金属矿滨海基岩开采岩石力学理论与实践.pdf

第2 9 卷第1 0 期 2 0 1 0年 1 0月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g 、 ，o 1 ． 2 9 No ． 1 O Dc f ． ， 201 0 金属矿滨海基岩开采岩石力学理论与实践 李夕兵 ，刘志祥 ，彭康 ，赵 国彦 ，彭述权 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙4 1 0 0 8 3 摘要三山岛金矿新立矿区是我国第一个进行滨海采矿的金属矿山，大量高强度海下开采势必破坏矿岩稳定性， 有必要研究金属矿海底基岩开采相关岩石力学问题。从矿山开采工程实际出发，研究滨海矿床矿岩力学特性和海 底黏性土微观结构与渗透性 能，开发金属矿滨海基岩 开采相似物 理模 拟试 验平台 ，得 出滨海基岩开采合理安全隔 离层厚度，并进行数值模拟对比验证分析，验证试验模拟的准确性。采用正交试验方法，以岩体稳定性为原则建 立 目标函数 ，获得滨海基岩 开采 最佳 采场 结构 参数 。对 阶段 中盘区回采顺序进行优化 ，得 出 “ 隔二采一 ”的最佳 开采顺序。分析矿岩性质和矿床产状等开采技术条件，提出岩层微扰框架式上向分层充填采矿技术。新立矿区为 期 3 a的现场滨海开采试验和现场监测结果表明合理安全隔离层厚度、低沉降框架式上向分层充填法和现场实 时监测为海底基岩 开采提供 了技术保障 。 关键词岩石力学；滨海基岩开采；相似模拟试验平台；安全隔层厚度；回采顺序；低沉降上向分层充填法 中圈分类号T u 4 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 1 0 1 01 9 4 50 9 THEoRY AND PRACTI CE oF RoCK M ECHANI CS RELATED To EXPLoI 1 TI oN oF UNDERSEA M ETAL M I NE LI Xi bi ng， LI U Zhi x i a ng， PENG Ka ng， ZHAO Gu o ya n， PENG S hu q ua n S c h o o l o f R e s o u r c e s a n dS a f e tyE n g i n e e r i n g ，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i ty ，C h a n g s h a ，Hu n a n 4 1 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Xi n l i d i s t r i c t o f S a n s h a n d a o Go l d Mi n e i S t h e fi r s t s u b s e a me t a l mi n e i n Ch i n a ． La r g e ． s c a l e e x p l o i t a t i o n 0 f t h e mi n e wi l l c e r t a i n l y d e s t r o y t h e s t a b i l i t y o f r o c k ma s s e s ，S O i t i S n e c e s s a r y t o s t u d y t h e r o c k me c h a n i c s r e l a t e d p r o b l e ms i n u n d e r s e a me t a l mi n e s ． Ba s e d o n t h e d e ma n d s o f u n d e r s e a mi n i n g，t h e me c h a n i c a l p a r a me t e r s o f o r e b o d y a n d r o c k ma s s ，t h e mi c r o s t r u c t u r e a n d p e r me a b i l i ty o f c l a