软破矿体开采再造空间力学响应模型试验与数值模拟研究.pdf

中南大学 硕士学位论文 软破矿体开采再造空间力学响应模型试验与数值模拟研究 姓名夏明 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师周科平 20091101 中南人学硕士学位论文摘要 摘要 论文结合“十一五”国家科技支撑计划课题一“高价值软破矿 体开采环境再造高效开采综合技术研究“ 2 0 0 6 B A B 0 2 A 0 2 和中南大 学研究生学位论文创新项目一“软破矿体开采再造空间动力学响应 及试验研究” 2 0 0 9 s s x t 2 2 6 ，以新疆喀拉通克铜镍矿矿体为工程背景， 运用相似材料模型试验和数值模拟，对软破矿体开采再造空间的力学 响应进行研究。同时为现场提供参考作用。 本文的研究内容主要包含以下几个方面 1 开展矿区工程地质条件调查。获得了包括地应力、工程地 质岩组及其参数等资料，为本次模型试验提供详细的各岩层物理力学 参数。 2 确定了相似模型试验中各岩性的配比。以细砂、水泥、石 膏、铁粉、锯末和水为配比材料，对不同配比的试样进行了力学测试， 并成功的选取了满足相似原理的配比来模拟人工顶板、人工条柱、矿 体和上下盘围岩。 3 以新疆喀拉通克铜镍矿l 号矿床试验矿段为原型，对采场 的横剖面和纵剖面运用相似材料模型试验，深入分析了深孔诱导崩落 开采过程中人工项板、人工条柱和上、下盘围岩力学演化规律。 4 针对再造空间处于6 8 8 m 阶段到2 4 8 m 阶段的实际情况，对 地下结构进行了分级加载的模型试验。确定了高应力条件下地下结构 的变形特征和裂纹演化规律。 5 对纵剖面模型进行了数值模拟，并对计算结果 应力场、 位移场、安全系数 进行了详细分析，同时根据纵剖面模型试验的结 果，开展相似材料模型试验与数值模拟对比分析。 关键字再造空间，力学响应，模型实验，数值模拟，诱导崩落，分 级加载，稳定性 中南大学硕士学何论文 A B S T R A C T A BS T R A C T F o u n d e db yN a t i o n a lK e y1 1 e c h n o l o g i e sR DP r o g r a mo fC h i n a j ‘S t u d yo nt h ec o m p r e h e n s i V et e c h n o l o g yf o rh i g he 伍c i e n tm i n i n gb y u s i n gm i n i n ge n V i r o 啪e n tr e g e n e r a t i o ni nh i 曲一V a l u e 、 s o Ra n db r o k e n d e p o s i t e ” 2 0 0 6 B A B 0 2 A 0 2 a n dt h eG r a d u a t ed e g r e et h e s i s I n n o V a t i o n F o u n d a t i o n o fC e n t r a lS o u t hU n i V e r S i 哆j ‘D y n a m i c r e s p o n s e o f r e g e n e r a t i o ns p a c eu n d e rm i n i n gt h es o Ra n db r o k e nd e p o s i t ea n di t s e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ” 2 0 0 9 s s x t 2 2 6 ，a n d t a k e nt h e d e p o s i t o ft h e K e l a t o n g k eC o p p e r - N i c k e lM i n ei nS i n k i a n ga sa ne n g i n e e r i n ge x 锄p l e ， t h es i m i l a rm a t e r i a lm o d e l t e s t i n ga n dn 啪e r i c a ls i m u l a t i o na r em a d et o s t u d i e dt h em e c h a n i c a lr e s p o n s eo fr e c o n s t l m c ts p a c ei n d u c e db ym i n i n g s o Ra n db r o k e nd e p o s i t e ．