基于DIMINE软件的矿柱回采设计研究.pdf

SerialNo . 502 February . 2011 现 代 矿 业 MORDEN M I N I NG 总第 502期 2011年 2月第 2期 李 宁 1986, 男, 硕士研究生, 410083湖南省长沙市。 基于 DI M I NE软件的矿柱回采设计研究 李 宁 1, 2, 3 王李管1 , 2 , 3 肖英才1, 2, 3 朱明海 1, 2, 3 汪 朝 1, 2, 3 1. 中南大学资源与安全工程学院; 2. 中南大学数字矿山研究中心; 3 . 长沙迪迈信息科技有限公司 摘 要 结合汤丹铜矿的具体工程实例, 总结矿柱回采的方法以及适用条件, 通过地压监测, 选 择合理的采场结构参数, 采用有效的顶板支护技术, 再运用 DI M I NE建立矿山各个工程实体三维可 视化模型, 并在此基础之上, 对此矿山进行了可视化矿柱回采方案设计, 成果为矿山实际生产起到 了指导作用。 关键词 DI M I NE; 实体模型; 矿柱回采; 地压监测 Research Of Pillaring RecoveryDesign Based On DI M INE Soft ware LiN ing 1, 2, 3 W ang L iguan 1, 2, 3 Xiao Y ingcai1, 2, 3 ZhuM inghai 1, 2, 3 W ang Zhao 1, 2, 3 1 . School ofResource and Safety Engineering ,Central South University; 2 . DigitalM ineResearch Center , Central SouthUniversity;3 . Changsha DigitalM ine Co. Ltd . Abstract Combinedw ith the specific exa mple ofTandan copperm ine ,su mmarize pillaring s and application conditions ,through the ground pressure monitoring ,selecting a reasonable structural pa rameters of the stope ,utilizing the effective roof support technology ,and create all the three di mensional visualizationmodel entities ofm ine project byDI M INE,and on this basis , m ake pillar visualization recy cling design ,the results have played a guiding role for the m ine actual production . Keywords DI M INE; Entity mode; l Ore pillar recycling; Ground pressure monitoring 汤丹铜矿矿体主要赋存于落雪组白云岩之中, 从下到上可分为 1 , 2, 3, 5矿体, 4矿体则赋存于 黑山组底部。在 1 , 2, 3, 4矿体两侧尚有一些小 矿体, 5 矿体则由若干零星小矿体组成。其规模形 态为矿体沿走向及倾向均有分枝、 复合、 膨缩现象, 厚度以中部最大, 向东西两侧逐渐变薄。 1 矿柱回采方法及适用条件 矿柱的采矿技术条件决定了矿柱回采方法。它 的主要影响因素有矿柱的稳定程度和周围状况, 矿 石的价值和品位, 矿柱的形状和大小, 矿体倾角, 围 岩稳固程度以及原有采矿方法结构和地表条件。 地表允许塌陷, 围岩和矿石稳固, 中等以下价值 矿石的矿床一般采用空场法回采, 采下的矿石多利 用原出矿巷道进行出矿。采空区不进行充填和支 护, 矿柱一般采用空场法进行回采。它具有回采工 艺简单, 强度大、 效率高和成本低等优点。