深部磷矿非爆连续开采理论与工艺研究.pdf

中图分类号 U DC 博士学位论文 学校代码 Q 5 圣3 密级 公珏 深部磷矿非爆连续开采理论与工艺研究 N o n E X p l o s i V eC o n t i n u o u sM i n i n gT h e o 巧a n d T e c h n o l o g yR e s e a r c hi nD e e pP h o s p h a t eM i n e 作者姓名 学科专业 学院 指导教师 姚金蕊 采矿工程 资源与安全工程学院 李夕兵教授 一一圳一一一 中南大学 2O13 年3 月 万方数据 ㈣圳⋯洲⋯Ⅲ㈣Ⅷ川⋯舢l Y 2 6 8 5 3 8 7 N O N ．E X P L O S I V EC O N T I N U O U S Ⅳ田N I N GT H E O R YA N D T E C H N O L O G YR E S E A R C HI ND E E PP H O S P H A T E Ⅳ眦 Ad i s s e r t a t i o ns u b I l l i 讹di 1 1M 舢m e n to ft l l er e q 妇m e n t s f o r t l l e 鲫哪do f t l l ed e 铲e e D O C T O R0 FP H I L O S O P H Y 矗．o m C E N T RA I ，S O U T HU N 【V E R S I T Y b y Y A OJ 腿I Ⅱ s u p e r v i s e db y P r o f e s s o rL I ⅪB I N G S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f ．e t yE n g i n e e r i I l g ， C e m r a lS o u mU 1 1 i V e r s i 劬C h a n g s h a410 0 8 3 ，P ．R ．C m n a M a r c h ，2 0 1 3 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，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教育机构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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名 ，日期2 吐年卫月丛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全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并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名娅丝老_ 日期址年丛月么日 万方数据 博士学位论文摘要 深部磷矿非爆连续开采理论与工艺研究 摘要矿产资源的安全、高效开采是矿山企业竭力追求的。随着机械 设备、信息技术的不断发展，矿产资源开采的效率也在不断提高，尤 其对地下开采矿山来说，机械装备水平直接决定了采矿效率。因此， 如何利用先进的机械设备、信息技术等实现矿山连续开采进而提高采 矿效率一直以来都是研究的焦点。尤其在深部资源的开采环境中，如 果能研制成功的落矿机械设备，利用深部高应力状态，采取较小的机 械扰动致使破岩，然后与先进的装载、运输设备配套使用，实现全机 械化非爆连续开采，这样不仅可以实现高效连续开采，而且能降低生 产事故率，实现安全生产。鉴于此，本文主要研究内容如下 对高应力硬岩的致裂机理进行深入研究，分析深部开采中高应力 硬岩的动力学问题以及实际工程应用过程中的机械破岩原理。对深部 岩体开挖后围岩在卸载状况下的破坏模式及规律进行理论分析和数 值模拟，为深部诱导巷道存在条件下非爆连续开采提供理论支撑。 针对开磷马路坪矿体特征及悬臂式掘进机的相关参数，探讨适用 于悬臂式掘进机开采的开拓方案，分析悬臂式掘进机开采的回采特 性，确定了回采进路断面和合理的开挖方向，设计适用于悬臂式掘进 机开采的采矿方法。 对开挖诱导巷道后高帮矿体在卸载作用下的破碎范围进行监测 和质量评价，为后续掘进机开采及卸载后围岩破碎的理论研究提供基 础数据。 通过设计合理的试验方案，分别开展悬臂式掘进机独头掘进现场 工业试验和诱导巷道高帮矿体切割现场工业试验，比较两种情况下掘 进效率及截齿损耗情况，找出诱导巷道对掘进机开挖的辅助作用。同 时，找出悬臂式掘进机开挖工作面粉尘分布规律，测定工作面粉尘浓 度并提出可行的防尘措施及通风方法。 关键词深部开采；非爆连续开采；悬臂式掘进机；连续采矿工艺 分类号 I I 万方数据 博士学位论文A B S T R A C T N o n E X p l o s i V eC o n t i n u o u sM i l l i n gT h e o 巧a n dT e c l l I l o l o g y R e s e a r c hi I lD e 印P h o s p h a t eM i n e A b s t r a c t S a 士ea n de m c l e n te x p l 0 1 t a t l o nO 士。m m e r a lr e s o u r c e s1 sw h a tm e m m i n ge m e 印r i s e sa r ep u r s u i n gf o r ．W i t l lt 1 1 ee V 0 1 u t i o no fm e c h a l l i c a l e q u i p m e n t ，i 1 1 f o m a t i o nt e c l l l l o l o g y ，t 1 1 ee 街c i e n c yo fm ee x p l o i t a t i o no f m i n e r a lr e s o u r c e sh a sa l s ob e e n i m p r o V e d ，e s p e c i a l l y f o rm o s e u n d e r 铲o u n dm i n e s ，t h ee f n c i e n c yo fm i n i l l gw a sd i r e c t l yd e t e m l i n e db y m a c h i n e 巧a n de q u i p m e n tl e V e l ．