I tc a np r o V i d et h eg u i d e n c ef o rt h em i n i n g ． T h i sp 印e rh a sc a r r i e do u tt h er e s e a r c hw o r k si n V o l V i n gs e V e r a l a s p e c t sa sf o l l o w s 1 T h r o u 曲c a r 叮i n g o u tt h ed e t a il e d i n V e s t i g a t i o n o ft h e e n g i n e e r i n gg e o m e c h a n i c ，t h ei n f o m a t i o no f i n s i t us t r e s sa n dg e 0 1 0 9 i c a l e n g i n e e r i n gr o c k m a s s a r eg a i n e d ．I tp r o V i d e dt h ed e t a i l e dm e c h a n i c a l p a r a m e t e r so f r o c l sa n dr o c kb o d i e sf o rt h i sm o d e l t e s t ． 2 I td e t e 唧i n e st h es i m i l a rm a t e r i a lr a t i oo ft h er o c km a s si nt h e m o d e lt e s t ．I nt h i se x p e r i m e n t ，f i n es a n d 、c e m e n t 、g y p s u m 、i r o np o w e r 、 s a w d u s ta n dw a t e rw e r eu s e dt op r e p a r em a t e r i a ls i m i l a rt or o c k s ． A c c o r d i n gt ot h ep r o p o I r t i o n s ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h i sm a t e r i a l w e r ed e t e n n i n e d ．T h es i m i l a fm a t e r i a lr a t i ot h a tm e e t st h es i m i l a rm o d e l e x p e r i m e n to f a I r t i f i c i a lr o o f 、a 】r t i f i c i a lp i l l a r 、o r eb o d ya n ds u r r o u n d i n g r o c km a s sh a sb e e nf ．o u n d ． 3 B a s e do n t h ep r o t o t y p eo ft h eK a l a t o n g k eC o p p e r _ N i c k e lM i n ei n S i n k i a n g ，t h es i m i l a rm a t e r i a lm o d e l i n g t e s ti sm a d et od e e p l ya n a l y z et h e a n i f i c i a lr o o f 、a n i f i c i a l p i l l a r 、u p p e rs u r n o u n d i n gr o c ka n d 1 0 w e r s u n ’o u n d i n gr o c ke V o l u t i o nm l e so fm e c h a n i c a li n d u c e db yd e e p h o l e i n d u c e dc a V i n ge x c a V a t i o ni nt h ec r o s ss e c t i o na n dt h el o n g i t u d i n a l s e c t i o no ft h es t o p e ． 