y s o i l i n t h e c o a s t a l d e p o s i t a r e me a s u r e d a n d a n a l y z e d ． Th e e x p e r i me n t a l mo d e l i n g s y s t e m o f u n d e r s e a me t a l mi n i n g i S e s t a b l i s h e d ． T h e r e a s o n a b l e a n d s a f e t h i c k ne s s of t h e j s ol a t i o n r oo f i S o b t a i n e d b y t he e x pe r i me nt a l s i mu l a t i o n ．Th e nu me r i c a l mod e l i ng o f t h e u n d e r s e a me t a l mi ni n g i s c a r r i e d o u t t o t e s t i f y t h e a c c u r a c y o f t h e e x pe r i me n t a l s i mu l a t i o n ．Us i n g the Oh og o n a l t e s t me t h o d ，t h e o p t i ma l s t ruc t ure p a r a me t e r s i n s u b s e a mi n i n g a r e o b t a i n e d b y c o n s t r u c t i n g a o b j e c t i v e f u n c t i o n b a s e d o n t h e p r i n c i p l e t o k e e p t h e s t a b i l i t y o f r o c k ma s s e s ． B y o p t i mi z i n g t h e s e q u e n c e o f p a n e l mi n i n g s t o p e o f o r e bl oc k， t he mi n i n g s e q ue nc e of t h e“ t wo s t o pe pa n e l s ”i s a p pl i e d f o r t h e mi n e ．By t he a n a l ys i s o f the m i ni n g c o n d i t i o n o f t h e d e p o s i t ， s u c h a s t h e p r o p e r t i e s o f o r e a n d r o c k s ， t h e i n c l i n a t i o n o f o r e b o d i e s ， e t c ． ， a l o we r s e t t l e me n t fra me c u t a n d f i l 1 s t o p e mi n i n g me t h o d h a s b e e n p r o p o s e d ． Th e r e s u l t s fro m t h r e e y e a r s i n s i t u mi n i n g a n d fi e l d mo n i t o r i n g s h o w t h a t t h e r e a s o n a b l e a n d s a f e t h i c k n e s s o f t h e i s o l a t i o n r o o f ，t h e 1 o we r s e t t l e me n t f r a me s t o p e h i e r a r c h i c a l l e v e l fi l l i n g mi n i n g me t h o d a n d i n ． s i t u r e a 1 ． t i me mo n