T h e r e f o r e ，m i n i n ge 衢c i e n c yi I n p r o V i n g b yu s i l l ga d V a n c e dm a c h i n e 巧a n de q u i p m e n t ，i n f o m a t i o nt e c h n o l o g yt o r e a l i z ec o n t i n u o u sm i n i n gh a sa l w a y sb e e nt 1 1 ef o c u so ft 1 1 er e s e a r c h ．A s t h er e s o u r c e sm i n i n gi nd e e pe n V i r o m e n t ，i fm es o p h i s t i c a t e de x c a V a t i o n m a c h m e 巧a n de q u i p m e n tw a su s e dt oe x e r r ts m a Um e c h a l l i c a ld i s t u r b a n c e f o rr o c km a s sb r e a l i n gb yu t i l i z m gh i 曲s t r e s ss t a t ei nd e 印，a n dt 1 1 e n jo i n t e db ya d V a l l c e dl o a d i I 玛，仃a I l s p o r te q u i p m e n tt o a c h i e V em U m e c h a n i z a t i o nn o n - e x p l o s i V ec o n t i n u o u sm i n i n g ．S om a tn o to n l yc a n a c h i e V e1 1 i g he f | E i c i e n c yc o n t i n u o u sm i n i n g ，b u ta l s or e d u c em er a t eo f i n d u s t r i a la c c i d e n t s ，a n de n s u r es a f ep r o d u c t i o n ．I nV i e wo ft l l i s ，t 1 1 em a i n c o n t e n t so ft 1 1 i sp 印e ra r ea sf 0 1 l o w s H i 曲s 仃e s sa n dh 锄．dr o c k 仔a c t u m gm e c h a n i s mw a ss t u d i e d ，a n dm e d y n a m i cp r o b l e m so fh a r dr o c kmh i 曲s t r e s ss t a 『t e a sw e l la sp r a C t i c a l e n g i n e e m g 印p l i c a t i o n sm m e c h a n i c a lr o c kb r e 描n gp r i l l c i p l ew e r ea l s o a n a l y z e d ．E x c a v a t i o nf a i l u r em o d e s 趾dl a w so fm es 岍o u n d i n gr o c ki n t | 1 e u n l o a d i n g c o n d i t i o ni n d e e p w e r em e o r e t i c a l l ya n dn u m e r i c a l l y s i m u l a t e dt op r o V i d et h e o r e t i c a l s u p p o r tf o rn o n - e x p l o s i V ec o n t i n u o u s m i n i n ga sm ei n d u c e dr o a d w a ye x i s t e d ． D e V e l o p m e n tS c h e m eo fr o a m e a d e rm i l l i n gf o rK a i l i nM a l u p i n g w a sd i s c u s s e dc o n s i d e r i n go r e b o d yc h a u r a c t e r i s t i c sa 1 1 dt 1 1 er e l e V 觚t p a r a m e t e r so fm er o a e l l l e a d e r ．R o a d h e a d e rm i n i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r e a n a l y z e d ，a n dt 1 1 ec r o s s - s e c t i o no fm i n i l l ge n 臼 a n c e ，r e a s o n a b l ee x c a v a t i o n d i r e c t i o n ，r o a d h e a d e rm i n i n gm e t h o dw e r ed e t e m i n e d ． B r o k e na r e ao fo r e b o d ys 1 - m 吣u n d i n gt 1 1 ee x c a V a t e dl a n e w a yu n d e r t h ec o n d i t i o no fu n l o a d i n gp r o c e s sw a sm o l l i t o r e da n de V a l u a t e d ，w h i c h w i np r o V i d et h eb a s i cd a t af o r f o l l o w i n g r o a d h e a d e rm i m n ga n d I I I 万方数据 博士学位论文 A B S T R A C T t h e o r e t i c a lb r o k e nr e s e a r c ho f u n l o a d e ds u r r o u n d i n gr o c k ． O n ．