矿体阶段开采顺序的选择及数值模拟.pdf

收稿日期 2005 - 03 -28 基金项目 国家自然科学基金资助项目 50474017; 50474018 作者简介 李元辉 1968- , 男, 山东莱州人, 东北大学副教授 第27卷第1期 2006 年 1 月 东北大学 学报自然科学版 Journal of Northeastern University Natural Science Vol27, No. 1 Jan.2 00 6 文章编号 1005 -3026 200601 -0088 -04 矿体阶段开采顺序的选择及数值模拟 李元辉1, 刘 炜2, 解世俊1 1. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110004; 2. 广西大学 资源与环境学院, 广西 南宁 530004 摘 要 利用 2D - 程序对深部矿体不同开采顺序的应力场和位移场进行数值模拟研究结果 表明, 采用上行式阶段开采顺序, 采场顶板破坏度、 位移值和垂直方向应力值均小于下行式开采, 在矿床开采末期, 地表的沉陷范围及各阶段顶板和边帮的位移均小于下行式开采因此, 采用上行 式阶段开采顺序有利于改善采场的稳定性及减轻或避免深部硬岩开采诱发的岩爆灾害, 从回采工 艺过程方面分析, 更有利于矿山实现的无废开采新技术, 具有显著的经济效益和社会价值 关 键 词 阶段开采顺序; 上行式开采; 无废开采; 岩爆 中图分类号 T D 85336 文献标识码 A 随着科学技术的迅速发展, 矿山的生产和决策 也发生了极大的变化, 保护土地, 减少环境污染, 科 学有效地开发矿产资源已成为今后重要的研究课 题[1]因此, 矿产资源的开发要改变传统的矿业开 发模式, 保证矿业可持续发展, 实现资源开发与环 境保护相统一, 是矿业工程未来发展的方向 1 阶段的开采顺序及比较 对于地下开采的矿山, 矿床的阶段开采顺序 有下行式开采和上行式开采两种方式 下行式阶 段开采顺序是指先采最上阶段的矿体, 然后逐阶 段地往下开采; 上行式阶段开采顺序则相反, 它是 先采下阶段的矿体, 然后逐阶段往上开采目前绝 大多数矿山采用下行式阶段开采顺序, 与此相比, 采用上行式开采有以下优点 由于一次开拓到经 济上最优和技术上可能的最大深度, 在已开拓的 最深水平进行回采, 同时, 在其上的 1 2 个水平 进行开拓和采准, 那么, 上部阶段产生的废石, 可 以通过废石溜井排放到下阶段已回采结束的采空 区中, 进行块石充填或块石尾砂胶结充填, 形成强 度较大的充填体, 实现废石不出坑由于从很大深 度上开始回采, 回采后的采空区又及时用强度较 大的充填料进行充填, 完全可以避免岩体发生大 规模的移动和整体破坏, 地表的破坏和塌陷可能 性极小, 某些井巷工程可以靠近矿体布置, 从而显 著地节省基建工程量和采准工程量; 同时, 由于应 力场的重新分布, 对减缓硬岩深部开采诱发的岩 爆灾害有积极作用[ 2 10] 我国矿山在阶段开采顺序中选取上行式的有 几个例子, 如凡口铅锌矿的深部矿体、 鸡冠嘴金矿 二期采区以及郭店铁矿顿丘矿床, 它们都是由于很 多方面不能适应下行式开采而采取上行式开采顺 序的这些矿山的实例表明 采用上行式阶段开采 顺序在经济效益和环境方面具有显著的优越性 2 研究方法及模拟条件 本文采用数值模拟方法分析采用不同阶段开 采顺序时, 采场围岩的应力和位移的分布状况以及 回采时的动态变化过程, 比较其围岩的稳定性采 用的 2D-程序是日本软脑会社针对岩土工程的应 用而开发的二维连续介质有限单元法计算程序 模拟选取的对象为某矿山深藏铜矿床的 号 矿体, 该矿体出露地表, 矿体倾角 75, 矿体深部 延伸至地表 1 000 m 以下, 矿体平均厚度为30m, 上盘为角闪斜长片麻岩, 下盘为黑云母斜长片麻 岩, 其矿岩物理力学参数见表 1 为了满足计算需要和保证计算精度, 模型尺 寸为所开挖范围的 5 倍[ 11,12]模拟方案如下 1 阶段开采顺序从上至下依次进行, 每次 一个阶段开挖和充填一次完成, 不设支护; 2 阶段开采顺序改为由下至上, 每次一个 阶段开挖和充填一次完成, 不设支护 模型共划分 680 个单元, 2 149 个节点数, 对 其边界条件采取位移约束 在端部采用 x 方向约 束, 在底部采用 y 方向约束在岩体破坏分析中 采用莫尔 -库仑 Mohr -Coumolb 塑性破坏准则 表 1 矿岩物理力学性质 Table 1 Mechanical properties 矿岩名称 普氏硬度 f 弹性模量 GPa 泊松比 内聚力 C MPa 内摩擦角 体重 tm- 3 单向抗压强度 MPa 抗拉强度 MPa 抗剪强度 MPa 角闪斜长片麻岩12 1476. 30. 2723. 950. 62. 8786. 38. 6336. 9 黑云母斜长片麻岩12 1461. 40. 2615. 248. 72. 8761. 17. 9633. 0 铜矿石10 1279. 80. 2918. 750. 83. 5099. 28. 3122. 