凡口铅锌矿顶底柱矿体安全高效回采工艺研究.pdf

中图分类号至旦墨5 3 U D C6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 5 3 三 密级 公珏 凡口铅锌矿顶底柱矿体安全高效回采工艺研究 S t u d y o fS a f ea n dE f f i c i e n tS t o p i n gT e c h n o l o g yo fC r o w n a n dS i l lP i l l a rO r e b o d yi nF a n k o uL e a d Z i n cM i n e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 武永猛 矿业工程 采矿工程 资源与安全工程学院 唐礼忠教授 史秀志教授 论文答辩日期型之上 了 答辩委员会主席 中南大学 二。一三年五月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者繇弛日期．址年自写日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名越鱼 丝导师签与蛐期进年』月丝日 凡口铅锌矿顶底柱矿体安全高效回采工艺研究 摘要项底柱矿体具有分布零散、规模小、形态多变的特点，且地 质条件复杂，这些都增大了对其回收的难度。凡口铅锌矿受早期勘探 条件及开采技术水平的限制留下了大量的顶底柱矿体资源，针对目前 该矿的项底柱矿体回采工艺存在生产效率低，劳动强度大，安全性差 等缺点，开展研究，本文主要内容和取得的研究成果为 1 提出了一种新型的更为安全高效的项底柱矿体回采工艺。 该工艺在凿岩平巷中采用B o o m e rK 4 1 X 型凿岩台车钻凿上向扇形中 深孔，炮眼一次打完，采用小型装药台车装药，侧向崩矿，遥控铲运 机出矿，采场回采完毕后立即充填。 2 采用F L A C 3 D 数值模拟了各种结构参数采场矿体的开挖过 程，优选出矿房采场的宽度为8 m ，长度为2 0 m ，间柱采场的宽度为 7 m ，长度为1 0 m ，高度均为项底柱矿体的厚度。 3 在爆破参数初选的基础上，采用A N S Y S ／L S ．D Y N A 对不同 孔底距和最小抵抗线的扇形炮孔爆破进行数值模拟，最后优选出孔底 距为1 ．4 1 ．6 m ，最小抵抗线为1 ．3 m 。 4 采用A N S Y S ／L S D Y N A 对预留不同厚度保护层矿体时的中 深孔爆破进行数值模拟，得出合理的预留保护层矿体厚度为0 ．5 m 。 5 将该工艺应用于凡口铅锌矿S h n 一2 8 0 m 2 1 0 中底柱试验采 场，爆破效果较好，达到了保护顶板、上盘围岩以及控制爆破块度的 目的。实践表明该工艺大大的提高了机械化程度，生产效率高，作业 安全，作业环境也有了很大改善。 本文总共有图8 3 幅，表1 4 个，参考文献8 1 篇。 关键词顶底柱矿体；安全高效；采矿工艺；扇形中深孔；数值模拟 分类号T D 8 5 3 I I S t u d yo fS a f ea n dE f f i c i e n tS t o p i n gT e c h n o l o g yo f C r o w na n d S i l lP i l l a rO r e b o d yi nF a n k o uL e a d - Z i n cM i n e A b s t r a c t ’I 。h ec r o w na n ds i l I p i l l a ro r e b o d yh a sc h a r a c t e r i s t i c s o f s c a t t e r e d ，s m a l l ，c h a n g e a b l ea n dc o m p l i c a t e dg e o l o g yc o n d i t i o n s ，a l l t h e s em a k ei td i f f i c u l tt ob es t o p e d ．D u et oe a r l ye x p l o r a t i o nc o n d i t i o n s a n dm i n i n gt e c h n i c a ll e v e l ，t h e r ew e r el o t so fc r o w na n dp i l l a ro r e b o d y s l e f ti nF a n k o uL e a d - Z i n cm i n e ．F o rt h ee x i s t i n gs t o p i n gt e c h n o l o g yo f c r o w na n ds i l l p i l l a ro r e b o d yi nt h em i n eh a sd i s a d v a n t a g e so fl o w p r o d u c t i v i t y , h i 曲l a b o ri n t e n s i t y , p o o rs a f e t ya n dS Oo n ，r e s e a r c hW a S c a r r i e do u t ，t h em a i nc o n t e n ta n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ft h et h e s i sa l e a sf o l l o w s 1 An e ws t o p i n gt e c h n o l o g yw a sp r o p o s e d ．