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台灣地區石礦地下開採數值分台灣地區石礦地下開採數值分台灣地區石礦地下開採數值分台灣地區石礦地下開採數值分 析之模組建立析之模組建立析之模組建立析之模組建立 國立台北科技大學材料及資源系國立台北科技大學材料及資源系 專題生專題生邱瑞宗、蔡慧貞邱瑞宗、蔡慧貞 2 大綱大綱大綱大綱 壹、前言壹、前言 貳、礦區概況貳、礦區概況 參、研究技術說明參、研究技術說明 肆、邊界元素法肆、邊界元素法LAMODEL模擬分析模擬分析 伍、分離元素法伍、分離元素法3DEC模擬分析模擬分析 陸、開採設計流程陸、開採設計流程 柒、結論與建議柒、結論與建議 捌、參考文獻捌、參考文獻 3 前言前言前言前言 l地下開採之技術要求高，投入開發成本也較地下開採之技術要求高，投入開發成本也較 大，尤其需重視基本調查與先大，尤其需重視基本調查與先期期之之整體規劃。整體規劃。 l礦礦柱柱設計設計則則需考需考慮現慮現地地應力應力，，岩岩石石強度強度及及坑道坑道 大大小等相關配合條件小等相關配合條件，，有關有關礦礦柱安全係柱安全係數數評估評估 則以則以礦礦柱強度柱強度與礦與礦柱應力為主柱應力為主要考要考量。量。 l分析分析工具為電腦軟體工具為電腦軟體程程式式LAMODEL及及3DEC模擬模擬 分析分析。。 l選擇選擇礦區礦區為東部澳花為東部澳花地區之礦地區之礦場。場。 l根據根據分析結分析結果果，，經由經由專專業業礦礦山山開發開發軟體（如軟體（如 Surpac2000）為輔助）為輔助，，進行進行礦礦山山開發開發規劃規劃設設 計計。。 4 礦區概況礦區概況礦區概況礦區概況 l本文研究之礦區本文研究之礦區位於宜蘭縣南澳鄉位於宜蘭縣南澳鄉大大濁水濁水地地 區之大區之大理理石、石、白雲白雲石礦區，地石礦區，地層屬層屬先先第三紀第三紀 大大南澳統變質片岩層南澳統變質片岩層，，主主要要由矽質片岩由矽質片岩、、片片 麻岩麻岩、大、大理岩理岩及及白雲岩等所構白雲岩等所構成成。。 5 研究技術說明研究技術說明研究技術說明研究技術說明 l本研究之本研究之執行是以執行是以數值數值方方法法進行進行地下開採地下開採岩岩 石石力力學學行為行為之分析，之分析，以評估坑室以評估坑室之之穏定性穏定性及及 安全性。安全性。 l以以國國外外發發展展之之三三維維力力學分析學分析軟體軟體LAMODEL及及 3DEC來作來作為為分析分析工具工具，，以以實際實際岩體力岩體力學參數學參數 為為基基礎礎進行岩層進行岩層之之應力應力及及應變應變數值分析數值分析。。 lLAMODEL進行現行進行現行房房柱柱法開採法開採方式方式之之應力應應力應 變變模擬模擬並探討並探討採採掘掘區之區之應力應力與與應變應變，計，計算算 在覆蓋在覆蓋層層中中之之應力應力和和位位移的移的程程度度及及位位置置。。 l3DEC則則採採用動態演算用動態演算法，法，以以顯顯性有性有限差限差分分 法法（（explicit finite difference ））處處理理塊塊體體之之運動運動方方程程式式，，可用來可用來 模擬模擬三三維維規則規則節節理岩體理岩體在真在真三三軸軸應力應力下之下之 強度強度與與變變形形。。 6 邊界元素法邊界元素法邊界元素法邊界元素法LAMODELLAMODEL模擬分析模擬分析模擬分析模擬分析 l以以單單層層、元素、元素寬寬度度1公尺公尺、、200 200元素元素網格網格建建 立模組，設立模組，設定為定為開採開採中中模模式式及及運算運算，，單單位選擇位選擇 M、、MPa。。 l數值分析模組參數設數值分析模組參數設定。定。 一般參數 個案名稱地下坑室礦柱開採 採掘層數1 材料的數目10 覆蓋層性質 岩體蒲松比0.31 岩體彈性模數20700MPa 地層或層脈厚30m 岩體垂直應力變化率0.025MPa/m 定義與邊界條件 元素寬度1m 網格數目200200 覆蓋深度45m275m 採掘層厚30m 層的邊界條件平衡的 採掘層材料參數 白雲石彈性模數43450MPa6.3106psi 白雲石強度67Mpa 白雲石蒲松比0.325 控制參數 負荷-弛緩因數1.35 變位收歛水準0.0001m l礦礦柱強度柱強度 式式中σ中σp礦礦柱強度柱強度 σσc岩岩樣在臨樣在臨界界尺寸尺寸之之單軸抗壓單軸抗壓強度強度 礦礦柱柱之之寬寬與高之與高之比比 σσc67Mpa以以78年年學學者對該者對該地區地區白雲白雲石石試驗試驗所所得得結結果果 因因Wp13m H6m 所以所以σσp67Mpa0.7780.222*13/684.353Mpa 依依礦礦柱安全係柱安全係數數公公式式 則安全係則安全係數數約可達約可達6.7倍倍 FS84.353Mpa/12.544Mpa6.7。。 