湘西金矿地下采矿方法安全性的数值模拟研究.pdf

一 编 西 金 矿 地 下 采 矿 方 法 安 全 性 的 数 值 模 拟 研 究 3 安 一⋯⋯⋯E l 。 关麓调 变形准则 强度准则 地下采矿方法 快速拉格髓 分析 ／ ‘ - - -- -一 一，， t⋯， N U M E R IC A L S T U D ． S O F T H E S A F E T Y F O R T H E u N D E 啪 冶 M I NI NG S YS TEM I N XI ANGXI COLD M I NE Di ng De 五n C e n t r a l S o u t h I n s t i t u t e o f T e c h n o l o s y D．J Re d d i s h Umv e r m t y o f N o t t i n g h a m．E n g l a n d Ah a t mc t N衄e 士 i c a l s t u d i e s a r e 0 o n d u c t d o f t h e s a f e t y f o r t h e t md e v g r o a n d mi n i n g s y s t 豇n i n Xi x i G o l d Mi n e i n Hu n a n Rr o v i n c by i n c o r p o r a t i n g t h e e m p i r i c a l d e f o r ma t k m c r i t e ri o n a n d M o h r - C o u l o mb s t r e n g t h c r i t e r i - ∞ w i t h F a s t L a g T a Ⅱ g n An a l y s i s 0 f C o n t i n u a F L A C T h e e 1 乜s h o w t h a t t h e mi mn g s y s t e m c a n目 I 即r e t h e s a f e t y d u r i n g t h e o p e r a t i o n ”m bDe f o r ma t i o n i o l 1 ．S t r e n g t h c r i t e ri o n．Un d e r g r o u n d mi n i n g s m ．FL AC 一 1莉言 湘西金矿沃溪矿区上部 中段的钨矿脉．已于1952 年前后用干式充填采矿法进 行了回采。由于当时主要回 收钨矿石．因而，将含金石 英网脉矿石作为充填料充入 了采空区。且其顶底板均为 含金石英 网脉矿．形成了条 件独特的充填料矿体。已经探明．这类矿体的平均金 品位达 4 ． 8 5 g ／ t ，这类矿体的矿量达 l 8万 t _ l J 。 为了回收这部分金矿资源。早在 8 O 年代中期就 开始了采矿方法方面的研究。由于采 区已经历了早期 开采扰动的影响，因此 。为 了确保 回采作业的安全， 为这类矿体设计 了回采前采用长锚索预控顶． 回采时 采用锚杆、金属 网和喷浆护顶，回采后采用尾砂胶结 充填采空区的空场采矿法。并在 2 4 4矿块试用了这种 采矿方法。试用情况表明。该采 矿方法具有较好的安 全性L2 j 。但是．由于对该采矿方法的安全性缺乏充 糖生矿地 一_．．一 分 的论证，所以，影响了它在该矿的推广应用。 1 9 9 6年，本 文第一作者 带 着这一课题，到 英 国 诺丁汉 大学，与本 文第二 作者 进行 台作研 究。在那 里。作者借助于快速拉格朗 日分析 。对该采矿方法的 安全性进行 了全面的数值模拟研究，充分论证了其安 全性。从而，为该采矿方法的推 广应用打 下了基础． 也为地下采矿方法的安全性评价提供 了新的思路。 2 模拟 的开采技术条件 由于所设计 的采矿方法 已在 2 4 4矿块试用，所以 模拟的开采技术条件即为 2 4 4 矿块的开采技术条件。 该矿块矿体由上下两层层间石英脉及夹于其中的网状 脉组成。上面的层间石英脉 已于 1 9 5 2年前后-用干式 充填采矿法回采．充填料为古金石英两脉矿石。中部 的网状脉及下部的层问石英脉均为原生古金矿脉。该 充填料矿体的产状与 围岩基本一致 。走向 N W，倾 向 N E。倾角约 3 0 ’ 。矿体平均埋探 8 0 m。平均厚度 4 m。 其 中充填层厚度 l m。 3 模拟的采矿方法 整个矿块沿矿体走向划分为 5 个矿房。矿房之间 35 维普资讯 留连续矿柱。