房柱交替上升式采矿工艺时空变换力学分析.pdf

第3 2 卷第l 期 2 0 1 1 年0 2 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 2 №l F e b r u a r y2 0 1 2 房柱交替上升式采矿工艺时空变换力学分析① 赵国彦，卢俊华，刘志祥 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要结合三山岛金矿开采技术条件，设计采用房柱交替上升式充填采矿法回采三山岛金矿深部矿床，并在三山岛金矿直属矿 区进行了试验。为获得最佳工艺参数，实现安全回采矿石资源，建立了理论分析模型，通过力学分析，探索了一二步采场时空变换 的力学规律，利用M A T L A B 工具获得了一二步变换的安全步长，为采场支护设计提供j ，的理论依据。 关键词采矿法；房柱交替上升式充填采矿法；变换步长；数值模拟 中图分类号T D 8 5 3 文献标识码A 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 1 0 0 0 1 0 4 M e c h a n i c a lA n a l y s i so fS p a c e - t i m eT r a n s f o r m a t i o nf o rA l t e r n a t e R o o m a n d - p i l l a rM i n i n gw i t hA s c e n d i n gB a c k n U Z H A OG u o y a n ，L UJ u n h u a ，L I UZ h i ．x i a n g 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 A b s t r a c t B a s e do nt h et e c h n i c a lc o n d i t i o nf o rm i n i n gi nS a n s h a nI r e l a n dG o l dM i n e ，a l t e r n a t er o o m - a n d p i l l a rm i n i n g w i t ha s c e n d i n gb a c k f i l lw a sa d o p t e d 鹊an e wm i n i n gm e t h o dt oe x p l o r ed e e pg o l dd e p o s i t ．S o m ee x p e r i m e n t sw e r ep e r - f o r m e di nt h ea r e ad i r e c t l yu n d e rS a n s h a nI r e l a n dG o l dM i n e ．I no r d e rt oo b t a i no p t i m a lt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sf o re n - s u r i n gm i n i n gs a f e t y ，at h e o r e t i c a la n a l y s i sm o d e lw a se s t a b l i s h e dt oe x p l o r em e c h a n i c a ll a w so fs p a c e t i m et r a n s f o r m a t i o no ft h ef i r s ta n ds e c o n ds t e pm i n i n gi ns t o p et h r o u g hm e c h a n i c a la n a l y s i s ．