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中图分类号 U D C T D 8 0 7 6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 5 3 3 三山岛金矿海下开采合理开采上限的确定 D e s i g no nt h er e a s o n a b l eu p p e rm i n i n gl i m i tu n d e r s e ao f S a n s h a n d a oG o l dM i n e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 旱诳t 天浩 矿业工程 采矿工程 资源与安全工程学院 ．赵国彦教授 答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 4 年5 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己在论文中作了明确 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。 作者签名墓 墨日期型 竺年上月型日 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。 作者签名兰{ 墨 导师签 万方数据 中南大学硕士学位论文 摘要 三山岛金矿海下开采合理开采上限的确定 摘要近几十年来，我国快速发展的经济消耗了大量的矿产资源，加 之其开采利用较为粗放，目前陆地矿产资源极其匮乏，而海下矿产资 源非常丰富。可见，海下开采势必成为矿业今后发展的重要方向。海 下开采中一个重要的研究内容是确定矿山开采上限，开采上限的合理 与否关系着矿山安全、企业效益和资源利用率。本文以在渤海下开采 的三山岛金矿为工程背景，运用多种方法研究海下开采合理的开采上 限，主要开展的研究工作如下 1 对国内外海下及水体下开采确定开采上限相关研究进行了综 述，为合理确定三山岛金矿海下开采上限提供了参考依据。 2 通过室内岩石力学试验和现场地应力测试等研究，获得了矿 区矿岩力学参数和地应力分布规律，为后续的力学分析和数值模拟研 究提供了基础数据。 3 给出了海下开采确定开采上限的基本理论，提出了计算导水 裂隙带高度的修正经验公式并基于5 0 组样本实测数据构建了导水裂 隙带高度的未确知聚类预测模型，由此计算矿区的导水裂隙带高度分 别为4 4 ．7 m 和3 1 ．6 m 。 4 运用5 种传统理论方法对防水矿岩柱尺寸进行计算，在此基 础上又分别采用材料力学和弹性力学从强度和刚度等方面对3 种力 学模型下的防水矿岩柱尺寸进行深入解析，得出了不同安全系数下需 留设的防水矿岩柱尺寸。 5 采用M i d a s ／G T S ．F l a c 3 D 耦合模拟技术对矿山不同中段开采采 场导水裂隙带高度和海底粘土层的位移变化进行模拟，得出矿区合理 的海下开采上限为一7 5 m 。为验证数值模拟方法的可靠性，运用瞬变电 磁法对一2 0 0 m 中段己采盘区采场导高进行测量并与数值模拟结果进 行对比分析。结果表明，数值模拟结果和实测值基本吻合。 综合上述研究结果，考虑足够的安全系数，最终确定三山岛金矿 新立矿区留设的防水矿岩柱高度为5 2 ．2 m ，即海下合理的开采上限为 ．8 7 ．2 m 。 关键词海下开采；开采上限；防水矿岩柱；导水裂隙带；突水 分类号T D 8 0 7 I I 万方数据 D e s i g no nt h er e a s o n a b l eu p p e rm i n i n g l i m i tu n d e r s e ao f S a n s h a n d a oG o l dM i n e A b s t r a c t I nr e c e n td e c a d e s ，C h i n a ’S l a r g e a m o u n to fm i n e r a lr e s o u r c e s ， e x t e n s i v ee x t r e m e l y , a sar e s u l t ，t h e f a s t g r o w i n ge c o n o m yc o n s u m e sa c o u p l e dw i t h i t s e x p l o i t a t i o n i s l a n dm i n e r a lr e s o u r c e si Ss e r i o u s s h o r t a g e ．W h i l e ，t h eu n d e r s e am i n e r a lr e s o u r c e si Sv e r yr i c h ，t h e n , r n m m g u n d e r s e aw i l l i n e v i t a b l y b e c o m ea ni m p o r t a n td i r e c t i o no fm i n i n g i n d u s t r yi nt h ef u t u r e ．