8 3 模拟结果及其分析 对两种不同的回采顺序, 每个方案有多个开 挖和充填的工艺步骤, 这里主要给出一些关键步 骤 主要是开采末期 的应力场和破坏率的计算结 果, 如图 1 和图 2 图 1 开采末期 y等值线图 Fig.1 yisoline map during final mining a 下行式阶段开采顺序; b 上行式阶段开采顺序 图 2 开采末期破坏接近度图 Fig.2 Failure proximity during final mining a 下行式阶段开采顺序; b 上行式阶段开采顺序 由应力等值线图可以看出, 开挖后在靠近矿 体顶板部分主要表现为拉应力, 在浅部范围内, 采 用上行式开采时, 上盘产生压应力, 而下行式开采 出现拉应力, 说明采用下行式开采顺序矿岩稳定 89第 1 期 李元辉等矿体阶段开采顺序的选择及数值模拟 性差, 对地表影响范围较大 2D-程序对于破坏度的定义是 模拟出的 主应力圆 莫尔圆 的半径跟极限应力圆的半径之 比由破坏度的分布对比可知 在同一位置, 下 行式开采的破坏度均大于上行式这是由于下行 式开采过程中, 上部岩体的整体稳定性随着开挖 工程的延伸而不断受到破坏, 导致岩体强度降低, 因此, 在相同开采条件下, 采用上行式开采顺序对 矿岩稳定性的影响要优于下行式开采 由于矿山开采是一个动态过程, 本文根据每 个开采步骤的各个水平的最大垂直应力来分析不 同阶段开采顺序的岩体应力变化和开挖步骤的关 系, 如图 3 所示 图 3 不同开采顺序的岩体应力与开挖步骤关系 Fig. 3 The relation between rock stress and different excavation sequences a 下行式开采; b 上行式开采 从图 3 可知 无论采取哪种开采方式, 当开采 某个水平时, 在该水平上均产生应力集中, 随开挖 的进行, 应力逐渐降低, 这也就是所谓的卸压效 应, 与实际情况是吻合的; 两种开采顺序的各个动 态过程中 在前 5 个开挖步骤中, 可以看出上行式 开采时, 在接近地表的部分, 如- 100 m 水平 - 300 m 水平, 应力变化较小, 均在 10 MPa 以下; 而 采用下行式开采时, 相应的几个水平的应力值均 达到 20 MPa 以上说明采用上行式开采, 顶部水 平受到的扰动甚微, 只是在开采后期, 才发生较大 的应力波动, 这对安全生产和地表构筑物的稳定 性影响是非常有益的 岩体垂直位移的变化直接影响顶板的冒落和 地表沉陷这里列出不同开采顺序的各开采水平 的顶板及边帮的最大位移值, 如表 2 所示 表 2 两种开采顺序各个水平最大垂直位移 Table 2 Maximal vertical displacement at each and every mining levelscm 阶段 下行式开采 顶板侧帮 上行式开采 顶板侧帮 - 100 m 水平2. 52. 32. 42. 2 - 200 m 水平2. 84. 22. 81. 1 - 300 m 水平2. 85. 22. 75. 2 - 400 m 水平2. 75. 72. 75. 7 - 500 m 水平2. 65. 82. 55. 7 - 600 m 水平0. 55. 80. 65. 8 - 700 m 水平0. 65. 40. 45. 4 - 800 m 水平0. 22. 90. 22. 7 - 900 m 水平0. 33. 20. 53. 2 从模拟结果看, 采用上行式开采顺序, 顶板的 垂直位移除了在- 900m 水平大于下行式外, 其他 水平均小于下行式开采顺序, 在- 700 m 水平差值 最大; 从边帮的位移数值来看, 下行式开采顺序的 边帮位移值在 23 58 cm 之间, 上行式开采顺序 在11 58 cm 之间, 从每个相应开采水平对比来 看, 下行式的位移值均大于上行式, 在- 200 m 水 平差值最大由此可见, 采用下行式开采顺序, 开采 扰动范围大, 岩体变形大于上行式开采 4 结 论 1 由应力场变化可以看出, 无论是采取上 行式还是下行式阶段开采顺序, 矿床开挖后, 在采 空区和充填区都产生了应力降低区, 上下盘均有 不同程度的应力集中, 而采用上行式开采顺序, 开 采前期顶部水平所受扰动甚微, 只是在开采后期, 才发生较大的应力波动, 这对安全生产和地表构 筑物的稳定性影响是有益的 2 下行式开采引起地表的沉降范围及各阶 段顶板和边帮的位移均大于上行式开采, 说明在 开采期内, 采用下行式开采对地表的变形和破坏 影响较大 3 在开采深部硬岩金属矿床时, 采用上行 式阶段开采顺序, 可以改善采场的受力状态, 有利 于减轻或避免深部开采诱发的岩爆灾害 4 采用上行式阶段开采顺序, 有利于实现 废石不出坑, 降低深部开采的矿石成本, 取消地表 90东北大学学报 自然科学版 第 27 卷 废石场, 对实现矿床的无废开采具有重要意义 参考文献 [ 1 ]徐世年, 李志国井田的阶段开采顺序与环境保护[ J]中 国矿业, 1999, 8 9 31- 34 Xu S N, Li Z G. T he stage mining sequence of the well field and environmental protection[ J] . Chinese Mining Industry , 1999, 8 9 31- 34. [ 2 ]解世俊, 李元辉矿床地下开采的新工艺新技术[ J]中国 矿业, 1994, 3 3 14- 17 Xie S J, Li Y H. New technology of the underground mine [ J] . Chinese