T h en e wt e c h n o l o g y a d o p t sB o o m e rK 4 1Xd r i l l i n gj u m b ot o d r i l l i n gu p w a r df a n s h a p e d m e d i u m d e p t hh o l ei nt h er o a d w a y , s m a l lc h a r g i n gc a r , s i d eb l a s t i n ga n d r e m o t e c o n t r o ls c r a p e r , b e s i d e s ，f i l l i n gi m m e d i a t e l yw h e nt h eo r ed r a w i n g w o r ki sc o m p l e t e d ． 2 T og e ta p p r o p r i a t es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fs t o p e ，e x c a v a t i o n p r o c e s so fs t o p e sw e r es i m u l a t e db yF L A C 3 D ，a n dt h er e s u l t sa r e8 mi n w i d t ha n d2 0 mi nl e n g t hf o rr o o ms t o p e ，7 mi nw i d t ha n d10 mi nl e n g t h f o rr i bp i l l a rs t o p e ，t h eh e i g h te q u a lt ot h et h i c k n e s so fc r o w na n ds i l l p i l l a ro r eb o d y ． 3 T og e ta p p r o p r i a t ep a r a m e t e r so fd r i l l i n ga n db l a s t i n g ，f a n s h a p e d h o l eb l a s t i n go fd i f f e r e n th o l es p a c i n g sa n dm i n i m u mb u r d e n sw e r e s i m u l a t e db yA N S Y S ／L S - D Y N A ，t h er e s u l t sa r e1 ．4 1 ．6 mf o rh o l e s p a c i n ga n d1 ．3 mf o rm i n i m u m b u r d e n ． 4 T og e ta p p r o p r i a t et h i c k n e s so fr e s e r v e do r e b o d yf o rp r o t e c t i n g t h eu p p e rf i l l i n gb o d y , b l a s t i n go fd i f f e r e n tt h i c k n e s sw e r es i m u l a t e db y A N S Y S ／L S - D ⅥN A ，t h er e s u l ti sO ．5 mf o rt h i c k n e s so fr e s e r v e do r e b o d y ． 5 T h en e ws t o p i n gt e c h n o l o g yw a sa p p l i e dt oS h n 一2 8 0 m 2 10 s i l l p i l l a ro r e b o d yo fF a n k o uL e a d - Z i n cm i n ef o ra ne x p e r i m e n t ，a n dg o ta s a t i s f a c t o r ye f f e c t , t h ep u r p o s e so fp r o t e c tr o o fa n ds u r r o u n d i n gr o c ko f h a n g i n gw a l la n dc o n t r o lt h ef r a g m e n t s i z eo fb l a s t i n gw e r ea l la c h i e v e d ． ⅡI P r a c t i c es h o w st h a tt h en e wt e c h n o l o g yh a v ea d v a n t a g e s o fh i g h m e c h a n i z a t i o n ，h i g hp