整个矿块按图 1所示① ～⑤的顺序进行 顺采 。每个矿房要完成 回采空区充填后，才能开始下 一 个矿房的 回采。 每个矿房均分两个分层进行回采，且先回采上部 的充填料矿 ．后 回采 下部 的原生 矿。回采作业开 始 前 ．先在上 、下 分层中掘进它 们各 自的上山．并在上 分层中的上 山内预设长锚 索，对 采场顶板 进行 预加 固。回采充填料矿时，逆倾斜推进工作面．并紧跟工 作面 安设短锚杆 ．布设金属网，喷射水泥砂浆。充填 料的回采结束后 ，随即后退式 回采下分 层 的原生矿 体。矿房回采结束后 ．即进行尾砂胶结充填。 圈 l 采矿方法示意围 l 锕筋网与喷浆 ； 2 锚杆；3 锚索；4 充填料矿 5 上分 层先进上 山；6 下分层先进 上山 ； 7 崩矿炮孔； 一矿柱；9 瞳结充填体 4 数值计算模蛩 4 ． 1 快速拉格朗日分析简介【3 ] 快速拉格朗日分析．是 目前世界上最先进的一种 数值模拟技术。它 突破了有限单元法及边界单元法的 小变形限制，可以模拟岩土介质的大变形；同时，它 叉突破了离散单元法很难考虑复杂本构关系的限制． 可以模拟岩土介质的非线性变形。 快速拉格朗 日分析的基本原理类同于离散单元 法 ．即在求解过程中，它采 用了离散单元法的动态松 弛法，不需求解大型联立方程组 刚度矩阵 。同时。 它能象有限单元法那样，可以求解 由多种材料模式与 边界条件构成的非规则区域的连续问题。 在模拟实际问题方面，它具有如下特色船模拟 岩土介质的非线性大变形 ；能模拟岩体沿某一弱面产 生的滑动变形；能模拟复合岩土介质的性态；能模拟 开挖顺序 ；能模拟多个开挖相互之间的影响；骼模拟 支护构件的作用；能模拟充填体 的支撑作用。 4 ， 2 模型简介 所建模型为一平面应变模塑。单元总数为 1 0 0 1 5 0 。模型的刚度参数与强度参数通过位移反分析获 得“ 。围岩的抗拉强度通过室内测试获得。所有这 些参数列于表 1 。 模型中采用锚杆单元模拟锚索与锚杆的作用．采 3 6 寰 1 崔 型的铀理力 学性质指标 度 体积摸量剪切模量 内寨力 内牵攘角抗拉强度 i i 2 1 i 2 蝗虫 2 7 0 0 1 3 3x1 0 s 8xl 0 8 X1 0 J 5 4l 0 用梁单元模拟金属网和喷浆的作用 模型中支护、回采以及充填的顺序，完全与实际 的顺序一致。其中模拟一次回采时．所用充填料为含 金石英网脉矿，其物理力学性质指标列于表 2 ；模拟 二次回采 时．所用充填料为尾砂胶结 充填料，其物理 力学性质列于表 3 。 裘 2 充填料矿的鞠理力学性质指括 体积摸量剪切模量 内寨力 内牵攘角抗拉强度 l l 2 j旦 1 6 0 0 3 ． 3 3xl 0 B 7x1 0 ’ 6 x l 3 8 0 裘 3 尾砂胺结充填科的自理力学性重擅标 体积摸量剪切模量 内寨力 内摩攘有抗拉强度 望 ￡ 2 1 2 1 曼 2 ￡ 2 1 1 21 0 0 2． 2xl 0’ 7． 4xl o6 1xl 3 5 1． 4xl 4 ． 3 变形准则及变形破坏的判断 就采场而论．应对采场顶板的最大沉降及采场两 帮的最大侧向位移加以严格控制。湘西金矿长期的经 验表 明，顶板的允 许沉降为 0 ． 2 m，两帮的允许侧 向 位移为 0 ． 1 mE 】 I 。 所建立的模型能判断模拟位移是否 已超过相应的 允许位移 。 4 ． 4 强度准则及安全系数的计算 模型采用莫尔一库仑准则进行强度分析，此时围 岩的安全系数用下式计算 2 c 御 ， s _m F j 式中o l 、旬 分别为任意单元的最大主应力与最 小主应力 ； c 一为围岩的内聚力； ～ 为围岩的内摩擦角。 5 模拟结果 5， 1 围岩变形状态的模拟结果 由于各矿房的回采顺序不同 其围岩变形 的剧烈 程度亦不相同。计算机模拟图形显示了请矿房各单元 位移矢量的大小及方向 图形略 ，其中变形最尉烈 者数 4 号矿房围岩．围岩最大位移达 1 1 ． 7 2 e ra。但结 果表明围岩的位移仍在容许范围以内。 5 ， 2 围岩受载状态的模拟结果 中国矿 业 1 9 9 9年t 8●t 2朔 维普资讯 各矿房围岩的受载状态用 1 式定义 的单元安 全系致来描述，计算机模拟结果为一系列安全系数的 充填图 图形略 。围岩受载最不利的矿房亦为 4 号 矿房，其受载状态示于图 2 。 l 1 ．3 L 3 e ． 2 “ ∞ i ． 3 1 l L t 1 ． ‘ 3 3 三3 e3 33 ， ● [ 1 ．S 1 ． 7 e 2 ．D L 1 B e ． 4 I 1 ．1 L e l n 1 ． D 1 ．8 1 ． O 1 ．