O n ei m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i co fm i n i n gu n d e r s e ai S t od e s i g nt h eu p p e rm i n i n gl i m i t ，w h i c hi sr e a s o n a b l eo rn o tr e l a t e dt o m i n e ’Ss a f e t y , b e n e f i t sa n dr e s o u r c eu t i l i z a t i o n r a t e ．I nt h eP 印e r , S a n s h a n d a oG o l dM i n eu n d e rt h eB o h a iS e ai Su s e da sa ne n g m e e r m g b a c k g r o u n d ，u s i n gav a r i e t yo fm e t h o d st os t u d yt h e r e a s o n a b l eu p p e r 1 i m i to fm i n i n gu n d e rs e ar a t i o n a lm i n i n g ，t h em a i nr e s e a r c hw o r kl Sa s f o l l o w s 1 R e v i e w i n gt h er e s e a r c hr e l a t e dt ot h es t u d yo f u n d e r s e am i n i n g a n dt h ed e s i g no nu p p e rm i n i n gl i m i tu n d e rw a t e ra th o m ea n da b r o a d ， p r o v i d i n gar e f e r e n c e f o rd e s i g n i n g S a n s h a n d a oG o l dM i n eu n d e r s e a ． ar e a s o n a b l eu p p e rm m m gl i m i to t ● ●‘‘‘ 2 O b t a i n i n gt h eo r ea n dr o c kp a r a m e t e r sa sw e l la st h el n - s i t us t r e s s d i s t r i l I u t i o nr e g u l a r i t yb yt h et e s to fr o c km e c h a n i c sa n di n - s i t us t r e s si n t h el a b o r a t o r ya n df i e l dr e s p e c t i v e l y , p r o v i d i n gt h eb a s i cd a t af o rt h e s u b s e q u e n tm e c h a n i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s e a r c h ． 3 D e s c r i b i n g t h et h e o r yo fs t u d y i n gt h eu p p e rm i n i n gl i m i t u n d e r s e a ，p r o p o s i n gaa m e n d e de m p i r i c a lf o r m u l ao ft h ew a t e rf l o w i n g f r a c t u r e dz o n e ’Sh e i g h t ．B a s e do n5 0g r o u p so fm e a s u r e dd a t ao ft h e w a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n e ’Sh e i g h t ，t h eu n a s c e r t a i n e dc l u s t e r i n gm o d e l f o rp r e d i C t i n gt h ew a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n e ’Sh e i g h ti se s t a b l i s h e d ． C a l c u l a t e db yt h et w om e t h o da b o v e ，t h ew a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n e ’S h e i g h ti s4 4 ．7 ma n d 31 ．6 mr e s p e c t i v e l y ． 4 ’ U s i n gf i v et r a d i t i o n a lt h e o r e t i c a lm e t h o d st oc a c u l a t ew a t e r p r o o f p i l l a r Ss i z e ，b a s e do nw h i c h ，t h ep a p e ra n a l y z e sa n dc a l c u l a t e st h es i z eo f w a t e r p r o o fp i l l a ri nt h r e em e c h a n i c a lm o d e l so fw a t e r p r o o fp i l l a rf r o m t h ea s p e c t so f b o t hs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，a c h i e v i n gt h es i z eo fw a t e r p r o o f I I I 万方数据 中南大学硕士学位论文 A b s t r a c t p i l l a ri nd i f f e r e n ts a f e t yf a c t o r s ． 