盘龙铅锌矿“三下”开采安全影响分析.pdf

第10卷第8期 2 0 2 0年8月 Vo l . 10 ,No . 8 Au g u st 00 有色金属工程 No n f er r o u s Met a l sEn g in eer in g doi 10・ ・ 3969/j. issn. 2095-1744. 2020. 08. 017 盘龙铅锌矿“三下”开采安全影响分析 郭明明】，李洁慧2,李华华】，程东旭1 1.长沙有色冶金设计研究院有限公司，长沙410019； 2湖南有色金属研究院，长沙410100 摘要盘龙铅锌矿地表有高速公路和帷幕，为协调好资源集约化利用和安全开采两者的矛盾,基于安全开采深度理论圈定保安矿 柱和确定最高回采标高;选择合理的充填采矿法，运用三维有限差分软件Fl a c3D建立“三下”开采模型，对开采过程进行模拟仿真，分析 开采后岩层移动变形，并根据相关规范来评判开采对高速公路和帷幕的安全影响’研究结果表明较传统法，安全开采深度理论圈定 保安矿柱可减少84.7的矿量;在保证充填质量、合理开采顺序及回采速度的前提下，开采不会影响高速公路和帷幕的安全’ 关键词安全开采深度理论；高速公路；帷幕三下”开采；Fl a c3D 中图分类号TD325；TD803 文献标志码A 文章编号2095-1744202008-0107-06 Safety Impact Analysis of “Three under” Mining for Panlong Lead-Zinc Mine GUO Min g min g1, LI Jie h u t ,LI Hu a h u a1, CHENG Do n g xu1 1. Ch a n g sh a En g in eer in g a n d Resea r c h In st it u t e Lt d . o f No n f er r o u s Met a l l u r g y, Ch a n g sh a 410019 , Ch in a ； 2.Hu n a n Re sea r c h In st it u t ef o r No n f er r o u s Met a 0s，Ch a n g s h a 410100，Ch in a AbstractTh es u r f a c e o f Pa n l o n g Le a d -Zin c Min e h a s a n expr ess wa y a n d a c u r t a in . Fir st l y，f o r t h e pu r po se o f c o o r d in a t in g t h ec o n t r a d ic t io n bet wee n in t en sive u t il iza t io n a n d sa f et y min in g o f r eso u r c e s，sa f et y min in g d ept h t h eo r ywa su se d t o d el in ea t et h esec u r it ypila r a n d d et er min ed t h eh ig h est st o pin g el eva t io n .Th en，r e a so n a bl ef ilin g min in g met h o d wa s sel ec t ed a n d Fl a c3D so f t wa r e wa s u s e d t o bu il d t h r e eu n d e r”min in g mo d el sa n d s imu l a t et h e min in g pr o c e ss.At l a st，st r a t a mo veme n t a n d d e f o r ma t io n a f t er min in g wer e a n a l yz ed a n d t h esa f et yimpa c t o f min in g o n expr esswa ya n d c u r t a in wer eeva l u a t ed a c c o r d in g t o r e l eva n t r e g u l a t io n s.Th er esea r c h r es u l t ssh o wt h a t sa f e t y min in g d ept h t h eo r y met h o d c a n r el ea se 84. 7 r eso u r c es qu a n t it y c o mpa r in g wit h t h e t r a d it io n a l met h o d , in t h e ma in wh il e,min in g wil l n o t a f f ec t t h e sa f et y o f expr esswa y a n d c u r t a in o n t h e pr emise o f en su r in g t h e f il l in g qu a l it y， r ea so n a bl e min in g sequ en c e a n d min in g speed . Key wordssa f e.y min in g d ep.h .h eo r y expr esswa y g r o u .in g c u r .a in.h r e e u n d e r”min in gFl a c3D 盘龙铅锌矿周边环境复杂，东部有高速公路和 大藤峡水利枢纽工程，属典型“三下”开采矿山。