马坑铁矿四块段安全回采技术研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯ U D C 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯ 十I 初大学 C E N T RA I ，S o U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目I ⋯曼燃蹑凑熬囊全凰采披本研窕⋯ 学科、专业⋯⋯⋯⋯⋯⋯．采矿王程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 研究生姓名 导师姓名及 专业技术职务 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯崔一松⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯囊秀蠢⋯．熬攮⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 分类号U D C 硕士学位论文 马坑铁矿四块段安全回采技术研究 S t u d y o nS a f e t yM i n i n g T e c h n o l o g yo f F o u r t h S e g m e n ti nM a k e n g I r o nM i n e 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 崔松 采矿工程 资源与安全工程学院 史秀志教授 论文答辩日期动I k 绛互且纽答辩委员会主席．鎏出 中南大学 2 0 12 年4 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己在论文中作了明确的说明。 作者签名 整拉 日期 2 2 坦年』月上日 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。 鼢嗍一j 月j 日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 马坑铁矿四块段是该矿二期工程开采的主要矿体。目前一期工程 即将开采完毕，为解决一期和二期的产量衔接问题，马坑铁矿在4 块 段矿体上盘设计施工了措施井，由于措施井在安全回采影响范围内， 因此应对回采过程中措施井的安全进行研究，此外该矿体靠近F 2 导 水断层，因此还应研究回采过程中的防水问题。 本文利用F L A C 3 D 等大型模拟软件对4 块段采矿方案选择、炮 孔布置、回采顺序、矿块结构参数、回采空区对措施井的影响和回采 过程对保安矿柱影响进行优化研究，本论文开展的主要研究如下 1 通过马坑铁矿矿体地质条件现场调查、资料收集、岩石力 学参数试验，得到四块段岩石力学参数。 2 根据现场开采技术条件要求，运用层次分析法和模糊数学 的基本原理对多种采矿方案进行综合评判优选，优选出生产能力大、 安全、经济、高效的采矿方法。 3 运用F L A C 3 D 模拟软件计算和分析出矿房应力、位移，通 过计算结果判断采场稳定性，最终确定合理的采场结构参数。 4 基于A N S Y S 界面的F L A C 3 D 数值模拟，采用确定后的采 场结构参数得出矿体开挖对l 群措施井的影响，通过措施井所受最大 拉应力、最大压应力，安全系数及井筒附近位移分布状态监测，最后 得出保证开采过程中井筒安全的矿柱尺寸。 5 运用A N S Y SL S ／D Y N A 模拟爆破震动对邻近F 2 断层保安 矿柱的影响，得出采场与断层之间保安矿柱最佳的尺寸。 关键词马坑铁矿，四矿段，安全回采，数值模拟 中南大学硕士学位论文A B S T R A C T A BS T R A C T A tt h es e c o n dm i n i n gs t a g e ，t h ef o u r t hs e g m e n to fM a k e n gi r o nm i n e i st h em a i no r eb o d yA st h ef i r s tm i n i n go r eb o d yi sg o i n gt ob ed e p l e t e d ， i no r d e rt os o l v et h em i n ep r o d u c t i o np r o b l e mf r o mt h ef i r s tm i n i n gt o s e c o n dm i n i n g ，t h em i n i n go p e r a t o r sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e ds t e p p i n g s h a f to nh a n g i n gw a l lo ff o u r t hs e g m e n t ．B e c a u s et h es t e p p i n gs h a f ti s l o c a t e di nt h er a n g eo fs a f e t ym i n i n g ，i t ss a f e t ym u s tb e t a k e ni n t o a c c o u n ti nt h ep r o c e s so fm i n i n g ，i na d d i t i o n ，t h eo r eb o d yi sc l o s et oF 2 h u g eF a u l t ，S Ow a t e rp r e v e n t i o ns h o u l db ea l s ot a k e ni n t oa c c o u n td u r i n g m i n i n g ． I nt h i ss t u d y , t h el a r g e s c a l es i m u l m i o ns o t 蚤v v a r eF L A C 3 Dw a su s e d t o p r o b e t h e o p t i m i z a t i o n o fm i n i n gm e t h o d s e l e c t i o n ，b l a s t h o l e o p t i m i z a t i o ns t u d y , r e c o v e r ys e q u e n c e ，o r eb l o c ks t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，t h e i m p a c to fm i n i n gg o a ft os t e p p i n gs h a f ta sw e l la sm i n i n gp r o c e s st o s a f e t yp i l l a ro ff o u r t hs e g m e n t ．