基于时空效应露天转地下境界矿柱厚度研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． U D C ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 十I i i 7 大学 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位文 论文题目基士吐窒垫廛鐾墨挂些王墟叠壁挂 厘廛巫究． 学科、专业基壁墨猩 研究生姓名塞9 魃旦』 导师姓名及 专业技术职务至堑氐 塾攮盗昱2 中南大学 2 0 1 2 年5 日 分类号 U DC 硕士学位论文 基于时空效应露天转地下 境界矿柱厚度研究 S t u d y o nt h eS a f e t yB o u n d a r yP i l l a r sT h i c k n e s s b a s e do nt h eS p a t i a l - T i m eE f f e c tT h e o r y d u r i n gt h e -- 一 _● 1l■■ t r a n s i t i o nI r o mt h eo p e np i tt 0U n c l e r g r o u n dm i n i n g 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 论文答辩日期 刘贱刚 采矿工程 资源与安全工程学院 王新民 教授 答辩委员会主 中南大学 二零一二年五月 一苓一一，牛血月 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。 作者签名 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。 作者签名导师签名蒸鱼鱼堕日期年一月一日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 随着浅部矿产资源的逐渐耗竭，国内外很多矿山面临着露天转地 下开采。为实现矿山平稳过渡，同时保证企业经济安全效应，在露天 转地下开采过程中，存在诸多技术问题亟待解决，尤其是在露天转地 下开采过渡时期，合理地矿柱厚度成为矿山露天转地下工程安全的重 要保证。本文结合新桥硫铁矿露天转地下工程实际，采用现场调研， 理论分析，数值模拟等手段，对露天转地下境界矿柱厚度这一重大技 术问题进行相关研究，取得了以下成果 1 系统阐述影响矿柱境界矿柱的作用机理及影响因素，并总 结了境界矿柱厚度的计算方法及其回收方式。 2 结合新桥硫铁矿的实际，运用半理论公式计算出在不同的 采空区跨度下的安全矿柱厚度，同时，运用A N S Y S 软件进行二维相 关模拟，得出境界矿柱厚度至少要1 9 m 。 3 将矿岩的时空效应及最优化控制理论引入露天转地下矿柱 计算中，运用M i d a s ／G T S 软件模拟境界项柱厚度为1 9 m 、2 4 m 、2 9 m 三种方案下，从项板的应力应变角度探究时空效应对境界矿柱的影 响，分析出最佳的境界矿柱厚度。 4 通过分析境界矿柱在西翼．东翼、中央．两翼、两翼．中央三 种地下开采顺序下所受的应力应变状态，从而优化地下矿体开采顺 序。 关键词露天转地下，境界矿柱厚度，时空效应，开采顺序 中南大学硕士学位论文 A BS T R A C T W i t ht h eg r a d u a ld e p l e t i o no ft h es h a l l o wr e s o u r c e s ，l o t so fm i n e s a r ef a c i n gw i t ht h et r a n s i t i o nf r o mt h eo p e np i tt ou n d e r g r o u n dm i n i n g ．I n o r d e rt or e a l i z et h es m o o t ht r a n s i t i o n ，w h i l ee n s u r i n gt h ec o r p o r a t ew i t h t h el o w e re c o n o m i c sa n dt h eh i g h e rjo bs e c u r i t y , t h e r ea r em a n yt e c h n i c a l p r o b l e m s t ob es l o v e d ．I nt h ec o u r s e so ft h e o p e n - p i tm i n i n g t o u n d e r g r o u n dm i n i n g ，e s p e c i a l l yd u r i n gt h eo p e np i t t ou n d e r g r o u n d m i n i n gt r a n s i t i o np e r i o d ，r e a s o n a b l ei n s u l a t i n gl a y e rt h i c k n e s sb e c o m ea n i m p o r t a n tg u a r a n t e ef o r ．