7 3 3DECDEC 經現場調查及參考前人研究資料將模擬參數設定如下 1、岩體之密度2720 kg/m3； 2、垂直應力1.35Mpa6.75MPa 3、岩石單壓強度 83.7MPa，K 值1.2； 4、凝聚力（c）20Mpa，摩擦角（ψ）41； 5、楊氏模數40.7Gpa； 6、岩體的體積模數（K）35.78*109Pa、剪力模數 （G）15.5*109 Pa； 7、Dip/ dip direction45/354、78/101、66/224共三組 8 、節理正向勁度（Kn）1*109Pa/m 9 、節理剪向勁度（Ks）1*109Pa/m 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 50100150200250300350400450500 覆蓋層深度 安全係數 面積64 面積100 面積144 面積256 面積400 面積576 8 開採設計開採設計開採設計開採設計 l以以聯峰聯峰石礦石礦第三第三採礦採礦場場做實際的做實際的模擬，模擬， 根據所根據所得得之之詳細詳細地地質質資料、資料、坑道坑道及及坑室坑室 安全係安全係數模擬結數模擬結果果，，找尋出適當找尋出適當之開採之開採 方式方式、礦、礦柱柱大大小等等小等等，，在在開採開採過過程程中中，， 兼顧人員兼顧人員安全安全下，下，提提高高獲利獲利。。 9 結論與建議結論與建議結論與建議結論與建議 l根據根據設計設計原原則則，，此此區區域域採採收率可達收率可達75左右左右 （（礦礦柱柱大大小小8M 8M）。如果以）。如果以其其九十二年九十二年度度 施施工工計計畫書中的畫書中的礦礦柱柱大大小小設計設計（（礦礦柱柱大大小小 34M 13M以以上上））來算來算，採，採收率只可達收率只可達49.88 左右左右，，比比較之下較之下少了少了三三分之分之一一左右的左右的。。 l如果如果開採開採階段完階段完成，其成，其坑室安全係坑室安全係數數為為2以以 上上，，則則可可進行進行礦礦柱柱回回採採階段階段，，增加回增加回收率收率，， 同時必須同時必須結結合現場應力合現場應力測測量量設設備隨時監控備隨時監控現現 場場之之應力應力及及應變以應變以確保確保現場安全。現場安全。 l由由本文研究本文研究顯顯示示，，現有現有地下地下坑道坑道開採開採作作業安全業安全 原原則則及及目目前前業業者者所所提提之地下開採之地下開採規劃規劃，，均均屬屬偏偏 向保守向保守設計，與國設計，與國外外石礦地下開採石礦地下開採情情形比形比較，較， 安全係安全係數數應應已足夠已足夠。。 l另從另從國國外紀外紀錄錄顯顯示示，地下石礦開採之，地下石礦開採之主主要要安全安全 問問題題在在於於落磐落磐之之防止防止，，而非而非礦礦柱柱之之破壞破壞，，且且紀紀 錄錄顯顯示示礦礦柱柱破壞破壞是屬是屬漸漸進式進式破壞破壞，，並並非突非突發發性性 不不可可預測預測模模式式，，因因此此主主管機管機關關對對開採計開採計畫畫之之審審 核核，，應應可可採較開採較開放放作作法，法，輔輔導導業業者者進行進行地下資地下資 源之開發，源之開發，並並減減少對少對環境環境之之衝擊衝擊。。 10 參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻 lParker J. Mine pillar design in 1989 computers have become the opiate of mining engineering Aug 1989 lBieniawski ZT. In situ strength and deation characteristics of coal. Eng Geol, Vol. 2, pp. 325-340. 