4 A c c o r d i n gt or e a l s i t u a t i o no ft h eK e l a t o n g k eC o p p e 卜N i c k e l 中南大学硕十学位论文 A B S T R A C T M i n ei nS i n k i a n gt h a tt h er e ．c o n s t r u c ts p a c ei su n d e rt h e6 8 8 ml e v e lt o 2 4 8 ml e V e l ，t h es i m i l a rm a t e r i a lm o d e l i n gt e s ti sm a d et od e e p l ya n a l y z e t h et h es t a b i l i 妙o fu n d e 呵o u n ds t m c t u r eu n d e rs t e pl o a d i n g ．T h ew h o l e f a i l u r ep r o c e s sw a so b t a i n e d ，a n dt h ed e f o 吼a t i o na n dc r a c ke x t e n s i o no f k e yp a r t si ss t l J d i e d ． 5 T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a Sb e e nu s e di nt h el o n g i t u d i n a l s e c t i o no ft h es t o p e ．T h en u m e r i c a lr e s u l t s s t r ．e s sd i s t r i b u t i o n 、 d i s p l a c e m e n td is t r i b u t i o n 、s a f ．e t yf a c t o r h a sb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l ． M e a n 、V h i l e ，c o n t r a s t i n ga n a l y s i so fm o d e lt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n h a sc a f r i e do u to nt h eb a s i so ft h er e s u h so fs i m i l a rm a t e r i a lm o d e lt e s t ． K E YW O R D S R e c o n s t r u c ts p a c e ，M e c h a n i c a lr e s p o n s e ，M o d e lt e s t ， N u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，I n d u c e dc a V i n g ， S t a b i l i t y ，S t e pl o a d i n g ⅡI 中南人学硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 引言 第一章绪论 我国西部地区有3 0 多种矿产，居全国第一，铁、钼、镍、锡、金、银、钒、 锂、镁等固体矿产非常丰富。西部大开发的主题之一，就是实施资源转换战略， 变西部资源优势为产业优势，进而实现经济优势。 新疆的矿产资源优势十分突出，但矿业相对落后。新疆孕育着丰富的矿产资 源，世界三大巨型成矿区域有两条穿越新疆，具有巨大的开采潜力，是中国矿产 资源比较丰富，矿种配套比较齐全的省区之一。现已探明矿种1 3 8 种，占中国探 明矿种的8 2 ．1 4 ％；在已探明矿产中，保有储量居全国第一的矿产有1 0 种，居全 国前1 0 位的矿产有5 8 种，石油、天然气、煤、铜、锰等具有重要工业用途的矿 种均名列其中。“十一五”期间，将通过优势资源转换战略，把新疆建成大型有 色金属、非金属生产加工基地。