自然崩落法放矿的地表沉陷预计研究.pdf

第3 7 卷第2 期 2 0 1 7 年0 4 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 7 №2 A p r i l2 0 1 7 自然崩落法放矿的地表沉陷预计研究① 邢东升1 ’2 ，刘晓明1 ，朱忠华3 ，王李管1 1 ．中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．中铝矿业有限公司，河南郑州4 5 0 0 4 1 ；3 ．南华大学核资源工程学院，湖南衡阳4 2 1 0 0 1 摘要利用自然崩落法放出矿柱与开采工作面的相似性，建立自然崩落法放矿的地表沉陷预计物理模型，将物理模型与放矿计 划相结合，把计划周期内放出矿柱视为开采沉陷预计中的条带状工作面，将多漏斗放矿下的地表沉陷预计转化为条带状工作面开 采的地表沉陷预计，使用概率积分法进行地表沉陷预计。设计地表沉陷预计数据结构和预计流程，并在数字矿山软件平台上用C ” 编程语言予以实现。实践表明该方法方便地实现了自然崩落法多漏斗放矿下的地表沉陷预计。 关键词放矿；地表沉陷；随机介质；概率积分法；自然崩落法 中图分类号T D 3 2 5文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 7 ．0 2 ．0 0 5 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 7 0 2 - 0 0 2 0 - 0 4 S u r f a c eS u b s i d e n c eP r e d i c t i o nf o rO r e d r a w i n gb yB l o c kC a v i n g X I N GD o n g s h e n 9 1 ，2 ，L I UX i a o m i n 9 1 ，Z H UZ h o n g h u a 3 ，W A N GL i g u a n l 1 ．S c h o o lo f R e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a ；2 ．M i n i n g C oL t do f C H A L C O ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 4 1 ，H e n a n ，C h i n a ；3 ．C o l l e g eo f N u c l e a rR e s o u r c e sE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo f S o u t h C h i n a ，H e n g y a n g4 2 1 0 0 1 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h es i m i l a r i t yb e t w e e np i l l a r sw i t h d r a w nb yb l o c kc a v i n gm e t h o da n do nw o r k i n gf a c e ，ap h y s i c a l m o d e lo fs u r f a c es u b s i d e n c ep r e d i c t i o ni se s t a b l i s h e df o ro r e d r a w i n gb yb l o c kc a v i n gm e t h o d ，w i t ht h ep r a c t i c a l o r e d r a w i n gs c h e m ei n t e g r a t e di n t ot h ep h y s i c a lm o d e l ．