I nt h i sp a p e r , t h em a i nr e s e a r c hw a sa s f o l l o w s 1 T h ef o u r t hs e g m e n tr o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e db y M a k e n go r e b o d yg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sf i e l di n v e s t i g a t i o n ，d a t ac o l l e c t i o n ， r o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r st e s t ． 2 B a s e do ni ns i t um i n i n gc o n d i t i o n s ，t h eA H P a n a l y t i c a lh i e r a r c h y p r o c e s s a n dt h ef u z z ym a t h e m a t i c sm e t h o df u n d a m e n t a lt h e o r yw e r e u s e dt oc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nt h em i n i n gm e t h o d sa n do p t i m i z e da m i n i n g m e t h o dw i t h h i g h p r o d u c t i o nc a p a c i t y , s a f e t y , e c o n o m y ， e f f i c i e n c y ． 3 T h es t o p es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tw e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d b yu s i n gt h eF L A C 3 Ds i m u l a t i o ns o f t w a r e ．A n dt h es t o p es t a b i l i t yw a s i n v e s t i g a t e db yc a l c u l a t i o n ，t h e r e b yd e t e r m i n i n gt h er e a s o n a b l es t o p e s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ． 4 T h eF L A C 3 Dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nb a s e do nt h eA N S Y S i n t e r f a c eu s e dt h ec o n f i r m e ds t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r st oo b t a i nt h e e f f e c t so fo r e b o d ye x c a v a t i o no n1 撑s t e p p i n gs h a f t ．A n dt h ep i l l a rs i z e w a so b t a i n e dt h a tC a nm a k es u r et h es a f e t yo fs h a f td u r i n gm i n i n gp r o c e s s b ys e t t i n g f o u rp i l l a r s b ym o n i t o r i n gt h em a x i m u mt e n s i l es t r e s s ， m a x i m u mc o m p r e s s i v es t r e s s ，s a f e t yf a c t o ro ft h es t e p p i n gs h a f ta n dt h e l l 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o nn e a rt h es h a f t ． 5 T h eb l a s t i n gv i b r a t i o nm a yi n f l u e n c et h es a f e t yo fF 2f a u l tn e a r b y , t h r o u g hs i m u l a t i o nw i t hA N S Y SL S ／D Y N A ，a n dt h eb e s t d i s t a n c e b e t w e e ns t o p ea n ds a f e t yp i l l a ro ff a u l tw a sg o t ． K e y w o r d s M a k e n gi r o nm i n e ，f o u r t hs e g m e n t ，s a f e t ym i n i n g ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n I I I 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 。z l L 】B S T R A C T ⋯．．．⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．．．