采矿方法与矿山岩体力学研究.pdf
第 2 0卷 1 8 黄金 c0L D / ≯ 1 第 1 期 1 9 9 9年 1月 采矿方法与矿 山岩体力学研 究 冶金工业部长春黄金研究院 【 摘要】 文中研究了采矿方法与矿山岩体力学的密切关系。其研究成果有利于矿山 采矿 I作 的顺利进行 。 关键词岩体力 学结构 构造采矿 方法 中图分 类号T D 8 5 3 . 3 l 引 言 矿 山岩体力学是 以采矿工程 为主要服务 对象的 岩体力学 。研究 的任务是 运用地 质学和 力学 观点及 方法 , 对具 有一定结 构构造 的岩 体 , 在外 力作 用下产 生变 形和破坏 的规 律进 行分 析 , 并结 合 控制 矿体 压 力的经 验 , 认 识矿 山压力现 象的规律性 , 准确 预测矿 山工程结构 周围岩 体 的稳 定性 , 从 而采 取措 施 消除 危害 , 并 利用它为采 掘工程 服务 。因此 , 选择 合适 的 采矿 方法 , 经 济 、 高教地 采 掘 矿石 . 是 每 个 采矿 工作 者所 追 求的 目标 。 2 采矿方法 与岩体力学关 系 矿 山岩 体在 开挖 之前 , 在原 始 岩体应 力场 作用 下 . 处于一种 相对 稳 定状 态 , 即岩 体 自然平 衡 状态 。 当岩体受到 开挖或 采动之后 , 由于岩体 中形成空 区 , 使其 周 围的岩体 部分 或全 部 失去 支撑 , 即解除 了空 区周 边岩体 上的部 分 作用 力 , 从 而 改 变 了岩体 原始 应力场 的分 布状 态 , 产 生 了次生 应 力场 。在新 应 力 场作用 下 , 可能 引起 变形 , 甚 至破 坏和 移 动 , 直 到新 的平衡 出现 时为 止。 通 常 , 把岩体 由次生应 力场 引起 的变形 、 破 坏和 移动 的全 过程称 之 为 矿 山压力 , 即地 压 。地压 的显 现 , 从采矿 工程 开 挖 时就 开始 出现 , 并 贯 穿 于全 过 程 。 应用于采 矿工程的矿 山岩体力学有 如下特 点 1 大多数 隋况 下 , 采 矿是 在一定深 度的岩体 中 进行 的 , 深部岩体 的动态 与地表 附近 相比大不 相同。 地表 附近岩体一 般是 脆性 断 裂破 坏 ; 而较 深处 则通 常是 粘塑性破坏 。地表 附近原岩垂直应 力与水 平应 力之 差可能很 明显 , 而在 深处其差值则 不甚 明显。 2 矿 山井巷 、 硐室等 工程 结构物 , 只要在使用 啦稿 日期j 9 9 8 0 71 5 姚香 蚝春市南拐太路 5 4号1 3 0 0 1 2 f 、 期间 不至 于破坏 , 以及在开 采后 能维持其 平衡 状态 而不 至于影 响地表 安全 即可 所 以 , 在计算精 度 、 安 全系数 , 以及 对 岩体 加 固的要 求 时 , 一 般 均低 于 水 利 、 交通 和 国防等方 面的标准 。 3 由于矿 山工程地 质条件复 杂 , 叉受矿 床开采 条件 限制 , 故采矿工 程位置的选 择性不大 , 而且施 工 速度快 . 工 作面 不断变 化 . 经常 使用 凿 岩爆 破 技术 这些都使得矿山岩体力学有其 自身的特点 3 研究 内容与方法 3 . 1 研 究内容 1 研究 井巷 围岩应 力及变形 , 确 定是否 需要 支 护或 采用 何种支护 。 2 研 究合理的 开采顺序 、 采 矿方法及其 构成要 素 , 确定合理的 矿柱尺寸和布 置方式 , 选择 经济合理 的采 场支 护方法 。 3 研 究各种建筑构 筑物 、 河 流水体 、 铁路 、 公路 下面矿床 开采问题 和 各种 保 安矿柱 开 采 问题 , 以 及 与此相关 的地下 采动所 引 起 的地表 移 动 和变 形 、 岩 体 内部移动和变形 。 