“三 下”开采将有可能引起地表塌陷，破坏建构筑物和 严重影响矿山的安全生产。为保证高速公路和大藤 峡水利枢纽工程的安全，需圈定保安矿柱，但由于盘 龙铅锌矿埋深〉1 000 O,如果按传统法1圈定保安 收稿日期收稿日期2020-3-23 基金项目国基金项目国家重点研发计划项目2016YFC0801600,2018YFC0604600 Fu n dNa .io n a l KeyResea r c h a n d Devel o pmen .Pr o jec .s2016YFC0801600，2018YFC0604600 作者简介作者简介郭明明1985-，男，硕士，高级工程师，研究方向主要为采矿工艺、数字化矿山。 引用格式引用格式郭明明，李，李洁慧，李华华，等，等盘龙铅锌矿“三下”幵采安全影响分析有色金属工程2020,108107-112. GUO Min g min gLIJieh u iLI Hu a h u aet a l .S a f e t yImpa c t An a l ysiso f “Th r ee u n d er” Min in g f o r Pa n l o n g Lea d -Zin c Min eJ.No n f er r o u s Met a l sEn g in eer in g 2020 108107-112Q 108有色金 属工程第10卷 矿柱，则压覆资源量太大，既浪费资源又制约矿山可 持续发展’ ，必须协 集约化利用和安 采两者的矛盾’ 高速公路和帷幕的压覆资源量，在传统 法基 . 采 ”理论来圈定压覆 . 用到“三下”开采 。李洁慧閃根据 “三带”基 来留 柱，池秀文等3 采用概率积分 、有限元数值模拟 来研究 采 ，张东杰等4利用临 体柱作用机 理来优化保安矿柱’ 外，为论证保安矿柱圈定的合理性，基于三维 有限差分软件Fl a c3D来分析“三下”开采对 高速 公路和帷幕的影响。数值模拟法因能很好地模拟地 质材料 极限或屈服极限时发生的破坏或 塑性流动的力学 等在工程 了 的应 用（6）,侯春来等7利用Fl a c3D对高速公路下开采的 降控制与预测研究，程立年等和曹文龙 等9利用Fl a c3D件模拟开采过程对 构筑物 的地表沉降规律。 1 工程概况 一方面，桂平至来宾高速公路从盘龙铅锌矿2〜8 号 间、呈 ，线路与 行。另一方面， 有黔江， 黔江河水渗 （灌％ 的水量、防止突水淹矿等灾难性事故及严 重 塌陷问题产生、降低 排水费用，在矿 2“4号 附近设置一条注浆帷幕；帷幕 采用双排注浆孔，排距3 m,各排 6 m,长约 1. 0 k m,幕底控制在一120 m标咼。 盘龙铅锌矿主矿体赋存于下泥盆统上伦白云岩 （D】sl）层间 的白 层间破碎带中，为隐伏矿 体。矿体形态主要为层状、似层状，矿体总体走 ， 东向，倾向340,平均倾角88,走向长2. 0 k m,最大 倾斜延伸1. 1 k m,赋存标高62-----1 140 o,平均厚 度 17. 99 o,平均品位 Pb iZn 4. 18，伴生 Ba S O4 18. 91 g /t。 体及 主要 白 ， 层 构、 层 陡、单斜构造。岩体质量等级好、中等完整、透水性 微透水，围岩分类以〜级为主，局部,级, f系数为7“9,遇水不软化，总体的稳定性 床属以碳酸盐 主、层 盐岩类、工程地质条 件 等类 开采方式为地下开采，生产能力为6 000 t /d （198万t /a）,开拓方式采用主、副竖井，中段高度 60 m,中段运输采用电机车方式，采矿方法主要为 大直 崩矿嗣 采 ，充填系 r 分级尾砂胶 2 保安矿柱的圈定 2.1保护对象及其保护带宽度保护对象及其保护带宽度 保 对 的桂 至来宾高速 路和 帷幕 根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与 压煤开采规程12017版）以及有色金属采矿设计规 范（GB 507712012）,高速公路和帷幕保护等级均 -级,保护带宽度取20 m。同时，根据公路 保 护条例（中华人民共和国国务院令593号，2011年 7月1日实施）第十七条的有 及“最大值”原 ⑵，高速公路保护带宽度取大值100 m。 -.- 金属矿山开采条件复杂，开采移动角主要与上覆 岩层岩性、矿体 、矿体开采 及厚度、采 法 与采空区处理方式、矿体围岩构造以及矿岩的流变特 性等 有关，要精确计算 采移动角不现实。 一 工程类比法和全苏矿山测量研究所推荐的 岩移参数 来 采移动角[10],盘龙铅锌矿 岩石移动角取值为上盘65。、下盘70。和走向方向65。。 2.3保安矿柱的圈定保安矿柱的圈定 根据选定的 移动角、高速公路和帷幕的平 面布置 及保护带宽度，圈定盘龙铅锌矿的保安 柱范 ， 1。 