t h eo p e np i tt ou n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gs a f e t y ． I nt h i sp a p e r , c o m b i n gw i t ht h ep r a c t i c eo ft h eo p e n p i tm i n et o u n d e r g r o u n dm i n ei nX i n q i a oP y r i t eM i n e ，u s i n gt h ef i e l di n v e s t i g a t i o n ， t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do t h e rm e a n st or e s e a r c ht h e i s o l a t i o nl a y e rt h i c k n e s s ．m a n yr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e da sf o l l o w 1 S y s t e m a t i c a l l yd e s c r i b et h ea c t i o nm e c h a n i s ma n dt h ef a c t o r so f t h ei s o l a t i o nl a y e r , a n ds u m m a r i z ei t sc a l c u l a t i o nm e t h o da n dr e c o v e r y w a y 2 C o m b i n gt h er e a l i t yi nX i n q i a oP y r i t eM i n e ，u s es e m i t h e o r e t i c a l f o r m u l at oc a l c u l a t et h et h i c k n e s so ft h ei n s u l a t i n gl a y e rw i t ht h ed i f f e r e n t g o a fs p a n ，a tt h e s a m et i m e ，u s i n gt h eA N S Y Ss o f t w a r et od ot h e t w o ．d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n ，o b t a i nt h er e s u l tt h a tt h ei s o l a t i o nl a y e r t h i c k n e s ss h o u l db e19 ma tl e a s t ． 3 T h es p a t i a la n dt e m p o r a le f f e c t sa n d t h eo p t i m a lc o n t r o lt h e o r y a r ei n t r o d u c e dt oc a l c u l a t i o nt h ei n s u l a t i n gl a y e rt h i c k n e s s ，u s i n gt h es o f t M i d a s ／G T St os i m u l a t et h ei n s u l a t i n gl a y e r w i t h19 m ，2 4 m ，2 9 m d i m e n s i o n ，e x p l o r et h e i n f l u e n c eo fs p a t i a la n dt e m p o r a le f f e c tt ot h e i n s u l a t i n gl a y e rf r o mt h e s t r e s s s t r a i np o i n to fv i e w , ab e s ts t a t eo f i s o l a t i o nl a y e rt h i c k n e s sh a v eb e e no b t a i n e d ． 4 T h r o u g h t h ea n a l y s i so fs t r e s sa n ds t r a i ns t a t eo fi s o l a t i o nl a y e ri n t h r e eu n d e r g r o u n dm i n i n gs e q u e n c e ，s u c ha st h eW e s tW i n g E a s tw i n g ， C e n t r a l t w ow i n g s ，t w ow i n g s - C e n t r a la n do p t i m i z a t i o n o f u n d e r g r o u n dm i n i n gs e q u e n c eh a v eb e e ng o t ． K E YW O R D So p e n p i tm i n et ou n d e r g r o u n dm i n e ，T h et h i c k n e s s o fi s o l a t i o nl a y e r , T h es p a t i a la n dt e m p o r a le f f e c t s ，m i n i n gs e q u e n c e ． I I 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要．