s e d ’V ’e x t r a c t i o ns e q u e n c e ，U s e d F L A C 3 Ds o f t w a r et os i m u l a t et w os t o p i n gs e q u e n c ei m p a c t i n go nt h e b a c k f i l ls t a b i l i t y ．T h er e s u l t ss h o wt h a ts h e a rf a i l u r eh a p p e n e dw h e nt h e i n f l u e n c eo f ’V ’e x t r a c t i o ns e q u e n c ew a su s e d ，b u tt h es t a b i l i t yi sg o o d w i t h o u tf o r m i n go fs h e a rf a i l u r ep l a n e ，o n l yp a r tw a sd e s t r o y e d ，w h e n u s i n gt h er e v e r s e d ’V ’e x t r a c t i o ns e q u e n c e ． F i g u r e5 9 ，t a b l e13 ，r e f e r e n c e s9 3 K e y w o r d s L a r g e ．d i a m e t e rd e e p ．h o l em i n i n g m e t h o d ；R i dp i l l a r r e c o v e r y S t o p es t a b i l i t y ；T h e l i m i t e q u i l i b r i u ma n a l y s i s ；F L A C Ⅲ n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；b a c k f i l ls t a b i l i t y ；S t o p i n gs e q u e n c e C l a s s i f i c a t i o n 6 2 2 I V 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题的来源与研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．1 地下大直径深孔采矿法的发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 间柱采场稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．2 ．3 充填体稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 本文主要内容、方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．3 ．1 主要研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 ．3 ．2 论文研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2凡口矿工程地质调查与问柱概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 凡口铅锌矿问柱工程地质调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．1 矿区地质条件与开采技术条件概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 ．2 凡口矿采矿方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 ．3 间柱采场概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．3 凡口矿厚大间柱稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．1 采场失稳的表现形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．3 ．2 厚大间柱稳定性影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 结构面影响下间柱采场力学模型与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．2 结构面对问柱回采的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 ．1 结构面特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．2 断层概念及形成机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．2 ．3 凡口矿大断层特征及其影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 ．4 充填体与间柱相互作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．3 间柱采场力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．1间柱回采一般步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 V 3 ．3 ．2 采场应力转移规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．3 ．