某铁矿缓倾斜厚大矿体采矿技术研究_陈尚波.pdf

某铁矿缓倾斜厚大矿体采矿技术研究 陈尚波 1 刘波 2 （1. 江西省安全生产科学技术研究中心， 江西 南昌 330103； 2. 江西省虔通矿业咨询有限公司， 江西 赣州 341000） 摘要某铁矿出于安全考虑， 前期的崩落法无法继续使用， 深部矿体的回采方法必须及时变更为充填法。 为了确保充填法采矿安全、 高效， 根据矿山实际矿体、 围岩稳定性特征， 提出4个回采方法， 经过模糊综合评判选择 分段凿岩阶段空场嗣后充填法。在此基础上针对如何选择采场结构参数， 才能确保回采过程采场的稳定， 采用数 值模拟对深部矿体采场结构参数进行方案优化， 在采场长度为100 m， 预留10 m间柱的情况下， 模拟了采场宽度 13 m、 15 m、 17 m3个方案， 采场的最优宽度确定为15 m。 关键词充填采矿法模糊综合评判采场安全结构参数数值模拟 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -06-072-05 DOI10.19614/ki.jsks.201906013 Research on Mining Technology of Gently Inclined Thick Large Ore-body in an Iron Mine Chen Shangbo1Liu Bo22 （1. Jiangxi Province Security Production Science and Technology Research Center， Nanchang 330103， China； 2. Jiangxi Qiantong Mining Consulting Co.， Ltd.， Ganzhou 341000， China） AbstractIn view of the safety， the previous caving in an iron ore can not continue to be used， and the recovery for deep orebody must be changed in time. In order to ensure the safety and efficiency of backfill mining， according to the actual stability characteristics of orebody and surrounding rock， four mining s were put forward， and the stage sub- level rock drilling stoping with subsequent backfilling is selected by fuzzy comprehensive uation. On this basis， aiming at how to select stope structural parameters to ensure the stability of stope in mining process，numerical simulation is used to optimize the stope structural parameters of deep orebody. Under the condition of stope length 100 m and pillars re- served at 10 m， three schemes with stope width of 13 m， 15 m and 17 m are simulated， and the optimal stope width is deter- mined to be 15 m. KeywordsBackfill stoping ， Fuzzy comprehensive uation， Stope safety， Structural parameters， Numerical simulation 收稿日期2019-04-12 作者简介陈尚波 （1988） ， 男， 工程师， 硕士。 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 某铁矿出于安全考虑， 前期的崩落法已无法继 续使用， 深部矿体的回采方法必须及时变更为充填 法。针对其缓倾斜厚大矿体的特点， 通过模糊数学 综合评判， 采用分段凿岩阶段空场嗣后充填法。在 此基础上， 通过FLAC3D数值模拟， 对采场的结构参数 进行了合理的优化［1-3］。 1工程背景 该铁矿主矿体垂直厚度一般为20～40 m， 最厚 63.58 m， 最薄2.61 m， 平均厚度27.07 m， 厚度变化系数 58.33， 属较稳定型。原有采矿方法为无底柱分段崩 落法， 因各种因素不再继续使用， 为了解决矿山继续 往深部开采衔接的问题， 必须及时变更采矿方法。本 研究的主要内容为通过对采矿方法的选取以及采场 结构参数的优化， 为矿山的后续持续发展提供保障。 2采矿方法模糊评价 根据综合分析， 为了能达到技术可行、 经济合理 且安全环保的要求， 方案论证的总体方向为阶段充 填采矿法， 从回采工艺角度来讲包括留设盘区矿柱 和不留设盘区矿柱2种， 而就其凿岩方式则可包括分 段中深孔凿岩和阶段深孔凿岩2种。 