s i t ei n d u s 仃i a l1 a n e w a ve x c a v a t i o nt e s t sa | 1 di n c i s i o nt e s t so f o r e b o d ys u r r o u n d i n gt h ee x c a V a t e dl a n e w a yw e r ec a r r i e do u t ． T h e e x c a v a t i o ne 筒c i e n c ya n dc u t t e rw e 撕n gs t a l t u so ft h e s et w ok i n d so ft e s t s w e r ec o m p a r e dt of i n do u tt 1 1 ea s s i s t a n te f r e c t so fe X c a v a t e d1 a n e w a yt o r o a d h e a d e rm i n i n g ．A tm es a m et i m e ，d u s tc o n c e n t r a t i o no nr o a d h e a d e r w o r l i n gf a c ew a sm e a s u r e d ，d u s td i s t r i b u t i o n1 a ww a sd e d u c e d ，a n dm e d u s tp r e v e n t i o na n dv e n t i l a t i o nm e t h o d sw e r ep r o p o s e d ． K E Y W O R D S d e e pm i n i n g ；n o n - e x p l o s i V ec o n t i n u o u sm i n i n g ；b o o m r o a d h e a d e r ；c o n t i n u o u sm i n i n gt e c h n i c s C l a s s i f i c a t i o n Ⅳ 万方数据 博士学位论文＼目录 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I A b s 仃a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状及发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1 深部岩体致裂机理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．2 硬岩矿山非爆开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 本文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 深部开采中高应力硬岩致裂机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 深部硬岩开采的动力学现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．1 深部金属矿岩的高地应力赋存条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 ．2 深部金属矿山的硬岩岩性和储能特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 ．3 硬岩深部开采工艺的发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 ．4 硬岩深部开采的动静组合受力特征及其力学解释⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．2 深部硬岩开采的动力学问题及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．1 硬岩深部开采中的岩爆与开采系统扰动⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．2 ．2 深部开采中爆破引发的矿震及巷道失稳现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．2 ．3 高应力硬岩开挖中的能量释放与有序调控⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．3 机械破岩方法及机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．3 ．1 机械破岩方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．3 ．2 机械破岩机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 开挖卸载下岩体的能量演化与应力分布研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．1 开挖卸载强度准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．1 ．1 莫尔．库仑 M o n C o u l o m b 准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．1 ．2 霍克．布朗 H o e k ．B r o 、Ⅳn 准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 3 ．1 ．3 格里菲斯 G r i m t h 准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．2 开挖扰动下高应力岩体的波动机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．2 ．1 卸载的波动作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．