随着西部大开发战略的深入推进，新疆巨大的矿 产资源潜力已引起海内外大企业集团的关注。 有“金山银水”之称的新疆阿勒泰，正成为中国矿业勘探开发的前沿。阿勒泰 地区有非常良好的成矿条件，新疆准噶尔盆地东北缘是世界级的有色金属成矿 带，有很大的储量远景。因此，地处该成矿带的喀拉通克铜镍矿的进步与发展， 对阿勒泰地区乃至新疆矿业的可持续发展具有十分重要的示范作用。 新疆新鑫矿业股份有限公司喀拉通克铜镍矿地处新疆准噶尔盆地东北边缘， 富蕴县境内，是集采、选、冶为一体的有色金属联合企业，在新疆有色金属行业 中举足轻重。铜镍矿1 9 8 8 年建成投产，1 9 9 3 年1 1 月提前一年实现采、冶双达 产。自1 9 9 8 年起铜镍矿进行了二期技术改造，总投资近7 0 0 0 万元。2 0 0 2 年5 月，技改工程竣工，形成了采、选、冶系统联动生产，2 0 0 3 年采、选、冶工艺 流程己基本理顺，采矿由过去的单一开采特富矿转为大规模开采富矿，年采矿石 3 0 万吨。新建一座日处理富矿石能力1 0 0 0 吨的有色金属选矿厂，冶炼生产由过 去的敞开式鼓风炉改造为密闭式鼓风炉，二期技术改造工程已发挥整体效益。 目前，喀拉通克铜镍矿主要采用下向进路戈壁料胶结充填采矿法开采，设计 采选生产规模1 0 0 0 们。矿山采用竖井开拓，分期开采。二期开采主要对象为1 号富矿，尚有未采下的1 号特富矿，主要生产中段为5 9 0 m 、6 5 0 m 水平。 喀拉通克铜镍矿采用盘区下向水平分层胶结充填采矿法生产。由于下向水平 分层胶结充填采矿法先天存在的不足，致使喀拉通克铜镍矿在使用该采矿方法 时，存在一些比较突出的问题。突出表现在 1 采矿效率低，机械化程度不 中南大学硕士学位论文第一章绪论 高，回采工艺复杂，严重制约了矿井生产能力的提高； 2 采、充成本高，严 重影响矿山经济效益； 3 充填接顶差，给矿山安全生产带来不良影响； 4 矿区所在区域生态环境十分脆弱，矿山生产产生的尾矿、废石、废碴对矿区的生 态环境影响很大。 随着喀拉通克铜镍矿采矿深度的不断下降，矿山地压活动的加剧，由此引起 的问题将越来越严重，采矿成本也将持续上升。因此，开展“高价值软破矿体开 采环境再造高效采矿综合技术研究”，对解决喀拉通克铜镍矿极不稳固、高品位 矿床安全、高效开采的技术难题，为喀拉通克铜镍矿大幅度提高矿井产量、促进 企业做大做强提供技术保障，是十分必要和紧迫的。 为此，必须创新喀拉通克铜镍矿采矿技术方案，开发一种适合该矿矿体赋存 特征和采矿技术条件的高效，低成本、安全的采矿方法，以实现大幅度提高采矿 生产能力，降低采矿成本、改善作业条件，保护西部地区生态环境的目的。该研 究将对于喀拉通克铜镍矿矿石的可持续供应，促进喀拉通克铜镍矿的跨越式发 展，具有十分重要的现实意义，同时，对于推动我国采矿技术的进步与发展具有 重要意义。 1 ．2 课题来源及论文研究背景和意义 1 ．2 ．1 课题来源 本文研究内容来源于“十一五”国家科技支撑计划课题“松软破碎金属 矿床安全高效开采综合技术研究” 2 0 0 6 B A B 0 2 A 0 2 和中南大学研究生学位论文 创新项目“软破矿体开采再造空间动力学响应及试验研究” 2 0 0 9 s s x t 2 2 6 。 结合正在新疆喀拉通克铜镍矿l 号矿体实施的“开采环境再造深孔诱导崩矿 充填采矿法”工业试验，以新疆喀拉通克铜镍矿1 号矿体的试验采场为研究对象， 利用相似材料模型试验和数值模拟，对软破矿体开采再造空间的力学响应进行研 究。 针对喀拉通克铜镍矿高价值复杂难采矿体的开采技术条件，中南大学提出了 “开采环境再造深孔诱导崩矿充填采矿法“ 的技术方案【l 矧，其技术思路是将 矿体划分为盘区，然后划分为矿段，以矿段为回采单元；用传统的下向进路胶结 充填采矿法回采工艺与支护技术，分别在矿段中的顶板部位回采3 个分层，形成 人工顶板，在矿段的底柱部位，构筑单堑沟出矿人工受矿出矿底部结构，在垂直 矿体走向方位间隔2 5 m ，构建一宽度为6 m 的人工条柱，在回采矿段的周围最终 形成一个相对稳固的受限空间，即所谓的“采矿环境再造”；然后在新的采矿环 境下采用强制与诱导耦合的高效率深孔落矿采矿法 取代分层进路回采充填采矿 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 法 进行回采；采用低成本的尾砂 或戈壁料 充填料来代替高成本的混凝土， 用一次大量尾砂充填取代分层进路胶结充填。