某地下矿山采矿方法及参数的数值试验研究.pdf

试验 研究 I MP优 I矿物 与加I 2 0 0 3年第 1 1期 文章编 号 1 0 0 87 5 2 4{ 2 0 0 3 l 1 1 0 01 20 4 某地下矿 山采矿方法及参数的数值试验研 究 苏永 华， 颜永 国 湖南大学土木学院 ， 湖 南 长沙4 1 0 0 8 2 摘要 在 采场 结构稳 定的 前提下 ， 为 了降低 矿石二 次 贫化 ， 利用三 维数值 分析 程序 ， 模 拟 了乳 山市 金矿 深部 分别 采 用 留矿法 和上 向 不胶结 充填分 层开采 两种采 矿 方法 ，得出乳 山 市金矿 在 一4 8 5 m水平 以下 ， 上 向不胶 结 充填分 层 回 采 方 法是首 选方 案 ，并确定 了该 回采 方法 的矿房 参数 。 关键 词 地下 开采 ； 采矿方法 ； 三维 数值分 析 ； 位移 监测 矿房 参数 中图 分类号 TD8 5 3 ． 3 文献 标识 码 A 0前 言 山东省乳 山市金矿 已有 3 0多年的开采 历史 ， 其主要采 矿 方 法基 本 为 有底 柱 结 构 的浅 孑 L 留矿 法。根据 多年 的 矿 压观察 ， 在 一3 8 5 m 水平 以上 ， 开 采 过 程 中 采 场 和 巷 道 均 是 安 全 的 。 但 在 一 3 8 5 m 水平 的开 采过 程中， 出现 片帮和 岩柱 剥落现 象。随着采深 的进 一 步加大 ， 矿 山压力 出现 了许 多新的特点， 浅孑 L 留矿 法 在安全 和效益 上 很不 适 应， 迫切 需要 研 究适 合深 部条 件 的采矿方 法 。本 项研 究的 目的是采 用数值试验方法分析深部采 用 留矿法 和分级尾 砂 不胶结 充填 法时 ， 以采场 结构 的力学 稳定 性 能 和 对 出矿 贫 化 的影 响 程 度 为 标 准 ， 选择最优方 法并确定其参数 。 1 矿区概况 1 ． 1矿 岩 稳 定 性 概 况 乳 山市金矿 矿 区有十 个矿体 ，Ⅱ号矿 体 为 主 矿体 ， 该矿体 呈脉状产 出， 以含金黄铁矿石英脉 为 主 ， 具有走 向长度短， 纵 向延伸大 的特点。矿体平 均厚度 2 m， 深部 矿体 赋存 状态有 所变 化， 矿体 产 状近 似 直 立 ， 且 近 矿 围 岩多 为煌 斑 岩 夹层， 厚 度 0 ． 5 ～3 m。矿 体产状为 N2 0 。 E ／ S E L8 5 。 ～9 0 。 。 煌斑岩多数是成矿后的产物 ， 节理裂 隙发育 ， 极 不稳 固； 随着采深加 大， 开采 水平 的下 降， 遇 水 或暴露后易风 化， 强 度 降低。根据 矿 体 及 围岩地 质条 件， 在计算 中将 围岩分为 I区 、 Ⅱ区和 Ⅲ区三 个 区域。 I区为矿体 及近矿 围岩 、 Ⅱ区位 于 I区 的两侧， 三 区位 于 Ⅱ区外侧 。矿 区发育较 大 的断 层有 五组 Fl ， F2 ， F3 ， F4 ， F5 ， 其 中对 采矿 影 响较 大 的是 F． 断 层 。 目前 开 拓 水 平 已到 一5 8 5 m 水 平 ， 一5 3 5 ～ 一 4 8 5 m 中段 已经试采 。采用浅孔 留矿法， 采空区煌 斑岩夹层极易垮 塌， 导致 采场 出矿 二次 贫 化急剧 加 大 。 1 ． 2 矿 区地 应 力条 件 根 据 在 一1 9 5 m 水 平 和 一2 3 5 m 水 平 及 一 4 3 5 m 水 平 、 一4 8 5 m 水 平 、 一4 5 0 m 水 平 及 一5 3 5 m 三个水平的地应 力测试 结果 分析 ， 矿 区的地 应 力 场 为 f o 2 7 H l O y O “ 0 2 7 H 1 l l 口 o y H 其中 。 一 8 ． 9 5 MP a， o 5 ． 5 4 MP a ， 0 收稿 日期 2 0 0 3 0 6 1 2 作者 简介 苏永 华， 3 6岁， 副 教授． 获工学博 士学 位， 现 在湖 南大学 土木工 程学 院从 事岩土工 程方 面的科研 与教 学工 作。 1 2 维普资讯 试 验 研 究 I MP化 I 矿 物 与 加 I 2 0 0 3年 第 1 1 期 1 ． 