缓倾斜薄矿体采场极限暴露面积与参数优化.pdf

第3 4 卷第1 期 2 0 1 4 年0 2 月 矿冶工程 ⅡN Ⅱq GA N DM 哐T A L L U R G I C A LE N G n 唧R I N G V 0 1 ．3 4 №l F e b m a r v2 0 1 4 缓倾斜薄矿体采场极限暴露面积与参数优化① 甯瑜琳1 ’2 ，胡建华2 1 ．长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 ；2 ．中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要针对大厂铜坑矿锌铜矿体的工程地质条件和缓倾斜薄矿体的赋存特征，运用M a t l l e w 稳定图法及正交数值模拟的研究方 法，获得了极限暴露面积下的力学特征规律，综合确定了采场的极限暴露面积。结果显示，保障矿山采场稳定的条件下，在采场长 度为3 0m 和4 0m 时，M a t I l e w 稳定图法得出最大暴露面积分别为9 2 4 ．3 2m 2 和9 8 0 ．6 4m 2 ；数值模拟计算的极限暴露面积介于9 0 0 一 10 0 0m 2 ；为实现矿山开采的安全，确定锌铜矿采场极限暴露面积为9 0 0m 2 。研究结果表明，通过两种方法，可以实现数据的相互验 证和决策，能够在保障矿山采场安全开采条件下合理确定矿山的极限暴露面积。 关键词缓倾斜薄矿体；暴露面积；M a t I l e w 稳定图法；正交数值模拟 中图分类号T D 3 2 5文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／i ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．加1 4 ．0 1 ．0 0 5 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 O 卜0 0 1 4 0 4 M 锻i m 咖E x p o s e dA r e ao fS t o p e 谢t hG e n U yh l c l i m dT l I i nO r e b o d y a n dP a r 锄e t e r sO p t i I I l i z a t i o n N I N GY u ．1 i n l ’- 。H UJ i a n h u a 2 1 ．醌口，鄂施加t 豇以e 旷胧n i 略尺e s ∞砒c o 删，蕊口咿舰4 1 0 0 1 2 ，肌M n ，现i 胁；2 ．S 如o o f 矿胍o “r I 哪口蒯S 咖钞 E n ∥船e 一粥，＆腑也Z 舶u 玑‰泐乃蚵，仍o ，炉地4 1 0 0 8 3 ，肌施凡，醌i 耽 A b s t r a c t D u et oe n g i n e e r i n gg e o l o 舀c a lc o n d i t i o n si nz i n c - c o p p e ro r e b o d yo fD a c h a n gT b n g k e n gM i n ea sw e l la s o c c u n ．e n c ec h a r a c t e d s t i c so fg e n n yi n c l i n e dt h i n o r e b o d y ， m e c h a n i c a Jp r o p e r t i e sf o rt l l em a 】【j m u me x p o s e da r e aw a s o b t a i n e db yu s i n gM 如e ws t a b i l i t yd i a g r a mm e t h o da n dn u m e r i c a ls i m l l l a t i o nb yq u a d r a t u r em e t h o d ，a n dt h em a x i m u m e x p o s e da r e ao ft h es t o p ew a sd e t e n n i n e d ．R e s e a r c hs h o w e dt h a tw i t hs e c u r e ds t o p es t a b i l i t y ，t h em a x i m u me x p o s e da r e a o b t a i n e dw i t hM a t h e ws t a b i l i t yd i a g r 觚lm e t l l o dw 鹊9 2 4 ．