T h ev a r i a b l es t e pl e n g t hf o rs a f et r a n s f o r - m a t i o nw a so b t a i n e db yu s i n gM A T L A B ，w h i c hc a np r o v i d ea l li m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es u p p o r td e s i g no fs t o p e ． K e yw o r d s m i n i n gm e t h o d ；a l t e r n a t el o o m a n d p i l l a rm i n i n gw i t ha s c e n d i n gb a c k f i l l ；v a r i a b l es t e pl e n g t h ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 三山岛金矿全套引进国外先进的无轨采掘设备， 装备水平和机械化程度达到世界先进水平，是我国主 要的黄金生产基地之一，矿区地理位置优越，毗邻渤海 莱州湾畔东岸，包括直属、新立、平里店3 个矿区。其 中新立矿区是我国第一个进行海底采矿的硬岩矿 山⋯，而直属矿区目前回采深度达到一6 0 0m ，已进入 深部开采。三山岛金矿矿区水文地质条件复杂，矿体 大部分紧靠主裂面F l 断层，矿体倾角3 3 0 一5 6 0 ，现主 要采用点柱式机械化上向分层充填法悼1 对矿体进行 回采，此方法在回采过程中主要存在损失大、安全性 差、生产能力低等问题。随着国际金价一路飙升，矿山 急需扩大生产能力，加上深部开采中岩爆、片帮、高温 等问题，点柱式机械化上向分层充填采矿法已不能适 应目前矿山发展要求。结合三山岛开采技术条件，设 计房柱交替上升式盘区机械化上向分层充填采矿法 以下简称房柱交替上升式充填采矿法 回采三山岛 金矿深部矿床，并在三山岛直属矿区5 5 3 。盘区进行了 试验。为获得房柱交替上升式充填采矿法的最佳工艺 参数，实现安全回采矿石资源，通过理论分析，探索了 一二步采场时空变换的力学规律，并利用M A T L A B 工 具获得了一二步变换的安全步长，为采场支护设计提 供了理论依据。 1 房柱交替上升式充填采矿法实质 房柱交替上升式充填采矿法属于“无间柱连续采 矿”[ 3 一J 范畴，该工艺将矿体划分为盘区，在盘区内划 分一步矿房采场和二步矿柱采场，一步矿房采场与二 步矿柱采场交错布置，先回采一步矿房采场，后回采二 步矿柱采场。与一般的隔一采一方案不同的是，每个 采场的一步采和二步采是交替上升的，盘区回采也是 一步采和二步采交替进行的垆o 。 三山岛金矿直属矿区5 5 3 。盘区矿体沿走向长1 5 0 ①收稿日期2 0 1 1 - 0 9 - 2 2 基金项目国家自然科学基金和卜海毫钢集团公司联合资助项目 5 1 0 7 4 1 7 7 ；中南大学学位论文创新基地资助项目 2 0 1 0 s s x t 2 3 9 作者简介赵国彦 1 9 6 3 一 。男，湖南沅江人，教授，博士．主要从事采矿与岩土工程灾害控制及其安全评价办面的研究上作。 万方数据 2 矿冶工程 第3 2 卷 n 1 ．平均厚度2 9n l ，长度不大，且中间厚大，两翼较薄，矿 石平均品位3 ．2 3g ／t 。由于该区段矿体厚大且品位较 富，用常规的点柱上向分层充填采矿法贫化损失较高， 且安全性差，为此设计采用房柱交替上升式充填采矿法 开采该盘区矿石。该盘区设计1 ’、2 ’、3 ”∥、5 ‘、6 。、7 ’、8 。 9 ’在一5 4 0m 并入8 。 8 个采场，采场垂直矿体走向布 置。中段高度为4 5m 。分为一5 5 5m 、一5 4 0m 、一5 3 0 i n 、一5 2 0 i n 共4 个分段，每个分段服务3 4 个分层， 分层回采高度为2 ．