它克服了下向分层进路胶结充填采 矿法的诸多缺点，实现了高价值软破矿体的安全、高效、经济回采。 1 ．2 ．2 论文研究的背景和意义 采矿环境再造所构筑的人工结构属于大型地下岩土结构，其稳定性受众多因 素影响，包括开采顺序、地质水文条件、地应力、充填和支护效果、采场参数设 计以及爆破施工效果等，运用理论推导方法无法全面准确的考虑各个因素的作 用，难以得到有参考价值的结论【10 | 。随着高性能计算机技术的迅速发展，三维 数值模拟仿真 数值试验 方法已经广泛应用于地下结构整体稳定性分析研究 【n 。6 1 ，由于地下结构所处的地质环境、地应力条件一般非常复杂，目前很难有效 建立与实际相适应的精细网格模型，很难对整体结构的开裂以及破坏全过程进行 追踪仿真分析【l 。n 。而借助于模型试验更准确地模拟施工过程和影响，能直观的 模拟地下结构的破坏全过程。 由于喀拉通克铜镍矿所处的地质环境、地应力条件复杂，因此应将模型试验 结果与数值模拟结果进行对比，两者要相互补充，互为验证。 模型实验在基本满足相似原理的条件下，更能真实地反应地下结构和工程结 构的空间关系，更准确地模拟施工过程和影响；能更直观地展现地下结构的破坏 全过程，使研究者更容易从全局上把握工程整体力学特征、变形趋势和稳定性特 点，从而对地下结构的设计进行相应的优化。因此，相似材料模型实验研究方法 在地下结构的稳定性分析研究中仍然是必要的。 相似材料模型研究是一种重要的科学研究手段，是在实验室内按相似原理制 作与原型相似的模型，借助测试仪器观测模型内力学参数及其分布规律，利用在 模型上研究的结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布的规 律，从而解决岩体工程生产中的实际问题。这种方法具有直观、简便、经济、快 速以及实验周期短等有点、而且能够根据需要，通过固定某些参数，改变另一些 参数来研究巷道围岩应力和采矿工作面附近支撑压力在空间与时间上的分布规 律和变化情况以及某些参数对岩体应力的影响，这在现场条件下是难以实现的。 在岩体压力模拟研究中，模拟实验可以起到以下作用f l8 】 1 辅助现场岩体压力实测的研究，现场实测一般需要较多的人力、物力、 工作量大、耗费时间长。同时，不能直观地了解围岩中发生的应力变化和破坏过 程以及内部状态，观察还常常受到生产工作的制约甚至影响到生产。而用模型试 验进行研究，可以大致了解围岩的全面情况和变化状态，能清楚、方便地研究大 范围岩体内的应力分布状态和变形规律。 2 给工程施工的新技术、新工艺以及施工技术的新方案的工业试验提供 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 有价值的参考数据。不论是在矿山生产中，还是在地下工程实践中，每一项重大 的、新的技术方案都必须经过工业试验。一般情况下，工业实验需要较多的人力、 物力和财力，并牵涉到与正常生产的关系等问题，因此，工业实验前对新方案必 须有一定把握，模型实验可以帮助了解所实施新方案的可靠性，为工业试验做准 备。 3 帮助解决目前用理论方法尚不能解决的一些岩体压力问题。 必须指出，模拟研究有一定的局限性，这是因为岩体的力学性质以及地压活 动比较复杂，完全、准确地模拟它们较难做到。当然，模型毕竟不是原型，不可 能也没有必要在一切方面都做到相似，应当根据所研究的内容确定相似条件，而 相似模拟实验的成功关键在于抓住研究问题的本质，以相似理论为依据，采用先 进的试验设备和严谨的科学态度，从模型实验的结果来推测在原型中可能出现的 力学现象。 对于地质工程和矿山工程的地质力学模型来说，最好进行三维模拟试验，不 但比较接近工程开挖 采 效应的实际情况，亦避免了纵剖面模拟倾斜矿体的困 难，这是问题的一个方面，另一方面，地下工程及地下矿山用三维地质力学模型 模拟其开挖或开采效应，在目前还存在一些无法克服的困难，其主要原因是在于 无法顺利进行模拟开挖9 1 。对于这种情况，喀拉通克铜镍矿选用了平面模拟试 验方法。由于矿山的实际情况比较符合平面情况，因此用平面模型仍然可以较好 地反映矿山开采效应的实际情况，不致带来太大的误差。 开采环境再造深孔诱导崩落技术是一种新型的采矿方法，目前尚没有现成的 经验可以借鉴。文[ 2 0 ] 和文【2 l 】只对开采环境再造连续开采中出现的地压演化规 律和崩矿方案进行了数值模拟，笔者在文[ 2 2 】中对开采环境再造深孔诱导崩落进 行了模型试验研究。 