3 2m 2a n d9 8 0 ．6 4m 2 ，r e s p e c t i v e l y ，a ss t o p e sw e r e3 0ma n d4 0 ml o n g ．T h em a x i m u me x p o s e da r e ao b t a i n e d 埘t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sb e t w e e n9 0 0 ～10 0 0m 2 ．C o n s i d e r i n gm i n i n g s a f e t y ，t h em a x i m u me x p o s e da r e af o rz i n c c o p p e rs t o p ew a s6 n a U yd e t e 册i n e dt ob e9 0 0m 2 ．I ti sc o n c l u d e dt h a td a t a o b t a i n e d 而t l lt h e s eh mm e t h o d sc a nb eV e r i f i e db ye a c ho t l l e r ，a n dt 1 1 em a 【i m u me x p o s e da r e ao b t a i n e dc a nm e e tm i n i n g s e c u r i t yr e q u i r e m e n ti ns t o p e ． K e yw o r d s g e n d yi n c l i n e dt h i no r e b o d y ；e x p o s e da r e a ；M a m e ws t a b i l i z a t i o nd i 明T a mm e m o d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o nb y q u a d r a t u r em e t I l o d 空场嗣后充填采矿法开采缓倾斜薄矿体时，为扩 大采场的生产能力，主要是通过扩大采场的平面结构 尺寸，实现矿山产能的保障。然而，连续回采稳定性及 经济效益的一个重要影响因素是采场极限暴露面积。 而不同地质条件下具有不同极限暴露面积，必须在保 障矿山安全的前提下，尽可能的扩大采场的结构尺寸。 工程实践和研究表明，采场暴露面积过大，发生大规模 地压活动的概率增加；暴露面积过小，留设矿柱的尺寸 及数量增大，矿石损失量大，经济效益降低qJ 。目 前，采场极限暴露面积的确定主要采用经验类比和 M 抽e 稳定图法，通过岩体的相关力学性质、节理裂隙 等条件得出极限暴露面积值和采场的结构参数H 。6J 。 然而，这些研究方法主要是一种经验法，确定的参数范 围大，人为影响程度高，难以从矿山开采的力学行为和 工程响应实现极限暴露面积的确定。数值分析方法常 用于采场结构参数和开采顺序优化的研究[ 7 书] ，可反 分析采场合适的暴露面积，但反分析采场的极限暴露 面积时，难以实现采场的极限暴露面积的确定与优化。 以M a t h e w 稳定图法进行初步的极限暴露面积选 择，采用经验类比确定采场的初步结构参数，采用正交 数值模型实验，从力学行为特征和采动工程响应下的 规律分析结构参数，从而获得最优的极限暴露面积。 ①收稿日期2 0 1 3 一0 9 一1 9 作者简介甯瑜琳 1 9 8 7 一 ，男，四川达州人，硕士，从事安全高效采矿技术与岩土工程的稳定性分析研究。 通讯作者胡建华 1 9 7 5 一 ，男，湖南衡阳人，副教授，博士，主要从事高效安全采矿技术与岩土工程的稳定性分析研究。 万方数据 第l 期甯瑜琳等缓倾斜薄矿体采场极限暴露面积与参数优化 这种方法是经验法和力学分析方法的有机结合，减少 了极限暴露面积的区间范围，为矿山极限暴露面积提 供了一种新的研究思路和方法。 1 工程概况 铜坑矿锌铜矿体是矿山下阶段主要的开采对象， 呈缓倾斜薄矿特征，矿体埋深较大，品位较低，根据上 部矿体的实际开采经验及周边围岩的实际地质赋存条 件，在无支护的情况下，采场的暴露面积介于6 0 0 一 l0 0 0m 2 之间。拟采用空场嗣后充填的方法实现矿体 的安全高效开采，实现采矿工艺与采场结构参数的合 理协调∽J 。