1984 l台灣東部工業原料大理石礦場地下開採之技術及可行性評估，主辦 單位台灣省礦務局；執行單位台灣省工礦安全衛生技師公會， 88年6月 l石礦地下開採安全暨作業環境技術改進研究，台灣省礦務局編印， 82年11月 l和平地區白雲石礦地下開採安全原則修訂檔案，礦務局保安組編 訂，83年8月 l台灣地區工業原料礦場地下開採技術及可行性分析台灣省礦務 局八十三年度大理石石材礦源礦場調查輔導規劃計畫之一第五 冊，88年6月 l石作珉教授主持，台灣石礦地下坑室法對礦柱與坑室力學性質及穩 定安全之研究第一、二期----82及83年行政院國家科學委員會專題 研究計畫成果報告 83年 lKeith A. Heasley, Ph.D., and Gregory J. Chekan , Practical boundary- element modeling for mine planning,, 1999. lHeasley, K. A., and M. D. G. Salamon, New Laminated Displacement- Discontinuity Program Fundamental Behavior,Proceed-ings of the Fifteenth International Conference on Ground Control in Mining, August 13-15, 1996. lKanniganti RS. Interactive prediction software for underlying multi- seam design [Thesis]. Blacksburg, VA Virginia Polytechnic Institute and State University, Department of Mining and Minerals Engineering. Kanniganti RS ,1993 lEdited by Christopher Mark, Ph.D., Keith A. Heasley, Ph.D.,Anthony T. Iannacchione, Ph.D., and Robert J. Tuchman, Proceedings of the Second International Workshop on Coal Pillar Mechanics and Design, June,1999 lWinton J. Gale, Ph.D. Experience of field measurement and computer simulation s for pillar design, 1999 lHeasley, K. A. 1991b. An Examination of Energy Calculations Applied to Coal Bump Prediction. Paper in Proceedings of the 32nd U.S. Symposium on Rock Mechanics. A. A. Balkema, Rotterdam. 1991, pp. 481-490. lSinha, K. P. 1979. Displacement Discontinuity Technique for Analyzing Stresses and Displacements Due to Mining in Seam Deposits. Ph.D. Thesis, University of Minnesota. Minneapolis, Minnesota. 1979, 311 pp. lYang, Guolin. 1992. Numerical Approach to the Prediction of Subsidence due to Longwall Coal Mining using a Laminated Model. PhD thesis. Colorado School of Mines. Golden, Colorado. 219 p 11 報告完畢報告完畢報告完畢報告完畢 敬請指教敬請指教敬請指教敬請指教
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