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 分段空场采矿法安全回采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 采场结构关键参数研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 采动过程中对临近措施井影响研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．4 爆破震动对邻近断层影响研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 技术研究路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 第二章地质概况及矿岩力学参数试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 矿区地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 ．1 地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 ．2 构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 矿体地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．1 矿体⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．2 矿体顶底板围岩及夹层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3 矿床开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．3 ．1 四块段矿体、顶底板围岩的稳定性及矿床特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3 ．2 矿岩物理力学性质指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．4 岩石试验的选取及制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l0 2 ．4 ．1 代表性试样的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．4 ．2 岩石试件的数量及编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．4 ．3 岩石强度实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 l 2 ．4 ．4 试验结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．12 2 ．5 岩石力学参数折算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 7 第三章采矿方法优化选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 3 ．1 采矿方法选择的原则与依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 I V 中南大学硕士学位论文目录 3 ．2 采矿方法初选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3 ．2 ．1 分段凿岩分段出矿采矿法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．2 ．2 阶段空场嗣后崩落采矿法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．2 ．3 无底柱分段崩落采矿法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．3 采矿方法优化选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 ．1 利用层次分析法确定权重向量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．3 ．2 模糊综合评判⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 第四章四块段矿体安全回采数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．1 数值模拟方法的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．1 ．1 数值方法选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．1 ．2F L A C 3 D 软件概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 0 4 ．1 ．3F L A C 3 D 软件的处理过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 4 ．2 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．2 ．1 模型的建立及网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．2 ．2 本构模型及材料参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．2 ．3 加载条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．3 矿块回采过程中的结构参数研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．3 ．1 方案的选定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．3 ．