为保证开采的安全，必须根据矿体和围岩 的条件，应用M a t l l e w 稳定图法及数值模拟正交试验的 计算结果综合分析，研究确定缓倾斜薄矿体的采场极 限暴露面积和适合的采场结构参数。 2 M a t h e w 稳定图法 M a t l l e w 稳定图法是在N G I 法的基础上发展而来， 其实质主要表现为岩体稳定性指数』、r 与采矿暴露面 积形状系数S 之间的关系，计算基本步骤为根据岩体 稳定性指数Ⅳ，综合考虑矿山开拓和采准工程，初步确 定采场结构参数并计算采场暴露面积形状系数S ，将 Ⅳ和．s 投影到稳定性图表上，即可初步判断采场的稳 定性；或者根据岩体稳定性指数J 7 、r 在稳定性图表上求 出总体稳定的采场形状系数S ，初步选定采场某一结 构参数后即可确定其它结构参数与暴露面积。稳定性 图表见图1 [ 4 6 1 。 l 帅 不稳定区． ， 一， ＼／／ 稳定区 一门／ J ， ， ，， 崩落区 一 ，，， | f t } l I ， 051 01 52 0 2 5 采场暴露面形状系酆 图1 稳定性图表 2 。1 M a t h e w 稳定图法计算步骤 1 稳定性指数Ⅳ。计算式为 Ⅳ Q A 曰C 1 式中Q 为岩体质量指数；A 为应力系数；曰为岩体缺陷 方位修正系数；c 为设计采场暴露面方位修正系数。 其中Q 砒L ／ L ．s ， 。R 为岩体质量指标 取样完 好率 ；_ ，。为节理组数；- ，，为节理粗糙度；．，。为节理蚀 变、充填及胶结程度；L 为节理裂隙水折减系数；I s ，为 应力折减系数。 岩石应力系数A 与完整岩石的单轴抗压强度和 采矿诱导应力有关。A 按同一方法确定，所需要的输 入参数是完整岩块无约束抗压强度与采场壁中线处诱 发的压应力的比值。其值上盘时取1 ，顶板时取0 ．5 。 岩体缺陷方位修正系数曰，上盘时取0 ．5 ；顶板倾 角1 0 0 时取0 ．2 ，倾角2 0 0 时取0 ．3 ，倾角3 0 0 时取O ．3 5 ， 倾角4 5 。时取O ．4 ，倾角6 0 0 时取0 ．8 。 设计采场暴露面方位修正系数取值按照水平暴露 面的c 值为l ，对于其它面的c 值可用下式计算 C 8 6 c o s a 2 式中d 为暴露面与水平面的夹角。 2 采场形状系数。任何井下的暴露面均可认为 是由两个方向的跨度组成，即认为暴露面是一个长方 形，且定义采场形状系数S 为 s2 赢 ‘3 肌． 式中L 为采场宽度；L 。为采场长度。 当暴露面长宽之比大于4 1 时，采场形状系数基 本保持不变，即此时暴露面的稳定性主要受暴露面宽 度的影响。 2 。2 结果分析 根据工程地质调查结果及矿体实际情况，式 1 中各参数值为R 7 9 ，L 6 ， 3 ，L l ，L l ，S ， 1 ， A 1 ，B 0 ．2 。计算可得 C 8 6 c o s l 2 2 ．1 3 Q 7 9 x 3 l ／ 6 1 1 3 9 ．5 Ⅳ 3 9 ．5 1 0 ．2 2 ．1 3 1 6 ．8 2 7 结合图1 查得Ⅳ 1 6 ．8 2 7 时采场稳定时的采场形 状系数S 为7 ．6 。因此，在采场沿倾向长度为3 0m 时， 计算沿走向宽度为3 0 ．8 1m ，此时暴露面积为9 2 4 ．3 2 m 2 ；在采场沿倾向长度为4 0m 时，计算沿走向宽度为 2 4 ．5 1m ，此时的暴露面积为9 8 0 ．6 4m 2 。 3 数值模拟试验 3 ．1 模型构建 在开采条件相同的情况下，采场的暴露面积主要 受采场的长度及宽度影响，基于经验法和M a t l l e w 法结 果，可以确定采场的结构参数。采取正交试验方法，运 用F L A C 3 D 软件建立以下9 种数值模型 见表1 ，选取 采场顶板、底板、两帮矿柱作为分析的关键位置，将关 键位置中的最大拉应力和最大压应力作为分析不同方 案下采场的稳定性状况的指标，研究不同暴露面积下 万方数据 1 6 矿冶工程 第3 4 卷 的采场稳定性‘肛1 1 1 。 表1极限暴露面积的正交数值模拟实验表 3 ．2 计算结果 通过计算获得了不同暴露面积下采场周边围岩的 应力特征，计算结果见表2 ，以方案5 、7 和9 为例，其 主应力云图见图2 。 表2 沿倾向应力绝对值 藤震 l 融嘲1 情黼徽闲1 l 言瓣器兽 瓣器●誓蓄■l 矿体开挖以后，采场周边围岩矿柱中出现压应力 集中，采空区顶板和底板中出现拉应力集中，这是由于 顶板部分自重应力转移到下部及矿柱中，使得顶板中 发生的类似弹性恢复的膨胀变形，而底板除受膨胀变 形外还受到来自水平方向的挤压作用2 。3 1 ，因此在 顶、底板中出现拉应力区域 见图2 。 