i t o r i n g h a v e p r o v i d e d t h e t e c h n i c a l f o u n d a t i o n for t h e s a f e t y of s e a b e d mi ni ng ． Ke y wo r d s r o c k me c h a n i c s s u b s e a b e d r o c k mi n i n g ；s i mi l a r e x p e r i me n t a l s i mu l a t i o n p l a t f o r m；s a f e t h i c k n e s s o f i s o l a t i o n r o o f mi n i n g s e q u e n c e l o we r s e t t l e me n t fil l i n g mi n i n g me t h O d 收麓 日期2 0 1 0 0 51 4 ；修回日期。2 0 1 00 61 2 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项目 2 0 1 0 CB 7 3 2 0 0 4 ；国家 自然科学基金资助项 目 5 0 9 3 4 0 0 6 ，5 0 9 0 4 0 7 9 ；湖南省自然科学创新研究群体 基金资助 作者筒介李夕兵 1 9 6 2 一 ，男，博士，1 9 8 3年毕业于中南矿冶学院采矿工程专业，现任教育部 “ 长江学者”特聘教授 、博士生导师，主要从事采矿 工程与岩石力学方面的教学与研究工作。E ma i l x b l i ma i l ． C S U ．e d u ． c n 1 9 4 6 岩石力学与工程学报 2 0 1 0 缸 1 引 言 随着浅部资源的 日益减少 ，开采海底资源 已成 为国内外矿产资源开采的必然趋势 。我国海岸线总 长度约 3 ． 2 1 0 k m，其中大陆海岸线 1 ． 8 1 0 k m， 岛屿海岸线 1 ． 4 1 0 k m，海岛 6 5 0 0多个，开展海 底基岩开采 的岩石力学研究具有重大的意义l 1 j 。 三山岛金矿新立矿区是我国第一个进行海滨下 采矿 的金属矿 山，国内仅龙 口在海滨下采煤 。1 9 1 6 年 日本海下采煤时，海水沿着由于开采影响而扩大 的构造裂 隙溃入井下，使矿井全部淹没，造成 2 3 7 人死亡的惨案【 2 j 。新立矿 区矿体位于海床下数十米 至数百米范围内，矿体与海水间仅靠数米厚的隔水 带隔离，大量 、快速、高强度开采势必破坏岩层稳 定性，给矿山安全开采带来隐患。有必要针对新立 矿区开采技术条件 ，研究滨海基岩开采安全隔层厚 度 、最佳结构参数 、最佳回采顺序等技术难题。为 此， 本文在总结国内外滨海矿床开采经验的基础上， 开发了海下开采模拟试验平 台，确定 了海底开采安 全隔层厚度，采用数值计算方法得出了滨海基岩开 采合理结构参数和最佳 回采顺序 ，提出了滨海基岩 低沉降安全开采方案，建立 了海下开采 的安全监测 系统，实现了我国第一个滨海金属矿床安全开采 。 海滨基岩金属矿床是埋藏在海滨基岩中的岩脉 或层状固体矿床 J ，矿石和 围岩的物理力学性质 、 赋存状态等与陆地同类矿床有相似之处，因而海滨 基岩金属矿床可借用陆地矿产的某些开拓方法和采 矿方法开采，但是海滨基岩矿床开采是在海滨环境 下进行的，其特殊性体现在 1 海滨矿床赋存在 海水下，开采技术条件与陆地大相径庭 ； 2 海滨 采矿不允许任 何 由于海床变形和破坏而造成淹井 事故。 海基金属矿床开采具有的难度体现在没有很多 成功经验可供借鉴 ，目前世界范围内只有 4个国家 进行过海基金属矿床开采，分别是英国、澳大利亚、 芬兰和 中 J ，常用的开拓方法按照矿体距离海 岸线的长度分为海岸竖井开拓法、人工岛竖井开拓 法和海滨预制隧道 一封闭井筒开拓法。例如滨海 开采的英国康沃尔洲莱文特锡矿掘进岸边竖井，采 用下向梯段回采法；纽芬兰海滨铁矿开采时通过失 萨罗岛上的竖井和 2 ． 5 k m长的隧道进入工作面；芬 兰湾 贾亚萨罗 ． 