2 矿柱位置及个数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．3 ．3 矿柱宽度确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．4 四块段矿体合理回采顺序研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．4 ．1 方案选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．4 ．2 矿体回采顺序模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．5 本章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 第五章四块段矿体回采对措施井安全影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 l 5 ．1 建立基于A N S Y S 界面的F L A C 3 D 数值模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．1 ．1 难点分析与计算模型设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．1 ．2 本构模型及材料参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 5 ．1 ．3 加载及边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 ．2 计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．2 ．1 模型位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．2 ．2 模型拉应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．2 ．3 模型剪应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 V 中南大学硕士学位论文目录 5 ．2 ．4 模型开挖安全系数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 5 ．2 ．5 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．3 本章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 l 第六章爆破震动对邻近断层安全影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 6 ．1A N S Y S ／L S ．D Y N A 发展简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．2A N S Y S ／L S ．D Y N A 运算分析流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．3 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．4 爆破震动对邻近断层安全影响模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．4 ．1 爆破震动应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 6 ．4 ．2 模型单元速度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 第七章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 攻读硕士学位期问主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 V l 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 研究目的及意义 第一章绪论 地下采矿过程中必然会产生次生应力场并引起岩体中应力重新分布，使岩石 的应力平衡状态发生破坏【1 】，如果空区暴露面积超过安全范围，其顶板岩层的整 体稳定性以及周边开拓工程就会遭到严重破坏，并危及到矿山安全生产。原始应 力状态是影响岩体稳定性中最重要最根本的因素之一f 2 一，在采矿方法选择过程 中，只有掌握开采区域的地应力条件，才能确定最合适的采矿方法、采场参数、 开挖步骤等。在保证周边开拓系统、回采采场安全的情况下最大限度采出矿石， 提高矿山效益。因此，在选择合理采矿方法的同时研究地压分布规律及有效的控 制措施是目前矿山开采过程中的重要难题之一。 福建马坑矿业股份有限公司1 9 9 9 年9 月成立，该矿是华东地区大型铁矿床， 矿区总面积4 平方公里，主矿体呈单一厚大产出。一期开采设计规模1 0 0 万吨／ 年，开采范围 4 9 0 m - - 3 0 0 m 标高内矿体，开采范围矿石1 6 1 4 万吨，2 0 0 1 年一 2 0 0 8 年止动用地质储量4 5 0 万吨，采出矿量3 4 0 万吨，采出矿石品位3 6 ．3 4 ％，4 块段矿体厚度大，预计主矿体储量31 1 ．9 2 万吨，平均品位F e 3 6 ．6 5 ％；小矿体2 4 ．4 6 万吨，平均品位F e 3 5 ．9 3 ％。 马坑铁矿自建矿以来主要采用浅孔留矿法进行采矿，为解决一期和二期的产 量衔接问题，马坑铁矿在4 块段矿体上盘设计施工了措施井，为达到4 块段矿体 的安全回采并完成4 块段4 0 万讹的产量，本研究将对4 块段的回采顺序、矿块 回采过程中的结构参数进行优化研究并进行安全、高效采矿方法试验采场的设 计。由于4 块段下盘受F 2 断层影响，破坏了矿体倾向上的连续性，两侧岩溶较 发育，具导水性，且附近有1 撑措施井在四块段矿体的崩落移动范围内，必须在 矿岩物理力学性质研究的基础上进行该矿体的保安矿柱设计。 四块段措施井和开拓工程布置在上盘是为了调节一期和二期工程的矿量，随 着开采空区的增大围岩变形的影响范围也随之而增大，为避免该采矿法对后期开 采下部的厚大矿体影响以及确保4 块段矿体的安全回采，且井筒距矿体最近距离 为6 5 m 左右，保安矿柱半径R 1 1 9 m ，具体见图1 ．