图1 矿柱立匯 Fig.1 Verticalfacescopeofsecuritypilar 第8期郭明明等盘龙铅锌矿“三下”开采安全影响分析1 0 9 由于盘龙铅锌矿矿体埋藏深，如果按照开采移 动界限划 体 边界来 保 柱，则压覆 量巨大。 2・ ・4安全开采深度及最高回采标高安全开采深度及最高回采标高 为最大限度回收矿产 、保护高速公路和帷 幕的 ，基 采 保 柱，确 高回采标高。 采 的合理确定是实现安全开采 的最关键问题，高速公路和帷幕均采用煤炭系统 熟的“三带/ 式来计算 采 叟 U，公式如下 H* h,hm，hd 式中h 保护层厚度，考虑井下地质与开采的 复杂性及硬岩性脆容易开裂等特点，取25 mh 冒落带高度，m；hd导水裂隙带高度，m。 hm ---h-------- m （ 1）c o s 式中h采幅垂直厚度，m,取未接顶高度 2. 0 m；矿体倾角，取88 ； 冒落矿岩自由松脱 的松散系数，取1. 4。 mh 丄 彳 hd 4.1h 133 士8 4 式中m矿体厚度，m 高速公路和帷幕安全开采深度和最高回采标高 计算结果见表1,其中高速公路根据强弱含水层界 限标高来确定最高回采标高，帷幕以幕底一12 0 m 标高来确定最高回采标高。 表1 安全开采深度计算表 Table 1 Calculation table of safety mining depth/m 12 Expl o r a t io n l in e mhmhdU 2 9.8143.2722.2819 .55 4 15.5143.27 3 0 . 35 198.62 6 8.6143.27 2 0 . 58 188.85 8 14.6143.2729. 8197.35 11 0 . 5 143.2723.27191.54 13. 8143. 27 27. 95 196. 22-1 0 5. 8 Expr esswa yGr o u t in g c u r t a in El eva t io n o f st r o n g a n dMa ximu m Ma ximu m wea k a qu if er bo u n d a r yst o pin g el eva t io nst o pin g el eva t io n -128. 6 一319.15一31 .55 -113. 4 一312. 2 318. 62 一9 .4一279.25一3 8.85 一72.6一269.93 -317. 35 一83.一274.54一311.54 一3 2. 2-316. 22 根据计算结果以及中段布置情况，确定 -32 0 m标高 保安矿柱，不 采；基 f全 开采 ，一 32 0 m标高以下资源可以开采。 采 保 柱 眇 84.7的矿量。 3 安全开采数值模拟分析 3.1回采顺序及采矿方法回采顺序及采矿方法 回采顺序从一32 0 m标高开始，自上到下开采。 参考国内外“三下”开采经验，根据矿体的赋存 条件,综合考虑保护对象的重要性，“三下”开采按机 械化 水平分层 采矿法（垂直走向布置）进行 开采。中段高度6 0 m, 个矿块由一个矿房和矿柱 组成，矿房、矿柱宽均为15 m 体水平厚度, 分段高12 m,分层高4 m,留底柱6 mo 3.2模型 及参数选择模型 及参数选择 利用Fl a c3D 件立矿区“三下”开采模型 （图2）,包括地表、高速公路、帷幕、矿房、矿柱和围 等。 按照采场结构参数（矿房宽度15 m、水平分 Expr esswa y 茸” Sur fa ce Secur it y pi” l ine ing curtaT“ Su Tounding r ock Room、 Pil l a r Or ebo 图2数值模拟三维模型图 Fig. 2 3D model diagrams of numerical simulation 层高度4 m、阶段高度6 0 m）,对采场模型进行 了划分。模型X 1 7 0 0m,夕方向长 度为5 0 0 m,N方向为由一1 0 0 0 m标高至地表, 划分为47 点和12 0万个单元。模型按 体自重应力施加 边界，在模型的底部施 加之方向约束，在模型四周分别施加X、夕方向 的约束, 由面，然后利用Fl a c3D 件对 -32 0 m标高以下压覆 采进行数值模 110有色金属工程第10卷 拟。矿岩物理力学参数取值根据盘龙铅锌矿工 处理，获得数值模拟所用的参数，参数如表2 程地质资料，参考类 属性，并进行一定的 所示。 表2矿岩物理力学参数 Table 2 Physical and mechanical parameters of ore and rock Vo l u me weig h t / El a st ic it y Po is so n s In t er n a l f r ic t io n Co h esio n / Ten sil e st r en g t h / k g - m3 mo d u l u s/GPa r a t io a n g l e/ MPa MPa Or ebo d y3430 30 0. 24 324.243.5 S u r r o u n d in g r o c k in u pper wal 2680 32 0. 