r o d u c t i v i t y , o p e r a t i o ns a f e t ya n dg o o do p e r a t i o n e n v i r o n m e n t ． K e y w o r d s c r o w na n ds i l lp i l l a ro r e b o d y ；s a f e t ya n de f f i c i e n c y ；m i n i n g t e c h n o l o g y ；f a n s h a p e dm e d i u m - d e p t hh o l e ；n e u m e r i c a ls i m u l a t i o n C l a s s i f i c a t i o n T D 8 5 3 I V 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 课题的由来、研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 顶底柱矿体回采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 采场结构参数优化研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 ．2 ．3 爆破数值模拟研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 主要研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．2 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 项底柱矿体安全高效回采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 凡口矿现有顶底柱矿体回采工艺简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．1 方案特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 ．2 采切工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 ．3 回采工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 ．4 方案评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 顶底柱矿体安全高效回采工艺简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．1 方案特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．2 采切工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．3 凿岩平巷规格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 2 ．2 ．4 回采工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．5 方案评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 顶底柱安全高效回采工艺关键技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 3 2 ．3 ．1 采场结构参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．2 中深孔掘进天井工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．3 扇形中深孔凿岩爆破参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．4 预留保护顶板充填体的矿体层厚度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3 采场结构参数数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 V 3 ．1F L A C 3 D 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 采场结构参数模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．3 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．3 ．1 几何模型的建立及网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 ．2 本构模型及材料力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3 ．