2 ．2 卸载路径下产生的卸载波形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 V 万方数据 博士学位论文 目录 3 ．3 开挖扰动岩体能量演化与应力重分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．3 ．1 颗粒流基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．3 ．2 模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．3 ．3 开挖扰动能量演化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 3 ．3 ．4 开挖扰动应力重分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 臂式掘进机连续开采工艺与技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 4 ．1 研究区工程背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 4 ．2 悬臂式掘进机采矿矿床开拓方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．2 ．1 斜井开拓⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．2 ．2 斜坡道开拓⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．3 基于悬臂式掘进机切割采矿的回采特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．3 ．1 悬臂式掘进机回采的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 4 ．3 ．2 回采进路断面的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．3 ．3 矿体倾角与矿石人为损失贫化间的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．4 基于数值模拟的开挖方向研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 4 ．4 ．1 矿体的赋存参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 4 ．4 ．2 开挖方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 4 ．5 基于马路坪悬臂式掘进机试验矿体的采矿方法设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 4 ．5 ．1 回采方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 4 ．5 ．2 采准方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 4 ．5 ．3 采矿方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 4 ．5 ．4 回采通风及出矿⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 4 ．5 ．5 采场支护方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 4 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 4 5 导巷道高帮矿体破碎监测及质量评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 5 ．1 诱导巷道高帮矿体松动圈监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 5 ．1 ．1 悬臂式掘进机试验矿段地质条件及地应力状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 5 ．1 ．2 监测方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 5 ．1 ．3 诱导巷道高帮矿体松动圈监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 5 ．2 诱导巷道顶板沉降监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 5 ．3 诱导巷道地应力变化测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 3 5 ．4 诱导巷道高帮矿体节理裂隙调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 6 5 ．4 ．1 节理裂隙的描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 7 V I 万方数据 博士学位论文目录 5 ．4 ．2 节理裂隙调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 8 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 6 臂式掘进机现场工业试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 6 ．1悬臂式掘进机的性能及作业方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 6 ．1 ．1 悬臂式掘进机的性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 2 6 ．1 ．2E B Z l 6 0 T Y 悬臂式掘进机的常规作业步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 4 6 ．