3 问柱采场力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．3 ．4 岩体稳定性的分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．3 ．5 结构面失稳的极限平衡理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4问柱回采稳定性的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．2 间柱回采F L A C 3 D 数值建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．2 ．1F 1 A C 3 D 基本原理与特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．2 ．2F L A C 3 D 建模过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．3F L A C 3 D 数值模拟流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 数值模拟过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．1 假设条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．3 ．2 数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．3 ．3 矿岩力学参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．3 ．4 边界条件与初始地应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．3 ．5 监测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．3 ．6F L A C 3 D 分界面技术应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 ．7 破坏准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．4 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 4 ．4 ．1间柱回采过程应力状态及其变化特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．4 ．2 间柱回采过程位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．4 ．3 充填体与间柱接触面位移变化与应力变化特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 4 ．4 ．4 塑性区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5充填体稳定性分析及问柱开采顺序优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．2 充填体稳定性影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．2 ．1充填体的材料特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．2 ．2 充填体的外形尺寸与成拱效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 5 ．2 ．3 充填体受力条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 5 ．2 ．4 爆破震动对充填体的破坏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．3 充填体强度设计确定方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．3 ．1 工程类比法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 V l 5 ．3 ．2 理论分析计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 5 ．4 间柱开采顺序研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 5 ．4 ．1v 型开采顺序与倒V 型开采顺序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 5 ．4 ．2 矿房充填体的力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 5 ．4 ．3 充填体的破坏方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 5 ．4 ．4 凡口矿孤立间柱采场特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 5 ．4 ．5 充填体垮塌状况及原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 5 ．5间柱开采顺序数值模拟对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 5 ．5 ．1 F L A C 3 D 建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 5 ．5 ．