本文的研究目的是通过进行大型相似材料模型试验和数值模拟技术，研究在 软破矿体开采中采用采矿环境再造形成再造空间，分析开采过程中再造空间显现 的力学响应以及时空分布规律，探讨矿段的布置方式、结构参数、回采对地下开 采安全与稳定的影响，揭示人工顶板、人工条柱、上下盘围岩在整个开采过程中 的动态地压分布规律，进行矿山开采过程的稳定性评价。 1 ．3 国内外研究现状以及发展趋势 1 ．3 ．1 模型试验研究 相似模型实验是2 0 世纪3 0 年代由苏联库兹涅佐夫提出的，已成为国内外矿 业界的一种重要研究手段。相似材料模型试验自1 9 5 6 年开始在我国应用，目前 4 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 已发展了半个世纪，近年来，太原理工大学胡耀青等盼2 4 J 利用开发的大型三维流 固耦合相似模型试验台对带压开采顶板破坏规律进行了三维相似模拟研究，严国 超等例利用模型试验来研究极近距离薄煤层群联合开采规错距理论。李仲奎等 【2 6 - 3 3 】对水电站的地下厂房也进行了模型试验研究。山东大学岩土与结构工程研 究中心朱维申等【3 4 ．3 7 】利用模型试验来分析大型地下洞群的稳定性。 中科院武汉岩土所刘建等【3 8 七9 】利用地质力学模型试验来分析三峡大坝的整 体稳定性，任伟中等【4 0 4 2 】利用模型试验来厚覆盖层条件下地表及围岩变形破坏特 性等，陈浩等【4 5 】利用岩土工程大型真三轴物理模型试验机对地下结构的稳定性 进行了大量的模型试验。中国矿业大学冯梅梅等【4 6 】利用模型试验来分析承压水 上开采煤层底板隔水层裂隙演化规律，刘长武等即J 利用三维物理模拟实验装置 对巷道开掘工程引起的应力场演变规律进行了研究。 清华大学水利系周维垣等f 4 ＆5 4 J ，在张光斗先生指导下，近4 0 多年来利用地 质力学模型对国内高拱坝 包括李家峡拱坝、二滩拱坝、溪洛渡双曲拱坝、锦屏 双曲拱坝等 进行了研究。 成都理工大学李天斌教授等【5 孓，7 】利用自己开发的振动试验台对地下结构动 态作用的稳定性进行了分析。中南大学曹平1 5 8 】利用平面模型试验对节理岩体的 力学性质进行了研究，预测了矿块崩落法崩落矿岩的规律与速度，韩斌【5 9 J 利用 相似模型试验对金川二矿区的l 。矿体六种可行的回采顺序进行了优化研究。 Y o n g ．J 0 0L e e 【6 0 舰J 利用2 维的模型试验研究地下隧道开挖导致地表移动的规律。 1 ．3 ．2 数值模拟研究 在采矿、水工和地下工程中，经常遇到的岩石力学问题就需要确定开挖前后 的应力和位移及其在开挖过程中的变化，以便为设计和施工提供可靠的定量依 据。已有的理论解只能解决圆形或椭圆形坑峒等具有简单形状的问题，对于几何 形状复杂的坑峒 如采场 只能用数值方法来近似求解。随着电子计算机的出现 和发展，数值方法有了长足的进步，已成为岩石力学研究和工程计算的重要手段 【1 9 1 o 目前在岩石力学中所用的数值方法和商业软件众多，如有限单元法 A N S Y S ／P h a s e 2 、有限差分法 F L A C ／F L A C 3 D 、边界单元法 E x 锄i n e 2 D ／ E x 锄i n e 3 D 、流形元法、离散元法 u D E C ／3 D E C ／P F C 等。有限元法自上世纪 7 0 年代提出并发展至今，已经相当成熟，是目前最广泛使用的一种数值方法， 可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹性、粘塑性等问题，是地下工程岩体应力应变 分析最常用的方法【4 3 】。边界单元法也是上世纪7 0 年代兴起的一种方法，在岩石 力学中C r o u c h 首先将边界元法用于解决层状岩体的开挖问题，由于边界元法具 有降维的优点，且计算精度高，．所以很适用于岩石力学的工程问题。有限差分法 5 中南大学硕上学位论文第一章绪论 及离散单元法最早由C u l l d a l I 提出，它的强大功能在于能模拟节理岩体，这也比 较符合实际情况。各种数值方法的介绍和比较可以参见L ．J i n g 的综述性文章 【6 4 弼】。以上各种数值方法都有各自的优缺点及适用条件。 Q i a n - b a n gZ e n g l 6 6 J 利用F L A C 来模拟不同开挖顺序对矿柱的影响；H e p i n gX i e 等【6 7 J 利用F L A C 3 D 来模拟项煤采煤法中的变形和破坏。