克鲁瓦铁矿 在朱塞索 岛岸边 开凿 3 0 0 m深的主井，再掘 1 2 0 0 m长石门达到矿体， 再在邻近的小岛上开凿专用通风井；我国三山岛金 矿新立矿区的海滨大型金矿床通过冷冻法或者帷 幕注浆法在海岸边掘进主井、副井、充填井和回风 井 ，通过联络巷达到矿体下盘后，再分别掘进中段 运输平巷等开拓巷道 见图 1 。 1 一海水2 一海平面；3 一竖井；4 一陆基；5 一第四系含水层 6 一第四系相对隔水层；7 一永久隔离层；8 一穿脉；9 一矿体；l 0 一中段 运输平巷1 1 一中段联络巷 图 1三山岛新立矿区海下开采示意图 F i g ． 1 Mi n i n g s k e t c h o f Xi n l i d i s t r i c t o f S a n s h a n d a o g o l d m i n e 滨海矿床开采时 ，必须留一定的永久隔离矿 柱。安全隔层厚度越大，开采越安全，但损失的矿 石量也越多，如何提出最合理的安全隔离层厚度【 6 J 是实现矿床安全开采最关键的问题。国内外先后采 用荷载传递交汇线法、厚跨比法 、普式拱法、荷载 传递交汇线法和鲁佩涅伊特理论计算法、数值模拟 等理论计算方法得 出水下开采合理的隔离层预留 厚度范围，考虑到海滨矿床开采为地应力和渗流多 场耦合的特殊情况，采用相似物理模拟试验模型进 行研究，它与经验法、半经验法、理论解析法、数 值仿真法等相 比，其显著特点是兼顾了理论与实际 两个方面，使之相辅相成 。 埋藏较深的滨海煤矿床通常采用综放法开采， 由于煤矿大多属于层状矿体，一个区域开采完毕即 进入另一区域开采 ，而金属矿多为倾斜或急倾斜厚 大矿体，多年在 同一区域开采，海底岩层移动和沉 降规律不同于煤矿 ，煤矿开采方法难 以适应于金 属矿床 开采 ，有必要在研究滨海矿床开采相关岩 石力学理论 的基础上，研究海下金属矿床低沉 降 安全开采技术。目前国内外滨海开采的金属矿山较 少 ，滨海开采 的相关岩石力学研究尚处于起步阶 段 。 第 2 9卷第 1 0期 李夕兵，等． 金属矿海底基岩开采岩石力学理论与实践 1 9 4 7 2 滨海基岩矿床岩石力学基础数据 2 ． 1 滨海基岩矿床岩体力学参数 在三山岛金矿新立矿 区经现场勘查并取样进行 矿岩力学试验 。采用英国 1 NS T R O N 公司的电液伺 服材料控制机测试岩石抗压强度、抗拉强度、抗剪 强度、弹性模量 、泊松 比、黏聚力和 内摩擦角 ，采 用经验折减方法，得到海底矿岩物理力学参数见表 1 。 表 1 矿岩物理力学参数 Ta bl e 1 Ph ys i c o m e c ha n i c a l pa r a me t e r s o f or e bo d y a nd r oc k m aSS 2 ． 2海底黏性土微观结构与渗透性能测试 三 山岛金矿新立矿区滨海矿床顶部为 1 0 m 左 右的海水 ，海水下较为广泛 的分布着灰黑色的淤泥 质土和黄色的粉质黏土，其性质类似黏性土 ，厚度 2 ～3 1T I 。灰黑色淤泥质土和黄色粉质黏土 2种黏性 土取样 的样 品来 自新立矿区混合井东侧 2 2 测井的 工程钻芯。图 2为三山岛海底黏性土 S E M 微观结构 f 放大倍数为 5 0 0 0倍 ，微观显示为多孔絮状结构， 粒团孔隙，多呈不规则的长条状 ， 孔隙直径约 1 _m， 连通性较差。海底黏性土微观 结构测试结果表 明， 其渗透性较小。 a 灰黑色的淤泥质土 b 黄色的粉质黏土 图 2 黏性土 S E M 微观结构 F i g ． 2 S E M mi c r o s t r u c t u r e o f c l a y s o i l 按照标准 的要求 ，进行黏性土基本力学性能 试验 。三 山岛金 矿新立矿 区黏性 土密度 为 1 ． 7 7 0 g ／ c m ，含水量为 2 5 ． 0 3 ％，饱和不排水 内摩擦角为 3 ． 5 8 。 ，黏聚力为 4 ． 8 9 k P a ，渗透系数为 5 ． 1 3 1 0 c m／ s 。该岩层隔断了作为矿床直接充水含水层的下 盘含水带地下水的侧向补给，简化了矿床的水文地 质条件，为矿床开采创造了比较有利的条件。 2 ． 3 滨海基岩矿床地应 力场测定 原岩应力包括 自重应力和构造应力，三 山岛金 矿新立矿区滨海基 岩矿床原岩应力测量采用 的设 备是瑞典 U P M4 0岩石三轴地应力测定仪。