2 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 9 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 4 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 5 V I I 虫直盍堂亟堂僮i 金室 绪论 1 绪论 1 ．1 课题的来源与研究目的及意义 人类的发展总是依赖于矿产资源，特别是近几十年以来，随着科技的发展和 人类对物质需求的增长，人类对矿产资源的需求不断增加，矿产资源的开采也随 之进入高速轨道。然而，矿产资源是不可再生资源，矿产资源面临着日益枯竭的 问题。由地表开采逐步转入地下开采，进而进入深井开采，深井开采面临着许多 技术难题和安全问题，其中高地压、高温、高井深的“三高”问题严重制约着采 矿效益的提高，采矿成本也不断增加，岩爆、采场失稳、充填体垮塌等采矿安全 问题也日益突出。 目前，我国许多大型矿山经过几十年的开采，由于当时的各种技术问题或经 济效益问题而留下大量难采矿体、残采矿体以及各种类型矿柱，富矿、易采矿体 逐年减少。为了矿山的可持续发展，必须最大限度利用和回收矿产资源，也就面 临着这类在复杂条件下回采矿体的技术难题和安全问题。一方面是长期以来，矿 山采用的充填法工艺落后，充填成本高，充填质量无法保证；另一方面是间柱、 顶底柱矿体等一般来说开采条件比较差，开采成本高，安全风险高。如何在复杂 条件下高效安全回收这类矿体逐渐成为许多矿山重点攻关的问题。 有色金属矿山和稀有金属矿山以地下开采方式居多，矿床地质条件较为复 杂，受矿体赋存条件、矿床形态、矿石品位变化、岩层构造及矿岩稳固性等因素 影响较大，采用的采矿方法很多，按照对空区的处理方式不同可归为三大类，即 空场法、崩落法和充填法。除了有底柱崩落法留少部分矿柱外，崩落法一般不留 矿柱。空场法和充填法大多分两步骤回采，留下一定比例的矿柱。在薄至极薄的 矿脉中矿柱矿量可占到整个矿块矿量的5 ％1 0 ％至1 5 0 ／∥2 0 ％，在厚至中厚矿体 中则更高，可达3 5 ％5 0 ％，有些甚至达到5 5 ％6 0 ％[ 。 根据矿柱的位置和作用，一般将矿柱分为顶柱、底柱、间柱和采场内矿柱。 按外形可分为连续矿柱和不连续矿柱、方形与圆形矿柱。按保留时间可分为临时 矿柱和永久矿柱[ 2 1 。按照采矿方法可分为四类 1 长方形和正方形矿柱是房柱 法的组成部分，用于矿脉或矿层较薄、水平较宽、倾斜平缓矿床； 2 长矿柱是 分条采矿法的组成部分，是房柱法的变形，用于缓倾斜矿体； 3 不规则矿柱一 般在全面法中常见，其位置与矿石品位和顶板稳定性有关； 4 问柱和顶柱常常 是空场采矿法和充填采矿法开采倾斜急倾斜矿体时所采用的延长了的矿柱结构， 如阶段深孔爆破空场法和分层充填采矿法等1 3 】1 4 5 。 据有关文献资料[ 2 , 4 1 ，矿柱的回采方法主要有房柱法、抽柱法、替换法、削 柱法、分段或阶段空场法 含大直径深孔 、分段或阶段崩落法和V C R 法等。其 主直太堂亟堂焦途塞 绪途 中大直径深孔采矿法回采厚大矿柱已经取得了广泛地应用，实践证明，大直径深 孔采矿法是高效安全经济的采矿法。但是，采场的稳定性问题仍然是制约大直径 深孔采矿法采矿的重要因素。 近年来，国内使用深孔采矿法的部分矿山出现了采场冒落、垮塌以及充填体 垮塌等现象 见表1 ．1 。 袁1 - 1国内部分深孔采矿法矿山采场失稳情况调查陆8 】 随着地下矿山开采的深入，许多矿山逐步进入中后期，主体矿体、易采矿体 渐渐被消耗，地压受采动影响，后续矿体开采条件更加复杂，周边被充填体、受 损围岩包围，回采时充填体发生二次应力扰动，并且大规模爆破震动使得矿岩原 有裂隙进一步扩展，问柱采场和充填体均可能出现垮塌、严重冒落现象。加强对 间柱采场特别是采用深孔采矿法回采的间柱采场的稳定性分析研究，为矿山开采 设计与安全生产提供可靠的理论依据具有重要的意义。 凡口铅锌矿是我国目前最大的铅锌生产基地，自1 9 6 8 年投产以来，经过多 次扩产，到2 0 0 9 年实现第一个年产1 8 万吨金属的达产目标，年采出矿量达1 6 0 万吨。从1 9 6 8 年到2 0 0 9 年，采掘总量达到3 2 0 0 万吨，开采深度为8 8 2m 1 9 1 。该 矿是我国8 0 年代最早引进国外V C R 法采矿技术的，从8 2 年到现在经历了试验 2 虫直太堂亟堂焦监塞 l 绪论 研究阶段、推广应用阶段、暂缓使用阶段和恢复使用与创新阶段㈣l ，多次改进与 发展后，现已将原来的堑沟型底部结构改成无底柱的硐室结构，全部采用遥控铲 运机出矿，因此简化了底部结构的采准工艺，效率大大提升，但由于昂贵的遥控 铲运机直接暴露在空区下作业，没有原来的出矿进路保护，这对采场的稳定性提 出更高的要求，充填体垮落、采场冒顶、采场整体失稳等问题都严重威胁着采矿 的安全。 凡口铅锌矿经过四十多年的开采，留下大量的间柱，并且间柱采场的回采条 件越来越差，限制着采矿方法的使用，V C R 法作为一种具备良好作业条件、采 矿效率高、成本低的采矿方法，在回采厚大间柱方面具有明显的优势，继续推广 使用该采矿法，对矿山的成本控制、提高生产能力等方面有重要作用。但是，问 柱采场处于高应力环境，受断层裂隙的影响严重，其回采条件相当复杂，另外 V C R 法回采过程中充填体不断暴露，并且受大规模爆破震动的破坏的影响，其 稳定性问题不容忽视。因此，对厚大间柱的回采稳定性研究具有重要的意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 地下大直径深孔采矿法的发屣现状 地下大直径深孑L 采矿法是一种将露天深孔台阶爆破工艺引用到地下采矿的 一种高效经济采矿法，典型的采矿方法为垂直深孑L 球状药包落矿阶段矿房法 即 V e r t i c a lC r a t e rR e t r e a tM i n i n gM e t h o d 。V C R 法是以大直径垂直深孔球状药包落 矿为主要工艺特点的高效、安全、经济的阶段空场采矿法，一般分两步骤回采， 采用嗣后充填来控制地压。该法综合应用了深孔凿岩装备、C ．W ．