⋯⋯．．．．⋯．．⋯⋯⋯．。．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 。1 研究背景、目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．2 国内外露天转地下开采技术现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 露天转地下矿柱厚度的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．2 露天转地下开拓系统的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 1 ．2 ．3 露天转地下采矿方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．4 露天转地下开采通风排水⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 露天转地下安全矿柱研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．1 境界矿柱矿柱作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 ．2 境界矿柱的影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 ．3 境界矿柱厚度计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．4 境界矿柱回采方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．4 论文研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．4 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 ．2 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1O 第二章露天转地下开采时空效应及最优控制理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1 时空效应理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．2 露天转地下开采矿岩开挖时空效应特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．1 时间效应特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．2 空间效应特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 露天转地下开采岩层动态特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 采矿开挖系统最优控制理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 ．1 采矿开挖工程系统类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 ．2 最优控制理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．5 时空效应施工法及其应用前景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 第三章新桥露天转地下基本概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 3 ．1 新桥硫铁矿地理条件概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3 ．2 矿区地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 中南大学硕士学位论文目录 3 ．2 ．1 地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 3 。2 。2 构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．3 工程地质与水文地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 ．1 工程地质岩组及物理力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 ．2 矿区的水文地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．4 露天转地下设计开采范围及相关技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．4 ．