根据矿区及矿床地质概况、 矿山开采现状、 开采 技术条件及矿山扩建工程实际情况， 提出了以下4个 72 ChaoXing 采矿方法 方法一， 盘区分段凿岩阶段空场嗣后充填 采矿法； 方法二， 盘区无矿柱分段凿岩阶段空场嗣后 充填采矿法 ［4］ ； 方法三， 盘区大直径深孔阶段空场嗣 后充填采矿法 ［5］ ； 方法四， 盘区无矿柱大直径深孔阶 段空场嗣后充填采矿法 ［6］ 。 采用模糊综合评判方法对该矿采矿方法进行优 化选择， 根据各因素的隶属关系建立层次结构模型， 该模型结构如图1所示 ［7］ 。 通过重要性评价得出各方法技术经济的指标如 表1。 对各因素的指标进行无量纲化， 4个采矿方法的 评价模糊矩阵并进行归一化处理得到矩阵R′为 R ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 0.3470.0350.3470.271 0.4550.0450.2450.255 0.3720.4430.0440.142 0.2110.5250.2110.053 0.0320.3230.3230.323 0.2540.2370.2540.254 0.2690.2120.2690.250 0.2500.2500.2500.250 0.2830.1690.2830.239 0.3160.2370.2370.211 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 T 第一、 二、 三、 四列数据对应方法一、 方法二、 方 法三、 方法四。运用加权平均模型对各方法进行评 价， 计算结果为 AW∙R′ （0.297， 0.226， 0.245， 0.232） . 根据最大隶属原则， 最终选取方法一。 3计算模型建立 利用3DMine自带的三维几何建模导出块体质 心， 然后将已建好的数值计算模型的节点和单元数 据导入至FLAC3D中。通过建立接近实际情况的三维 几何模型以及对需要求解问题关键部分划分突出的 网格， 再利用FLAC3D的强大的计算能力、 求解功能进 行数值模拟分析。 根据建模的一般规则， 围岩的尺寸应是所建空 区的3～5倍， 因此， 矿体上下盘围岩厚度取为矿体厚 度的4倍， 矿体走向的两端围岩厚度取为矿体厚度的 3倍。 本次采用摩尔库仑本构模型模拟矿体的开挖 及充填。由于岩体的物理力学性质具有离散性， 不 同试验条件对该铁矿矿体及围岩的岩石力学实验数 据结果均有不同程度的影响， 对该矿进行的室内岩 石力学实验参数取平均值见表2 ［8-9］ 。 43个方案回采效应分析 在相同采场长100 m， 盘区矿柱宽10 m的条件 下， 分别取采场宽度13 m （方案1） ， 15 m （方案2） ， 17 m （方案3） 组成3个方案。通过3个方案的位移场、 应 力场及塑性区的对比分析， 得出最佳采场宽度值。 2019年第6期陈尚波等 某铁矿缓倾斜厚大矿体采矿技术研究 73 ChaoXing 4. 1位移场计算结果 针对3个不同采场宽度， 对一步骤回采及二步骤 回采后的采场顶板位移场进行分析。分析结果如图 2～图4。由图2～图4可以看出， 矿体回采后， 整个顶 板都产生位移变化， 但数值非常小， 不影响顶板稳定 性。一步骤回采时， 最大位移值出现在采场顶板上 方， 二步骤回采时， 最大位移值转移到充填体顶板上 方。采场宽度越大其位移值也越大。位移值在采场 宽度17 m时达到约1 cm。位移场分析表明， 采场顶 底板位移变化规律一致， 位移变化量随着采场宽度 增大而增大， 但总体位移变化值均较小， 3个采场宽 度均较安全。 4. 2应力场计算结果 针对3个不同采场宽度， 对一步骤回采及二步骤 回采后的采场顶底板的应力场进行计算分析。分析 结果如下图5～图6。 分析最大主应力场可得， 回采一步骤矿体后， 采 场周围出现应力集中， 压力值随着采场宽度增大而 增大； 二步骤回采后， 应力集中范围转移到盘区矿柱 顶端处， 压力值随着采场宽度增大而增大。 最小主应力场中， 一步骤回采后， 采场上方顶板 出现受拉区域， 受拉范围及拉应力值随着宽度增大 而增大； 二步骤回采后， 顶板受拉范围由采场顶板扩 大到整个采区顶板， 拉应力值随采场宽度增大变化 不大， 基本保持平稳。 应力场分析时， 拉应力是矿体回采后主要影响 采场不稳定性的主要因素， 采场宽度为较小的13 m、 15 m时， 采场顶底板受拉范围较小， 当宽度增加到 17 m时， 采场顶底板受拉范围明显增大， 采场稳定性 较差。 4. 3塑性区计算结果 一步骤回采后， 不同采场宽度的矿柱和采场顶 板都没有出现塑性区， 说明一步骤回采过程中采场 稳定性较好。因此塑性区变形主要分析二步骤回 采后塑性破坏区的变化趋势。塑性区破坏区域如 图7。 金属矿山2019年第6期总第516期 74 ChaoXing 2019年第6期陈尚波等 某铁矿缓倾斜厚大矿体采矿技术研究 75 ChaoXing 由顶板剖面图可以看出塑形破坏体积随着宽度 增加而增多， 中间盘区比两侧盘区塑性破坏区域 大。中部盘区顶板稳定性比两侧盘区较差。 通过图7塑性破坏区分析， 采场宽度为较小的 13 m、 15 m时， 塑性破坏区体积较小， 不连续， 当宽度 增加到17 m时， 塑性破坏区范围明显增大， 深度加 大， 采场稳定性较差。 5结论 （1） 通过模糊综合评价， 对4个采矿方法进行了 选择， 得出盘区分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法 为最优， 确定深部矿体的回采选用分段凿岩阶段空 场嗣后充填法。 （2） 数值模拟分析表明， 位移变化量随着采场宽 度增大而增大， 但总体位移变化值均较小， 3种采场 宽度均较安全； 采场顶底板受拉范围较小， 当宽度增 加到17 m时， 采场顶底板受拉范围明显增大， 采场稳 定性较差； 采场宽度为较小的13 m、 15 m时， 塑性破 坏区体积较小， 不连续， 当宽度增加到17 m时， 塑性 破坏区范围明显增大， 深度加大， 采场稳定性较差。 综合分析选取采场的宽度为15 m。 （3） 通过对深部矿体的回采方法的选取， 并确定 最优化参数， 为矿山后续的持续开采及发展， 提供了 有力保障。 参 考 文 献 刘杰， 徐曾和， 赵兴东， 等.新城金矿采场地压活动规律及支护 技术研究 ［J］ .金属矿山， 2013 （5） 18-21. Liu Jie， Xu Zenghe， Zhao Xingdong， et al.Research on the activity law and support technique of stope ground pressure in Xincheng Gold Mine ［J］ .Metal Mine， 2013 （5） 18-21. 姚囝， 叶义成， 王其虎， 等.基于统计模糊权重和模糊区间评价 的采矿方法优选模型 ［J］ .中国矿业， 2014， 23 （9） 112-117. Yao Nan， Ye Yicheng， Wang Qihu， et al.The optimal selection mod- el of mining based on statistical fuzzy weights and fuzzy in- terval uation ［J］ .China Mining Magazine， 2014， 23 （9） 112-117. 白云飞， 叶振华.基于突变优选理论的采矿方法选择 ［J］ .金属矿 山， 2011 （10） 61-67. Bai Yunfei， Ye Zhenhua. Selection of mining based on the mutation optimization theory ［J］ .Metal Mine， 2011 （10） 61-67. 王新民， 赵彬， 张钦礼.基于层次分析和模糊数学的采矿方法 选择 ［J］ .中南大学学报 自然科学版， 2008， 39 （5） 875-880. Wang Xinmin， Zhao Bin， Zhang Qinli.Mining choice based on AHP and fuzzy mathematics ［J］ .Journal of Central South Univer- sityScience and Technology， 2008， 39 （5） 875-880. 吴爱祥， 朱志根， 习泳， 等.崩落矿岩散体流动规律研究 ［J］ .金 属矿山， 2006 （5） 4-6. Wu Aixiang， Zhu Zhigen， Xi Yong， et al.Study on flowing law of caved ore-rock bulk. ［J］ .Metal Mine， 2006 （5） 4-6. 解世俊.金属矿山地下开采 ［M］ .北京 冶金工业出版社， 1984. Xie Shijun. Underground Mining of Metal Mine ［M］ .BeijingMetal- lurgical Industry Press， 1984. 东龙宾， 王少泉， 金长宇， 等.崩落法开采岩层移动影响因素的数 值模拟 ［J］ .金属矿山， 2015 （9） 40-44. Dong Longbin， Wang Shaoquan， Jin Changyu， et al. Numerical sim- ulation of factors affecting strata movement caused by caving meth- od ［J］ .Metal Mine， 2015 （9） 40-44. 王小华， 胡海峰， 廉旭刚.采动岩层移动变形的负指数预计方法 研究 ［J］ .煤炭工程， 2015， 48 （4） 82-85. Wang Xiaohua，Hu Haifeng，Lian Xugang. Negative exponential function prediction for mining-induced movement and de- ation of overlying strata ［J］ .Coal Engineering， 2015， 48 （4） 82- 85. 程关文， 陈从新， 沈强， 等.程潮铁矿地下开采引起岩层移动机 制初探 ［J］ .岩土力学， 2014， 35 （5） 1421-1429. Cheng Guanwen， Chen Congxin， Shen Qiang，et al. Mechanism of rock strata movement caused by underground mining in Chengchao iron mine ［J］ .Rock and Soil Mechanics， 2014， 35 （5） 1421-1429. （责任编辑石海林） ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ 金属矿山2019年第6期总第516期 76 ChaoXing