23 345.123.7 Qu a t er n a r y17000. 080. 32 22. 2. 3 Filin g bo d y 18000. 80 . 2729 .8.5 S u r r o u n d in g r o c k in l o wer wa l l2700350 . 23 334.84.5 Cu r t a in2800400. 25355. 24. 7 3.3模拟结模拟结果分析分析 本次模拟开挖一380 m和一440 m两个中段, 分别从一380 m水平开始向上开挖至一320 m和从 440 m开挖至一380 m水平，两个中段同时回采, 采用 采一的方式，运用 化 水平分层充 采 ，分两步骤回采矿房和矿柱。根据 1开 步骤编写了 f l a c 3D命令流对每个分层矿房各阶 段 进行了计算分析，得到了 一320 m标高以下 的岩体变形及应力的大小和分 ，并计算 高速公路及帷幕的水平变形、曲率及 ，对高速公路及帷幕进行了稳定性分析。 据有色金属采矿设计规范GB 50771- 2012,高速公路和帷幕的位移与变形允许值为 倾斜士 3 mm/m，曲率士 0. 2X10-3/m,水平变形 士2 mm/m。 1 高速 路稳 性分析 高速 路的 位移 和水 变形 3 图4,由 知，高速公路总位移非常小，约为 2 mm； 水 变形值远远 士2 mm/m。 高速 路 变形和 率变化 5、 6 Expr esswa y Qia njia ng River 图3 高 图 Fig. 3 Displacement cloud image of expressway 由图5、图6可知， 大值为0. 000 007 mm/m,远 远小于变形 值士 mm/m ；曲率最大值为 -0. 25X103/m,小于曲率允许值士0. 2X10f 3/mo 7 U I 7 U I unurOIunurOI X X / U/ U .2.2 1EUUE2P1EUUE2P IE1UOZIE1UOZ -C-C OHOH 图4高速公路水平变形 o o UIlu9IOIUIlu9IOI X X AeMSSoHdxoAeMSSoHdxo o q l m o u o q l m o u odolsodols Fig. 4 Horizontal deation of expressway _ -------136 14 m fr om t he r oa d -------144 6 m fr om t he r oa d - ----153 On t he expr esswa y -------161 On t he expr esswa y - ----170 On t he expr esswa y - -177 7 m fr om t he r oa d ----185 15 m fr om t he r oa d o o 50 100 150 200 250 300 y dir ect iona l dist a nce/m 图5高速公路倾斜变化曲线 Fig.5 Sl“pevariati“ncurve“fexpresway 第8期郭明明等盘龙铅锌矿“三下”开采安全影响分析111 7 8 7 8 QO O E n l ctiA J n u QO O E n l ctiA J n u -0.15 -0.20 O O 0505 -0.10 -136 14 m fr om t he r oa d - -144 6 m fr om t he r oa d -153 On t he expr esswa y -▼- -161 On t he expr esswa y - -170 On t he expr esswa y *- -177 7 m fr om t he r oa d -185 15 m fr om t he r oa d 1 1 1 1 1 11 -0.25 0 50 100 150 200 250 1 y dir ect iona l dist a nce/m 图6高速公路曲率变化曲线 Fig. 6 Curvature variation curve of expressway O O 由图3〜6的计算 知，高速公路各项 变形参数值都远远 范 值。 ，在 保 质量和合理的开采顺序及回采速度的 提下，运用 化 水平分层 采 “ 采一 320 m水 下 对高速公路不会产 生破坏危害。 2）帷幕稳定性分析 为分析一320 m标高以下资源开采对注浆帷幕 的影响，通过数值计算 了帷幕的变形、位移及应 、塑性区分 ，以此来 “三下”开采是否会 影响帷幕的稳 性。 帷幕在不同 的位移云图见图7。 