Y 幻．S h ex i e 等【6 8 1 利用P F C 来模拟顶煤采煤法的放矿过程。H a b i bA 1 e h o s s e i n 等【6 9 】利用U D E C 来模拟长壁式 顶煤采煤法的应力分布。于学馥等【7 0 一7 】利用有限元对金川二矿区的开采过程进行 了分析，同时对回采方式进行了优化。 但同时也很应该注意的一个问题，地下岩石力学问题也常具有多过程耦合和 多尺度耦合特点，表明不可简单地直接使用解决工程问题的计算机程序和算法求 解力学问题。因此，必须开发可求解力学问题的计算机程序和算法，或对现有解 决工程问题的计算机程序和算法进行二次开发和改造。值得指出的是，力学问题 数值解的可信度与算法收敛性、稳定性、网格形状及尺寸、时间步长大小等因素 密切相关。这些因素必须在建立数值模拟模型时予以认真考虑。对于新开发的算 法和计算机程序，必须通过标准验证算例的检验，方可用于求解实际力学问题。 这一点不容忽视，否则会严重损害数值模拟结果的可信度【7 8 ．‘聊。 。 基于上述原因，应对软件进行二次开发，使数值计算更能体现实际情况。 在实际应用中应根据具体情况，采用合理的方法去解决问题，做到既经济又 可靠，这就要求我们尽可能的了解和掌握各种方法。本章采用有限元数值模拟方 法，以平面模型为主。利用有限元数值模拟方案可以较方便地模拟开挖过程，使 所得的围岩应力及变形比较真实的反应矿山开采中的实际情况。 当前国内外矿山仍然在应用和发展相似模型试验和数值模拟技术，并把它们 作为解决地下结构稳定等复杂问题的一种有效手段。因此对软破矿体开采再造空 间的力学响应进行模型试验与数值模拟研究是很有必要的。 1 ．4 论文主要研究内容与技术路线 本文研究的主要内容是对软破矿体开采再造空间的力学响应进行研究。这也 是“十一五“ 国家科技支撑计划课题“松软破碎金属矿床安全高效开采综合 技术研究’’项目的一个重要研究部分，关乎新型采矿方法试验的成功与否，给工 程施工的新技术、新工艺以及施工技术的新方案的工业试验提供有价值的参考数 据。选取新疆新鑫矿业股份有限公司喀拉通克铜镍矿l 号矿体为研究对象，在勘 探线1 8 ．2 0 之间、水平高程6 5 0 m ．5 9 0 m 之间构筑人工结构，结合现场地质条件 和施工情况，主要依靠相似材料模型试验和数值模拟技术，进行了以下研究 中南人学硕士学位论文第一章绪论 1 开展矿区工程地质条件调查。获得了包括节理裂隙调查、地应力测量、 同时获得了工程地质岩组及其参数等资料，为本次模型试验提供详细的各岩层物 理力学参数。 2 确定了相似模型试验中各岩性的配比。相似材料模拟实验中，选取合 适的配比是试验成功的关键。以细砂、水泥、石膏、铁粉、锯末和水为配比材料， 对不同配比的试样进行了力学测试，并成功的选取了满足相似原理的配比来模拟 人工顶板、人工条柱、矿体和上下盘围岩。 3 以新疆喀拉通克铜镍矿1 号矿床试验矿段为原型，对采场的横剖面和 纵剖面运用相似材料模型试验，采用百分表测量模型表面的全场位移，微型压力 盒监测模型内部的应力变化，深入分析了深孔诱导崩落开采过程中人工顶板、人 工条柱和上、下盘围岩力学演化规律。 4 针对再造空间处于不同回采阶段的实际情况，对地下结构进行了分级 加载的模型试验。确定了高应力条件下地下结构的变形特征和裂纹演化规律。 5 对纵剖面模型进行了数值模拟，并对计算结果 应力场、位移场、安 全系数 进行了详细分析，同时根据纵剖面模型试验的结果，开展模型试验与数 值模拟对比分析。 本论文的技术路线示意图 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 ．1 技术路线图 8 中南大学硕～} 学位论文第二章矿区工程地质条件 第二章矿区工程地质条件 2 ．1 试验采场的地质概况 1 试验采场开采技术条件二期技改扩建工程主要对象为喀拉通克铜镍 矿1 号矿床矿体，倾角6 5 0 ～8 5 0 ，倾斜延深3 8 0 ～6 2 0 m ，矿体走向6 5 0 m ，水平为 6 1 3 m ，平均厚度为3 1 m 。矿体由里向外为特富矿、富矿和贫矿，形成环状构造。 矿岩稳固性以碳质沉凝灰岩组最好，特富矿次之，富矿最差。环境再造采矿方法 试验必须兼顾富矿和特富矿的开采，原设计选定的试验矿段位于勘探线2 1 线至 1 9 线之间、垂直深度在 5 9 8 m ～ 6 5 l m 之间的一块区域。