1 设计开采范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．4 ．2 开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．5 矿山开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．5 ．1 东翼露天开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．5 ．2 东翼地下采矿方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．6 露天转地下安全开采关键技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 第四章露天转地下安全境界顶柱厚度初步探究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 1 4 。1 境界顶柱的理论计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．1 ．1 露天坑底部负加载荷计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．1 ．2 厚跨比法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．1 ．3 荷载传递线交汇法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．1 ．4 结构力学简化梁法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．1 ．5 境界顶柱厚度二维数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 露天转地下境界顶柱厚度初步确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 第五章合理境界矿柱厚度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 5 ．1M I D A S ／了T S 软件简介⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．2 基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．3 岩体力学参数及岩体破坏准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．4M I D A S ／G T S 模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．4 ．1 构建分析模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．4 ．2 模型网格划分及边界条件设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．4 ．3 原岩应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．5 露天转地下模拟方案数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．5 ．1 境界顶柱模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．5 ．2 模拟步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．5 ．3 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．5 ．4 综合方案分析及选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 忒 中南大学硕士学位论文 目录 5 ．6 地下矿块开采顺序对境界顶柱影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．6 ．1 应力及塑形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．6 ．2 开采顺序综合优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．7 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 第六章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 ．1 主要研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 Ⅳ 中南大学硕士学位论文第一章前言 第一章绪论．帚一旱硒比 1 ．1 研究背景、目的与意义 矿业是国民经济的资源性产业和基础产业，对国民经济的发展起着举足轻重 的作用。目前，国际上大约9 5 ％左右的能源资源为矿物资源，8 5 ％左右的工业原 料来源于矿物原材料随着我国国民经济的发展，对矿产资源的总需求量不断攀 升，从而导致我国矿产资源的供需之间的矛盾进一步加剧I l J 。 