3 初始应力和边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．4 数值计算及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．4 ．1 矿房采场数值计算及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．2 间柱采场数值计算及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 4 扇形中深孔爆破参数数值模拟优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．1A N S Y S ／L S ．D Y N A 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1 ．1 炸药材料模型及其状态方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1 ．2 被爆物材料模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．1 ．3 无反射边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．1 ．4 算法的选用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．1 ．5 爆炸载荷作用下岩石的屈服准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 扇形孔爆破破岩理论研究现状简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．2 ．1 扇形孔爆破破岩机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．2 ．2 扇形孔爆破应力波特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．3 爆破数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．4 孔底距爆破数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．4 ．11 ．2 m 孔底距爆破数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．4 ．2 其他四种孔底距模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．5 抵抗线爆破数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．5 ．11 ．1 m 抵抗线爆破数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．5 ．2 其他四种抵抗线模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 预留保护层矿体厚度的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．1 数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．2 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 ．3 数值模拟结果分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．4 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．4 ．1 有效应力场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 Ⅵ 5 ．4 ．2 关键位置有效应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 工程应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 6 ．1 试验采场简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 5 6 ．1 ．1 设计范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．1 ．2 地质资料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 6 ．1 ．3 回采条件综合评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 6 ．2 回采方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．3S h n - 2 8 0 m 2 1 0 中底柱采场第一分层回采设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 6 ．