测点的 选择 原则是尽量避开巷道和采 场的弯、叉 、拐等 应力集中区以及断层、岩石破碎带、断裂发育带， 同时尽量远离大的采空区和硐室l l 。在～ 2 4 0 m 中段布置 3个测点，一 4 0 0 m 中段布置 2个测点， 一 1 6 5 I T I 中段布置 1 个测点 见图 3 。矿区 6 个地应 力测点均布置在新鲜的岩体和矿体中，每个测点相 关参数如表 2所示。 y ／ m 图 3 测点位置水平布置 图 F i g ． 3 P l a n e a r r a n g e me n t o f me a s u r i n g p o i n t s 表 2 地应力测 点相关参数 T a b l e 2 Re l a t e d p a r a me t e r s o f g e o s t r e s s me a s u r i n g p o i n t s 采用最小二乘法对所测 6个点的最大、最小水 平主应力和垂直主应力值进行线性回归，得出最大 主应力 最小主应力 和垂直地应力 随埋 深变化规律如下 0 ． 1 1 - t - 0 ． 0 5 3 9 z 1 O h m i O ． 1 3 O ． 0 1 8 l z 2 0 ． 0 8 0 ． 0 3 1 5 Z 3 岩石力学与工程学报 式中z 为竖直方向深度 m1 ，主应力单位为 MP a 。 测试结果表明，新立矿区的最大主应力走向为 NW 向，且均为近水平 向。区域地应力与新立矿区 的以 NE走向为主的主控断裂蚀变带形成较大的交 角，且呈压扭性，对主控断裂蚀变带的导水性起一 定的抑制作用 ，是新立矿区主断裂带涌水量较小的 主要原因。 3 滨海基岩开采安全厚度研究 3 ． 1 滨海基岩开采模拟试验平台 滨海基岩开采相似模型试验系统由试验 台、液 压伺服泵站、水平和竖向压力伺服加载装置、顶部 水压力伺服加载装置、控制测量分析软件及测量装 置等构 1 ，试验系统如图 4所示。液压泵站是 本试验平台的核心装置，其作用是实现组合加载 模 型加载按现场测得的原岩地应力场加载1 ，水平侧压 力加载装置为闭合回路油液压伺服加载装置。水平 侧压力加载装置包括应力、位移测量传感器各一个。 图 4 海底 开采模拟试验系统 Fi g． 4 Si mul a t i n g e x pe r i me n t s y s t e m of und e r s e a mi n i n g 通过竖向压力和水压加载装置联合作用给模型 顶部直接施加水压力，整个试验系统除了具有试验 数据 自动记录和试验 曲线绘制功能外，还配置了裂 缝和位移观测装置，裂缝观测采用体式显微镜观测， 位移观测采用基于数字图像分析技术的测量。同时 还通过 D H3 8 1 6型静态应变测试系统 以及 P C I 一 2型 声发射监测系统观测模型开挖过程的力学特性。 模拟试验系统主要技术指标最大水平荷载 3 0 0 k N，最大竖向荷载 3 0 0 k N，最高水压 1 ． 0 MP a ，水 平位移 0 ～1 0 0 mm，模型箱尺寸 1 6 0 0 mm 8 0 0 mlT l 2 0 0 ram 长 高 宽 。 3 ． 2 滨海基岩开采相似材料模拟试验 1 相似材料选择 选用固体石蜡和液体石蜡作为胶结剂、河沙和 重晶石粉作为骨料『 l 4 _ 。将采用固体石腊和液体石 蜡为胶结剂制作的同组试件置于水中分别浸泡 3 和 7 d后与未浸泡的试件进行力学参数测试，测试结 果 见表 3 。 表 3 不 同浸泡时问的试件测试参数 T a b l e 3 P a r a me t e r s o f s p e c i me n t rad e r d i ff e r e n t i mme r s i o n t i me s 试验结果表 明，浸泡后试件的力学参数与未浸 泡的试件基本相同，不受浸泡的影响，浸泡时间的 长短对试验结果没有影响，表明模型试件能应用于 流 一固耦合试验研究。 根据岩石力学试验结果 ，现场原岩力学指标 取 抗压强度为 1 3 4 ． 9 4 MP a ，弹性模量为 7 ． 5 3 1 0 MP a 。