T h ew i t h d r a w np i l l a rv o l u m ed u r i n gap l a n n e dp e r i o do ft i m ei s r e g a r d e da st h eb e l tw o r k i n gf a c ew i t h i nt h ep r e d i c t e dm i n i n gs u b s i d e n c e ，a n dt h ep r e d i c t e ds u r f a c es u b s i d e n c eb y o r e d r a w i n gw i t hm u l t i - c r a t e r sw a st r a n s f e r r e dt ot h es u r f a c es u b s i d e n c ep r e d i c t e df o rm i n i n go nb e l tw o r k i n gf a c e ．T h e n ， t h es u r f a c es u b s i d e n c ec a nb ep r e d i c t e dw i t hp r o b a b i l i t yi n t e g r a lm e t h o d ．D a t as t r u c t u r ea n df o r e c a s tf l o wa r ed e s i g n e d a n dt h ep r o c e s si si m p l e m e n t e do nt h es o f t w a r ep l a t f o r mo fd i g i t a lm i n eu s i n gC “p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ．T h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o ni n d i c a t e st h i sm e t h o di sc o n v e n i e n tt op r e d i c tt h eS U r f a c es u b s i d e n c ei nc a s eo fo r e d r a w i n gf r o mm u l t i c r a t e r s ． K e yw o r d s o r e d r a w ；s u r f a c es u b s i d e n c e ；i a n d o mm e d i u m ；p r o b a b i l i t yi n t e g r a lm e t h o d ；b l o c kc a v i n g 自然崩落法适用于低品位厚大矿床的大规模开 采，应用得当可以很好地降低开采成本1 ；在形成足 够的拉底空间后，按照生产计划进行大规模放矿，直至 崩通地表后，放矿对地表的影响开始显现，并且这种影 响都是破坏性的，容易引发地质灾害，影响甚至阻碍矿 山的正常生产，或者造成严重的生命财产损失，如南非 金伯利矿，以及智利萨瓦多尔矿的崩落开采口』。因 此，对放矿所致的地表沉陷进行预计具有重要的理论 和实际意义。 对软岩地表的沉陷预计，常用的方法是基于随机 介质理论的概率积分法∞J ，一些学者对其进行了改 进H ‘5J ，目前该方法已成为我国较成熟的、应用最为广 泛的预计方法之一M ‘7 j 。对自然崩落法放矿研究，众 多的工作集中在放出体形态及散体移动规律方 面。1 ⋯，而对其引起的地表沉陷研究较少。实际上在 崩通地表后，崩落矿岩呈现具有统计规律的随机流动， 宜用随机介质理论进行研究。并且随着放矿计划执 行，相应的放矿点放出一定矿量的放出矿柱，放矿所致 的地表沉陷实质上是放出矿柱对地表的沉陷问题。近 年来，数字矿山技术的快速发展使得三维地质建模及 可视化变得方便1 。1 5J 。本文在数字矿山软件平台上， 将放出矿柱视为开采沉陷预计中的条带状工作面，使 用概率积分法对地表沉陷进行迭代计算，并使用C ” 编程语言实现该方法，得到地表沉陷预计结果。 ①收稿日期2 0 1 6 - 1 0 - 1 2 基金项目国家自然科学基金 5 1 6 0 4 3 0 1 ，5 1 2 7 4 2 5 0 ；金属矿山安全与健康国家重点实验室开发基金 2 0 1 5 一J S K S S Y S 一0 1 作者简介邢东升 1 9 6 8 一 ，男，河南郑州人，高级工程师，主要从事矿山技术与管理工作。 