现阶段，由于相对于地下开采，露天开采存在着投资少，见效快，贫化指标 优，效应较好等优点，因此，在前期很多矿山采用露天开采的方式进行矿产资源 开采。随着矿产资源的开采，国内大部分露天矿山面临着露天坑封闭，从而转向 露天转地下的开采方式。露天转地下的矿山一般面临着露天开采期，露天与地下 联合开采过渡区，地下开采期这三个阶段。 新桥矿业有限公司是一座以硫、铜、铁为主，伴生、金、银、铅、锌等多种 金属元素的露天地下联合开采的矿山。己探明地质储量1 ．7 亿t ，工业储量1 ．1 亿t ，其中硫铁矿矿石量8 7 1 1 0 k t 、铁矿石量2 4 0 0 0 k t 、铜金属量5 0 0 k t 、铅锌金 属量4 0 k t 等。 根据矿体的赋存条件，矿山目前主要开采分地下、露天两部分，开采对象同 为1 肆矿体，根据矿山总体规划，总的开采范围为1 1 线以西矿体，其中露天开采 的对象为东翼矿段，即1 1 ～2 9 线范围一1 5 6 m 以上矿体，地下开采的对象为西翼矿 段，即2 1 线以西矿体。东翼露天部分随着矿床的开采，境界剥采比进一步扩大， 己不不能够满足企业经济性要求，同时，铜、硫、铁市场价格增大，矿方企业进 一步扩大生产能力，年产量增加至9 0 万讹。因此，矿方企业必须做好露天转地 下的准备工作，统筹安排，做好露天与地下开采设计的工程衔接。由于露天转地 下开采1 4 矿体赋存于高骊山组与船山组之间，连续性好，规则，似层状，矿体本 身多为致密块状构造，稳固性好。但开采范围位于矾头岩株以东至新西河谷一带， 矿体顶板直接以岩溶裂隙充水为主，充水水源有大气降水和地表水，水文地质条 件复杂。大气降水及地表水通过第四系含水层、岩溶塌陷和“天窗”向矿坑补给， 在一定程度上加大了露天坑底的侵蚀作用；而且，北西部和北东部茅口组、栖霞 组灰岩裂隙岩溶水通过矶头岩株东侧侵入破碎带、F l 断层及其次级破碎带补给， 进一步扩大了节理等软弱结构面的范围。不仅如此，露天开采东部边界以外 矶 山东部 ，赋存于7 0 1 铁路专线、顺 安 凤 凰山 公路以及新西河水平之下， 地表河流水系复杂。 新桥硫铁矿地下开采直接在露天坑底下进行，其存在着诸多问题，主要包括 中南大学硕士学位论文 第一章前言 1 在露天开采期间，露天开挖对岩层进行扰动，形成次生应力场，随着开 采的进行，当露天转地下开采时，地下爆破对形成的边坡进一步扰动，边坡等发 生一定的变形，有可能导致滑坡等地质灾害，给生产安全带来损害【2 J 。 2 新桥硫铁矿深凹露天转入地下开采，已有露天坑规模大，边坡高陡，岩 体内存在的软弱结构面发育，整体稳定性一般，在露天坑底开采必然削弱边坡的 稳定性。同时，地下开采的年限较长，已有的边坡下在地表经过风化侵蚀作用， 有可能产生脱落。不仅如此，而且在露天坑的长年累月的积水对地下安全也构成 了潜在威胁。 因此，在露天境界底部和地下开采间预留安全合理的矿柱境界矿柱成为保障 地下开采安全的先决条件，合理安全的境界矿柱能够有效地降低岩层强度的弱 化，提高地下开采的安全系数，增加地下开采的安全性。 本文以新桥硫铁矿实际矿山为背景，考虑地下开采结构参数及其开采顺序等 因素，就露天转地下合理境界矿柱厚度进行研究和探讨。因此，本课题一旦完成， 对实现矿山稳定过渡，保障矿山企业可持续发展，也可为同类矿山企业露天转地 下开采提供宝贵的经验。 1 ．2 国内外露天转地下开采技术现状 露天转地下开采矿山通常是由于前期矿床勘探程度较低及其勘探技术较为 落后，或露天开采的后期剥采比较大，经济效益不明显等原因，为保证矿山生产 产量及经济效益稳定，在露天开采后期，矿山企业有必要进行露天转地下工程。 但由于在前期进行露天开采时，往往只考虑到当时矿山的现状，忽略了露天转地 下开采的重要阶段即露天转地下联合开采的阶段，如此设计往往无法提高企业生 产效率，给企业带来不必要的经济损失p 】。 目前，国内露天转地下开采的矿山有江苏的凤凰山铁矿、安徽的铜官山铜矿、 湖北的红安萤石矿、甘肃的白银折腰铜矿、江西的良山铁矿、浙江的漓渚铁矿和 山东的金岭铁矿等。国外露天转地下开采的矿山众多，有金属矿山、非金属矿山 和煤矿等，如瑞典的基鲁纳瓦拉矿、南非的科菲丰坦金刚石矿、加拿大的基德格 里克铜矿、芬兰的皮哈萨尔米铁矿、前苏联的阿巴岗斯基铁矿、澳大利亚的蒙特 莱尔铜矿等【4 】。查阅相关资料，文献[ 5 ] 对铜山口铜矿露天开采的实际情况，对 露天转地下开采衔接方案、采矿方法选择、矿山防治水等方面进行相关系统的研 究，为矿山生产提供参考。文献[ 6 ] 介绍了石人沟铁矿露天转地下的实际状况， 并就露天转地下过渡时期所存在问题进行研究，主要包括境界矿柱厚度的确定、 露天与地下排水、过渡时期生产能力的协调等问题。从以上可以看出，露天转地 下过程中，虽然各个矿山地质等因素不尽相同，但在该过程当中，往往存在着很 2 中南大学硕士学位论文 第一章前言 多关键技术有待研究，主要包括以下几个方面 1 ．2 ．1 露天转地下矿柱厚度的确定 露天转地下开采过渡期，由于地下开采活动所产生的采空区及其在开采过程 中爆破震动的影响等，尤其是在已有最终露天边坡角较大，在降水等自然因素作 用下，容易产生滑坡等现象，因此，为保障地下作业的安全，须在露天最终境界 底部预留一定厚度的矿柱矿柱【7 j 。 1 ．2 ．2 露天转地下开拓系统的建立 露天转地下开采方式其过程是在已有的完备的露天开采境界基础上进行的 地下开采。