4 研 究地下开 采可 能引起 的 山体滑坡 、 滚石 危 害 以及 环境破 坏。 5 研 究空 区处 理及 大面积地 压控制技术 。 6 研究 充填 采矿 方 法 中各种 充 填体 的 作用 和 性能 , 以及合理 强度与支 护范 围。 7 研 究露天边 坡稳 定性 , 包 括经 济合理 边坡 角 的确定 、 边坡岩体 移 动观 测 、 滑 坡 预报 , 以及危 险边 坡 的加固 问题等 。 3 . 2 研 究方法 岩体 力学研 究具有某些 特殊性 , 比如 , 岩体是 一 种非 均质和各 向异性 的力学介 质 ; 岩 体 的物理 力 学 参数 具有多变性 和分散性 , 难 于精确 确定 ; 表 征岩 体 力学介 质模型 及理论 很复 杂 , 涉 及的 数学 问 题通 常 难 于处理 ; 岩体 现场测试 , 既时 间长 、 叉费用 高。 维普资讯 第 加 卷1 9 9 9年第 1 期 l 9 有关资料介绍, 全面地进行岩体力学研究 , 其工 作涉及到许多方面, 其方法可划分为如下 4种 ①地 质研究方法; ②物理测试方法 ; ③力学分析方法; ④ 综合 分析方 法。 4 研究 内容应用实例 4 , 1 原岩应 力量 测t 】 山东省新城金矿是我国大型岩金矿山之一 , 其 矿体 产于焦家 断裂 带内的构 造蚀 变岩 中。由于矿 床 开采技术 条件 比较 复杂 , 矿体 形态 不规 则 。 矿层稳 固 性 较差 , 特 别是 琅板 对采 矿工 作 造成 一些 困难 。该 矿 委 托北京科技大 学对矿 区原岩 应力进 行量测 。量 测中采用 K X一8 1型空 心 包 体三 轴 应力 计 。 套 孔 应 力解 除法 . 分 别于 一1 7 5 m、 一2 5 0 m 与 一2 8 0 r n的 3个 中段 完成 l 0个钻孔 测量 , 根据弹性 理论建 立起来 的 孔 壁应变 与岩 体应 力之 间的有 关公 式双 迭代 程序 , 计 算 出各测 点相应 的原 岩应力值 。 其结 果表 明 , 每 一测 点均 有 两个 主应力接 近 水 平方 向, 另一个接近垂直方向; 最大水平主应力等于 或大于 自重应力的 2倍; 垂直主应力基车上等于或 大于 自重应力值。最大主应力方向总体上与区域构 造应力 场和最 大 主应力 方 向是 一致 的 。同时 , 在所 测 的深度 范围 内, 最大 应 力 平 均水 平主 应 力 和垂直主应力 均随深度呈似线性增长关系。 我国部分黄金矿 山, 对矿区构造残余地应力均 曾进行过 量测 。这对 各矿 采场 稳定 性 、 矿 区稳定 性 研究 , 均起到不 同作用 。 4 , 2 岩体稳定性分析 山东某金矿开采Ⅳ号矿体赋存在望儿山断裂下 盘 , 属于蚀 变型金 矿床。矿体走 向 N 4 0 。 E. 倾 向 N W, 倾 角 3 1 。 一4 l 。 。矿 体 上盘 为 绢英 岩 化花 岗岩 , 比较 破 碎 , 靠近 主 断 裂 面 约 有 56 m厚 的 矿体 相 当破 碎 , 不允许暴 露较长时 问 。目前 , 正使 用上 向水 平分 层充填 法和 下 向进路胶 结充填法 。 为 了评价 Ⅳ号 矿体 矿岩 的稳 定性 . 诙 矿曾委托 科研单位作了如下工作 ①矿岩体结构面调查与分 析 ; ②用 Y X D一1 型 携 带式 点荷 载 仪对 矿 岩试 块进 行点荷强度测试; ③用 J l 型便携式岩石弱面剪 切仪 , 对不规 则的带弱 面岩块进行弱 面剪 切试验 ; ④ 应 用干孔声 波 测试 技 术 . 通过 S Y C一2型 声 波 岩石 参数测定仪确定岩石完整性; ⑤根据Ⅳ号矿体赋存 条件 . 