通过多次试配和进行强度试验，当相似模拟 材料石腊与重晶石粉和河砂质量比为 l 4 _ 3 5 ． 6 ， 固液比为 1 0 ． 7 5时，相似模拟试验材料强度为 l _ 3 5 MP a ，弹性模量为 7 5 MP a ，此时相似比为 1 1 o 0 。 制作相似材料模拟试验的模型尺寸为 1 5 9 5 mm 7 9 5 mr n 1 9 5 mm，略小于模型箱尺寸 5 mm。 2 1模拟试验过程 试验使用相似 比为 1 1 0 0 ，根据海底开采技术 条件进行计算 ，模拟试验顶部水压加载 1 1 5 0 P a ， 竖向载荷 8 1 8 5 P a 模拟海泥及第四系风化岩层 。开 挖过程分 1 0步完成，由中间向两侧逐渐开挖，大 约每次开挖 0 ． 0 4 m。模拟出在 1 0 m海水、3 5 m海 泥开采环境下的逐渐开挖过程。图 5为采场开挖跨 度为 0 ． 1和 0 ． 4 m 时相似材料模拟试验开挖过程。 a 采场开挖跨度为 o ． 1 m b 采场开挖跨度为0 ． 4 m 图 5 相似材料模拟试验开挖过程 F i g ． 5 E x c a v a t i o n p r o c e s s o f s i mi l a r ma t e r i a l s i mu l a t i o n t e s t 当采场开挖跨度达到 0 ． 4 m时 见图 5 b ，顶板 第 2 9 卷第 1 0期 李夕兵，等．金属矿海底基岩开采岩石力学理论与实践 1 9 4 9 中裂隙贯通，顶部水顺着裂隙通道流下形成了细长 的水流引发顶板突水。 相似模拟试验过程中声发射探头及应变片在试 验模型上的布置如 图 6 所示 图 6中字母表示声发射 探头，数字表示应变片 。 图 6 声发射探头及应变片布置示 意图 F i g ． 6 P o s i t i o n s o f a c o u s t i c e mi s s i o n p r o b e s a n d s t r a i n g a u g e s 相似模拟试验过程 中模型顶部应变监测结果如 图 7所示，从图 7中可以看出应变片 l ，2 ，3在整 个试验过程中始终承受压应力，在第 四开挖步完成 后应变增加幅度越来越大；应变片 4 ，5 ，6在第二 开挖步前首先承受的是压应力，此后随着开挖空间 的不断增大，应变逐渐 由压应变转变为拉应变 ，且 增幅越来越大直至模型顶板破坏。 2 -O 1 5 l 0 宝 取 0 留 0 0 一 O 5 l 0 开挖步骤 O 2 4 6 8 1 O l 2 ～ 、 ／ ／ 一应 。＼ ／ o 开挖步骤 片 4 片 5 片 6 b 1应变片 4 ，5 ，6 图 7 模型顶部应变监测结果 F i g ．7 S t r a i n s o f d i f f e r e n t p o s i t i o n s o n t h e r o o f o f t h e m o d e l 试验使用 P CI 一 2型声发射系统监测试验过程 中的声发射能量与时间关系如图 8 所示。 g 骞 ● 暑 ’ j } l ～ 一 一 HL 7 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 时间／ s 图 8 声发射能量与时间关系图 F i g ． 8 R e l a t i o n s h i p s b e t we e n AE e n e r g y a n d t i me 声发射系统监测结果表 明，随着开挖的不断进 行 ，采场顶部中心附件的声发射信号逐渐增强，随 后声发射信号在采场顶板不断上移，表明了顶板裂 隙在逐步扩展、贯通，当开挖跨度为 0 ． 4 m后，随 着试验进行，该处声发射 AE事件越来越多，表明 裂纹在该处形成较多，并且不断出现裂纹扩展和贯 通 ，引发项板 的突水。 3 模拟试验结果 试验结果表明，开挖跨度达到 0 ． 4 r n后 ，顶板 突水特征 明显 。根据试验结果，用相似 比及安全厚 跨 比公式 ≥0 ． 5 k W ，k为安全系 引 ，取 2 ． 0 ， 为采场跨度 进行换算，研究得出顶板厚度大于 4 0 m 时岩层不会产生突水，顶板安全厚度小于 4 0 m 后，顶板岩层出现突水特征。 