但多数情 况下矿石的损失和贫化较大, 因为回采缓倾斜中厚 以下矿柱时, 顶板失去平衡而容易崩落, 受安全因素 和矿石在工作面运搬等作业条件限制, 只能回采部 分矿柱, 回采率不高, 矿石损失较大。 地表允许塌陷, 但围岩不够稳固, 矿房充填条件 下的这类矿柱多应用崩落法回采。当矿石价值较高 时, 采用分层崩落法进行回采。因此种方法由中深 孔凿岩代替浅孔凿岩, 生产能力大, 降低了施工人员 的劳动强度, 提高了工作效率。并且在矿体厚度较 大的情况下, 采用中深孔落矿不用再留矿柱减少矿 石损失, 提高矿石回收率, 能安全地进行回采作业。 暂留矿石条件下回采矿柱, 是指采用留矿法回 采时, 最终放矿以前进行矿柱回采。当矿柱应用大 量崩落回采, 如果它的上部为松散覆岩所盖, 其放矿 则与阶段崩落法相似, 矿石损失率和贫化率较大。 2 地压监测及顶板地压控制 2 . 1 地压监测 采场地压产生是因为开挖破坏了原岩应力状 态, 导致岩体中的应力重新分布和向开挖空间的位 移。在此过程中, 出现围岩的变形和破坏。因此监 测对地压的研究相当重要。光弹性应力计 简称光 应力计 作为一种监测矿岩体应力变化的方法, 具 有价格便宜、 观测方便的优点, 同时可以广泛的埋设 19 在巷道、 矿柱、 矿壁及采场内, 对矿岩体稳定性进行 长期监测。因此在金属矿山岩体应力变化监测中得 到了广泛的应用。 声发射特性与受力过程、 岩体破坏速率相关, 因 此可根据声发射各参数随时间的变化情况对岩体稳 定状态及安全程度做出预测预报。本研究采用以上 两种方法来监测地压的变化。 2 . 2 顶板地压控制 深埋地下的矿柱均受到矿山地压的作用, 为了 能安全有效的回采矿柱, 同时减少地压的显现, 可采 取以下措施进行地压的管理。 1根据顶板与矿体的相对稳定性而确定分层 回采的顺序。如果顶板相对来说比较稳定, 则先采 上层矿体, 后采下层矿体; 如果顶板是容易冒落的片 岩, 那么先采下层矿体, 后采上层矿体, 这样不稳固 顶板的暴露时间就会减少, 从而使得事故的发生率 降低。 2根据地压监测的结果, 结合地下工程数值 模拟软件进行分析, 选择合理的采场结构参数和采 场布置形式。 3采用合理有效的顶板支护技术。采取金属 网和锚杆联合支护, 保证回采矿柱的过程中顶板的 安全。同时, 二次支护的方式或者采用金属网加水 泥卷锚杆与矿柱联合支护方式来支护顶板, 经实践 证明是可靠的。 3 地质实体三维可视化模型构建 3 . 1 矿体模型的创建 矿体模型的建立是整个建模过程中最重要的部 分, 为矿柱三维可视化模型做准备。建立该铜矿矿 体模型, 主要步骤如下 将矿山提供的工程平剖面图 纸首先矢量化处理, 然后导入到 DI M I NE软件, 通过 连线框操作生成三维地质体模型。矿体三维模型见 图 1。 图 1 矿体三维模型 3 . 2 开拓工程模型的创建 开拓系统建立的过程, 对 1 650 , 1 770, 1 975 , 1 900 , 2 038 , 2 098 , 2 159 , 2 219 , 2 279 m 中段的开 拓运输及穿脉等巷道进行了处理, 并根据提供的各 中段实测巷道进行了核对, 最后创建开拓工程实体。 将各类中段平面图导入到 DI M I NE软件系统, 将需 要的轮廓线或中心线留下, 过滤其他不需要的线段, 设置各工段中心线的属性信息, 选择合适的断面参 数, 通过井巷工程中生成联通巷道的功能创建各中 段开拓系统实体。该铜矿各中段开拓系统见图 2 。 图 2 开拓系统三维模型 3 . 3 空区模型的创建 空区模型的建立是矿柱回采模型的关键一步, 根据该铜矿现状, 采空区模型的建立方法主要采用 CMS现场测量, 把测量获得的数据导入 DI M I NE, 通 过点云重建直接生成采空区。空区模型见图 3 。 图 3 CM S实测空区模型 3 . 4 矿柱模型的创建 矿柱模型的形成主要采用矿体模型与采空区模 型进行布尔运算、 把矿体与空区位置进行对比, 然后 根据实际情况进行裁减、 开挖。得到整个铜矿矿柱 的三维可视化模型是一个巨大而且复杂的工程, 必 须有精确的三维矿体模型和三维空区模型, 回采方 案的确定还必须有每一个采场中各个工程, 如 人行 通风井、 采准工程、 电耙道、 联络道等各种工程的三 维空间位置关系, 这样才能够确定合理的采场结构。 