5 3i n ，控顶高4 ．0m ，充填高2 ．5 i n 。顶部3m 左右厚度的矿体采用进路法回采。房柱 交替上升式充填采矿法具体开采方案如图1 所示。 f 嘛考 C C 图1 1 出矿湖井2 脉外出矿巷 3 - - 斜境道连接口4 泄承井 5 - - j ；卜段平巷6 分层联结巷 7 m 矿石8 - - 腔结充填体 9 m 人I 假底1 0 m 同风并 I I 顶柱1 2 m 同风平巷 ”‘} | 段运输平持 房柱交替上升式充填采矿法 盘区采场回采顺序如图2 所示先回采2 ‘、4 ’、6 ’、 8 。采场4 个分层，共1 1 ．5m ，接顶充填；然后回采1 ’、 3 ’、5 。、7 ’采场7 个分层 前4 个分层为二步矿柱回采， 后3 个分层为一步矿房回采 ，共1 91 1 1 。接顶充填，再 继续回采2 。、4 。、6 ’、8 。采场，如此循环，每个采场的一 步采和二步采是交替上升的。 ’．2 o j j．沁。、．，1 棚阮剐蹦 Ⅻ IⅡIⅡ I ⅡI Ⅱ Ⅱ I Ⅱ I Ⅱ I Ⅱ I E 翰 IⅡI ⅡI Ⅱ IⅡ II Ⅱ Ⅱ I ⅡⅡ 1 ．r，．，亨矿7 ．p 图2 采场回采顺序 注I 代表一步采；Ⅱ代表二步采；I 。、2 k 代表采场。 2 一二步交换步长力学研究 2 ．1 理论模型的建立 依据国内外二步骤 矿房、矿柱 上向分层充填采 矿法回采理论，通常是要求一步骤矿房采完并充填接 顶后再进行二步骤矿柱的开采，由此，多数矿山存在着 一步矿房开采条件与安全性较好、贫化损失率较低，二 步骤矿柱回采时开采技术条件差、难度大、作业安全性 差、贫化损失大等问题。三山岛金矿在一5 5 5m 中段 采用的房柱交替上升式充填采矿法，划分一二步采场， 先采一步采场，再采二步采场，二步采场开采时作业安 全性差，贫化损失率大。 一二步矿房交替开采的步长是确定安全开采的关 键，为了验证一二步开采超前开采高度安全性，确保后 开采的采场能够安全回采作业，建立开采力学模型，计 算开采的安全系数。 不考虑矿体上下盘矿岩的铰支连接作用，将二步 矿房简化为平面问题进行考虑，盘区内矿房开采的模 型如图3 所示。 图3 二步矿柱安全性平面分析模型简田 2 ．2 理论分析计算 设矿柱容重为， N ／m 3 ，充填体的粘聚力为c ，二 步矿房岩石的单轴抗拉强度为以 P a ，二步矿房下悬 的高度为日 m ，宽度为B m 。 依据二步矿房开采实际与受力状况，分岩体的单 轴抗拉强度大于和小于岩体自重两种情况进行讨论。 1 二步矿房岩体单轴抗拉强度大于岩体自重 口。B n ‘7 H B 1 此时，二步矿房无下向运动趋势。二步矿房岩体断裂 与矿房宽度B 关系不大，二步矿房顶板不会发生断 裂，其受力情况如图4 所示。图中拉力r 等于矿柱自 重，即G ．／H B 。 2 二步矿房岩体单轴抗拉强度小于岩体自重 口，B n T H B 4 则二步矿房不会发生断裂与破坏。 依据三山岛金矿矿岩物理力学性质试验及充填体 物理力学试验结果，岩石容重7 2 7k N ／m 3 ，充填料粘 聚力c o ．1 7 1M P a 。调整矿柱岩体的单轴抗拉强度口。 分别为0 ．4 ，0 ．6 , 0 ．8 ，1 ．0 和1 ．2M P a ，通过M A T L A B 软 件计算分析，得出二步采矿柱高度曰与宽度丑的关系。 经过M A T L A B 软件计算分析，考虑安全系数 n ≥1 ．8 ，所允许的一二步矿房开采最大高差为1 2 ．2 9 m 。综合考虑采场分层高度等因素。确定一二步采采 场的变换步长为1 1 ．51 1 1 。 3 采矿工艺的时空变换力学分析 三维有限元数值模拟可以定量地计算和分析采场 回采过程中围岩中的应力、位移和塑性区、破坏区的分 布状况，确定它们随每步回采的动态变化过程”。。通 过A N S Y S 软件真实地模拟房柱交替上升式充填采矿 法的回采过程，利用模拟结果对新型采矿工艺的时空 变换力学性质作进一步的研究。 