及数 值分 析方法一 般要求 , 考 虑 8种不 同的 材料 , 模 拟三种 回采方案及 相应开挖步骤 , 对Ⅳ号矿 体 一5 6 m、 一8 6 m中段采场整体稳定性进行有限元分 析 经研究得出如下主要结论 ①矿区的主要地质 构 造是主断 裂 , 矿岩节理 裂醇发 育 ② 岩体稳定 性从 下盘向上盘依次降低 ③主断裂面两侧岩体的完整 性极差 。 通过节理岩体 C S I IA分类法 , 考虑了岩石材料强 度, 岩石质量指标 , 节理 间距 与状况, 地下水状况等 5个基本参数 , 对每一参数逐一定出重要性级别评 分值表示范围, 将各参数的评分值相加而得出岩体 的总评分值 , 即上盘岩 石和矿石 评分 值分 别为 2 3与 3 3 。从 C S I I A岩土力学 分类表 中查得 , 当总评分 值 为 4 0 2 1 时 , 岩体质量属差 的第Ⅳ类岩体。因此 . 该 矿Ⅳ号矿体靠主断裂面的上盘岩石和矿体均属第Ⅳ 类 岩体 。目前 , 现有 的采矿方法和 回采工艺 , 难 以保 证作业安全。因此, 应寻求更有效的地压控制技术, 改善 和提高 回采 安全作业条 件 , 保证矿 山正常 生产 。 5 采矿方法与岩体 力学研 究成果 5 . 1 采矿方法与围岩控制_ 4 J 金 川有 色金 属公 司是 我 国最 大 的镍 生产 基地 。 该公司于 1 9 6 5年建 成投 产 , 生产 能力 1 2 0 0 t / d , 二期 工程 1 9 9 3年竣 工 , 能力 达 8 0 0 0 t / d 。 目前 , 主要 生产 矿区 有一 矿区和二 矿区。硫化 铜镍 矿 床产于超基性 岩下盘 , 中间为富矿, 周围为贫矿。矿体上盘为大理 岩 、 混合岩或超 基 性岩 ; 下盘 为超 基性 岩或 大 理岩 。 在矿俸和围岩交界处有 1 5 m破碎带和影响带, 极 易冒落。超基性岩 体内裂隙性质多为密集 的单节 理 , 裂 隙面 光滑 , 且有 充填 物 , 给 采矿 带来 困难 。金 川镍 矿 区经过 几十年 的开 采 , 也 经过 几十年 的研究 . 在 采矿方法 选择 应用与 围岩控 制方 面取得一系 列成 果 。 首先依据岩 性 、 地质构造 、 岩体 结构 及水文 地质 对各 种矿岩 体进 行分类 共分 6个岩 带 1 1 个 岩 组 包括 混台岩带I 、 片 麻岩或 片岩带 Ⅱ 、 大理 岩带 Ⅲ 、 均质条带状混合岩带 1 V 、 花岗岩带 V 和含 矿超 基性 岩带 Ⅵ 。总 的工 程地 质条 件 是 厚 大 的 大理岩带和花岗岩带最好, 但也不能长期暴露; 其次 为古 矿超基性岩 带 , 一般特 富矿好于 富矿 , 富矿好于 贫矿、 贫矿好于超基性岩; 差的是薄层大理岩带和花 岗岩 带 ; 最 差的是岩 体接触带 和断 层 及其影 响带。 金川 镍矿 先 后 用过 V C R法 、 留矿 法嗣 后 充 填 、 分段充填 法 、 露 天开 采和分层 崩落法 与分 段崩 落法。 其 中, 主要 为上 向分层 腔结 充填 法 及 下 向分层 胶 结 充填法 。经过 反复 实 践与试 验研 究 , 由于 矿 区残 余 应力大 , 矿 岩条件又特 别破碎 , 只有胶结 充填法 才是 控制围岩与地压的最佳采矿方法 . 使矿山矿石生产 维普资讯 2 0 黄金 持续 稳定提 高。胶 结 充填 法 中 , 又 根据 不 同矿岩 与 地压 条件 , 曾先 后使 用 过 上 向分层 、 下 向倾 斜 分层 、 下向矩形 、 下向机械 化、 下 向六 角形等多种 胶结充填 法。通过试 验实践 , 积累 了丰 富经验 ① 掌握 国内先 进 的岩石力学理 论 , 开展 和 指 导金 川矿 区工 程地 质 研究工作 与岩体 质量 评价 ; ② 根据 金川 矿 区工程 地 质预 报图和岩 体稳定 性分 析法来 确定井巷掘进 及支 护方法; ⑧采用上向或下向胶结充填法开采厚矿体, 富矿体是经济合理的晟好方法, 并能有效地控制 围 岩移动; ④充填体密实度和提高第 1至第 3层下向 胶结充填体的刚度对控制 围岩有很大作用。 