5 S i m u l a t i n gt h es t o p e ’Sw a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n e ’Sh e i g h ta n d t h e c l a yl a y e r ’Sd i s p l a c e m e n tv a r i a t i o nu n d e r s e ao fd i f f e r e n tl e v e l s ’ m i n i n gb yM i d a s ／G T S - F l a c Ⅲc o u p l e ds i m u l a t i o nt e c h n i q u e s ．B yw h i c h ， t h er e s u l ti St h a tt h em i n e 。Sr e a s o n a b l eu p p e rm i n i n gl i m i tu n d e r s e ai S - 7 5 m ．T ot e s tt h er e l i a b i l i t yo fn u m e i c i a ls i m u l a t i o nm e t h o d ．t h et r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i cm e t h o dh a sb e e nu s e df o rm e a s u r i n gt h ew a t e rf l o w i n g f r a c t u r e dz o n e ’Sh e i g h to f - 2 0 0 ml e v e l ’Sm i n e dp a n e ls t o p e ，c o m p a r e dt o t h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a tn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l ti Ss i m i l a rt ot h em e a s u r e dv a l u e ． I n s u m m a r y , c o n s i d e r i n ge n o u g hs a f e t yf a c t o r , t h e u l t i m a t e w a t e r p r o o fp i l l a r 。Sh e i g h ti s5 2 ．2 m ，t h a ti s ，t h er e a s o n a b l eu p p e rm i n i n g l i m i tu n d e r s e ai S ．8 7 ．2 m ． K e y w o r d s m i n i n gu n d e r s e a ；u p p e rm i n i n gl i m i t ；w a t e r p r o o f p i l l a r ；w a t e r f l o w i n gf r a c t u r e dz o n e ；w a t e ri n r u s h C i a s s i f i c a t i o n T D 8 0 7 I V 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I A b s t r a c t ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 工程背景及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 三山岛金矿海下开采特征与技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 矿区工程地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．1 地层和岩性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．2 地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．3 矿体特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 2 ．3 矿区水文地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．1 地表水体⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．3 ．2 含水层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．