根据露天开采和地下开采时空上的联系，主要分为露天转地下开采独 立开拓系统，局部联合开拓系统及其联合开拓系统。 1 露天与地下独立开拓系统 该开拓系统露天和地下开拓系统为两个独立或相互干扰性较小的开拓系统。 一般而言，该开拓系统的地下部分一般布置在已有的露天开拓系统之外。其主要 用于矿体赋存较浅或由于前期急于收回投资或前期勘探不足的矿山。该系统的优 点露天和地下相互干扰小，其缺点是工程量大，投资费用高。 2 局部联合开拓系统 该系统主要适用于露天开采的少量矿石运用地下开拓系统出矿，或地下开采 的部分矿石运用露天开拓系统出矿。通常用于开采露天境界底柱或者边坡外驻留 矿体，可利用地下开拓巷道将露天矿深部不多余矿运至地面。若露天开采已有边 坡岩体性质较为稳定，可在露天坑底的非工作帮开掘平峒、斜井、或者斜坡道等 开拓巷道回采地下矿体。 3 露天转地下联合开拓系统 该开拓系统主要是在露天早期或晚期共用地下的开拓运输巷道。该开拓方式 大大减少露天剥量和运距，可以缩短基建时间，有利于露天排水与疏。 1 ．2 ．3 露天转地下采矿方法 根据岩石力学原理，露天转地下矿山大多是在已有的露天境界基础上进行 的，且采矿活动一般在原岩应力扰动后开采，因此，采矿方法的选取不仅要考虑 矿体的赋存条件，己有的露天边坡的地质情况，还必须考虑地压等因素的影响【s 】。 根据地应力的大小，选择合理地采矿方法是保证上部露天边坡稳定性及地下作业 的相互干扰少及安全作业，同时也是满足矿山企业生产能力的要求的保障。目前， 根据控制地压方面分类，露天转地下的开采方法主要包括空场法，崩落法，联合 采矿法三大类。 中南大学硕士学位论文第一章前言 1 房柱式采矿法 主要包括空场法、留矿法及其充填采矿法。采用这种采矿方法的条件一般要 求在空间上，露天和地下开采必须在同一个垂直面内，同时，必须在露天境界底 部及地下开采上部空间之间留取一定的矿柱矿柱。该方法对地压强度具有较高的 要求，必须严格控制地下刁干采的采空区面积、留取间柱的大小及其地下爆破及露 天爆破的规模的大小。 2 崩落法 主要采用分段及阶段崩落法。其主要适用于在露天开采末期结束后，对露天 地表要求较小，在地下采空区上部崩落围岩，形成具有一定隔离露天积水及防止 漏风等作用的安全缓冲层。这就要求在生产上，地下开采是在露天开采之后，且 两个开采过程是分别投入生产。 3 联合开采法 联合开采法在实质上三种基本采矿方法的相互组合。这类方法的主要特点 是，在开采露天境界矿柱下地下第一阶段的矿体时，分两个步骤进行回采。即在 阶段内把矿体划分为矿房与矿柱，第一步先用房柱式采矿方法回采矿房，第二步 主要采用崩落的方式崩落剩余的矿柱或者间柱。它主要是将房柱法和崩落法这两 种采矿方法结合，用于围岩较稳固、矿体较厚的矿床的赋存条件下。 1 ．2 ．4 露天转地下开采通风排水 露天转地下开采一般是在已有的露天坑存在的情况下进行的，当进行地下开 采时，对原岩已有应力平衡的破坏，可能造成塌陷区，尤其是当采用崩落法的回 采第一分层时，地下开采区域与露天已有的开采区域相互贯通，如此，造成了地 下第一水平漏风严重，风流网路紊乱【9 J 。 同时，在已有的露天坑境界底部，岩性较差，积水通过渗透作用流入地下， 在一定程度上增加了地下排水负担，给地下生产带来一定的危害。 1 ．3 露天转地下安全矿柱研究现状 随着矿产资源的逐步枯竭，露天开采深度的不断增加，生产剥采比大等因素， 露天开采方案不适合矿山生产要求，露天转地下开采成为矿山企业深部矿体的开 采方式【1 0 】。目前，查阅相关文献，主要包括如下几个方面1 境界矿柱厚度的 作用机理；2 境界矿柱的影响因素；3 境界矿柱厚度的确定；4 境界矿柱回 收方式。 1 ．3 ．1 境界矿柱矿柱作用机理 露天境界内采空区顶板上方的岩层是露天开采至关重要的安全保障。采空区 4 中南大学硕士学位论文 第一章前言 上方即在露天坑底作业时，人员、设备受到岩层变形与坍塌的威胁，工作人员和 设备可能被掩埋，极可能造成人员伤亡和财产损失。矿柱对露天已有现状及其地 下开采的影响主要包括【l l J 1 降低岩层强度的弱化，提高地下开采的安全系数。露天转地下开采的上 部大多为深凹露天坑，汇水面积往往达到数十万平方，它给地下采区排水带来压 力，同时，露天坑底积水沿裂隙渗入地下，溶化岩体中可溶解物质，降低岩体原 有的内聚力及抗剪强度，从而引起采空区冒落和透水事故的发生。当存在一定厚 度的矿柱时，能够有效地防止积水的渗透，从而抑制岩层的强度降低，可以减少 安全事故的发生。 2 增强地下开采的安全。由于地下采矿作业产生的采空区，地下采空区的 存在降低原有边坡的安全系数，同时，在进行地下爆破时，爆破地震波通过岩体 介质对存在软弱结构面的岩体产生附加应力，进一步扩大原生结构面规模，并产 生次生结构面，并与原有的软弱结构面相通，削弱围岩体本身的强度。当矿柱存 在时，可以在一定程度上阻隔爆破应力波的传播，削弱爆破等因素对露天境界内 岩石冒落等不利影响，有效地防止露天边坡滑坡之类等地质灾害对地下采矿作业 的冲击，从而确保地下开采作业人员的安全。 1 ．3 ．2 境界矿柱的影响因素 露天转地下境界矿柱安全矿柱厚度大小的影响因素可划分为【1 2 J 1 内在因素 内在因素主要包括岩石自身的物理化学性质及抗风化能力、矿岩产状与节 理裂隙规模等状况、岩层赋存状况、采空区跨度与暴露面积的大小。 2 外在因素 外在因素主要包括开采爆破震动影响；露天坑底作业设备的大小和功率； 岩层上方外加荷载大小等，其因素主要影响表现为 1 爆破对境界顶柱的影响 地下爆破对境界矿柱的主要影响表现为炸药爆破所产生的地震波在岩体界 产生拉伸作用。