Cont our of Z-Displ a cement 1.600 0E-02 1.500 0E-02 1.400 0E02 1.300 0E-02 1.200 0E-02 1.100 0E-02 1.000 0E-02 9.000 0E-03 8.000 0E-03 7.000 0E-03 6.000 0E-03 5.000 0E-03 4.000 0E-03 3.000 0E-03 2.000 0E-03 1.000 0E-03 0.000 0E00 Gr out ing cur t a in Cont our of Z-Displ a cement 11.301 7E-02 11.300 0E-02 1.200 0E02 1.100 0E-02 1.000 0E-02 9.000 0E-03 000 0E-03 7.000 0E-03 6.000 0E-03 5.000 0E-03 4.000 0E-03 3.000 0E-03 2.000 0E-03 B 1.000 0E-03 0.000 0E00 -1.000 0E-03 -1.803 IE-03 Gr out ing cur t a in bThe x-dir ect ion cur t a in displ a cement cl oud ima gea Tot a l cur t a in displ a cemen t cl oud ima ge Cont our of Z-Displ a cement 9.586 8E-04 9.000 0E-04 8.000 0E04 7.000 0E-04 6.000 0E-04 5.000 0E-04 4.000 0E-04 3.000 0E-04 2.000 0E-04 1.000 0E-04 0.000 0E-00 888扯8才 0E-04 0E-04 0E-04 0E-04 Cont our of 5. 6. 6.654 7E-04 Gr out ing cur t a in cThe /-dir ect ion cur t a in displ a cemen t cl oud ima ge Z-Displ a cement 1 1.956 7E-03 11.000 0E-03 ■ 0.000 0E00 -1.000 0E-03 -2.000 0E-03 -3.000 0E-03 -4.000 0E-03 -5.000 0E-03 -6.000 0E-03 -7.000 0E-03 -8.000 0E-03 邛888出腿 1-1.200 0E- _ -1.300 0E- _ -1.400 0E-02 -1.500 0E-02 -1.532 7E-02 Gr out ing cur t a in dThe z-dir ect ion cur t a in displ a cement cl oud ima ge 图7帷幕位移云图 Fig. 7 Displacement cloud image of eastern grouting curtain 由图7可知，帷幕所产生的位移主要为第四系 表土所产生的竖直向下的位移，而帷幕 基本没 有产生位移变化，临近表土所产生的最大总位移为 16. 8 mm。 分析帷幕的整体变形情况，图8给岀了 帷幕 所产生的 位移 。 由图8可知，第四系表土产生竖直方向上的位 移，而帷幕本 发生极小的变形。 ，在保 ； 质量和合理的开采顺序及回采速度的前提下，运 用机械化上向水平分层充填采矿法，回采一 320 m 水 下 对 帷幕不会产生破坏危害。 Cont our of displ a cemen t pl a nea ct ive on 1 1.399 6E 11.300 0E 1.200 0E 1.100 0E 1.000 0E 9.000 0E 8.000 0E 7.000 0E 6.000 0E 5.000 0E 4.000 0E 3.000 0E ■ 2.100 0E 11.200 0E 02 02 02 02 02 03 03 03 03 03 03 03 03 03 07* 12309 6E Grouting curtain 图8帷幕纵向剖面总位移云图 Fig. 8 Displacement cloud image of longitudinal se6tionforeasterngrouting6urtain 112有色金 属工程第1 0卷 4 结论 1 较传统法，安全开采深度理论圈定保安矿柱 可减少84. 7的矿量，对实现资源集约化利用和促 进盘龙铅锌矿可持续发展意义重大。 2 利用Fl a c3D软件对一32 0 m标高以下的矿体 开采数值模拟分析结果表明高速公路各项变形参 数值都远远小于规范中允许值，帷幕自身基本没有 产生位移变化。因此，在保证充填质量和合理的开 采顺序及回采速度的前提下，运用机械化上向水平 分层充填采矿法，回采一32 0 m水平以下资源对高 速公路不会产生破坏危害。 参考文献 [1]张洪训，刘溪鸽，关凯，等.新城金矿竖井保安矿柱的三 维圈定与模拟回采[J].金属矿山，201731925. ZHANG Ho n g xu n , LIU Xig e, GUAN Ka i, et a l . 3D d e l in e a t io n o f t h e s h a f t s a f e t ypila r o f Xin c h en g Go l d Min e a n d it s n u mer ic a l exc a va t io n [J]. Met a l Min e， 201731925. ]李洁慧高速公路压覆矿体协同开采设计采矿技 术，2017,17557,4丄 LI Jieh u i Cola bo r a t ive min in g d esig n o f o r ebo d y c o ver ed by expr esswa y [J]. Min in g Tec h n o l o g y，2017， 1755-7 41 ]池秀文，吕占胜，张文举，等.