通讯作者朱忠华 1 9 8 1 一 ，男，湖南郴州人，讲师，主要从事数字矿山及数值模拟技术的研究工作。 万方数据 第2 期邢东升等自然崩落法放矿的地表沉陷预计研究 2 1 1 自然崩落法放矿物理模型 自然崩落法矿山的实际生产中，为降低损失贫化 率，同时也为了保证出矿量，每日需要参与出矿的放矿 点必须达到一定数量。因此，多漏口出矿更具普遍意 义。某即将投产的自然崩落法大型矿山放矿水平及放 矿点布置如图1 所示。 图1 放矿水平布置 a 放矿水平布置； b 局部放大 拉底区域内满足放矿条件的放矿点称为可用放矿 点，日常放矿就是从可用放矿点中放矿。实际的放矿 还要考虑溜井位置、设备能力及运动路径等因素，以保 证均匀放矿，降低损失贫化。 放矿水平上每一个放矿点对应一定放矿高度的担 负矿量；在一个放矿周期中，按照放矿计划，可用放矿 点从漏斗口放出相应的放出矿柱，当崩通地表后，放出 矿柱引起崩落矿岩流动向上传导，放矿对地表的影响 开始显现。 2 自然崩落法放矿地表沉陷预计 2 ．1 多漏斗放矿的地表沉陷预计方法 放矿水平上每个放矿点对应的担负矿量为一长方 柱体，每个放矿点放矿周期内放出的矿体对应一个放 出矿柱，放出矿柱在几何上与概率积分法开采沉陷预 计中的条带状工作面类似，放矿柱体高度相当于开采 厚度。每个放矿周期，参与出矿的放矿点有一定数量， 每个放矿点放出一定高度的矿量，此时多漏斗出矿相 当于多工作面开采，可以使用概率积分法进行地表沉 陷预计。放矿的地表沉陷预计模型如图2 所示 ，◆， 本方法的主要思想是将某周期的放矿引起的地表 沉陷转化为多个日放矿引起的地表沉陷的叠加。按时 间先后顺序考虑每天的放矿过程，计算当天的地表沉 陷量。当天放矿沉陷计算后的结果地表，作为第二天 放矿沉陷计算的输入地表，以此类推，直到放矿周期结 束，得到最终的沉陷后的地表模型。每一天中参与放 矿的多个放矿柱体，按照放矿顺序依次使用单放出矿 柱所致的地表沉陷预计方法计算。 2 ．2 单放出矿柱所致的地表沉陷预计 单放出矿柱的地表沉陷预计模型与三维情况下条 带状工作面开采沉陷预计模型相同，如图3 所示。 图3 单放出矿柱的地表沉陷预计模型 在图3 中，若单放出矿柱顶板下沉量为W o m q c o s c t ，开采范围为0 l C D E ，0 l C 长为D 3 ，C D 长为D l ， 由概率积分法可知整个开采引起A 点的下沉为 r 珐，功j1 x - s 2 r I 2 形 龙，Y W o IJ e 一_ 产一d t 山 1 万方数据 矿冶工程第3 7 卷 式中r 为主要影响半径；w o 为最大下沉量；i n 为放出矿 柱高度；g 为下沉系数；a 为放出矿柱倾角。 由文献[ 3 ] 可知，A 石，Y 点在沿伊方向的倾斜 i x ，y ，9 为 i x ，Y ，妒 ≤} [ i ’ 戈 矿 ，， c o s 妒 W 。 戈 i o y s i n 妒] 2 A x ，Y 点在沿妒方向的曲率k x ，y ，9 为 №，y ，妒 堂掣c 唧 丛等丝。i n 妒 d 笫d ， 3 而水平移动V x ， ，，妒 和水平变形占 戈，y ，妒 分别为 U z ，Y ，妒 b r i 戈，y ，妒 4 占 菇，Y ，妒 b r k 菇，Y ，垆 5 式中相关参数右上角的上标。表示有限开采的移动变 形值，参数b 为水平移动系数。 此外，开采沉陷预计使用的开采影响传播角p 与 工作面倾角a 相关，0 9 0 。k a ，k 取0 ．6 0 ．8 po ；拐点 偏距s 。表示由于工作面上方矿岩层的悬臂作用引起 的拐点的偏移距离，引入拐点偏距的作用是避免在工 作面端部上方工作面顶板下沉量发生突变 从。突变 到甄 ，因此在式 1 中s 。对计算的影响通过甄得以 体现，在工作面端部正上方工作面顶板下沉量为0 ，在 距工作面端部一定距离处，顶板下沉量逐渐增加，在距 离工作面端部s 。处工作面顶板下沉量增加到w o 。 2 ．3 多漏斗放矿的地表沉陷预计流程 根据多漏斗放矿地表沉陷预计模型及原理，本方 法主要环节包括读取放矿柱体、计算和获取放矿柱体 参数、旋转地表和放矿柱体、沉陷计算。