3 ．3 隔水层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．4 矿岩物理力学参数和矿区地应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．4 ．1 矿岩物理力学参数测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．4 ．2 矿区地应力分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．5 矿山海下安全开采技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．5 ．1 矿山开拓⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 2 ．5 ．2 采矿方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 2 ．5 ．3 生产系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 海下开采确定开采上限理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 3 ．1 滨海基岩矿床海下开采概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．1 ．1 海下开采难点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一31 3 ．1 ．2 海下安全高效开采原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 2 3 ．1 ．3 滨海基岩矿床开拓方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 3 ．2 海下开采覆岩破坏形态和矿井突水机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．2 ．1 采场覆岩移动和变形规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 V 万方数据 中南大学硕士学位论文目录 3 ．2 ．2 海下开采矿井突水机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 3 ．3 海下合理开采上限的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．3 ．1 开采上限与防水矿岩柱及导高的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．3 ．2 开采上限的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 3 ．4 导水裂隙带发育高度预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．4 ．1 导水裂隙带的形成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 3 ．4 ．2 导水裂隙带高度影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 3 ．4 ．3 导水裂隙带高度确定方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 3 ．4 ．4 导水裂隙带高度的未确知聚类预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 3 ．5 开采上限的数学理论解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 4 开采上限的力学分析与计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．1 防水矿岩柱高度理论计算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．1 ．1 荷载传递交汇线法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 4 ．1 ．2 厚垮比法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 4 ．1 ．3 普氏拱法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 4 ．1 ．4 鲁佩涅伊特理论计算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 4 ．1 ．5 长宽比梁板法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 4 ．2 防水矿岩柱高度的材料力学解析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 4 ．2 ．1 双端嵌固梁力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 4 ．2 ．2 嵌固．