3 ．1 扇形中深孔炮孔设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 6 ．3 ．2 炮孔施工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 ．3 ．3 爆破设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 ．3 4 爆破施工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 6 ．3 ．5 爆破效果评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 7 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 7 ．1 全文主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 7 ．2 下一步工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 攻读硕士学位期问主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 6 V Ⅱ 中南大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题的由来、研究目的及意义 矿产作为不可再生资源，在社会经济发展中占有相当重要的地位。我国拥有 种类繁多的矿产资源且储量丰富，根据4 5 种主要矿产资源的统计，我国的矿产 储量总价值位居世界第3 ，占全世界的1 4 ．6 4 ％，仅次于美国和前苏联【l 】。虽然总 量丰富，但人均矿产资源占有量却只有世界平均水平的5 8 ％，位居世界第5 3 位。 除此之外，我国矿产还存在着难选矿、贫矿多，矿床规模偏小，回收率低以及浪 费严重等问题[ 2 】。由于受矿体赋存形态、采选方法以及人为等因素的影响，在回 采过程中经常采富弃贫、采易弃难，这样以来就产生了大量的残矿资源。随着社 会建设的发展，我国矿产资源的供需矛盾日益突出，有些矿山经过数十年的开采， 也开始进入资源枯竭期。因此为了延长矿山的服务年限，提高矿山经济效益，必 须加强对残矿资源的回收，而如何做到安全和高效的回收残矿资源仍是当今采矿 界的一大难题口J 。 凡口铅锌矿位于广东省韶关市仁化县镜内，隶属于中金岭南有色金属股份有 限公司，是我国最大的铅锌生产基地。该矿1 9 5 8 年开始建设，1 9 6 8 年正式投产。 经过4 0 多年的开采，己成为中度危机矿山。受早期勘探条件以及开采技术水平 的限制，在各个中段留下了一大批顶、底柱矿体，根据凡口铅锌矿提供的2 0 1 1 年一季度末矿量报表统计，共有4 5 3 条底柱矿体可以回采，保有矿量3 5 0 多万t ， 金属量P b 为1 8 万t 、Z n 为3 4 万t 。这些顶底柱矿体具有品位高、总量大的特点， 尽可能的回收这些残矿，对补充矿山日益减少的资源、增加矿山经济效益、提高 资源利用率、延长矿山开采年限有着不可替代的作用。 顶底柱矿体具有分布零散、规模小、形态多变的特点。其作为滞后开采资源， 地质条件复杂，且部分地质条件已经发生了较大变化，同时周边工程的复杂性也 使得回采条件受到较大限制，这些都增大了顶底柱矿石回采的难度1 4 ] 。凡口铅锌 矿目前采用传统的条带式方法回采顶底柱矿体，即先在待回采顶底柱矿体内掘进 一条拉底巷道，拉底巷道的位置分两种，一是靠底柱边帮掘进、二是在底柱中间 掘进。拉底巷道施工完毕后开始后退式找边回采，第一层回采过程中要保证第二 层实体部分厚度3 ．O m 以上，第一层回采完毕后开始接顶充填，然后开始回采第 二层，第二层由原进路挑顶垫坡进入，坡度小于2 0 ％，第二分层采用分条掘进式 回采，即把底柱矿体分左右两部分，第一部分回采完毕充填接顶后再进行第二部 分掘进式回采。针对该回采方法存在生产效率低，劳动强度大，安全性差等缺点， 中南大学硕士学位论文1 绪论 凡口铅锌矿联合中南大学提出了一种新型的更为安全高效的顶底柱矿体回采工 艺。该工艺在凿岩平巷中使用瑞典A r i a sC o p e o 公司生产的B o o m e r K 4 1 X 小型中 深孔凿岩台车钻凿上向扇形中深孔，炮眼一次打完，采用小型装药台车装药，侧 向崩矿，遥控铲运机出矿，采场回采完毕后立即立模充填。目前该回采工艺已经 在凡口铅锌矿试验成功，该工艺大大的提高了机械化程度，生产效率高，作业安 全，作业环境也有了很大改善，充分发挥了安全高效的特点。通过进一步研究该 采矿方法的工艺过程，优化矿块结构参数及凿岩爆破参数，将使得该方法更具有 适应性，并最终在凡口矿推广应用，这对提高并维持凡口矿的生产能力，推动凡 口矿的可持续发展具有重要意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 顶底柱矿体回采研究现状 顶底柱矿体回采方法按其回采前的矿房状态分为敞空矿房的项底柱矿体回 采和充填矿房的顶底柱矿体回采两种。 1 敞空矿房顶底柱矿体回采 根据矿岩的稳固性、矿体倾角、上部空区是否崩落等条件，敞空矿房的顶底 柱矿体可分别用空场法或崩落法回采。