计算流程如图 4 所示，其中t 表示放矿周期的天数，n 表示当天出矿 的放矿柱体数量。 放矿柱体参数放人2 个结构体s t r u c w p b o r d e r 和 s t r u c _ w p P a r a ，其中s t r u c w p b o r d e r 存放放矿柱体边界 极值、走向和中心点位置，s t r u c w p P a r a 存放放矿柱体 开采厚度m 、下沉系数9 、倾角a 、主要影响角正切t a n f l 、 水平移动系数b 及平均深度h 。 旋转的作用是将放矿柱体和地表同步旋转，使放 矿柱体走向与坐标轴 菇轴 方向一致，方便计算；计算 完毕再将放矿柱体和地表反旋转到原坐标系。 3 系统实现 以某数字矿山软件系统为平台，采用平台 插件 的方式进行二次开发。该平台开发框架包括数据层、 操作层和算法层以及显示层，具有较好的实用性和可 扩展性。用C ”编程语言实现自然崩落放矿的地表沉 计 算 天 的 地 表 沉 陷 图4 当月放出矿柱开采沉陷预计流程 陷预计子系统的开发，数据层使用自定义的数据结构； 操作层使用平台提供的交互机制，完成插件的定义、对 话框及数据的交互；算法层则是将概率积分法封装为 S u b s i d e n c e O p e r a t o r 类，完成放矿的地表沉陷预计；显 示层调用平台的显示接口。 4 算例 普朗铜矿位于云南省迪庆藏族自治州香格里拉县 北东部，矿区范围南北长约6k m ，东西宽约5k m ，面积 3 6 ．7 2k m 2 ，是我国2 0 0 1 年启动的大调查项目发现的 一个特大型铜矿。普朗铜矿进行自然崩落法开采后， 崩落矿岩经出矿系统运出送至选厂；矿岩在自重及诱导 崩落下持续进行，崩落区不断扩大。但是由于崩落矿岩 具有松散性，崩落的影响不能较快通达地表，只有到放 矿进行到一定时间后，矿岩才能崩通地表，在地表产生 沉陷区。考虑自然崩落法特点及普朗实际，本文矿岩松 散系数k 。取1 ．2 5 ，对于普朗稳产期12 5 0 万吨／年的生 产能力，预计在第9 ～1 0 月崩通地表，放矿对地表沉陷 的影响开始产生；考虑到投产前2 年为产能爬升期，生 产能力达不到稳产期产能，因此地表崩通的时间延后。 本文预计投产第1 5 月崩通地表，该月放矿前普朗 地表如图5 所示，该月对应放出矿柱如图6 所示。出 万方数据 第2 期 邢东升等自然崩落法放矿的地表沉陷预计研究 矿水平在3 7 2 0 水平，视为水平工作面，故采用常规概 率积分法进行沉陷预计，开采厚度即为放出高度。矿 区概率积分法参数根据普朗实际及参照类似矿山选 取9 0 ．7 6 ，t a n 卢 2 ．0 ，5 n 1 3m 。 图5 普朗地表及放出矿柱 rI o 豢≥浏 图6 放出矿柱 沉陷预计结果如图7 所示，并由文献[ 1 6 ] 可以判 别地表破坏程度。 卜黛警j 卜0 lI | | | j 1 4 6 ．2 5 0 1 3 4 ．0 6 3 1 2 1 ．8 7 5 1 0 9 ．6 8 8 9 7 ．5 0 0 8 5 ．3 1 3 7 3 ．1 2 5 6 0 ．9 3 8 4 8 ．7 5 0 3 6 ．5 6 3 2 4 ．3 7 5 1 2 ．1 8 8 0 ．0 0 0 图7 普朗地表沉陷预计结果 a 沉陷云图及等值线 m ； b 倾斜变形云图 m m ／m ； c 水平变形云图 m m ／m ； d 水平移动云图 m 破坏程度是指开采沉陷引起的地表破坏程度，属 于土地破坏程度，分为A 、B 、c 级3 种等级，A 级破坏 程度最低，B 、C 级次之；由文献[ 1 6 ] 知地表破坏程度可 由下沉值 位移 确定，本文地表破坏程度由沉陷值确 定。地表沉陷影响范围及破坏程度见表1 。 表1 地表沉陷范围及程度 移动值 5 结语 1 建立了放出矿柱所致的地表沉陷预计模型和 多漏斗放矿的地表沉陷预计方法。 2 在数字矿山软件平台上，使用C ”编程语言方 便地实现了自然崩落法放矿的地表沉陷预计。 参考文献 [ 1 ]冯兴隆．自然崩落法矿岩工程质量数字化评价及模拟技术研究 [ D ] ．长沙中南大学资源安全与工程学院，2 0 1 0 ． [ 2 ] B r o w nET ．