Mining Industry , 1994, 3 3 14- 17. [ 3 ]解世俊对红透山铜矿深部矿体采矿方法再探[ J]有色 矿冶, 1992, 4 2 31- 33 Xie S J. T he research of mining of deep ore body of Hongtoushan[ J] . Mining and Metallurgical of N onferrous Metal, 1992, 4 2 31- 33. [ 4 ]郭立, 马东霞深井开采的岩石力学研究及工程应用[ J] 矿冶工程, 2001, 21 3 12- 14 Guo L , M a D X.The study and application of rock mechanic of deep mining [ J] .Mining and Metallurgical Engineering, 2001, 21 3 12- 14. [ 5 ]张允真, 曹富新弹性力学及其有限元[ M]北京 中国铁 道出版社, 1983. 58- 59 Zhang Y Z, Cao F X. Elastic mechanics and f inite element [ M] . Beijing China Railway Press, 1983. 58- 59. [ 6 ]David J. Computer simulation of the movement of ore and waste in an underground mining pillar[ J] . T he Canadian Mining and Metallurgical , 1968, 67 2 854- 859. [ 7 ]Houstrulid W A.Underground mining s handbook [ M ] . Washington Society of Mining Engineers of AIM E, 1982. 543- 576. [ 8 ]Tang C A. Influence of heterogeneity on crack propagation modes in brittle rock[ J] .Chinese Journal of Geophysics, 2000, 43 1 116- 121. [ 9 ]Wittke W,Pierau B.Foundations for the design and construction of tunnel in swelling rock[ A] . Proceedings of the 4th International Congress on Rock Mechanics [ C] . Montreux AIME, 1979. 216- 219. [ 10]Singh S P. Burst energy release index [ J] . Rock Mechanics and Rock Engineering, 1988, 21 1 149- 155. [ 11]Gibowicz S J. Seismicity induced by mining[ J] . Advances in Geop hysics, 1990, 32 2 71- 74. [ 12]BlakeW,LeightonF.Microseismictechniquesf or monitoring the behavior of rock structures[M ] . San Diego Bumines B655, 1974. 325- 328. Selection and Numerical Simulation of Stepwise Mining Sequence LI Yuan -hui1, LI U Wei 2, XIE Shi -jun1 1. School of Resources 2. School of Resources overhead mining; no -waste mining; rockburst Received March 28, 2005 待发表文章 摘 要 预 报 基于 RBAC 的具有时空约束的工作流授权模型 徐洪学, 郭秀英, 刘永贤 结合具体工作流系统实例, 提出一个基于 RBAC 的具有时空约束的工作流授权模型 TSCWAM与传统的访问控制 授权模型不同, 该模型提出了时空权限的概念, 表示基于 RBAC 的工作流授权不仅受时间约束, 还受空间范围限制, 即被 授权者只能在某个时间段和空间范围内才能对某个任务执行某种操作, 从而既可以保证组成工作流的任务只能被属于 某个特定角色的用户执行, 又可以保证在授权流与工作流同步的基础上, 实现授权流与空间范围动态变化的相互协调 一种具有不完全信息的多指标决策方法 张 尧, 樊治平 针对指标权重信息和指标值信息都是不完全情形的多指标决策问题, 提出了一种决策分析方法首先对具有不完全 信息的多指标决策问题进行了数学描述; 然后给出了求解具有不完全信息的多指标决策问题的计算步骤, 其核心是通过 构建并求解二次规划模型, 得到指标权重和指标值, 进而可计算出方案的评价值, 相应地可得到所有方案的排序结果最 后通过给出一个算例说明了本文提出方法的实用性 91第 1 期 李元辉等矿体阶段开采顺序的选择及数值模拟