2 悬臂式掘进机独头巷道掘进试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 5 6 ．2 ．1 试验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 5 6 ．2 ．2 切割情况及试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 7 6 ．3 悬臂式掘进机切割诱导巷道高帮矿体试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10 8 6 ．3 ．1 试验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 8 6 ．3 ．2 切割情况及试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 0 6 ．4 两种掘进方式对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 11 6 ．4 ．1 掘进效率对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 l 6 ．4 ．2 截齿损耗对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 7 7 悬臂式掘进机开采的通风防尘措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 9 7 ．1 机掘巷道工作面粉尘分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 19 7 ．2 悬臂式掘进机工作面粉尘实测及防尘技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 0 7 ．2 ．1 工作面粉尘测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 0 7 ．2 ．2 防尘技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 0 7 ．3 通风方法的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 1 7 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 4 8 全文结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 9 攻读博士学位期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 0 参加的科研项目、获得奖励⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 1 V I I 万方数据 博士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 引言 矿产资源的安全、高效开采是矿山企业竭力追求的。从安全的角度来说，在 做好安全防范措施的同时着力提高矿山企业的机械化水平将会大大减少安全事 故的发生。从高效的角度来说，不仅要依靠机械设备、信息技术来提高采矿效率， 而且也要从整个采矿工艺流程上实现连续、高效开采，当然，企业的管理水平也 是决定采矿效率的关键因素。随着机械设备、信息技术的不断发展，矿产资源开 采的效率也在不断提高，尤其对地下开采矿山来说，机械装备水平直接决定了采 矿效率。因此，如何利用机械设备、信息技术等实现矿山连续开采进而提高采矿 效率一直以来都是研究的焦点。 矿产资源常规的采掘方式是钻爆法，无论是地下矿山还是露天矿山，尤其是 非煤矿山，都普遍采用凿岩爆破的开采方式，在矿产资源的开采历史中，钻爆法 在逐步证明其优越性，并且，随着凿岩设备和炸药发展，更是体现了钻爆法无可 撼动的地位，到目前为止，在矿山资源开采中还没有哪种采掘方式能够取代钻爆 法。随着浅部资源的枯竭，矿山逐步对深部资源进行开采，众所周知，深部岩体 的高应力环境严重威胁着矿山的安全生产，然而，是否可以利用深部岩体高应力 的特点来减少用于岩体破碎的能量，其实，在高应力的条件下，合理的施加较小 的扰动就会得到较好的破碎效果，这方面的研究课题在香山1 7 5 次科学会议上就 提出来了【l 圳。在深部岩体的高应力环境中，在允许的条件下 这里允许的条件 不仅包括围岩的状况、地质情况，还包括矿体的破碎程度、赋存状况等 可以用 机械破碎的方法来代替钻爆法进行采掘，如果后续的采矿工艺都随着机械破碎连 续进行，我们称这种开采方式为非爆连续开采。一般情况下，非煤矿山的连续采 矿还是一种基于爆破的广义上的连续开采方式【5 】，它是通过爆破一次回采，有机 组合各采矿工序和高效率的采、装、运设备组成的采矿系统，形成连续采矿系统， 从而实现规模化开采。在此我们研究的非爆连续开采理论及工艺是一种真正意义 上的连续采矿，采用合适的掘进机或破碎机等机械设备取代钻爆法进行落矿，然 后结合无轨设备进行装运，从而实现从落矿到装载再到搬运甚至包括后续充填工 序等的连续开展。 钻爆和机械破岩两种方式各有优缺点。对于钻爆技术来说钻爆具有作业准 备快、对岩层适应性强、移动灵活、掘进装备成本较低、对技术故障和遇到地质 断层较容易处理等优点，同时也有掘进速度低、难以组织多工序交叉作业、各工 序技术水平参差不齐、产生超爆、有爆破冲击波和炮眼危害等缺点。对于机械破 万方数据 博士学位论文1 绪论 岩来说机械破岩具有掘进速度和经济效益高、岩层整体性不受破坏、改善支护 条件、事故率低等优点，同时也有机械设备昂贵 常需附加通风除尘、中间运输 工具以及后续设备的投资，还可能会根据现场情况改变机械设计方案等 、准备 工作量大 运输前的拆卸、巷道中的运输以及安装等 、设备笨重庞大、移动及 转弯不便、刀具耗损严重、设备利用率低 即纯掘进时间占总时间的比例，总时 间包括安装、移动等时间 等缺点【6 J 。可以说，两种破岩方式各有优势，由于钻 爆技术的灵活性及炸药性能的逐步提高，目前国内非煤矿山基本上都采用钻爆的 方式进行开采，还没有哪个矿山能够实现非爆连续开采，对矿山企业来说，经济 效益是首要考虑的目标，如果采用机械破岩的方式造成管理混乱、成本提高，矿 山企业当然要选择钻爆技术进行开采，当然，这也与目前没有一款能适用的落矿 机械设备有关。