由于特富矿在下部变 厚大和富矿体边界的变化，为保护特富矿的回采，最终选定试验矿段以1 9 线为 中心，位于2 0 线至1 8 线之间。比原位置向1 8 线移动了1 0 m 左右。试验矿段分 为一个6 m 宽的包含部分特富矿的特富分条、一个2 5 m 宽的富矿采场、一个6 m 宽的富矿分条，长度均为矿体厚度。 试验矿段矿体节理裂隙发育，富含裂隙水，没有较大的断层。矿石硬度系数 f ．特富矿1 0 ～1 2 ，富矿1 1 ～1 3 ，岩石1 l ～1 5 ；矿岩比重特富矿4 ．5 4 ，富矿 3 ．1 l ，岩石2 ．7 2 ；松散系数特富矿1 ．5 0 ，富矿1 ．6 3 ，岩石1 ．5 。特富矿体稳固 性较好，富矿、岩石稳固性较差。矿体向西南方向倾斜，倾角7 0 0 ～8 5 0 之间， 矿体厚度在 5 9 8 m ～ 6 5 l m 标高范围内在9 ．0 m ～2 4 ．5 m 之间变化不等，呈现上 大下小，中间没有夹石。其中，在试验矿段范围内特富厚度从2 0 线向1 9 线逐渐 变细，高度方向由 5 9 8 m 水平向上亦逐渐变细，并在约 6 1 1 m 水平处尖灭。 2 工程现状6 5 l m 水平试验矿段矿体附近下盘施工有阶段运输平巷，在 2 0 线处施工有一穿脉；5 9 0 m 水平矿体下盘施工有阶段运输平巷；矿体下盘自 5 9 0 m 水平至 6 51 m 水平施工有一通风人行井。 3 地质储量特富分条 5 9 8 m ～ 6 5 l m 标高 矿石量1 9 8 9 2 吨，其 中特富矿8 1 6 吨，富矿1 9 0 7 6 吨；富矿采场 5 9 8 m ～ 6 5 1 m 标高 矿石量 7 0 1 0 6 吨；富矿分条 5 9 8 m ～ 6 5 1 m 标高 矿石量1 0 3 8 5 吨。 2 ．2 节理裂隙调查统计【2 J 节理裂隙是岩体在应力作用下形成的结构面，是构造断裂的一种，没有位移 或位移极小，虽然延长不远，纵深发展不大，但数目很多。节理的存在，破坏了 岩体的完整性，使岩体力学性能劣化，给岩体工程造成隐患。节理裂隙发育的方 9 中南大学硕十学位论文第二章矿区工程地质条件 位、数量、大小以及形态的不同，控制了矿体及其围岩的稳定性、破坏模式和破 坏程度。同时，节理裂隙作为一种构造痕迹，可以反映出本区主要构造的轮廓与 构造运动的特点。节理裂隙大都与构造应力保持着一定的内在联系，通过节理裂 隙可以推断节理裂隙形成时的构造应力场和构造运动方式，为区域构造应力场及 构造体系的力学分析提供基础资料。由此可见，节理裂隙的调查、统计和分析是 非常有价值的工作。 2 ．2 ．1 调查方法 调查方法主要有钻孔岩心调查和暴露面调查，以及近年来发展起来的数字式 全景钻孔摄像技术。钻孔岩心调查是指结合探矿、工程钻探和岩体结构调查的需 要，按一定的网格在不同的岩性和结构特征岩体中布置钻孔，提取岩心来调查节 理的产状及分布情况；数字式全景钻孔摄像技术指通过对钻孔孔壁的拍摄处理， 给出了全孔的孔壁展开图和三维虚拟岩芯图，并对深层岩脉、节理、裂隙的产状 和宽度进行量化的统计。该技术直接对孔壁进行研究，避免了钻孔取芯工程的扰 动影响，比钻孔岩芯更能反映钻孔内的实际情况，得到的结果更加可信、直观， 一定程度上解决了钻孔工程地质信息采集的完整性和准确性问题，使钻孔摄像技 术从以模拟方式下定性观察为主的钻孔电视模式向前推进了一步，达到了国际先 进水平。 本次地质调查采用以沿暴露面调查方法为主，即沿开挖巷道暴露面布置一条 测线，测线基点设在主运输巷与所调查巷道的交叉中点上，沿测线拉一条皮尺， 逐条量测每条结构面距基点的距离 基距 、类型、间距、产状、持续性类型、 起伏形态、粗糙度、张开度、渗水性、充填胶结情况以及岩性等。 2 ．2 ．2 调查结果 试验采场主要针对1 “矿体的回采，标高在 5 9 0 m ～ 6 5 l m ，1 8 至2 0 勘探线 之间范围内。已完成和正在掘进的坑道主要是1 9 线5 9 0 水平穿脉，1 9 线6 5 0 水平下盘联络道，1 9 线6 5 0 水平富矿条柱进路，1 9 线6 5 0 水平l 拌充填道，1 样， 2 4 和3 4 溜井，以及顶板第一分层的部分回采进路。由于喀拉通克铜镍矿矿岩松软 破碎，部分坑道裂隙水发育，坑道的暴露时间不能太长，必须尽快进行喷锚支护， 这就给此次节理裂隙调查带来了困难，造成部分坑段已经支护而无法进行调查； 此外，由于溜井正在进行施工，也无法调查，因此本次调查的对象仅为5 9 0