5 . 2 采场顶板 维护 技术L 秦岭金矿杨寨峪矿区开采为顶板破碎中等倾斜 含金 石英脉 , 采 用 垂直 分 条采 矿法 。矿 块沿 走向 布 置 , 每 8 m划 分一 个 回采 单 元 , 包括 2 . 5 m充 填 上 山 和 5 . 5 m回采分条 。先采 上 山 , 嗣后 块石 胶结充 填 . 后采分条 , 空区不再处理。采场直接顶板为碎裂糜 棱岩, 老顶板为条纹状混合岩。 针对 这样破碎 的采场 顶板 , 在采矿 方法研究 中 , 采用修改 的 r wI F S程序 , 运 用二维平 面应变 的边界 元法 , 对采场顶 板稳 定性和 应力进行分 析 , 要求充 填 体强 度达 2 . 3 8 MP a 即可保 证安全生产 。采场顶板采 用锚杆加金属网联合支护方法, 锚杆长度为 1 . 8 2. O m, 网度 1 . 3 m1 . 3 m。在 回采 过 程 中 。 即每个 回 采单 元充填 体的 上 、 中 、 下 三个 部位 , 分 别布 设压 力 盒 , 并在 回采 单元 底拄 、 顶 柱和 中间部 位布 置测 点 。 经过 4 个单元回采作业, 分析其观测结果为 全部测 点承压最大 值 1 . 7 6 M P n为 1号充 填体下 部, 平 均 0 . 6 7 MP a ; 承压增长速度最大值也为 1 号充填体下部 O . 1 9 M P a / d , 平 均 0 0 5 MP a / d 。经过 采场 顶 板收 敛 量测 研究分析 , 掌握采 场地压 活动情 况 ①采 场所采 用 的地压控制 技术正确有效 , 维护 了采 场整体稳 定 , 收敛变形基本保持 1 2 - n n 月; ③各分条中部收敛 变形 速度较大 , 充填局部 出现微裂 , 这与承压观测 结 果吻合; ⑧1号分条下部存在一条接触破碎带. 收敛 变形及压力测量均高于其它地点, 这反映接触破碎 带与 地压活动有 关。 5 . 3 矿区稳定性综合研究【 6 J 山东省 三 山 岛金矿是 我 国岩金 大 型矿 山之一 . 以开采缓倾 斜蚀 变岩 中厚矿体 为主 。该 矿采用下盘 斜坡道 与竖井联 合开拓 , 中段 高度 9 0 m, 一期 工程 开 采 一2 4 0 m 以上矿体 , 二期 工程 开采 一2 4 06 0 0 m, 生 产 能 力 1 5 0 0 Vd , 采 用点柱式机械化 水平 分层 充填采 矿法 。建矿 以来 , 矿 山发 生多 次突 水 、 井 巷溃 砂 、 冒 顶 片帮等地 质灾害 , 因此 矿山 大规模 开 采 可能 出现 比较 严重的矿 山安 全问题 。该矿委托 科研单 位对矿 石稳定性进行综合研究, 其 内容包括矿区工程地质 条件、 地质构造及岩体结构、 矿区原岩应力场及其分 析 、 岩体 结构面及各类 岩石力学 特性 、 矿 区水文地 质 结构及渗流场评价 、 采场顶板稳定性控制及合理 支 护形式与 参数 、 矿 区稳 定性的 物理 模拟 、 数 值模 拟及 矿 区稳定性综合评价。 三山 岛金 矿 体 上 盘 为 F 1 断 层 , 并 有一 层 l 0 4 0 e ra的粘土 , 开 拓后 松弛 吸水软 化 , 井发育 着 、 两 条 较 大 断 层 及 诸 多 小 断 层 , 坑 内 总 涌 水 量 1 3 5 0 0 m a / d 。