然而，正如前面提到，在深部资源的开采环境中，利用深部高应 力状态，采取较小的扰动致使破岩，无疑是非常理想的破岩方式。此外，研制成 功可行的落矿机械设备，然后与先进的装载、运输设备配套使用，不仅可以增加 产能、提高经济效益，实现全机械化开采，还可以降低事故率，实现安全生产。 对于磷矿石来说，随着浅部磷矿资源的枯竭，深部磷资源开采是磷矿业今后 发展的必然趋势，而深部磷资源呈现出如下特点 1 沉积型磷块岩 胶磷矿 居多，水平或似水平层状矿床约占全国总储量 的8 5 ％，而地下开采矿山又约占7 0 ％左右； 2 中低品位矿石居多，多数磷矿石的平均品位为2 0 ％～2 5 ％； 3 磷矿石及围岩强度不是太高，有利于非爆连续开采的实施； 3 深部资源所处的环境比较复杂，显著呈现出了高温、高应力、高井深、 高岩溶水压和采矿活动扰动的特点，致使岩体大变形失稳、岩爆、矿震、热害、 突水、提升故障等深部灾害频繁高发。 上述显著属性也为磷矿石非爆连续开采提供了便利，充分利用深部磷矿资源 高应力岩石诱导致裂的特点和磷矿多为水平或似水平矿体的赋存条件，发展处一 套新的开采流程，是未来深部磷矿开采走向无人智能化采矿的基础，具有极为广 阔的应用前景。 基于上述讨论，本文依据贵州开磷集团的实际情况，对非爆连续开采理论及 工艺进行研究，一方面从理论上研究在高应力环境下小扰动的破岩机理，另一方 面对连续开采工艺 包括开拓、通风、装运等工艺 进行研究，以期为深部磷矿 资源开采提供产能好、经济效益高的全新的采掘方式，同时也为其他矿山实现非 爆连续开采提供借鉴。 2 万方数据 博士学位论文1 绪论 1 ．2 国内外研究现状及发展趋势 1 ．2 ．1 深部岩体致裂机理研究现状 深部岩体处于高地应力和构造应力环境，此高应力环境是深部矿床安全开采 的屏障，但随着浅部资源的枯竭，矿产资源的开发必将走向深部开采，这就使我 们面临着在安全开采的前提下如何更有效的使深部岩体致裂的问题，研究岩体在 初始高应力作用下再施加动载荷 诸如爆破、冲击等作用 后岩体的致裂机理， 将有助于深部矿床的高效开采。此外，在深部岩体中开挖巷道后，开挖过程中的 爆破作用及开挖空间应力释放致使开挖巷道周围岩体产生松动圈，且加剧了周围 岩体中节理、裂隙的萌生和扩展，我们也把这种致裂方式称为诱导致裂，如果巷 道在矿体中开挖，这无疑会对进一步矿体回采是非常有利的。因此，深部岩体致 裂及诱导致裂的研究对深部矿体开采有重要意义，尤其是诱导致裂的研究，对掘 进机连续高效开采是至关重要的，这也是本文重点关注的问题。 1 深部岩体致裂机理研究现状 深部岩体的显著特点是高地应力环境，在初始静应力存在的条件下，通过施 加一定的扰动载荷而使岩体破裂，这就涉及到岩体在静载荷和动载荷同时作用下 破坏特性的研究，这是一个崭新的研究课题，自香山1 7 5 次科学会议提出后，对 该问题的研究取得了较大的进展。本人所在课题组成员经过多年研究，相继研制 了不同的试验系统，对这一科学问题进行了深入研究首先研制了对凿岩刀具同 时施加可选竖向静压、竖向冲击动载和水平切削力的冲击破岩实验系统，并基于 这一装置进行了大量破岩实验，得到了不同静压和冲击能下的破岩效果[ 7 - 14 1 ，这 为本文掘进机切割试验提供了重要的研究基础；其次，研制了静压与微扰动试验 系统，通过大量的实验分析进一步研究了静压力下岩石在微扰动后的破坏形式 【l5 ‘1 6 J ；此外，还研制了围压和强冲击载荷条件下的实验系统，通过大量实验研究， 为深部岩体爆破开挖提供了重要的理论依据【l7 。1 9 1 。通过多年研究，我们对深部岩 体开挖有了更进一步的认识，也为深部岩体致裂机理提供了理论研究基础。 2 深部岩体诱导致裂机理研究现状 矿体开挖过程会伴随着原岩地应力状态变化、转移和重新分布，及原矿 岩 体中贮存能量的变化、转移和重新分布，而深部硬岩开采中出现的一些现有理论 无法很好解释严重影响工程施工和资源高效回收的诸如掌子面附近围岩中出现 大范围岩体分区破裂化和岩爆事故随着开挖深度增加等现象，应该和卸荷或扰动 下深部高应力硬岩岩体中的能量转移和释放密切相关。由于对能量转移和释放缺 乏内部机理认识，更无法对这些能量进行利用和控制，致使它们以灾害的形式表 现出来，造成人员伤亡和经济损失。近年来，一些学者对高应力脆性岩石在动力 万方数据 博士学位论文1 绪论 扰动下力学特性和能量耗散规律展开了深入的研究，明确了在受压的状态下，再 受到特定幅值和持续时间的应力脉冲，能够更加有效地造成裂纹扩展，提高破碎 岩石的效果。深部矿山开采实践证明施工参数 巷道断面、炮孔布置、装药参 数 相同的条件下，深部巷道表现出更好的进尺和更理想的岩石破碎效果，这给 了我们重要的启示深部高应力硬岩在动力扰动和快速卸载条件下容易产生破 碎，在适当的诱导破裂工程和途径下，岩石内部储能可望转变成破岩的动力。 有学者对砂岩试样卸载围压后的试件损伤程度与卸载速率之间的关系进行 了研究【2 ⋯，研究表明在一定卸荷范围内，卸载速率增加，岩石越容易产生损伤， 如图1 ．1 ，同时，岩体在卸载后出现强度降低、变形增大等现象。这说明深部采 矿过程中，布设一些诱导工程，可以使岩体的强度弱化、内部节理扩展。 围压卸载速度／ 砌P a - s “ 图1 ．1 损伤变量D 与4 0 Ⅷa 围压卸载速率的关系 R ．s ．R e a d 观测了开挖巷道形成的松动圈及巷道周围形成的破坏斟2 1 1 ，如图 1 ．2 所示，说明巷道开挖卸载后对围岩稳定性产生了影响。可以预见高地应力条 件下，巷道开挖形成的松动圈及岩石破坏区范围将更大。 图1 ．2圆形开挖周边破坏区分布 以上研究对本文内容有重要的指导意义，根据上述研究结果，利用掘进机实 现深部矿床非爆连续开采可以充分利用深部高地应力条件，在矿体中开挖一些诱 4 万方数据 博士学位论文 1 绪论 导工程，使诱导工程周围矿体在爆破荷载和卸荷作用下预先致裂，为掘进机切割 提供有利条件，从而提高掘进效率、减小掘进机耗损，这也是本文将在后续章节 通过现场工业试验着重研究的内容。 1 ．2 ．2 硬岩矿山非爆开采研究现状 1 ．2 ．2 ．1 破岩方法研究现状【2 2 舶】 岩石破碎的方法主要有爆破法和机械破岩法。钻爆法综合效率较高，在破岩 工程中占有重要地位，但由于要使用炸药，这种常规的破岩方式对原岩及周围岩 体或工程有较大的扰动，此种扰动会造成支护成本的上升，同时，钻爆法工序较 多，实现自动化和机械化较困难，且岩体破碎块度不能得到准确控制，即使如此， 钻爆法目前还是最广泛应用的一种破岩方式。对机械破岩来说，由于机械化、自 动化水