1 。因此对四块段矿体进行安 全、高效采矿方法选择、回采顺序、矿块回采过程中的结构参数、炮孔优化设计 及采动过程中地压规律分析及控制措旋研究，制定减少采场应力集中和地压显现 和对措施井的保护等措施，对于保证一期和二期的产量衔接、全矿安全、高效的 生产是亟待解决的重要课题。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 措施井、矿体及断层位置平面图 由于四块段的特殊性和复杂性，回采该矿体必须解决以下安全技术难题 1 回采时如何安全控制矿体空区地压、间柱回收等也是本文解决的重要 安全问题。 2 一部分矿体在l 撑措施井的保安矿柱范围内，在回采过程中必定引起地 压活动，从而破坏措施井的服务年限，严重影响矿山生产安全。 3 F 2 断层岩溶较发育，具导水性，所以在回采该矿体过程中发生突水事 故的可能性比较大，回采前应对F 2 断层进行有效的安全预防措施。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 。1 分段空场采矿法安全回采研究现状 对厚大、低品位铁矿来说，由于安全、产量要求，在顶板围岩稳固的情况下， 采用效率比较高的分段凿岩分段出矿空场采矿法【5 ’7 】。 分段凿岩分段出矿采矿法是厚大矿体的高效采矿方法，具有开采强度大，劳 动生产率高等突出优势，在国内为金属矿山有着广泛的应用，统计资料表明，国 外使用该方法的金属矿山占5 5 ％，与国外金属矿山相比，国内矿山在采矿过程中 存在分段高度底、采切比大、生产能力低下等不足。为此国家将“高分段采矿技 术研究”作为“九五”科技攻关重大课题剐7 | 。 丁小飚等驯就分段空场法采场垂直矿体走向回采时损失贫化率偏高的难题， 通过采场结果参数优化，改善了损失、化率过高的技术经济指标，为矿山取得了 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 较好的经济效益。 马建军、叶义华等【l9 】就大冶铁矿缓倾斜挂帮矿开采方法的研究采用改进型分 段空场法降低了该矿块损失、贫化率。并且使矿块生产的安全性得到很大的提高， 同时对改进型分段空场法在该矿广泛实施。 刘伟、任凤玉等l l9 j 就樱花铁矿多空区矿体采矿方法进行深入研究，并对该矿 山采空区进行了详细的分析，确定了合理的开采顺序，以分段空场法为主，从而 提高了矿石回收率，同时使矿山回采安全条件有了保证，并保证了矿山服务年限。 芬兰范马拉镍矿根据矿体特征，采用垂直矿体走向的分段空场法，采用高分 段、大间距的结构参数，充分发挥了无轨设备的生产能力，为使矿石贫化率减少 到最低限度，在矿房的顶板上安设钢绳锚索，防止爆破震动震落顶板废石，效果 较为明显，同时保证了出矿设备暴露在空区时的安全。 意大利马苏阿铅锌矿采用遥控铲运机出矿的分段空场法，分段高度2 0 m ，分 段巷道横断面2 0m 2 ，效率达到5 5 0 t ／d ，当采场接近采完时，出矿横巷的眉线往 往被破坏，但采场内还残留很多矿石，运用遥控铲运机出矿，既能保证人员安全， 又能大大降低矿石损失。 1 ．2 ．2 采场结构关键参数研究现状 目前随着金属矿山开采规模的扩大和开采难度的增加，采矿方法选择、采场 结构参数优化研究以及采场稳定性研究已经成为当今一个重要课题【2 ⋯，采场结构 参数研究决定了矿山生产能力、矿山规模等已经成为采矿工艺研究过程中一个核 心的要素。采用传统的经验类比法已经不再适用于采矿方法优选和采场结构参数 优化，为了保证矿山整体安全，在采场稳定的条件下最大限度的提高矿山生产效 率，使矿山可持续发展得到保证，必须进行定量计算和分析来实现采矿决策科学 化。近年来由于数学方法和计算机技术的飞速发展，大型计算机和各种数值分析 方法的不断出现，为采场结构参数定量计算和分析，通过定量的分析、比较，使 采场结构参数、回采顺序以及采场地压管理等方面得到优化，为实现矿山地压稳 定提供有力支持[ 2 2 - 2 4 J 。 从2 0 世纪5 0 年代开始就有了数值方法搿j 对岩体工程进行计算分析，最初应 用比较广泛的是有限差分法，在有限单元法之前，有限差分法是岩体工程开挖过 程中的主要方法，有限差分法中的快速拉格朗日分析程序在岩体开挖过程中得到 快速发展。有限单元法1 2 5 J 是由M ．J ．T u m e r 和R ．W ．C l o u 曲在1 9 5 6 年提出，1 9 6 0 年，C l o u g h 又利用更先进的三角单元求解了平面应力问题。 1 9 6 5 年，O ．C ．Z i e n k i e w i e z 将有限单元法用于以变分原理为基础的问题1 2 7 ‘2 戤， 2 0 世纪6 0 年代以来随着计算机技术的飞速发展，有限单元法借助计算机技术的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 强大功能也得到了飞速发展，并在岩体开挖过程中得到广泛的应用。有限元法主 要研究的是岩体破坏后的特性，能分析岩体开挖各个阶段的应力、应变变化情况， 其核心思想是离散化，就是将无限自由度转化为有限个自由度来求解，通过计算 机强大的求解数学方程功能求出有限自由度的解，理论证明，有限单元法求解单 元足够小的话，其所得到的解无限的接近真实值。当然只是靠模拟是不行的，研 究人员通过模拟结果与现场监测结果相互验证过程中进行修正，以得到工程实践 中开挖的可靠性。 边界元法又称边界积分法，是上世纪7 0 年代开始兴起的数值分析方法，它 属于连续介质积分法，S ．L ．C r o u c h 首先将该方法应用到岩体开挖工程中。它主要 用于线弹性静力学条件下的积分问题，在围岩应力、应变的计算、岩土和结构作 用以及岩土动力问题中有着广泛的应用，由于其技术分析、计算过程中数据少、 计算时间短精度高等特点，在解决无线问题中比较理想1 2 邺’l 。 离散单元法[ 3 4 - 3 8 】由C u n d a l l 等人于1 9 7 1 年提出，是不连续介质的分析方法， 它能真实的求出区域内动态、大位移、边坡和围岩等方面的问题，目前相应的三 维程序F L A C 3 D 已经成功的应用到岩土、水电、石油等领域。 采场结构参数是保证回采采场稳定的关键技术指标，只有在回采中采用合理 的结构参数和有效的回采顺序，才能保证矿房安全回采，在采场结构方案研究过 程中，数值模拟已经被广泛应用到矿山矿块回采参数优化过程中，它通过分析计 算区域内顶板围岩、间柱的应力和位移变化规律，优化出最佳结构参数。 