由表2 及图2 可知，在矿房沿倾向方向长度一定 时，周边围岩的应力绝对值随暴露面积的增大而增大； 在暴露面积相同的情况下，矿房的长轴与短轴比越大， 采空区围岩应力状况越好。 塑性区是数值分析中评价稳定性的重要指标，数 值分析研究结果表明，在塑性区贯通的条件下，围岩的 失稳概率增加，稳定性降低，并可以形成贯通区域的整 体坍塌垮落4 。15 | 。图3 是不同暴露面积下采场周边 围岩的塑性区分布，可知在经过开挖扰动后，由于岩体 是一种弹塑性材料，周边围岩的弹性变形超过弹性极 限，使得围岩进入塑性变形。在矿房沿倾向长度3 0m 时，方案1 、2 、3 围岩中塑性区较少，未出现连接成片的 现象，塑性区周边还处于弹性变形阶段的围岩将限制 塑性应变的进一步发展，围岩能基本保持稳定；方案4 塑性区范围大，顶底板塑性区基本全部贯通，此时周边 围岩不能进一步限制塑性应变，围岩整体失稳。在矿 房沿倾向长度为4 0m 时，方案5 、6 、7 、9 仅在顶底板出 现零星的塑性区，且相互不贯通，此时围岩能保持稳 定。方案9 出现的塑性区范围比方案5 ～8 均大，且顶 底板塑性区连接成整片，此时顶底板的塑性变形不能 受到限制，将导致围岩的整体性失稳 懂麟l 、、l 、、I - 、 E 嚣翟器黯淼器 厂嚣≯≮I＼I＼|。。。。■II_ 聍嚣繇黜器嚣器懂蘸爨蹇习j n ，0 0 0 0 ”0 0 7 f o 一5o 。∞B 0 0 6 酝器裟嘏黜瓣器 ●■西回瞄脚 J 譬。僦裟剐器黑黯■■_ | 方案7方案8方案9 图3 采场围岩体的塑性区分布图 图2采场周边顶底板围岩主应力云图 a 方案5 沿倾向的最小主应力； b 方案5 沿倾向的最大主应力；4 结果分析 c 方案7 沿倾向的最小主应力； d 方案7 沿倾向的最大主应力； 。 方案9 沿倾向的最小主应力； f 方案9 沿倾向的最大主应力通过M a t h e w 稳定图法计箅，在采场倾向长度分 万方数据 第l 期 甯瑜琳等缓倾斜薄矿体采场极限暴露面积与参数优化 1 7 别为3 0 、4 0m 时，极限暴露面积分别为9 2 4 ．3 2m 2 、 9 8 0 ．6 4m 2 。 由数值模拟结果可知，在采场暴露面积为9 0 0m 2 时，方案3 及方案8 的最大拉应力分别为2 ．3 1 和2 ．1 6 M P a ，压应力为3 0 ．8 和2 9 ．9M P a ，均未超过岩体的极 限强度，而结合塑性区分布情况，此时出现塑性变形的 区域较少，未出现连接成片的现象，可知此时的采空区 围岩不会出现破坏；暴露面积为10 0 0m 2 时，最大拉应 力及压应力分别为2 ．9 7 和3 1 ．8M P a ，此时虽然最大压 应力小于岩体的极限抗压强度，但由于岩体的抗拉强 度远小于抗压强度，在岩体中拉应力超过极限抗拉强 度时，采空区顶板极易冒落；暴露面积大于10 0 0m 2 时，采空区的顶底板塑性区连接成整片，且最大拉应力 值大于岩体的极限抗拉强度，将导致围岩的整体性失 稳，表明采空区的极限暴露面积介于9 0 0 ～l0 0 0m 2 。 根据数值模拟计算结果，在暴露面积为6 0 0m 2 或 9 0 0m 2 ，方案8 、方案5 的应力分布情况分别明显优于 方案3 、方案1 ，可知在相同暴露面积下，矿房长轴与短 轴比越大越稳定，即相同暴露面积下倾向长度为4 0m 比倾向长度为3 0m 的采场稳定性好。 根据空场嗣后充填的采矿方法，在充填过程中选 择的充填倍线参数，确定充填孔的控制参数为2 0m 2 0m ，因此，选择的采场结构参数为方案8 的参数，极 限暴露面积为9 0 0m 2 。 5 结语 1 运用M a t h e w 稳定图法计算地质水文条件下采 场倾向长度3 0m 、4 0m 时，采场稳定情况下的最大暴 露面积分别为9 2 4 ．3 2 和9 8 0 ．6 4m 2 ；数值模拟计算显 示采空区的极限暴露面积介于9 0 0 ～10 0 0m 2 。 2 综合极限暴露面积及数值模型试验结果，为解 决回采采场的参数优化与安全协同问题，实现采矿生 产能力的最大化，减少空场嗣后充填采矿工序间的相 互干扰，确定最优的采场布置为矿房沿倾向长度4 0 m ，沿走向宽度2 2 ．5m ，极限暴露面积9 0 0m 2 。 参考文献 [ 1 ] 王贻明，姚高辉，夏红春，等．缓倾斜破碎薄矿体采矿方法选择与 采场参数优化[ J ] ．现代矿业，2 0 l O 5 1 5 1 7 ． [ 2 ] 卢萍．深部采场结构参数及回采顺序优化研究[ D ] ．重庆重庆 大学土木工程学院，2 0 0 8 ． [ 3 ]叶海旺，常剑，周磊，等．