利文斯顿球形药 包爆破漏斗理论和大型无轨出矿设备等技术与工艺。工艺特点是在矿块的上部水 平开挖可供凿岩作业的凿岩硐室 或者巷道 ，采用大直径潜孔钻机钻凿下向深 孔，直至下部出矿硐室顶板或按照设计的崩矿线深度施工，然后采用球形药包以 炮孔的下部临空面为爆破自由面形成倒立的爆破漏斗，自下而上分层落矿，直至 贯通上部凿岩硐室，崩下的矿石从下部出矿巷道运出。该法适用于开采矿石和围 岩中等以上稳固的急倾斜中厚以上的矿体，要求矿岩交界面比较规整，矿体比较 规则，夹石少，否则采场贫化、损失会比较严重【I J 。 V C R 法最早正式应用是于1 9 7 3 年初在加拿大铜崖北矿，用于阶段矿房采矿 法落矿。1 9 7 3 年未，在国际镍矿公司的利瓦克铜矿 L e v a c kN i c k e lC o p p e r M i n e 一个矿柱中用下向直径1 6 5 m m 垂直炮孔和球形药包爆破，完成了首次V C R 法生 产规模的试验，随后在美国、西班牙、瑞典、澳大利亚等国家进行生产推广。8 0 年代初我国凡口铅锌矿试验成功并推广生产应用该采矿法，经鉴定命名为“凡口 大孔径深孔采矿法 即F D Q 法 ，，【1 1 。 地下大直径深孔采矿法经过近4 0 年的发展，随着装备水平的提高，爆破工 艺、崩矿方式、采场结构等均有所变化，以适应各种的开采条件。该采矿法的特 点与发展趋势具有以下特点。 1 爆破工艺向高效率低成本发展 深孔爆破所采用的炸药由低成本的普通铵油乳化炸药代替了原来高密度、高 爆速、高威力的“三高”炸药。孔内微差爆破的成功应用，使得装药结构不再仅 限于单层的球状药包结构，而是出现了多层间隔的柱状药包装药结构。例如，8 0 年代末，凡口铅锌矿试验了采用小直径 中1 1 0 m m 炮孔、普通炸药实施侧向崩 矿的深孔采矿法，该法先用V C R 法拉槽或天井拉槽方式形成侧向崩矿的补偿空 间，然后逐步进行侧向爆破崩矿，大幅度降低凿岩成本和爆破成本，很好地控制 边界和保护充填体[ 1 1 , 1 2 , 1 3 】。孙忠铭掣1 4 1 在长期试验研究大直径深孔爆破的基础上 提出束状孔球形药包爆破技术，并在冬瓜山铜矿试验成功，该法是以数个下向密 集平行深孔同时起爆时形成共同应力场的作用机理为基础的深孔爆破技术，采用 巷道式凿岩，留连续矿柱，高分层落矿，避免了切割井、拉槽等低效率作业辅助 工程。 2 爆破崩矿方式多样化 爆破崩矿方式多种多样，说法也不一，根据爆破时所采用的装药结构、爆炸 能量作用原理和采场爆破顺序等因素，大致可分为以下三种V C R 法深孔崩矿、 V C R 法切槽一全孔侧向崩矿、V C R 法切槽一分段侧向崩矿 也称倒梯段侧向崩 矿 [ 1 5 , 1 6 , 1 7 】。三种崩矿方式如图1 ．1 所示。 1 V C R 法深孔崩矿就是最早使用的下向倒置漏斗爆破，采用“三高”乳 化炸药，爆破时利用拉底的底板为下向单自由面，每次爆破一层，自孔底用球状 药包逐层向上爆破。其优点是爆破效果好，爆炸能量利用高，下向崩矿时，爆破 地震、冲击波破坏小；缺点是单次爆破量小，效率低，爆破作业频繁，爆破辅助 工程量大，繁琐，成本高。 2 V C R 法切槽一全孔侧向崩矿是一种采用V C R 法崩矿的方式爆破形成 后面全孔侧向崩矿的自由面与补偿空间，全孔侧向崩矿采用柱状药包间隔装药的 形式全孔一次性崩落，V C R 法切槽分为天井拉槽与束状孔拉槽，采用分层装药 结构。其优点是全孔一次装药侧向崩矿爆破量大，采场爆破次数少，辅助工程少， 回采效率高，同时采用普通乳化炸药，可降低炸药成本；缺点是爆破规模大，微 差单段炸药量较难控制，对采场两帮特别矿房充填体破坏比较大，不利于采场的 稳定，同时爆破切口部分未装药的炮孔易受爆破炮孑L 后冲作用出现堵孔或炮孔破 坏无法装药现象。 3 V C R 法切槽分段侧向崩矿相对于全孔侧向崩矿而言只是将采场全孔 4 高阶段采矿推广应用的一个关键的制约因素是钻孔质量难以控制，在目前潜孔凿 岩技术下，炮孔偏斜受凿岩设备、凿岩参数、岩层结构及操作水平的影响，若孔 径过小，则炮孔易偏斜，排渣困难，若孔深过大，则凿岩效率低，岩层岩性变化 易偏斜及堵塞。这些问题导致爆破块度难以控制、超挖超爆和贫化损失过大的后 果【1 蚣o 】。回采工艺技术与充填体的稳定是高阶段回采成败的关键，采场的稳定是 核心问题，而采场内崩落矿石因需要留矿出矿来防止两帮出现垮塌而严重积压， 从而影响综合生产率。 4 出矿效率更高更安全 底部出矿结构有堑沟结构和平底结构，目前以堑沟为主。凡口铅锌矿为了扩 大产量，在2 0 0 8 年重新采用弃用多年的V C R 法采矿法，将原来的底部V 形堑 沟结构改成硐室形式的平底结构，视采场矿岩稳定情况适当留下保安矿柱支撑采 场，爆破后使用遥控铲运机遥控出矿，操作人员不进入采空区【2 l , 2 2 1 。采用底部硐 室结构的优点是一方面采切工程量小、工艺简单、高效，另一方面是不用回收底 柱，解决了V C R 法采矿法顶底柱矿体回收的问题，降低了采矿损失。 综上所述，地下大直径深孔采矿法经过几十年的发展与改进，优越性更加突 出，其采切工艺简单、工程量少，凿岩作业安全，机械化程度高，综合生产能力 大，采矿成本低、效率高，仍然是一种高效安全经济的采矿方法，并将获得更广 泛的使用。 1 ．2 ．2 间柱采场稳定性研究现状 间柱采场是二步骤回采工艺的重要部分，支撑着一步骤矿房采场的回采，承 受顶板和围岩转移的应力，随着问柱采场回采工作的开展，其形态和规模又不断 发生变化，岩体受到反复多次的扰动，呈现极其复杂的受力状态。特别是采用深 孔法回采间柱时，随着崩矿的推进，空区不断增大，矿房充填体侧向暴露面随之 增大，时问越长，地压显现越明显，出现局部垮塌、冒落，矿柱破坏，邻近采场 地压维护困难等问题，甚至有可能从采场顶底板和两帮的矿岩高应力区域或以岩 体稳定性差、构造裂隙发育部位为失稳的突破口，发生大范围的突发性位移、变 形、冒落和垮塌，严重威胁矿山的安全生产。间柱回采的稳定性问题一直是矿山 安全生产的重大问题和技术难题
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