0 6 MP a， 侧 压 系 数 取 0 ． 6 6 8 ， 岩体 容 重 7取 2 6 4 4 k g ／ m3 。 2 模拟程序选择 本次研 究选 用 F L AC 。程序。 在 FL AC 。中， 判断其破坏 与否的基本准 则选用具 有较强适 应性 的 Mo h r C o u l o mb准 则 。 3 计算模型及参数 根据本矿 的服 务年 限和 开 采顺 序， 本项 研 究 的内容 主要 模拟 从一4 8 5 m 开 始 向深水 平开 采 的 多单元连续开 采尾 矿 不胶 结 充填 体和 顶 、 底 板 岩 体 的力学稳 定性 问题 。 限于篇 幅 ， 具 体 的模拟 试 验 过 程 以 一4 8 5～ 一5 3 5 m 的 0 2采 场 为 例 。 以 0 2 实验 采 场 的 中点 在 正 北 方 向的 投 影为 基 准 点， 根据矿体的走 向和 倾 向， 计 算 数学模 型为 8 0 0 8 0 0 5 0 0 m 长 宽 高 ， 计算 时 坐标 系垂 直 向上方 向为 z轴正方 向， Y轴正方 向为正北方 向， x轴 方向为正 东方 向。 由于 一3 8 5 m 以上 的矿 体 基本采 完而 且矿 压 不 如深 部 大， 故计 算 模 型在 z 轴方 向最 低标 高为 一8 0 0 m， 在 一3 0 0 m 水平 切断， 作为 应 力 边 界 条 件 处 理 ，这 样 模 型 的 高 度 为 5 0 0 m。在 模 拟 时， 0 2 实 验 采 场 走 向 长 度 为 6 0 m， 假设 周 围 采 场 已经 全 部 采 完 ， 采 空 区 仅 有 不 胶结 的尾砂 。这 样相对于 采场尾砂 的受 力是最 为 不 利的 ， 相 对 整过 矿 山的 采 矿 来说 ， 是 趋于 安 全 的 。 图 1 计算模型 局部立体 图 整个 模型 划分 为 5 4 2 9 1个节 点 ， 4 8 0 0 0个 多 面体单元。在计 算过 程 中， 考虑 了对 采矿 有较 大 i 影响的 F。断 层 ， 计 算 的 立体 模 型 图 见 图 1 。矿 体 、 围岩 、 断层 及充填体力学参数见表 1 。 模拟计算 的边界 条件 为 0和 8 0 0 平面上采用 位 移 边 界 条 件， 沿 X 轴 方 向水 平 固 定。位 移为零， U0 ， y0和 y8 0 0平面上沿 y方 向水平 固定， 位移为零， u0 ， 在 z0平面 上沿 Z方 向垂直 固定， 位移 为零 ， 叫 0 。 z 5 0 0平 面上施加 应力边 界条 件， 按照 0 y H， 具 体 施 加 的 应 力 为 r 。 一 4． 70M _Pn， 0． 64M Pa，r 0M Pa， 0 1 2． 1 64M Pn。 表 1 围岩 及矿体 力学参数表 容重 分 区 ／ k N ． m 一 弹模 泊松 比 ／ GP 抗拉 强抗 剪 压 断强 度 度／ MP a c 0 ／ MP a 。 4模拟 监测原理 井 下 矿 石 回 采 的 过 程 ， 是 结 构 在 力 学 上 从 一 个 平 衡 状 态 发 展 到 另 一 个 平 衡 状 态 。 这 个 过 程 在 力学上 的表现 就是结 构 中所 有的 力处于平 衡 ， 在 模拟计 算 中就 是最 大 的不平 衡 力在最后 趋于零 。 在结 构位移 上的表现是 由于开挖扰动而 引起的 围 岩位移收敛 于一个不致使 围岩产生断裂岩移的有 限值 ， 对于采场 来说 ， 整体稳定 的另外一个指标是 采场 回采工 作完结后， 围岩 的位移必须停止 ， 即 围 岩的位移速率 趋于零或小于一个可接受的值。 根据上述原 理， 为了监测 采场 上下盘 的安 全 情况 ， 通 常在围岩 中布设大 量的 位移和 应 力监 测 点 ， 通 过 监 测 点 的监 测 结 果 ， 分 析 采 场 和 巷 道 围岩 的稳定情况 。F L AC 。 程序 模拟 了现场监 测。本 次模拟采矿过 程中， 为了分析 采场的上 、 下盘 围岩 的稳 定性 ， 从 每一 采场 的出矿水平 开始 ， 在上 盘 、 下盘的 围岩 中布置监测点。