B l o c kC a v i n gG e o m e e h a n i e s [ M ] ．Q u e e n s l a n d A u s t r a l i a ， J u l i u sK r u t t s c h n i t tM i n e r a lR e s e a r c hC e n t r e ，2 0 0 2 ． [ 3 ] 何国清，杨伦，凌赓娣，等．矿山开采沉陷学[ M ] ．徐州中国矿 业大学出版社，1 9 9 1 ． 下转第2 7 页 匿圈H嘲圜圜图嗣 值 {l盏劣戮穗黑器㈣ 氯地仲吼＆t丘曼t1毛L m 顶霞豳H㈧黼缀簋瞄攀 们姗；宝伽研m啪{曼圳蜥m黜Ⅲ㈣ 3 2 2 2 2●，，l 0 0 0 0 顶鼷离H豳豳圈图譬■ ㈣ 嘭 变7 平伸赡皓记孵2弛孵嘶，0 水L J 3 虑4 m ．，j J 0 虑B m如m兜甜”卯卵钟北岛巧鲥吡 顶鼹嗣H嘲嬲嘲黼嗣圈■ 万方数据 第2 期杨宫印等马鞍山2 。矿体无底柱分段崩落法结构参数优化研究 放出体高度／m 图4 偏心率回归曲线 由偏心率定义可知，当分段高度为1 2 ．5m 时，相 应垂直进路方向椭球体的b 轴长与沿进路方向椭球体 的c 轴长分别为 b 剐1 8 4 ．6m c H 再i 4 ．1m 由此得出分段高度与放出体长半轴长的关系如 图5 所示。 旦 姒 葬 业 彗 籍 分段高度／m 图5 分段高度与放出体长半轴长的关系 通过M a t l a b 二次似合二者之间的关系方程为 a O ．0 1 酽 0 ．7 3 H 3 。当分段高度为1 2 ．5m 时，相应 长半轴长为1 3 ．7m 。 在马鞍山2 。矿体分段高度确定的情况下㈨，由式 1 一 2 计算可得￡ 1 4 ．5 3m ，R 2 ．3 8m 。 4 结论 通过对椭球体放矿理论、端部大结构参数放矿等 相关理论的研究分析，提出了一套系统的结构参数优 化实验方案。绘制了放出体形态，验证了椭球体放矿 理论的可靠性；得出了马鞍山2 。矿体采场放出体形态 的各向偏心率方程及函数关系。分段高度为1 2 ．5m 时，确定最佳进路间距为1 4 ．5m ，崩矿步距为2 ．4m 。 与原设计相比，采用大结构参数，理论上大大降低了矿 山采掘比，提高了生产效率，为矿山进行大规模回采工 作提供了可靠依据。 参考文献 [ 1 ]李连民，李占科．北沼河铁矿无底柱分段崩落法大结构参数确定 [ J ] ．金属矿山，2 0 0 4 2 1 4 1 7 ． [ 2 ] 吴尚勇．散体流动规律及其仿真方法研究[ D ] ．沈阳东北大学资 源与土木工程学院，1 9 9 9 ． [ 3 ]张志贵．矿石损失贫化的经济评价与分析[ J ] ．中国矿业，1 9 9 2 3 3 0 3 5 ． [ 4 ] 乔登攀．放矿理论研究与应用[ M ] ．昆明云南科技出版社， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 周宗红．倾斜中厚矿体损失贫化控制理论与实践[ M ] ．北京冶 金工业出版社，2 0 1 1 ． [ 6 ] 柳不波，刘小军，孙豁然，等．步距与岩石混入率关系的计算机模 拟研究[ J ] ．金属矿山，2 0 0 4 8 2 2 2 4 ． [ 7 ] 刘兴国，周骥．放矿理论[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 5 ． [ 8 ]杨宫印．红河矿业马鞍山2 。矿体厚大部分崩落法低贫损放矿研 究[ D ] ．昆明昆明理工大学国土资源工程学院，2 0 1 3 ． 引用本文杨宫印，陈玉明，王小勇．马鞍山2 。矿体无底拄分段崩落法 结构参数优化研究[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 7 ，3 7 2 2 4 2 7 ． 上接第2 3 页 [ 4 ] 朱忠华，王李管，毕林，等．基于二分迭代的倾斜条带状工作面 开采沉陷预计研究[ J ] ．应用力学学报，2 0 1 5 ，3 2 4 6 6 4 - 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