面对如此复杂工程地质条件及水文地 质条件 , 经过数年悉心调查、 采样及室内研究, 对矿 区采用机械化开采的稳定性问题作出如下几点主要 评价 ①控制或影响矿 山岩体稳定性的主要地质 因 素是各种地质结构 面, 特别是矿 区 F l 、 等大型软 弱结构面; 对于矿区稳定性 , 起作用的是矿区地质 构造应力; ③地表的变形充分显现地下开采的采动 效应影 响 , 地质模 拟试 验均 在 地表 形 成相 应 的下 沉 盆地; ④采场充填对控制采场地压及矿区稳定性有 显著作用; 为了保证采场上盘围岩的稳定性 应尽 可能缩短其暴露时间, 并减少直接暴露面积; ⑥根据 综合研究结果 , 矿区地表是稳定的, 如严格按设计施 工, 在一般情况地表不会严重变形 , 保证矿山具有较 好稳定 性与安全条件 。 6 结语 我 国冶 金 、 黄金工 业是一个 既古老 , 又 新兴 的行 业 。其 中 , 岩 金矿 山采矿 方法进展较 快 。 目前 , 我 国 岩金矿床开采的产金量 占总产量的 9 0 %。岩金矿 山由于有多种类型 , 且特大型金矿占矿床总数的比 例小, 所以 8 5 %以上为中小型矿 山。 由于矿床开采 技 术条件复 杂 , 每年国家 都投人一定 数量资金 , 进行 采 矿方法研究 , 并在三大类 2 0余 种采矿方 法中取 得 了不少 科研 成果 , 为我 国黄金 工业 发展 起到 了推 进 作 用。 岩 金 矿 山采 矿 方法 研究 均与 各种 岩体 打交 道 , 因而与 矿山岩 体力 学关 系密 切 。近 年来 , 不少 大 中 型冶金 、 黄金大 中型 矿 山投 入 资 金 , 对 地 应力 、 采场 地压控制、 提高充填质量、 锚杆支护应用等方面进行 深入研 究 , 均取 得较 好效 果 。其研 究成 果 对我 国冶 金 、 黄金工业发展 起到一定作 用 。 参考文献 1 雷化南矿山岩体力学 . 北京 冶金工业出敝社 . 1 9 9 3 1 2 2 蔡美 峰等地直力曩 I 量在 新城金矿采矿设计 中的应用 . 黄金 , 1 9 9 4, 1 5 1 O 2 5 3 0 . 维普资讯 第 月 黄 GOL 金 D1 9 9 9 1 2 f 2 年月 ,/ I ’ 2 1 高龙 金矿上 向进路干式 充填采矿法试验研究 詈 广西高龙黄金矿业有限责任公司 下 【 摘要】 介绍了上向进路 干式充填采矿法在高龙金矿矿岩较破碎的地质夺件下开采 的工艺过程 , 改进 了传统的干式充填 关键词上向进路干式充填 J _ _ _ ●_ _ _ 一_ _ _ _ _ __ - _ - 一 中图分类号T D 8 5 3 . 3 4 1 概述 高龙金矿 位于广西壮旗 自治区百色 市 田林县 高 龙 乡境 内 . 企业 采用 股 份经 营方 式 。地 下采 矿主 导 方法 设计为 下向倾 斜分层 进路 胶结充填 采矿法 。矿 体赋存条件复杂 , 分支复合现象较普遍 , 矿岩稳固性 差 , 品位波动性 太 , 有些块段 品位 已低于 下 向胶 结充 填采 矿 法 的 3 . 7 9 g / t 左右 的 临 界 品位 因此 , 这 种 采矿 方法在经济 上已明显 不合 理。 根据矿 山地质条件 , 经 过科学分 析和 反复论证 , 本着安 全、 高效和 降低 井 下采矿 成本 的 目的, 于 1 9 9 5年下半年至 1 9 9 6年 3月, 用 2个采场进行 了上 向进路干式充填采矿法试验研究工作 , 取得 了显著 的 经济技术效果 。 1 . 1 矿山地质条件简介 矿床类型为微细粒浸染型金矿床, 矿岩界线肉 眼难以区分 , 完全靠地质采样、 化学分析来周定矿体 边界 。矿体 主 要 赋 存 于 R 断裂 破 碎 带 中 , 矿岩 断 层 、 节理 裂隙 发育 , 软弱 夹层 多 , 砂 泥化 较严 重 。矿 体倾角 2 5 o ~9 0 , 一 般 5 0 。 ~6 0 。 , 厚 度平均 2 1 m, 矿体 形 态 复 杂 多 变 。