3 ．1 岩体力学参数 5 5 3 ’盘区矿体直接上盘围岩为绢英岩化花岗质碎 裂岩、绢英化碎裂岩，矿体下盘为黄铁绢英岩化碎裂岩 或黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩。矿体呈透镜状、不规 则板状、不规则脉状，沿走向及倾向膨胀变化大．局部 有分支复合现象。矿体上盘紧靠F 1 断层主裂面，且靠 近主裂面岩石较为破碎，有断层泥厚5 1 0c m ，含水， 工程揭露后易坍塌。矿岩，≥6 ，属半坚硬岩石。通过 对矿区内不同岩体进行取样试验，对试验得出的岩石 力学参数进行修正，得到岩体力学参数。表1 为采场 岩体和充填体力学参数。 寰l 岩体和充填体力学参敷 岩体弹性模量密度泊松内摩擦角牿结力抗压强度抗拉强度 类型／G P a ／ g ∞- 3 比／ 。 ／M P a ／M P a／I t l P a 下盘5126 4n 2 4 3 7 n 稿5 6屯3 矿体45 2 ．7 1n 1 93 2 ．6n 56 03 ．7 上盘4 ．∞ 2 702 03 020 ．2 64 7 3 ．2 充填体0 ．2 3 1 2 1n 1 93 87仉1 7 12 ．1 1n 1 7 1 原岩应力包括自重应力和构造应力．根据现场地 应力测量知，水平构造应力主应力方向I T 。一垂直矿体 走向，主应力方向a 。。沿矿体走向，构造应力变化规 律如下“】 r o h 0 ．1 1 0 ．0 5 3 9 H { F 0 ．1 3 0 ．0 1 8 1 H 5 t o l 0 ．0 8 o ．0 3 1 5 H 式中日为竖直方向深度。 3 ．2 计算模型及方案 由圣维南原理”1 可知，岩体的局部开挖仅仅对有限 范围有明显的影响，考虑模拟的边界效应，将A N S Y S 有 限元模型按实际尺寸的5 倍建模水平长度取3 6 0i n ， 垂直矿体走向为宽度8 0m ，高度1 8 0n l 。经过划分后 的有限元网格模型如图6 所示。整个模型包括上盘、 矿体、下盘和充填体。采场分层划分见图7 。 万方数据 矿冶工程 第3 2 卷 有限元建模中模型底部采用竖向约束。根据力的 等效原则，模型顶部施加面载荷来代替重力载荷；根据 最大构造应力方向垂直于断裂走向，模型左右两侧施 加构造应力口。。。。模型前后两侧施加构造应力口。。 模拟根据实际开采步骤进行，共分为5 步骤回采， 如表2 所示。 裹2 开采顺序模拟方案 鹕疆 壅 塞 一怖 2 ‘一‘’6 ．、8 1 栗场 1 ’j ‘、5 ‘．7 采场 l 步回采高度1 1 ．5 巾．结顶充填 回采0 m Ⅱ步回采高度1 15m ．结顶充填回采高度1 9m ，结顶充填 m 步回采高度3 0 ．5m ．结顶充填回栗高度1 9m ，克填结顶 Ⅳ步回采高度3 0 ．5m ，结顶充填 回采高度3 8i l a ，充填结顶 V 步回采高度3 8m ．结顶充填回采高度3 8m ．充填皓顶 3 ．3 模拟结果 3 ．3 ．1 各步骤开采竖向位移变化对比结果根据表 2 数值模拟方案，各步骤开采竖向位移变化的对比结 果由于开挖引起的顶板下沉量 不包括原岩应力引 起的变形量 ，第1 一V 步开采’，方向最大围岩位移 U w ，分别为0 ．0 0 4 2 0 9 。0 ．0 0 7 4 2 6 ，0 ．0 2 0 5 8 9 ，0 ．0 3 4 4 8 4 和0 ．0 4 0 5 9 7m 。 3 ．3 ．2 各步骤开采竖向应力模拟结果第1 一V 步 开采竖向应力S 。。，分别为2 1 ．1 ，4 3 ．8 ，4 5 ．1 ，4 5 ．7 和 4 6 ．3M P a ．均为压力。 3 ．3 ．3 各步骤开采采场M i s e s 等效应变第1 步、第 Ⅱ步开采采场部分未出现塑性区，第Ⅲ一V 步开采的 M i s e s 等效应变e 。，分别为5 ．4 4 ／1 0 0 0 0 ，1 4 ．7 2 ／1 0 0 0 0 和6 ．