叶加冕【3 8 】等在塘子凹矿山某一矿段，采用F L A C 3 D 分析软件，通过对不同 采场结构参数和回采顺序进行分别建模，并进行了不同回采时期的优化比较，分 析出不同结构参数下各自应力、应变、围岩位移等特征，最终得到了最优采矿方 案，为后续采场施工设计及开采奠定了理论基础。 杨锡祥【3 9 l 等采用有限元法对三个试验采场分部开挖过程进行了模拟分析，采 用单个采场结构参数优化分析，通过对采场长、宽及采场高度进行了优化，得到 采场合理的结构参数，同时根据该优化结果讨论了不同矿房倾角等因素对采场稳 定性的影响。 郭立【4 0 】等通过有限元数值模拟软件，对冬瓜山矿床开采顺序进行了分析，根 据冬瓜山岩体情况，建立区域计算模型，对该矿床几种不同开采顺序进行了分析， 从模拟计算结果得出，冬瓜山从战略上应提出合理的地压控制方法，另外随着开 采的逐步推进，围岩应力、应变程度会加大，因此提出在回采过程中密切关注地 压变化情况，以保证矿山安全生产。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．2 ．3 采动过程中对临近措施井影响研究现状 随着对开采影响下岩体移动、变形规律研究的不断深入，以及计算机及计算 软件的飞速发展，近年来涌现出了许多优秀的分析方法。 张翠英f 4 2 】等人采用的基于M a p X 的概率积分法预计模型就采用概率积分法 预计的下沉盆地边缘区收敛过快问题，提出采用边缘修正方法予以改进，并利用 M a p X 控件实现了地表移动瓮地预计下沉曲线的边界修正。 李春雷1 4 3 J 等人将M S D A S ．G I S 应用于金属矿山开采沉陷预测中。将概率积 分法和组件技术开发的M S D A S ．G I S 系统应用于采用无底柱分段崩落法的金属 矿山中。通过G I S 建模全面反映矿区的三维地理、地质信息及其内在属性。利用 G I S 强大的空间分析和图形显示功能对预测结果进行分析和处理，并直观地反映 出开采沉陷对周围环境的影响程度及范围。 郭建军、宋扬f 4 3 J 等通过数值模拟方法对山东招金矿山井筒安全极限值以及各 中段回采顺序进行了优化研究，模拟了采场开挖过程中井筒的应力、位移变化情 况，在充填采矿过程中为正确制定地压管理措施提供了可靠依据，从而保证了回 采过程中井筒不被破坏，为矿山安全生产提供了科学判据。 1 ．2 ．4 爆破震动对邻近断层影响研究现状 地下采矿过程中，邻近成矿断层对矿山安全回采有着严重的制约作用，断层 与回采矿体之间必须设置一定厚度的隔离矿柱，为保证回采时的安全，就应对隔 离矿柱的厚度进行必要的研究，选择合适的矿柱厚度既能保证矿体安全回采又能 降低矿石损失率。 爆破震动对断层周围扰动的动力学问题已经成为目前地下采矿工程不可忽 视的难题，含水断层在受到外界扰动瞬间失稳破坏时，涌水会瞬间淹没整个中段 甚至整个系统，造成的损失无法估量，由于断层这一特殊介质的复杂性，其不能 满足于普通的定性描述，而是要通过定量分析得出具有指导矿山安全的结论。因 此，做好邻近断层爆破震动的动力危险性分析，对于解决矿山安全生产问题具有 中亚指导意义。 戚伟【4 5 】通过数值模拟研究断层冲击地压的动力学机理，利用有限元软件模拟 开挖过程中应力、应变和能量的变化来分析断层的冲击地压破坏情况，当断层处 应力达到围岩的极限强度时就会发生断层冲击地压的危险。 潘岳等} 4 6 】采用M i s e s 增量理论，将均匀围压下矿井断层冲击地压的突变理论 分析推广到非均匀围压下的断层冲击分析，得到非均匀围压下的断层失稳的弹性 能量释放表达式，并对于断层失稳原因进行了定量分析。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．3 主要研究内容 本文以福建马坑矿业有限公司马坑铁矿4 块段 2 2 8 m 以上厚大矿体为研究 对象，通过现场调研和资料收集，对该矿段开采技术条件进行分析，采用模糊数 学与层次分析法相结合的综合分析法【4 7 ’”】优化采矿方法，针对马坑铁矿急需四块 段见矿这样特殊情况，同时借鉴国内外类似矿山成功经验，最终确定了一种安全、 高效、合理的采矿方法，以提高矿山生产能力，满足该矿年度计划生产任务。根 据拟采用的采矿方法，应用功能强大的A N S Y S 、F L A C3 D 数值模拟软件对采场 结构参数、炮孔、采矿开挖对立井的影响等进行优化研究，根据矿山实际情况， 确定了合理的采场结构参数。具体研究内容如下。 图1 - 2 主要技术路线 1 通过对矿山现场调查、取样，进行矿岩物理力学性质试验，然后对实 验结果进行岩石力学参数折减，为采矿方法选择提供依据； 2 针对矿山实际情况，运用层次分析法和模糊数学的基本原理对多种采 矿方案进行综合评判优选，优选出生产能力大、安全、经济、高效的采矿方法； 3 运用F L A C 3 D 对 2 2 8 m 以上矿体不同开采方案回采过程、回采顺序进 行模拟，选出能保证矿房开挖过程中采场稳定性的结构参数及合理的回采顺序； 4 数值模拟研究 2 2 8 m 以上矿体开采过程中开挖对1 撑措施井井筒的影响， 研究过程主要运用数值计算软件F L A C 3 D 数值模拟，通过分析模拟结果得出矿 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 体开挖对井筒的影响情况； 5 采场爆破对邻近F 2 断层安全影响研究。 1 ．4 技术研究路线 根据研究计划，本文将综合运用现场调研、类比分析、方案优化、方案设计 及理论分析等手段开展攻关研究，主要技术路线如如图1 ．2 。 1 ．5 本章小结 本章从马坑铁矿缓倾斜厚大矿体回采研究的目的和意义出发，着重分析了目 前缓倾斜厚大矿体的国内外研究现状，从而确定了本论文的研究内容及技术路 线。 7 中南大学硕士学位论文第二章地质概况及矿岩力学参数试验研究 第二章地质概况及矿岩力学参数试验研究 2 ．1 矿区地质 该矿区位于龙岩市南部1 4 千米处。长约4 5 0 0 m ，宽1 1 5 0 m 左右，矿区划为 中部、西部、东部三个矿段。 2 ．1 ．1 地层 在勘探过程中对马坑铁矿矿石、围岩进行划分，矿区地层见表2 1 。 表2 - 1 矿区地层岩性一览表 2 ．1 ．2 构造 矿区构造位于南华褶皱带，东西坳陷带东侧。 矿区构造形式以褶皱构造为主，断裂构造为辅。 1 褶皱构造 中矿段是褶皱形成的“小背斜”构造，东矿段是小向斜构造，褶皱幅度相对 来说比较大，由于其构造规模比较大，对矿体产状是有很大的干扰，严重影响矿 体安全回采。 2