基于F L A c 3 D 的采场结构参数优化 [ J ] ．金属矿山，2 0 1 0 1 2 6 8 ． [ 4 ] R 特鲁曼，c 莫德利，N 哈里斯，等．应用M a t l l e w s 方法进行 空场采矿法设计的经验[ J ] ．国外金属矿山，2 0 0 2 ，2 7 1 2 4 3 0 ． [ 5 ] 徐坤明，程永民，姜丽颖，等．用M a t l l e w 法确定侯庄矿区矿房的结 构参数[ J ] ．冶金矿山设计与建设，2 0 0 1 ，3 3 2 l 一3 ． [ 6 ]李爱兵．缓倾斜层状矿体崩落步距的稳定图方法研究[ J ] ．中国 矿业，2 0 0 7 ，1 6 2 6 7 6 9 ． [ 7 ] L Vs h u r 趴，u uH o n 目锄．A p p l i c a t i o no fF L A c 3 DN u m e r i c a ls i m l l l a - t i o nT e c h ∞l o 科i nS e c u r i t yE v a l u a t i o no fI n t e r 扯t i o nB e t w e e nN e a r b y 0 r e b o d yE x c a v a t i o n [ c ] ∥s a f e t yS c i ∞c ea I l d ‰h n o l o g y ，2 0 0 6 V I 1 2 5 1 2 8 ． [ 8 ] 胡建华，雷涛，周科平，等．基于采矿环境再造的开采顺序时变 优化研究[ J ] ．岩土力学，2 0 1 1 ，3 8 2 5 1 7 2 5 2 2 ． [ 9 ]甯瑜琳．深部缓倾斜薄矿体采场结构参数优化及采动沉陷特性研 究[ D ] ．长沙中南大学资源与安全工程学院，2 0 1 1 ． [ 1 0 ] 谢文兵，陈晓祥，郑百生．采矿工程问题数值模拟研究与分析 [ M ] ．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 5 ． [ 1 1 ] 周科平，朱和玲，肖雄，等．采矿环境再造连续开采地压演化过 程的控制与仿真[ J ] ．中南大学学报 自然科学版 ，2 0 0 8 ，3 9 3 4 1 7 4 2 2 一 [ 1 2 ] B r a d yBHG ，B r o w nE T ．R 0 c kM e c h 跚i c sf o ru n d e r g m u n dM i n i n g s e c o n dE d i t i o n [ M ] ．L o n d o n c h 印m a ＆H a l l ，1 9 9 3 ． [ 1 3 ]王文星．岩体力学[ M ] ．长沙中南大学出版社，2 0 0 4 ． [ 1 4 ]陈玉江．碎裂岩体中地下结构工程失稳及控制研究[ D ] ．长沙 中南大学资源与安全工程学院，2 0 0 8 ． [ 1 5 ] 林杭，曹平，李江腾．边坡临界失稳状态的判定标准[ J ] ．煤 炭学报，2 0 0 8 ，3 3 6 6 4 3 6 4 7 ． 上接第1 3 页 3 结论 通过正交试验研究了影响现场混装乳化炸药基质 密度的主要因素。结果表明，通过调节水含量和乳化剂 添加量，可以将现场混装乳化炸药移动地面站乳胶基质 密度控制在国家要求的范围1 ．2 5 ～1 ．3 5g ／c m 3 之内，以 达到乳胶基质性能的稳定，保证乳化炸药爆破效果。 参考文献 [ 1 ]蒋文斌，邹柏华．乳化炸药现场散装技术与装备的研究开发与应 用[ c ] ∥2 0 1 0 全国采矿技术与装备进展年评报告会论文集， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 韦锦初．现场混装车载乳胶基质性能初探[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 3 3 3 9 4 0 ． [ 3 ] 彭宁，邱朝阳，吴晓梦．散装乳化炸药水相材料物性分析[ J ] ． 矿冶工程，2 0 1 2 3 1 8 2 1 ． [ 4 ] 杨佳，刘寿康．乳胶基质水环输送的机理研究[ J ] ．矿冶工程。 2 0 1 2 2 1 1 1 4 ． [ 5 ] 汪旭光．乳化炸药[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 8 ． [ 6 ] 侯化国．基础正交试验设计与分析方法[ M ] ．长春吉林人民出 版社，1 9 8 6 ． 万方数据