2 2 ／1 0 0 0 0 。 3 ．4 计算结果分析 1 最大竖向位移出现在采场上部岩石中，随着开 挖步骤的进行 I V 步 ，最大竖向位移逐渐向采场 部分移动，且上部岩石的移动量呈递增趋势。各开挖 步骤的位移变化比较均匀，中间没有突变现象，且各步 骤由于开挖引起的最大竖向位移都没有超过5 0 ∞。 由容许极限位移量判据”⋯知．可以保证工程的稳 定性。 2 从应力分布特点可以得出，第Ⅱ步开挖后的应 力比第1 步开挖后的应力急剧增加。这说明二步骤回 采时采场的稳定性较差。在施工过程中应加强支护力 度，确保回采安全。 3 第1 步开挖后，最大应力主要存在于采场底部 充填体与矿体接触角点处，并在顶板的中央位置出现 应力集中区；从第Ⅲ步开挖开始出现拉应力，且拉应力 主要集中在一、二步采场交替处，此处为最容易发生破 坏的地方，在回采工程中应加大管理力度，提高充填接 顶率，确保充填体强度，加强支护力度，确保二步采场 回采顺利进行。 4 第1 步与第Ⅱ步开挖后在采场附近未产生塑 性变形区。第Ⅲ步与第Ⅳ步开挖后，塑性区主要存在 一、二步交替处，但未形成贯通区，由塑性区贯通法理 论”“知，采场稳定。塑性区的范围随着开挖的进行进 一步发展扩大，第V 步开挖后形成的塑性区为一个连 续的区域，形成了贯通区，容易产生破坏，这也说明了 最后第Ⅵ步改用进路法回采是正确的，进路法产生的 空区范围小，更能确保回采的安全性。 4 结语 1 无间柱连续采矿法是金属矿地下开采的发展 趋势。本文结合三山岛金矿直属矿区开采技术条件， 设计了房柱交替上升式充填采矿法。通过调整上向水 平分层充填采矿法中矿房、矿柱的回采高度及回采顺 序，取消了间柱，实现了区域性连续回采，在提高矿山 生产能力的同时，确保了安全回采。 2 通过建立理论模型及力学分析，采用M A T L A B 工具计算出房柱交替上升式充填采矿法中一二步变换 步长与开采高度和采场宽度的非线性关系。研究结果 显示，所允许的一二步矿房开采最大高差为1 2 ．2 9m ， 综合考虑采场分层高度等因素，一步采采场高于二步 采采场4 个分层 即1 1 ．5m 比较合理。 3 利用A N S Y S 的强大模拟功能，根据实际开采 步骤建立模型．通过位移、应力及塑性区等指标对力学 分析所得到的变换步长进行了验证，为采场支护设计 提供了理论依据。 参考文献 [ 1 ] 彭康，李夕兵，彭述权，等．海下点柱式开采的有限元动态模拟 分析[ J ] 金属矿山．2 0 0 9 1 0 5 9 6 2 [ 2 ] 耿茂兴点柱式机械化分层克填采矿方法的应用[ J 】金属矿 山．2 0 0 0 9 9 1 1 下转第8 页 万方数据 8 矿冶工程 第3 2 卷 南沙地区的水泥土搅拌桩的承载力特征值时，工。的取 值应考虑水泥土搅拌桩桩身强度与搅拌土质类型的 关系。 4 结语 通过龄期为9 0d 的现场水泥土双向搅拌桩抽芯的 无侧限抗压强度试验研究，得到如下几点认识和结论 1 在广州南沙深厚软土条件下，搅拌的土质类型 对水泥土搅拌桩桩体强度有很大的影响。现场不同土 质类型拌合的桩身水泥土，其强度存在很大的差异。 桩身7 ．5m 处粉质粘土质水泥土强度最大，桩身3 ．0 m 处淤泥质水泥土强度较小，桩身1 2 ．0m 处含淤泥中 砂质水泥土强度居中。 2 钉形水泥土双向搅拌桩的桩身强度是变化的， 有明显的分段性，随地层土质类型的变化而不同。在 计算南沙地区水泥土搅拌桩承载力特征值时Z 。的取 值应充分考虑水泥土搅拌桩桩身强度与搅拌土质类型 的关系。 3 现场水泥土搅拌桩桩身水泥土应力应变曲线 与室内搅拌均匀水泥土的应力- 应变曲线存在差异。 几乎所有现场水泥土搅拌桩桩身水泥土应力一应变曲 线在应力为1M P a 附近出现一个台阶，应力保持不变 而应变增加。这主要是因为相对于室内搅拌的水泥 土，在复杂的地质条件下现场的水泥土搅拌桩存在不 均匀性，它是由水泥土和土块组成的多相体。 参考文献 [ 1 ]贺建清，曾娟，孙希望．