充填开采安全深度与保安 矿柱圈定 研究[J].中国矿 业，2018，27 12 134139 156. CHIXiu wen LYU Zh a n sh en g ZHANG Wen ju e t a l S t u d yo n t h e s a f e t yd e pt h o f c u t a n d f ilmin in g a n d t h e d ema r c a t io n o f sec u r it y min e [J ] Ch in a Min in g Ma g a zin e2018 2712134-139 156 ]张东杰，任凤玉，曹建立，等锡林浩特萤石矿竖井保安 柱 化 [J] 国 业 2019 281141-146 ZHANG Do n g jie REN Fen g yu CAO Jia n l i et a l Met h o d f o r o pt imizin g sec u r it y pila r s o f sh a f t in Xin l in h a o t ef l u o r it e min e[J] Ch in a Min in g Ma g a zin e 2019 281141-146 ]吴东，李昊，杨泽.某地下矿山分段空场法地下开采对 上覆岩层稳定性影响分析有色金属矿山部分， 2018,7031619. WU Do n g LI Ha o YANG Ze In f l u en c eo f u n d er g r o u n d min in g o n st a bil it y o f o ver bu r d en r o c k st r a t u m in a min e u sin g su bl evel o pen -st o pe min in g[J] No n f er r o u s Met a l sMin in g sec t io n 2018 70316-19 ]张驰，彭张，冀虎，等.基于BLES S -PE与FLAC耦合 建模技术的采区溜井稳定性分析有色金属工程， 2020 10 292-99 ZHANG Ch i PENG Zh a n g JI Hu et a l S t a bil it y a n a l ysis o f o r e-pa ss ba sed o n bl ss-pe a n d FLAC3D c o u pl in g mo d el in g[J] No n f er r o u s Met a l s En g in eer in g 2020 10 292-99 ]侯春来，吴爱祥，王贻明.高速公路下开采的地表沉降 控制与预测矿业研究与开发2016,3652327. HOU Ch u n l a i WU Aixia n g WANG Yimin g Co n t r o l a n d pr ed ic t io n o n su r f a c es u bsid en c e f o r min in g u n d e r expr e sswa y[J] Min in g Resea r c h a n d Devel o pmen t 2016,3652327. ]程立年，李晓刚，叶振华，等某金矿“三下”开采移动带 内地表稳定性分析金属矿山2019356-62. CHENG Lin ia n LI Xia o g a n g YE Zh en h u a et a l S u r f a c e st a bil it y a n a l ysis o f t h r e e u n d er “min in g wit h in su bsid en c e ba sin in a Go l d Min e [J] Met a l Min e 2019356-62 ]曹文龙，王雪彦，曹茗棋.地下开采对地表建构筑物及 井筒的安全影响分析[J]矿业研究与开发，2019， 39417-22 CAO Wen l o n g，WAO Xu eya n，CAO Min g qi. An a l ysis o f t h eimpa c t o f u n d er g r o u n d min in g o n t h e s a f e t yo f su r f a c e st r u c t u r esa n d welbo r e[J] Min in g Resea r c h a n d De vel o pmen t 2019 39417-22 [10]常兴建.红岭铅锌矿岩层移动角与移动带预测研 究采矿技术，20171744951,75. CHANG Xin g jia n Pr e d ic t io n o f r o c k mo ve men t a n g l e a n d b e l t in Ho n g l in g Lea d -Zin c Depo sit[J] Min in g Tec h n o l o g y 2017 17449-51 75