空场法适用于水平或缓倾斜薄到中厚矿 体，项底板围岩较稳固，相当长时期内空区不会自然崩落的条件。如大栗子铁 矿采用留矿法回采顶底柱矿体，沿走向将顶底柱矿体划分为小分条，后退式依次 回采各分条，并采用垛和立柱加强工作面支护，回收率达6 7 ．3 ％，较之前的深孔 回采提高了2 0 - - 3 1 ％左右。秦岭金矿在回采全面法矿柱时，采用先上后下，由远 及近的顺序回采，顶柱一般先采，最后回采底柱。回收矿柱时，矿石富而顶板好 时用抽柱法顶板跨度不容扩大，用石垛置换；介于两者之间则用削柱法、将矿 柱较富的部位采掉，采用上述方法和措施，获得了较好的效果，使矿块回收率达 到了9 3 ％。新冶铜矿在回收留矿房柱法矿柱时，按后退式紧接矿房回采而回采矿 柱，视各矿块的矿体赋存条件、品位变化、顶板状况以及空区管理的需要，以合 理回收资源和保证安全为原则，间柱全部或局部回采，矿房放矿结束后即可崩落 矿柱，当上阶段巷道不需保留时，顶柱随矿房采出，反之则保留待以后回采，底 柱与下部对应矿房的顶柱合采，或自运输平巷退采，间柱、顶柱矿石回收率达 8 9 ％，底柱矿石回收率达7 8 ．1 5 ％。崩落法回采矿柱适用于矿石和顶底板围岩均 稳固，矿柱规模、矿体厚度和底板倾角较大的条件。如寿王坟铜矿回采分段凿 岩阶段矿房法遗留的矿柱时，从电耙道、专用硐室和分段巷道用潜孔钻机钻凿 2 中南大学硕士学位论文 1 绪论 l l O m m 孔径的炮孔崩落矿柱，采用间柱超前的顺序一次崩落间柱和顶底柱，通 常矿房采完后立即回采矿柱，提高了矿柱回收率，损失贫化很低。苏联西卡拉扎 尔矿在回采倾斜矿体问柱时，采用强制一自然崩落顶板、端部放矿分段崩落法回 采间柱，首先局部强制崩落临近矿柱的矿房项板，以之作自由面将问柱上5 m 厚 顶板岩石崩落，采用此法，矿石回收率可达7 0 ％左右，贫化率为1 0 ％，降低了 采矿成本岭J 。 2 充填矿房的顶底柱矿体可采用空场法和充填法回收。用空场法回采问柱 的首要条件是矿房用胶结充填，充填体在需要的暴露面下不片落，且对上下盘围 岩和矿石提供必要的支撑力充填法适用于矿体形态比较复杂，围岩不够稳固， 以及回采品位和价值较高的有色、稀有金属矿床的矿柱。如黄沙坪铅锌矿应用 人工房柱法回采底柱，首先回采一个分层后，砌筑直径3 ．0 m 的混凝土人工房柱， 间距为7 ．0 ～9 ．O m ，在回采第二分层时，在混凝土人工房柱的基础上留矿石房柱， 该方法的损失率为2 0 ％，贫化率为1 5 ％，取得了较好效果【6 】o 苏联兹良诺夫斯克 矿，矿房用留矿法嗣后一次混凝土充填，矿柱用分段凿岩阶段矿房采矿法采后废 石充填，矿房用混凝土充填3 0 4 0 天后，从分段巷道凿6 0 - , 1 0 5 m m 直径的扇形 炮孔落矿，分段高8 ．5 m ，控制每次爆破炸药量不超过2 5 0 ～5 0 0 k g ，以免破坏混凝 土柱，空区废石充填前，先充填3 m 高的混凝土以便于回收底柱，回采过程中未 发现混凝土柱塌落。新城金矿在回采顶底柱时，试验了采区垂直矿体走向布置， 进路沿矿体走向布置的分区回采方法，使得回收率提高了1 6 ．3 ％，贫化率降低 1 1 ．8 ％，多回收矿石4 1 8 3 t 【7 】。金川镍矿的一些采场曾在有混凝土底柱的情况下， 采用充填法回采顶柱，此时顶柱回采是在人工底柱保护下作为下部采场的接顶回 采工序而完成，根据人工底柱的强度，可分条接顶充填或一次接项充填，其混凝 土底柱强度5 ～7 ．5 M P a ，暴露面积1 0 6 - - 1 5 0 1 1 1 2 ，在回采和充填的几个月中，人工 底柱未出现明显变形和破坏，能将顶柱全部采完。凤凰山铜矿在三个采场的顶底 柱加固试验中，采用0 2 4 ．5 m m 钢绳锚固，孔距2 ．5 q ．5 m ，每根锚索负担面积 1 2 ～1 4 m 2 ，破断拉力大于4 2 t ，每分层回采时，根据情况还可补打一些短锚杆， 采取此项措施，安全地采出顶底柱矿石3 4 ．3 万t 。 1 ．2 ．2 采场结构参数优化研究现状 采场结构参数优化的目的是保证矿体回采过程中围岩及顶板的稳定性，使得 回采更安全、高效和经济。目前，比较常用的采场结构参数优化方法有工程类 比法、模型试验法、数值分析法和可靠性分析法等。 1 工程类比法 3 中南大学硕士学位论文 1 绪论 工程类比法是指通过参考国内外类似开采矿山的开采经验，选取合适的采场 结构参数，并根据实际应用情况对参数做适当调整。该方法简单方便，在设计施 工中应用较为普遍。例如，大量的采矿经验表明，开采过程中采场顶板的暴露面 积越大，采场越不稳定，因此可根据矿岩的允许暴露面积来确定采场的结构参数。 文献【5 】中给出的矿岩允许暴露面积为①极不稳固矿床，顶板不允许暴露；② 不稳固矿床，顶板最大允许暴露面积为1 0 m 2 ，如长时间暴露则需支护；③中等 稳固矿床，最大允许暴露面积为2 0 0 m 2 ；④稳固的矿床，最大允许暴露面积为 5 0 0 m 2 ；⑤很稳固矿床，最大允许暴露面积为5 0 0 - - - 1 0 0 0 m 2 ；⑥极稳固矿床，允许 暴露面积1 0 0 0 m 2 以上。 2 模型试验法 模型试验法是通过建立相似模型将实际工程再现的一种方法，一般用于比较 重要的，难以用现场试验解决的复杂工程。