地 采 范 围 内 矿 石 平 均 地 质 品 位 5. 4 7 g / t 矿岩密 度 2 . 4 8 t / m 3 . 矿石绝大部 分为氧化 矿 , 松 收稿 日期1 9 9 8 0 7 0 8 王学敏广西田林县高尤黄金矿业有 限责任盛司5 3 3 3 1 2 取得了一些较宝贵的试验成果。 究 而 .[r , 和f 散系数 1 . 5 7 , 普 氏硬 度系 数矿石 f 4~ 6 ; 岩 石硬 度 系数 f 6 8 。矿区水文地质条件简单 , 井下采掘只 有少量裂 隙水滴露 。 1 . 2 实施上 向进 路干式 充填采矿 法的理论依 据 从井 下穿脉巷道掘 进和胶结 充填 采 场首采层 回 采进路揭露矿岩来看 , 虽然矿岩松散破碎 , 节理裂骧 发育 。 顶板多 处发 生 冒落 , 但 从 矿 岩 稳 固 性整 体 上 看, 还是具有一定的强度, 允许有一定的暴露时间和 空间 。主运 输平硐掘进 宽度为 2 . 6 m, 高度为 2 . 8 5 m, 十别地段从掘进至今暴露已达 3年之久, 未采用 任 何 支护形 式 , 巷道也未 发生 冒落 。1 1 3 O re水平 Ⅲ 一1 胶结 充填采场 首采 层最 先 开凿 的两 条 进路 , 断 面尺 寸为 2 . 5 m2 , 5 m, 长度 为 2 2 m。 由于 当时 井 下胶 结 充填系统 尚未形成 , 裸 露 2 . 5十月未 充 填 , 也 没有垮 落。所有这些。 给实施干式充填采矿法都提供了较 强的理论 依据和客观可 能性 。 2 开展试验研 究的采场 总体设计 2 , 1 采准布 置 采场 沿矿体走 向布置 , 长度一 般 为 5 0 m, 宽度 为 矿体的水 平厚 度 , 采 场 高 度 即阶 段高 度 为 4 0 m 。 在 采场 和矿 体中央开 凿一条先行 天井 , 一井两 用 , 分层 工作面 上部为 充填 井 ; 下 部 为溜 矿井 在 采 场两 端 部顺路架 设各一条通 风行人天井 。采场 天井均 与穿 脉巷 道联 通。 3 刘华生等金矿岩 体稳定性分析 与评价 . 黄金 , 1 9 9 3 , 1 4 5 采斌 . 垂 直分 条充 填 采矿 法 地 压控 制与 观 测 . 黄 金 , 1 2 1 I J 5 1 9 9 5 , 1 6 4 j J 3 ~1 6 , 4 金锗良金川矿 区的开采和 围岩控 制 有色金属 矿 山 6 姚宝魁等矿 山地 下开采稳定性 研究 北京 中 国科学 部分 . 1 9 9 0 . 1 1 . 技术出版社, 1 9 9 4 5 . 编辑 崔 岱 St u d y o fmi n i n g me t h o d a n d r o c k I U B . S Sme c h a n i c s Ya o Xi a n g a n g c h u C , o R e s e a r c hI n s t i t u t e, M . M. 1 . Ab s t r a c t T h e c l o s e r e l a t i o n b e t w e e n mi n i n g m e t h o d a n d r o c k I1 ] I S S me e h a 6 e s i s s l u d i e d. T h es e a r e h i n g r e s u l t i s f a v o r a b l e f o r t h e c a r r y i n g o u t o f mi i n g wo r k. Ke y wo r d s r o c k ma s s r a e e h a n i c s s t r u c t u r e; mi n i n g me 山0 ‘ j 锑 维普资讯