图 4 矿区主矿体矿柱三维模型 4 矿柱回采顺序及回采方案 4 . 1 矿柱回采顺序 为了安全回采汤丹铜矿采场当中的矿柱, 考虑 到整个矿山 2 038 m 中段以上开采时间长, 完全回 收所有矿柱的可能性极小, 所以把 2 038 m 中段顶 柱作为永久矿柱考虑, 放弃回收, 用它来保护整个矿 20 总第 502期 现代矿业 2011年 2月第 2期 山的矿柱回采的安全, 并起到隔离上部空区的作用。 总的矿柱回采顺序是先采上中段后采下中段, 先两 翼后中央。对于单个采场的矿柱, 一般来说先回采 顶柱, 然后对采场的点柱和间柱进行回采, 而底柱与 下中段采场的顶柱同时进行回采, 这样的矿柱回采 顺序对地压的控制起到良好的作用, 并且也有利于 生产的组织管理。 4 . 2 矿柱回采方案 4 . 2 . 1 沿走向的矿柱回采方案 沿走向布置的矿块中矿柱主要为间柱、 顶底柱、 采用两步骤回采的方法回采矿柱。考虑到间柱、 顶 柱的尺寸, 第一步先采用浅孔回采部分间柱、 采用深 孔回采部分顶柱; 第二步一次回采剩余的间柱、 顶 柱。这样回采可充分利用现有工程, 尽可能减少新 增工程布置量, 在间柱的联络道、 顶柱新增布置的凿 岩硐室中凿岩、 以空区为自由面崩落矿石, 同时在上 中段延伸的穿脉中凿岩, 采用深孔崩落上盘围岩充 填空区。 4 . 2 . 2 矿房暂留矿石的矿柱回采方案 1顶底柱回采。矿房直接回采到上阶段巷道 底板水平。如果对应的上阶段有底柱, 对于上阶段 的底柱回采, 可以自上阶段底柱一端开始按后退式 回采底柱。在每个漏斗间的矿柱中凿 2 4排炮孔, 孔的深度以不凿穿矿柱为原则。炮孔凿好以后, 自 矿柱一端向另一端逐段后退爆破。崩落的矿石经过 电耙耙入溜井进行出矿。对于顶柱回采, 可由矿房 直接回采, 采用和矿房中回采一致的方法、 设备、 管 理。崩落的矿石与下阶段采场中的矿石一起由下阶 段中的漏斗放出。 2间柱回采。在联络道中凿向上炮孔, 孔深 小于两个联络道之间的距离。因为矿柱宽度不大, 可利用天井和联络道作爆破补偿空间。爆破前, 天 井下部开掘好喇叭口和装好漏斗, 以便放矿。 4 . 2 . 3 处于空场条件下的矿柱回采方案 各中段呈梯形后退式回采, 各中段东沿、 西沿及 马柱硐由上而下, 向一翼或两翼后退式逐次回采顶、 壁柱和底柱, 上中段回采速度超前于下中段。对一 些孤立的空区可视情况采取封闭的方法。条件成熟 一个回采一个, 但是不要违背由上而下和后退式回 采这个顺序为原则。 借助于间柱中已有工程, 在间柱联络道中向上 凿浅孔, 将间柱两侧分别削弱两米厚, 在人行天井与 顶柱交接部分矿房的两侧开挖凿岩硐室, 在两侧的 凿岩硐室中分别向顶柱凿水平中深孔。以顶柱下的 空区为自由面, 一次崩落十米厚的顶柱, 间柱和顶柱 崩落下的矿石暂时留在空区中, 形成矿石垫层。对 剩余被削弱的间柱和顶柱, 在间柱和顶柱中布置中 深孔, 分别以间柱中的人行井、 联络道、 采空区为自 由面, 先崩落间柱后崩落顶底柱, 借助于矿房中的底 部结构进行出矿。矿柱第一步回采方案见图 5 , 第 二步回采方案见图 6 。 4 . 2 . 4 矿柱回采方案的确定 1对于矿房中暂留矿石的矿柱, 采用在上阶 段电耙道中回采上阶段底柱, 在矿房中采用和矿房 中回采一致的方法、 设备、 管理。崩落的矿石与下阶 段采场中的矿石一起由下阶段中的漏斗放出, 间柱 浅眼落矿的回采方法。 2对于相邻上部空区没有被废石充填, 并且 围岩坚固、 稳定, 仅有少量垮落或没有垮落的情况 下, 采用大量崩矿的方法回采间柱、下转第 36 页 21 李 宁 王李管等 基于 DI M I NE软件的矿柱回采设计研究 2011年 2月第 2期 道内的热舒适度。 图 3 风速为 5 m /s时数值模拟结果 3独头巷道压入式通风降温的速度场和温度 场有着密切的关系, 对比工况 1的图 2 d和工况 2 的图 3 d, 可知风速是影响巷道内温度场分布的一 个主要因素。 参 考 文 献 [ 1] 王海桥. 掘进工作面射流通风流场研究 [ J]. 煤炭学报, 1999 5 498501 . 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