例如，文献【8 】介绍了矿山压力的模 型试验方法，并给出了模型设计实例，包括材料的选取以及试验的测量技术；文 献【9 】采用模型试验法研究了采空区顶板的移动规律；文献[ 1 0 】对高应力条件下圆 形硐室的开挖做了模型试验，发现在超高应力下围岩表现出很明显的各向异性。 3 数值分析法 随着计算机技术的发展，数值分析法己广泛的应用于采矿工程中，通过该方 法可以得到采场开挖过程中矿岩应力和位移的变化情况，从而为开采设计提供依 据。目前常用的数值分析方法主要有有限元法、边界元法、有限差分法和离散元 法。基于这些方法的分析软件也有很多，例如国际著名的有限元分析软件有 A N S Y S 、A D I N A 、M S C 等，这些软件虽然功能强大，但因不是专门为岩土工程 问题开发，在解决岩土工程问题时，反而不方便，有些甚至很难进行，如分析软 岩巷道的大变形问题、采矿工程中的顶板垮落等问题时往往很难计算下去⋯J 。 F L A C 是I t a s e a 公司开发的专门用于岩土工程问题的数值分析软件，目前已成为 岩土工程界的主流计算分析软件，也已广泛的应用于采场结构参数的优化【1 2 - 1 4 1 。 4 可靠性分析法 采场的稳定性及其影响因素会随着回采开挖的进行而动态变化，这也增加了 采场顶板控制的难度。采场结构参数的优化主要是为了在回采可靠性和经济性之 间达到一个平衡，许多研究者将可靠性分析法与遗传算法、神经网络、模糊理论 等相结合来对采场结构参数进行优化。如文献【1 5 】应用遗传算法对采场结构参数 进行了优化，并通过实例计算表明该方法能够得到可靠的采场结构参数，具有较 大的应用价值。文献【1 6 】综合了层次分析法和模糊数学理论，对影响采场稳定性 的一些指标进行评价，最后优选出采场结构参数。文献[ 1 7 1 通过建立神经网络模 型并采用混沌优化方法，得到了不同采矿条件下的最优结构参数。文献[ 1 8 】结合 4 中南大学硕士学位论文1 绪论 正交有限元、遗传算法、模糊可靠度三种方法对采场结构参数进行了优化，结果 与工程实际较为接近。 1 ．2 ．3 爆破数值模拟研究现状 爆破过程的复杂性使得利用理论分析解决爆破问题一般只能考虑很简单的 问题，缺乏实用性，试验方法又局限于具体实验条件且成本高，却乏普遍性。随 着计算机技术的发展，数值模拟为爆破理论的深入研究提供了重要手段。通过对 岩石爆破过程进行数值模拟，不仅有助于进一步认识岩石爆破的产生发展机理， 对于指导实际工程，推动计算机在爆破参数优化中的应用也具有很大意义，因此 其在爆破理论与技术研究领域的应用越来越广泛。数值模拟的可靠性取决于所建 立的爆破模型和采用的程序。常用的爆破模型按理论基础可分为弹性力学模型、 断裂力学模型、损伤力学模型和逾渗模型f 1 ”1 1 。弹性力学模型视岩石为均质连续 的弹性体，其爆破应力场也具有均匀分布的特点，此类模型有H a r r i e s 模型、 F a r v r e a u 模型和B M M C 模型，其中B M M C 模型是由邹定祥掣捌提出应用于露 天矿台阶爆破的模型，该模型通过应力波在均质连续介质中的传播理论计算出台 阶岩体内应力波能量的三维分布，从而计算爆破块度的分布。断裂力学研究的是 岩体裂纹失稳和扩展的条件，以及岩体裂纹尖端附近的应力、应变和位移场，基 于该理论的模型主要有N A G ．F R A G 模型和B C M 模型。损伤力学模型的研究始 于8 0 年代初美国S a n d i a 国家实验室，代表了爆破模型的最新研究水平和方向， 主要有岩石各向同性损伤模型和K U S 模型等。此外，国内的刘殿书掣2 3 】在K U S 模型基础上建立了岩石爆破破碎过程的计算模型，并对不同起爆条件下的条形药 包的破岩过程进行了模拟。杨军等【2 4 】根据K U S 和T h o m e 等的研究，以分形维数 作为岩石性质的主要参量，提出了岩石爆破分形损伤模型。逾渗理论可以很好的 处理无序系统和随机几何问题，1 9 8 7 年K u s z m a n l 基于该理论建立了岩石破碎的 逾渗模型，并使用该模型对层状油页岩的爆破漏斗和块度分布作了预报。此外， 金乾坤等【2 5 l 通过采用逾渗模型来描述岩石的爆破损伤断裂过程，提出了岩石爆破 的逾渗损伤模型，并进行了模拟计算。通过以上的综述可以看出，岩石爆破模型 的发展经历了不同阶段，每种模型也都有其局限性，需要不断的修改完善，以适 应具体的工程条件。 目前，用于矿岩爆破模拟的软件有很多种，其中有代表性的有L S T C 公司的 L S D Y N A 、H K S 公司的A B A Q U S 、M S C 公司的D Y T R A N 、S H A L E 和C e n t u r y D y n a m i c s 公司的A U T O D Y N 等软件。在国内应用最多的是L S ．D Y N A 软件，该 软件从2 0 世纪9 0 年代末引进我国，广泛应用于爆破和爆炸的科研领域中，模拟 5 中南大学硕士学位论文 1 绪论 的对象设计到矿岩特性、炸药特性、爆破震动和爆破工艺掣2 6 - 3 0 1 ，都取得了较好 的效果。因此，本文将应用L S ．D Y N A 程序模拟扇形炮孔的爆破，利用模拟的结 果优化爆破参数。 1 ．3 主要研究内容及技术路线 1 ．3 ．1 主要研究内容 本文的研究内容主要包括以下几个方面 1 首先分析凡口铅锌矿现有的传统顶底柱回采工艺存在的弊端，在此基 础上