简支梁力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 4 ．2 ．3 双端简支梁力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 4 ．2 ．4 基于刚度下防水矿岩柱高度的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 4 ．3 防水矿岩柱高度的弹性力学解析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 4 ．3 ．1 嵌固梁力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 4 ．3 ．2 嵌固．简支梁力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 4 ．3 ．3 简支梁力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 4 ．4 开采上限的力学解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 5 开采上限的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 5 5 ．1 数值模拟方法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 5 ．1 ．1F l a c 3 D 软件和M i d a S ／G T S 软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 5 ．1 ．2M i d a s ／G T S ．F l a c 3 D 耦合模拟技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 5 ．2 计算模型和初始地应力场的生成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 5 ．2 ．1 几何模型构建与网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 0 5 ．2 ．2 本构模型和材料参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 V I 万方数据 中南大学硕士学位论文目录 5 ．2 ．3 初始地应力场的生成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 5 ．3 不同开采上限的数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 4 5 ．3 ．1 开采．1 6 5 m 中段模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 5 5 ．3 ．2 开采．1 3 5 m 中段模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 7 5 ．3 ．3 开采．1 0 5 m 中段模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 9 5 ．3 ．4 ．2 0 0 m 中段导高实测与验证分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 5 5 ．4 开采上限的数值模拟解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 6 6 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 8 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 6 V I I 万方数据 中南大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 工程背景及研究意义 矿产资源是生产活动中最重要的物质基础之一，它对保障经济和社会的持续 和谐发展意义重大。据统计，人民生活中的农业生产资料、工业原料和能源来源 由矿产资源提供的比列分别达7 0 ％、8 0 ％和9 5 ％以上【l 】。尽管我国幅员辽阔，物 产丰富，但随着资源的过度开发和利用，目前可供开采的简单易处理的富矿资源 极其匮乏，尤其是金属矿产资源，这无疑导致了金属矿山的开采不得不向6 类复 杂难采矿体 深部矿体、破碎松软矿体、高寒地区矿体、低品位矿体、残留矿体 和“三下一上”矿体 进军。深部矿体开采受“四高一扰动”特点影响，灾害 频繁高发，开采条件不成熟，是目前全球采矿科技工作者面临的共同难题【2 J 。破 碎松软矿体、高寒地区矿体、低品位矿体以及残留矿体受安全、技术、经济和环 境等因素制约，在当前的技术经济条件下难以开采利用。“三下一上”矿体是指 建筑物下、水体下、路基下和承压水体上赋存的矿体，其中尤以水下压占的资源 量最多。在市场对资源的迫切需求和采矿技术日新月异的驱动下，人们对水下开 采作了大量研究和尝试，取得了累累硕果。水下开采主要指开采湖海、河流、水 库、老塘水、新生界含水体和基岩含水体等水体下赋存的矿体，海下开采属于水 下开采范畴，但又不完全等同于含水层和河流等水体下矿床的开采，它具有独特 的自然环境和复杂的开采技术条件，是采矿领域内全新的一个研究课题。 