低掺量水泥土抗剪强度实验研究[ J ] 矿冶工程。2 0 0 0 。2 9 6 9 1 2 ． [ 2 ] B a l l a rR ，B e n a z z o u gM ，K e n a iS ．P e f o r m a n c eo fc o m p a c t e dc e m e n t ． s t a b i l i s e ds o i l [ J ] ．C e m e n t ＆C o n c r e t eC o m p o s i t e s ，2 0 0 4 ，2 6 7 8 l l 一8 2 0 ． [ 3 ] 严驰，栾晶晶，王家瑛，等．高含水量水泥土力学特性的试验 研究[ J ] ．石油工程建设，2 0 0 6 ，3 2 3 1 5 一1 8 ． [ 4 ] K o l i a sS 。K a s s e l o u r i R i g o p o u l o uV ，g a r a h M i e sA ．S t a b l i l i s a t i o no f C l a y e rS o i l sw i t hH i 曲C a l c i u mF l yA s ha n dC e m e n t [ J ] ．C e m e n ta n d C o n c r e t eC o m p o s i t e s ，2 0 0 5 ，2 7 6 3 0 1 3 1 3 ． [ 5 ] P r a b a k a rJ ，N i t i nD e n d o r k a r ．M o r c h h a l eRK ．I n f l u e n c eo fF l yA s h o nt r e “g t I lB e h a v i o ro fT y p i c a l S o i l s [ J ] ．C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n g M a t e r i a l s ，2 0 0 4 ．1 8 4 2 6 2 2 6 7 ． [ 6 ] 童小东．水泥土添加荆及其损伤模型试验究[ D ] ．杭州浙江大 学土木系．1 9 9 8 ． [ 7 ] 阮锦楼，阮波，阳军生。等．粉质粘土水泥土无侧限抗压强度试 验研究[ J ] ．铁道科学与工程学报，2 0 0 9 ，6 3 5 6 6 0 ． [ 8 ]王姗姗，卢成原，孟凡丽．水泥土抗剪强度实验研究[ J ] ．浙江 工业大学学报，2 0 0 8 ，3 6 4 4 5 6 4 5 9 ． [ 9 ] 李建军，梁r 旺．水泥土抗压强度和变形模量实验研究[ J ] ．岩 土力学，2 0 0 9 ，3 0 2 4 7 3 4 7 7 ． [ 1 0 ] 周丽萍，申向东．水泥土力学性能的实验研究[ J ] ．硅酸盐通 报，2 0 0 9 。2 8 2 3 5 9 3 6 5 ． [ 1 1 ] 和礼红，李艳，张妮娜，等．钉形水泥土双向搅拌桩身强度差 异原因分析与检测探讨[ J ] ．岩土力学，2 0 1 0 ，3 1 增刊1 2 5 5 2 6 0 ． [ 1 2 ] 周敏锋．考虑水泥土峰值后软化特性复合地基性能研究[ D ] ． 哈尔滨哈尔滨工业大学土木工程学院，2 0 0 7 ． [ 1 3 ]刘叔灼，巴凌真。杨医博，等．有机质含量对水泥土强度影响的 实验研究[ J ] ．武汉理工大学学报，2 0 0 9 ．3 1 7 4 0 一4 3 ． [ 1 4 ] 储诚富，邵俐，刘松玉．有机质含量对水泥土强度影响的室 内定量研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 6 ，2 7 9 1 6 1 3 1 6 1 6 ． [ 1 5 ] D B J l 5 6 0 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