3 ． 3 滨海基岩开采安全隔离层厚度数值模拟 利用 三 山岛金矿 新立矿区三维地质模型和 自 行开发的接口程序，采用 F L AC 如三维数值计算软 件研究滨海基岩开采合理安全隔层厚度。 f 1 1数值计算模型与方案采用低沉降点柱式 分层充填采矿法 ，点柱直径 4 1 T I ，点柱沿矿体走向 和倾 向间距均为 1 2 m，各步骤所模拟的回采范围见 表 4 。 表 4 各步骤所模拟的回采范围 T a b l e 4 M i n i n g a r e a s i n d i ffe r e n t s i mu l a t i n g s t e p s ㈣ 渤 伽 伽 瑚 。 l 9 5 0 岩石力学与工程 学报 2 0 1 0 盆 2 数值模拟结果从海底分布的拉应力看 ， 开 采至一 8 5 m水平 ，海底出现局部零星拉应力，开采 至 一 7 5 1T I 水平 后 ，海底 出现 的拉应力 明显增 加 ，且 呈带形分布，表明矿床开采至一 7 5 m水平后海底有 破坏特征；从不同回采步骤海底岩层塑性区分布看， 第三步开采一 9 5 4 8 5 m水平 见图 9 a ，海底出现 的塑性 区呈零星分布 ，但并未连通，第 四步开采 一 8 5 ～一 7 5 m 水平 见图 9 b 和第五步开采一 7 5 ～ 一 6 5 m水平后，塑性区范围明显增大，且相互连通 ， 将会危及矿山安全 。根据计算结果，经综合分析， 新立矿 区海底矿床安全开采至一 8 5 1T I水平 比较合 理，安全隔离层厚度必须在 4 0 m 以上f 不包括海泥 和第 四系风化岩层 。该研究结果与相似材料模拟试 验平台得出的结果一致。 f a 1开采一9 5 ～-8 5 iT I 水平 f b 1丌采一8 5 ～--7 5 m水平 图 9 开采过程中的塑性 区分布 Fi g．9 Pl a s t i c z o ne d i s t r i b ut i o ns i n mi n i n g p r oc e s s 4 滨海基岩开采采场结构参数优化 设矿柱强度为『 ] ，矿柱高度为 h ，点柱截面尺 寸为6 垂直矿体走 向方向 和 b 沿矿体走向方向 ；z 点柱间跨度为， 垂直矿体走 向方 向 和 ， 沿矿体走 向方 向 ，连续问柱宽度为 5 m。模拟采场结构参数 主要研究 以下几种情况 1 h采用 2 0 ，2 5 ，2 7 ， 3 0 1T I 四个水平 2 b 和 b均选 3 ，4 ，4 ． 5 ，5 四z 1T 1 个水平 ； 3 f 和 f 均采用 6 ，1 0 ，1 2和 1 5 m四个 水平 。 如果全 部模拟 ， 模拟计 算次数 将达 到 1 0 2 4次 ， 显然难 以实现 ，为此采用正交试验方法。首先建立 优化分析 目标函数 f[ 卜 k Ama x h ，b x ，b y ，， r ，， 4 式中厂 为优化 目标函数；k为安全系数；A为量纲 调节参数，A[ O - ] ／ [ k ma x h ，b x ，b y ，t x ，， ] 。 建立该优化函数的 目的是充分利用三 山岛新 立矿区的岩体强度特性，使之与岩体的抗拉或者抗 压强度充分接近，而又不发生破坏 ，达到优化采场 结构参数的目的。 选择以上 5个参数建立 1 6个不同框架式采场 结构参数的有限元分析模型 地应力 由式 1 ， 2 ， 3 赋值，材料力学参数由表 1 确定，见图 1 0 。 图 1 0 有限元分析模型 F i g ． 1 0 F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s mo d e l 取安全系数 k1 ． 2 ，采用不同采场结构参数进 行有限元数值模拟分析，计算结果如表 5所示 。 至 姆 一 一 枷 如 孚 如 第 2 9 卷第 l O 期 李夕兵，等． 金属矿海底基岩开采岩石力学理论与实践 1 9 5 1 有限元计算结果显示，矿体开采后，矿 区发生 了应力重分布 见图 1 1 ，矿柱 内应力明显增加 ，表 明矿柱在改善矿区应力方面具有重要的作用。采场 未充填时，矿柱截面尺寸 3 m 3 m时，矿柱最大竖 向应力为 1 7 ． 8 1 MP a ，接近于矿柱承载极限。