三山岛金矿是山东黄金矿业集团的主力生产矿井之一，新立矿区为该矿下属 4 个矿区最大的一个，改扩建后产能达6 0 0 0 t ／d 。新立矿区位于莱州市北部的莱州 湾畔，北、西两面濒临渤海，南与仓上矿区毗邻，北与直属矿区隔王河相望，矿 区主采矿体全部赋存在渤海海底基岩内，地面海水最深l O m 。矿体赋存标高为 ⋯3 0 7 1 0 m ，矿体厚度2 5 m ，平均倾角4 6 0 ，平均含金品位3 ．2 6 卧。为确保海下 开采安全，中国恩菲公司在矿区初步设计时在海底留设了约1 3 0 m 高的安全隔离 层矿柱，规定矿山只能开采一1 6 5 m 标高以下的矿体。实践表明，该部分保安矿柱 尺寸留设过大，压占了大量的矿产资源。因此，有必要针对矿区开采技术条件开 展海下开采提高开采上限研究，重新确定矿山开采上限，从而解放部分隔离层矿 柱，实现矿山的又好又快发展。 开展海下开采合理开采上限确定研究的实质是计算海下留设防水矿岩柱的 尺寸，继而得出海下开采的最大安全开采高度即开采上限。如何科学、合理地留 设防水矿岩柱是海下开采的难点和关键，留设的防水矿岩柱厚度过大则造成了大 量的资源浪费，厚度过小的话，采场上覆岩层在高强度、大范围的开采下必然失 稳破坏，致使采场上覆导水裂隙带和与海水有水力联系的松散含水层贯通，极易 万方数据 中南大学硕士学位论文 绪论 发生矿井充水事故。目前，我国水下开采需要重新确定开采上限的矿山主要有2 种类型一是原设计留设的矿柱尺寸过大，本身存在一定的设计缺陷；二是原先 对矿井水文地质特征不清，采取多留矿柱的方法，以确保生产安全。可见，研究 海下开采合理开采上限的确定意义重大，主要体现在以下几个方面 1 合理的海下开采上限是避免海水或与海水有水力联系的含水层水体充入 井下的关键，是矿山海下安全生产的保证。 2 确定海下开采合理的开采上限不仅能提高矿产资源的回收率，使资源损 失最小化和矿井的服务年限最大化，有利于推动企业的可持续发展和提高企业经 济和社会效益。 3 通过海下开采提高开采上限的工程实践可以制定出相应的技术标准和行 业规范，从而为类似矿山的开采设计提供技术指导和参考依据。 4 开展海下开采确定开采上限的研究是贯彻落实科学发展观高效开发海洋 资源的具体体现，不仅填补了我国金属矿山海下开采设计的空白，丰富了我国海 下开采的理论和实践，而且对于提高我国“三下”开采的总体水平具有积极的推 动作用。 1 ．2 国内外研究现状 为了满足经济发展对资源的大量需求，国外一些陆地资源匮乏的发达国家率 先开展了海下采矿的研究与实践，尤其是在滨海下采煤，至今已有几百年的历史， 积累了丰富的宝贵经验。直到2 0 世纪中后期，大量的石油在海洋下以及中东地 区被发现，国外才放慢了海下采煤的脚步。海洋中不仅仅蕴藏着丰富的煤炭、油 气等能源，还有许多稀缺的金属矿产资源，这也是全球从未停止开发和利用海洋 的原因。随着2 1 世纪的来临，人们强烈地意识到国家的发展和竞争很大程度上 依赖于资源和科技的较量，海下开采尤其是在技术和经济上可以开发利用的滨海 基岩矿床的开采由此受到全球愈来愈高的重视，也逐渐被各国提上议程。 l 、国外海下开采研究现状 国外发达国家针对海下开采的研究比较早，最初在滨海下尝试煤炭、砂矿等 资源的开采【3 】。后来在滨海下又成功采出了大量的铁矿、铅锌矿等金属矿产资源。 多年的海下采矿实践使海下开采理论和技术更加丰富和成熟，这为滨海基岩矿床 的安全高效开采奠定了坚实的基础，极大地推动了人类矿业的发展和进步。 早在1 6 2 0 年，英国就在苏格兰地区试采北海下的煤层，是海下采煤最早的 国家[ 4 1 。英国通过在海上布置钻井平台、钻探船进行钻探并结合物探技术等手段 对北海和爱尔兰海滨海下的地层进行勘查，基本摸清了海下煤层的赋存特征。8 0 年代初，英国在北海下曾一度有1 9 个矿山同时进行开采，海下煤炭产量占国内 总产量的8 0 ％以上【5 ～7 1 。海下煤炭开采方法主要有长壁式和房柱式2 种，如 ’ 万方数据 中南大学硕士学位论文绪论 L y n e m o u t h 、B l a c k h a l l 等矿的采矿方法为长壁式，H a r d o n 、E l l i n g t o n 等矿的采矿 方法为房柱式。在海下采煤条例未颁布以前，英国主要通过实践经验指导海下开 采，如苏格兰和诺森伯兰地区基于长壁式方法的海下开采实践，对不同采深条件 下所允许的采厚作了相关规定，如表1 ．1 。 表1 ．1 英国海下开采采深与采厚关系 1 9 6 8 年，英国根据工程实践制定了海下采煤法规，对海下采场覆岩厚度、 采厚、煤柱尺寸和采煤方法等方面提出了要求，认为采场覆岩厚度和海底水平拉 伸变形是海下安全开采的重要影响因素，由此规定长壁式开采方法下采场覆盖 层厚度不能低于1 0 5 m ，基岩厚度不低于6 1 m 且采厚不能超过1 ．7 m ，海底水平变 形量要小于1 0 m m ／m ；房柱式开采方法下采场覆盖层厚度不能低于6 1 m ，煤房宽 度为6 m 左右，煤柱宽度要大于0 ．1 倍的采深。 加拿大最早开展海下开采的实践是N o v aS c c t i a 公司于1 7 2 0 年在卡普顿岛滨 海下进行的采煤试验，大规模开采是在1 9 2 4 年以后，海下煤炭产量曾一度占全 国总产量的4 0 ％以上。加拿大海洋矿产丰富，仅新斯科细亚东部滨海地区煤炭的 可采储量就达到8 亿吨以上。