1 I ．a 1 ．1 L 3 l 3 3 4 | i ∞ l l 巳9 i 4 i 5 l _5 1 ． 2 l 2 5 5 1 J9 1 ． 3 1 ．5 1 ．2 4．O 1 5 圉 2 4号矿虏暖岩的受藏状志 每十单元足寸l 札x1 T n 最小安全系数 1 ． 0 图 2中所示矿房左帮即为 3号矿房与 4号矿房之 间的连续矿桂。图示模拟结果表明，该矿柱已达临界 状态．矿房右帮局部亦达这种状态。虽然如此，但 由 于这些部位的岩体均处于二向受压状态 ．且随着矿房 被充填，它们又转而处于三向受压状态，故不会发生 失稳。 6 结论 通过对湘西金矿充填料矿二次 回采采矿方法的安 全性进行数值模拟研究．得到 了如下结论 1 各 矿房顶板 及矿 柱的 变形均 在允许 范围 以 内，即从变形准则角度考查．它们是安全的； 2 各矿房围岩的承载亦在允许范围以内，即从 强度准则观点来衡量．各矿房的围岩是安全的； 3 地下采矿方法的安全性评价，要从变形及强 度两方面来进行，忽略其 中任何一方面都是不全面 的，也是不可取的。l 参考文献 [ 1 】 罗录铺．湘西金矿袄壤矿区矿床地质及 2 4 4矿块地质．湘西童 矿 ．1 9 8 6． [ 2 ] 丁蕾摹等．湘酉金矿极不稳固顶板尊定性拦 研氪‘ 衡阳工 学院学报 ．v d．8 ，N o ．1 ，1 9 9 4 ． [ 3 ]P ．C l md a l l F LA C B ．I t a a c 删a u I d n g ．1 9 9 3 ． [ 4 扬立撤等，湘酉金矿沃陲坑 口3 1 6试验采蛹安全监 及璜板墓 定性分析，长抄矿山研究豌．1 9 8 4 ． [ 5 ] 包东■等．湘酉金矿老采区充填料矿二次固采采场安全盛禹 ． 长抄矿 山研 究豌 ． 1 9 B 6 ． 收稿 日期1 9 9 8年 l 0月 2 2 E 1 作者简介] 丁德棼硕士 中南I学院 资源 开发I程 系主任 副教授1 9 9 0～1 9 9 2年在澳太 刺 亚新南威 尔大 学 1 9 9 6 ～1 9 9 7年在 英国诺丁汉 太学 访问研 究I作道头照片丁德罄 耋 懈 艚 料 料 州 黼 料 料辩 料特 。辅 料 料 料 州料 懈 料 睾 牟 料 料 椭 摊 牲 料 牲 料柚 州 特 、 用细菌净化废水 ． i 德 目不来梅太 学环境 研宽与技术 中心 的科学 謇利用 L 姜 圄一座铜 矿 中盅 现 的 “ 氧化 铁硫 杆 菌 对 工量废 水进 行处 摹 理，取得了盘好垃景 选竹细菌可以在p H值枉低的工业废水中存活，并可以分离沉连废水中的铜午重仝 工业废水 辜蛀过如茜净化后．再用中和法将这些如茜杀兄， ． 这样的废水札对人和环境无害了。 目前，科学謇已蛀利用选竹技术霞计 蔓 出了 每小时处理8 3 ． 3 L废水的生轴反应器．并在德国 臭 萤璺 的一謇 生产即捌电 路板的壶业 进行了 诫磕。选謇 壶亚每年牟 冀姜产生约 1 3 0万 L奇有大量重仝属的废术。蛀别算．在这些工量废术中奇有的 2 t 铜和太妁 5 0 t电繁沉积粕。以往迭 謇垂 塞业牟是幕用化学药品处理废术．费用十分昂贵。而采用这套技术后．处理废水的威木明星降低．此外还可以田收柏 1 ． 6 t 霉铜 和 4 0 t 左右的 电幢沉积抽 估计 诚壶量 采用选 嘎技 术每年可 节约薮万 马克 。 耋 据说，逸套技术可以适用干几乎所有的仝属加工工业．能够分离包括轴在内的多竹重仝属。 主 灭 菌性 陶瓷涂层 * 莓 具有灭茵性的陶瓷． I 品求层是新近开点的琦t 皂 陶瓷材料．主羹在面砖、卫生洁具和垃璃器l上得到应用。 耋 日末 东陶 已使 选种 灭菌性 面砖 、卫 生陶瓷洁其 商品化．开 姑在 謇童厨 房、卫 生问和医虎 使用 。 革 灭茵性陶瓷采层材料主薹是一些具有氧化功能的饨起灭茵作用的银、铜、锌、盐午仝属 鼻干．以其特摩的无机盐彤 耄式引入捌陶瓷釉料 中，蛀施釉和焙烧．使之无致分布并长期存在陶瓷表面的釉层中． 成灭茵毋层。在太阳克和日克灯 要 _曛 射下，当 如菌 与潦 层接抽时．在光催化荆作用下产生强的化t 皂 力．如茜单元缸缎受到硅坏，起刊灭蕾、 防霉的作 掌用 灭菌垃果的检测是丹分有已 知■苗蕺度的溶液工干饨灭茁的釉面上．保持一定的时间后．观察溶液中的生存■蕾 ；薮。据 日本资料报进．太骑杆菌灭苗丰在太阳光照射 3 h后可选到 9 9 ％。 { } 抖 } 料 } * } * 料 * } * } * } } } * } * } * _ 料 } * * * 暗* * } * } * 种 々 } * } * 湘西量r地 维普资讯