采场充 填后，采场下部充填体内水平应力达到 0 ． 4 3 MP a ， 给矿柱和上下盘围岩一个侧向约束力，矿房顶部没 有 出现拉应力，整个分析区域岩体是受压的，最大 压力为 2 0 ． 7 MP a 。采场充填有利于保护矿柱和控制 采区地压。 图 l 1 采场内矿柱应力重分布 单位P a F i g ． 1 1 S t r e s s r e d i s tr i b u t i o n i n p i l l a r s o f s t o p e s u n i t P a 根据表 5计算结果，第 9组 目标函数值 厂为正 数且最小，在满足安全系数的条件下，岩体受力状 况最佳 ，表 明最佳采场结构参数为 b x 4 ． 5 m， 3 m ， 1 2 m ， 1 2 m 。 5 滨海基岩矿床合理开采顺序 新立矿区盘区沿走 向长为 1 0 0 m，盘区高度为 8 0 m，矿体长度约 9 0 0 m，矿体沿走向划分为 9个 盘区，根据矿山要求的生产能力，同时开采的盘区 数为 3个，采场结构参数采用优化后的框架式结构 参数，有限元模型如图 1 2所示。 4 5 6 7 8 9 lJ Q Q f 图 1 2 盘区划分 的有 限元模型 F i g ． 1 2 Di v i d e d fin i t e e l e m e n t mo d e l o f p a n e l 根据矿 山生产能力，每个 中段需同时开采 3个 盘区，通过建立有限元数值计算模型，方案 l为从 矿体的一翼到另一翼方案第 1 步同时开采盘区 9 ， 8 ，7 一第 1 I 步同时开采盘区 6 ，5 ， 4 一第 1 I I 步 同时 开采盘区 3 ，2 ，1 ；方案 2为从矿体的中央到两翼 方案第 1 步同时开采盘区 6 ，5 ，4 一第 1 I 步 同时 开采盘区 9 ，8 ，7 一第 1 I I 步同时开采盘区 3 ， 2 ，1 ； 方案 3为隔二采～方案第 1 步同时开采盘区 9 ，6 ， 3 一第 1 I 步同时开采盘区 8 ，5 ，2 一第 1 I I 步同时开 采盘区 7 ，4 ，1 方案 4为从矿体的两翼到中央方 案第 1 步同时开采盘区 9 ，8 ，7 一第 1 I 步同时开 采盘区 3 ，2 ，1 一第 1 I I 步同时开采盘区 6 ，5 ，4 。 不同方案不 同回采步骤数值计算后 的采区最大主 应力对比分析见表 6 。 表 6 不同回采步骤采区最大主应力对比分析 T a b l e 6 Co mp a r i s o n s o f ma x i mu m p r i n c i p a l s t r e s s e s i n d i ff e r e n t mi ni ng s t e ps 由表 6 可知方案 3 隔二采一 的3 个步骤平均最 大主应力最小，方案 4 从两翼到中央 平均最大主应 力次之，方案 2 从中央到两翼 的平均最大主应力最 大 。从而得到新立矿区阶段中矿块最佳回采顺序为 隔两个盘区开采一个盘区，根据现场的开拓系统中 阶段运输平巷 的掘进情况，先开采图 1 2中的 9 ， 6 ，3 盘区并接顶充填，再开采 8 ，5 ， 2 盘区并接 顶充填 ，最后开采 7 ，4 ，1 盘区并接顶充填。 6 海滨基岩低沉降开采方案 根据三山岛金矿新立矿区开采技术条件，在进 行 岩 石 力 学 分析 的基 础 上 ，经 专 家 论 证 与对 比分 析，综合考虑各采矿方法的贫化损失率、生产能力 指标及滨海基岩开采岩石稳定性分析结果 ，盘区内 设计采用岩层微扰低沉 降框架式上 向水平分层充 填法 见图 1 3 开采滨海资源，盘区与盘区间为隔两 个盘区开采一个盘区。 盘区尺寸为 1 0 0 mx 8 0m，盘区长 1 O 0m，高度 为 4 0 m，盘区间柱为 5 1 “I 1 。分段 高度为 1 3 ～1 5 m， 每个分段服务 3 “ - - 4个分层，分层回采高度为 3 ． 0 ～ 3 ． 5 m，采场垂直矿体走 向布置，先采矿房 ， 矿房采 后用配比 1 8的尾砂胶结充填，后回采矿柱，矿 柱非胶结充填 。矿房和矿柱的宽度均为 8 ～1 2 m， l 9 5 2 岩石力学与工程学报 瞬 剖面 图例 1 点柱 2 脉外出矿横巷 3 出矿溜井 4 一