加拿大安监局通过借鉴英国海下采煤经验以及结合 本国工程实际，规定深厚比大于1 0 0 的情况下可采用长壁式开采方法，深厚比低 于10 0 则采用房柱式开采，斜井等井巷距海底垂直距离要大于5 5 m 【8 9 1 。 作为一个陆地资源相当贫乏的岛国，一直以来，日本非常注重海洋矿产资源 的价值【l0 1 。自1 8 8 0 年日本在九州岛滨海下成功采煤以来，海下采煤产业在国内 得到了迅速的发展。日本根据以往海下开采的经验和教训制定了海下采煤安全 规程，规定在海下开采前必须制定详细的开采计划并报相关机构批准，采前打 超前钻孔勘探并制定严密的防治水措施。为保证海下开采安全，矿山要在海底留 有一定厚度的防水煤岩柱，如在长崎伊王岛海下采用长壁式垮落采煤法开采的实 践表明，海下安全开采的前提是留设防水煤岩柱的高厚比在深部和浅部分别在 3 4 倍和1 0 0 倍以上。为了减少海下开采防水煤岩柱的尺寸，日本在长崎福岛煤 矿开展了采用长壁式风力充填采煤法提高海下开采上限的试验研究，最终将防水 煤岩柱高度由原来的8 0 m 缩小为5 5 m ，顺利解放了大量压占资源。此外，日本 在三池和松岛等滨海下的煤矿中开展了采用房柱式风力充填采煤法和人工混凝 土假顶下向分层水砂充填采煤法缩小留设煤柱的试验，均取得了良好效果。 澳大利亚在海下采煤也有丰富的实践经验，如澳大利亚N e w c a s t l e 矿区的1 0 万方数据 中南大学硕士学位论文绪论 余个矿山曾在太平洋浅海下以及与太平洋相通的M a c q u a r i e 湖下进行采煤，最远 的采场距海岸线约1 0 0 0 m 。1 9 7 5 年，澳大利亚颁布了海下采煤指南 草案 ， 规定①禁止开采基岩厚度小于4 6 m 的海下煤层；②基岩厚度小于6 0 倍采厚且 大于4 6 m 时采用房柱法开采；③基岩厚度大于6 0 倍采厚可采用长壁式垮落法开 采，但基岩面的水平拉伸变形量不允许超过7 ．5 m m ／m ；④为防止海水倒灌，应 根据岩层移动角计算留有一定尺寸的防水煤柱⑤海下采煤采掘计划要经矿业部 长同意和相关机构批准L 】。 土耳其、智利等国也曾在上世纪开展过海下煤炭的开采，如土耳其在宗古尔 达克科兹卢附近的黑海下成功采出了大量资源。智利康赛普西翁洛塔地区的R o t a 煤矿在南太平洋滨海下采用长壁采煤法顺利采出了3 层煤层并由此规定海下开 采采场上覆岩层的厚度至少为1 4 0 m ，海底水平拉伸变形量不准超过5 ．0 3 m m ／m 。 由于海下开采一般是在岸边开拓井筒，通过长的石门或斜井延伸到海下采场。鉴 于该矿海下通风费用、运输费用等受长距离的限制，智利政府因海下采煤成本过 高等原因不得不于1 9 9 6 年将该煤矿关闭【1 2 】。 袁1 - 2 国外部分国家海下采煤规定 此外，美国、英国、印度、波兰等国在湖泊、河流、松散含水层和基岩含水 层等含水体下采矿也开展了大量的研究与实践，主要也是针对采煤方面，对水下 安全采深和防水煤岩柱的留设作了初步规定，如表1 ．2 [ 1 3 。引。美国规定在大面 积流域水体下采矿，安全采深不小于6 0 倍采高，针对特定水文地质条件下留设 的防水煤柱应尽可能的回收。英、印两国要求含水体下留设的防水煤岩柱厚度要 在6 0 m 以上。波兰认为在水下开采应留有不低于8 倍煤层采厚的防水煤岩柱， 最小厚度不能低于2 0 m 。澳大利亚C o l l i e 煤田煤层距上覆松散含水层1 3 0 ～1 6 0 m ， 矿山通过抽水试验确定水文地质参数，结合覆岩破坏和岩层移动情况综合确定了 防水煤岩柱的尺寸。原苏联最初规定水体下存在稳定隔水层 如厚度大于两倍 采厚的第四系粘土层 时，防水煤岩柱厚度可取2 0 ～4 0 倍采厚；否则，根据覆岩 4 万方数据 中南大学硕士学位论文 绪论 岩性、厚度等情况取2 0 ～6 0 倍采厚。后来，原苏联通过观测多个水下煤田开采的 岩层移动情况和涌水量大小，于1 9 7 3 年制定了确定导水裂隙带高度 简称“导 高” 的操作指南，改变了以往根据经验定性确定开采上限的方法，使留设的防 水煤岩柱厚度普遍缩小了近三分之一。1 9 8 1 年，原苏联颁布了相应的水下开采 安全规程，根据采场覆岩隔水层厚度、覆岩岩性、采厚、开采工艺等条件综合计 算矿山开采上限，并在规程中给出了地表水体下安全开采深度的的计算公式 H K A ／ 1 ．1 式中月- _ 水下矿山的安全开采深度，m ； 卜安全开采深度影响系数，大小主要和矿体倾角有关，如表1 ．3 ； 朋- _ 采厚，m 。 表1 ．3 原苏联地袁水体下安全开采深度影响系数 表1 ．4 不同岩层的等效隔水系数 匈牙利煤田水文地质条件极其复杂，煤田主要受灰岩含水层的影响，突水灾 害严重，如D o r o g 矿业公司在过去的1 0 0 年里累计发生6 3 0 余次突水灾害，其中 5 3 次事故造成矿井被淹。通过突水事故资料的分析，匈牙利认为采场上覆隔水 层厚度不足是造成突水的主要原因。后来，W e g g e rF r e n 等学者认为突水的主要 影响因素除了隔水层厚度外，还有含水层水压的大小，并提出了相对隔水层理论 u 9 2 0 ] 。认为不同岩层的渗透性不同，由此可定义一种标准隔水层作为参照，再 将其他岩层与参照物对比可得出其等效隔水系数，继而算出水下开采相对隔水层 的厚度丽，计算公式为 一m L m f - a 1 ．2 P 式中聊一水下采场上覆各岩层的厚度，m ； 亭一水下采场上覆各岩层等效隔水系数，见表1 ．4 ； 口一不可靠的相对隔水层厚度，如隔水层和水体接触面的起伏变化影响等， 一
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