炸药发生爆破，空气冲击波通过空气及其岩石等介质传递，并在 距爆源一定距离内，爆破冲击坡转化为矿岩拉伸应力波，导致岩石发生破坏。众 所周知，岩体中赋存大量的节理、裂隙和软弱夹层，应力波的作用进一步扩展裂 隙的规模，从而在一定成都上降低岩石的强度。 2 露天积水对境界顶柱的影响 岩体赋存于复杂的地质体中，且岩体内部存在着节理等软弱结构面，当岩体 在含水状态下，岩体的物理、化学和力学等性质会有所改变，通常岩体会发生一 中南大学硕士学位论文第一章前言 定的软化甚至膨胀崩解。尤其是受到载荷加载时，岩体内孔隙及其裂缝体积压缩， 岩体的变形特性发生改变。 1 ．3 ．3 境界矿柱厚度计算方法 目前，对露天转地下安全矿柱境界顶柱的方法主要基于理论计算和数值计算 方法，其中理论计算方法主要载荷传递线交汇法，厚跨比法，结构力学简化梁法， 长宽比梁板计算法，普式拱法，鲁别涅依特理论法，极限平衡法等，顶柱的理论 计算方法。目前仍然处于实验研究和完善阶段，各国学者提出了若干计算矿柱境 界顶柱的经验公式，大多数经验公式都将顶柱简化为板或梁结构，简化力学模拟， 从而粗略地计算出矿柱境界顶柱厚度。 1 传统半定量疗法 1 载荷传递线交汇法[ 1 3 - 1 4 ] 该方法认为荷载由顶板中心按与竖直线成3 0 。～5 0 。扩散角向下传递，当此 传递线位于顶板与侧帮的交点以外时，即认为侧帮直接承载顶板上的荷载与自 重，此时，顶板是安全的。 2 厚跨比法 该理论方法认为采空区顶板为完整顶板时，其项板的厚度h 与建筑物跨度的 长度，之比 h ／1 大于0 ．5 时，所取顶板厚度是合理的。 3 按剪切概念估算 根据极限平衡条件，项板岩体抗剪承载采空区范围内的顶板自重和附加荷 载。 4 按梁板受力情况估算 将岩层顶板看作板结构，以上部岩层、填土及上部机械载荷为荷载，按照梁 板受弯考虑，以岩层的抗弯抗拉强度作为控制指标。 5 按破裂拱概念估算 破碎拱理论适用于风化破碎的岩层。一般在采空区为坍塌时，顶板处于平衡 状态，当发生坍塌形成破碎拱时，此时的安全矿柱厚度为破碎拱高及上部荷载作 用所需的厚度，并且考虑一定的安全系数。 6 经验类比法 由于在考虑矿柱境界安全厚度时，大多数矿山一般参照已有的矿山工程实际 经验取值，同时，它可以对理论计算所得的安全矿柱厚度进行验证和校核，是一 种行之有效的方法。在我国，对于矿岩岩性比较稳固的矿山，其境界矿柱一般取 值为l O m 左右；前苏联取1 0 ～3 0 m ；加拿大取值9 ～1 2 m 【15 1 。 文献[ 1 6 1 以三道庄露天开采境界所形成采空区上方的项板进行研究，结合半 中南大学硕士学位论文 第一章前言 经验公式K ．B ．鲁佩涅依特理论，对采空区顶板进行受力力学分析，得到合理 的境界矿柱厚度。文献[ 1 7 ] 以铜绿山矿南露天坑下I2 矿体露天转地下开采实际 工程为依托，综合运用半经验公式中的极限平衡法及相关材料力学理论方法，计 算出露天转地下合理的境界矿柱矿柱安全厚度。 2 数值计算法 随着计算机技术的发展，在岩土工程领域中，基于有限元法，有限差分元法， 离散元法，边界元法等算法的各种数值计算方法已经成为工程分析中运用广泛的 方法。文献[ 1 8 ] 针对铜绿山矿南露天坑下露天转地下，采用基于有限差分元软件 F L A C 进行相关模拟，最终确定矿柱厚度为1 7 m 。文献[ 1 9 ] 以三道庄矿为研究背 景，运用A n s y s 软件模拟出在不同采空区跨度下最小的矿柱厚度，同时，结合半 经验理论公式，综合得出满足生产需求的安全矿柱厚度。文献[ 2 0 】以石人沟铁矿 露天转地下工程为背景，运用有限差分元F L A C 软件二维模拟地下开采时境界顶 柱应力变化状况，从而确定出合理的安全矿柱厚度。文献[ 2 1 】介绍了司家营铁矿 露天转地下矿山实际状况，针对露天转地下矿柱境界厚度的确定这以关键问题， 采用F L A C 软件模拟境界顶柱、间柱厚度等对境界矿柱顶柱的影响，确定合理的 矿柱厚度。文献【2 2 】针对石人沟铁矿露天转地下矿柱厚这一重大工程，采用R F P A 数值模拟软件对具有代表性的剖面进行二维模拟，研究矿柱顶柱的受力状况，得 出了合理的矿柱厚度。 1 有限元法【2 3 】 有限元法是将原来连续体结构离散成有限个单元体，在各个单元处以节点的 形式相互连接，各单元可以有不同的力学特性，并采用有限个参数描述其的力学 特性。利用有限单元法，可以模拟岩石或土体的非线性应力一应变关系，进而求 得相应每个单元的应力及应变，同时可以根据岩体强度指标确定破坏的区域。目 前，有限元在采矿工程领域己得到成熟运用，它主要以最小势能变分原理为基础， 能够解决包括经典力学在内的力学问题，尤其是在解决实际工程的非线性问题上 有着显著优势。 2 离散元法【2 4 - 2 5 】 离散单元法是求解块体集合体在外力作用下，块体之间作用以及涌动过程的 有效方法，其基本思想是将岩体视为由裂隙切割的非连续介质，块体间按照岩体 的裂隙切割形式相互锒嵌排列，构成块体的集合体。故其能够模拟节理裂隙系统 或由离散颗粒组合体在静态或动态荷载条件下的变形状况。 3 混合计算方法【2 6 】 从有限元及其离散元的原理上可以看出，离散元是在以块体准刚性的假设前 提下提出的，在需要模拟非线性材料性态或离散的刚体块体位移时，由于矿山规 中南大学硕士学位论文第一章前言 模的问题的限制，有限单元法和离散单元