具体的布点设计原则 是， 在水 平 方 向 首 先 在 采场 两 端 围岩 的 l m 深 处 、 2 m 深处 各布置一个监测 点， 每 隔 3 0 m 分别 在 1 3 维普资讯 试验研 究 I MP化 I矿物 与加I 2 0 0 3年 第 1 1期 围岩 l m 深处 、 2 m 深处 布 置监 测点 ， 在垂 直方 向 每隔 2 0 m布置 一排监测点， 见示意图 2 。 图 2 监测 点布置示意 图 5 采矿 方法模拟 5 ． 1 采 矿 方 法 模 拟 过 程 根据该矿深 部地 压 和 已有 的研 究成果 ， 0 2 采场 走 向 长 取 6 0 m， 矿 房 高 度 为 5 0 m， 分 层 高 度 2 m， 矿房 宽度 2 m。对于 留矿 法， 模拟 每一分 层 回 采时， 将 采下的部分矿石通过顺路 放矿 溜井放出， 而其余 部分 留在采 场 内， 作 为继续 上 采的作 业平 台和采 场充填体 维 护采 场 的稳定， 在采 场 回采作 业全 部结束 后对 回采期间存 留采场的矿石通过底 部结 构重力大放矿 放出。对于分级尾砂不胶结 充 填采矿法， 模 拟单采单 充的作业方 式。 5 ． 2采 矿 方 法 模 拟 结 果 根据模拟结果 ， 采用 留矿法 采矿时 采场结构 模拟 参数为 矿块长度 、 矿柱长度 、 矿房长度 、 矿块 宽 度 、 矿 块 高 度 、 进 路 间 距 分 别 为 5 0 、 3 、 4 7 、 2 、 5 0 、 7 m ， 在矿石逐 步 回采过程 中， 最大 不平衡 力和监 测点位移收 敛， 结构平衡 ， 安全基本有保 障。在 回 采结 束大放 矿 后， 上 盘 围岩塑性 区深 度 为 8 m 左 右， 下 盘为 4 ～6 m。大放矿 后最 大不 平衡 力不 收 敛， 说 明采场结构 依靠 自身达不到平衡， 无法形 成 一 个稳定 的结构。从放矿 后上盘近矿 围岩中布设 的监测点 中发现围岩位移趋势及 围岩 的移动速 率 均处于不稳 定状 态， 观测点的位移最大达 到 1 0 m 级， 速 率的最大 值 达 到将 近 l O m 级 ， 说 明观 测 点 的岩体不受 任何约束 ， 处于 自由状态， 即近矿 围岩 处于破碎状 态 ， 特 别 是在 靠近 临 空面 厚 约 l m 左 右 的围岩 ， 在放矿过 程 中会大量掉落进入矿石 中， 从而 导致 矿石 严重贫 化。 因此 ， 留矿法 在本矿 一 4 8 5 m 水 平 以 下 是 不 宜 采 用 的 。 对于多单元连 续 出矿 上 向充填采矿 方 法， 模 1 4 拟采场 以一采一 充 的作业方式 。开 采完 毕后 ， 采 场的最大 不平衡 力收 敛 见图 3 ， 说 明采 场 结构 从 总体上是 稳定 的。所 有监测 点 中， 上 盘 近矿 的最 大位移 1 9 4～2 3 5 mm， 根 据模 拟 中监 测 点 的 位移 曲线 趋势， 发现 在一定 的计算 时步 后， 曲线展平 ， 位移不再增大 ， 说 明监 测点 的位 移收 敛。所 有监 测点 的位移速率在最后计算时步 中的数量级最大 为 1 0 ～， 都趋 向于零， 说 明在 一定 的时步 后， 围岩 不再移动 ， 处于 静止状 态。从 采场 的受 力平 衡结 构 、 采场围岩的位移收敛情 况 、 速 率发展趋势三个 方 面均说 明， 采场结构是稳定的， 采场顶板在采 充 结束后 ， 不会发生大的破裂， 不会 在 回采过程 中对 矿 石 造 成 二次 贫 化 。 1 0 4 1 ． y 2 ． L I 【 J 2． 0 2 图 3最大不平衡力趋势 图 6矿房参数的确定 在确 定了采 矿方法 后， 矿房 参数 的确 定就 成 了采矿设 计 的关 键 问题 。对 于该 矿 ， 中段 高度 为 5 0 m， 矿房宽 度 为矿脉 宽度 2 m； 需 要 确 定 的参 数 主要是 矿房的走向长度， 矿 房走 向长度 以 6 0 m 为 起点 ， 如果 6 0 m时采场结构稳 定， 再把 长 度扩大， 直 至 找 到 最大 的 稳 定 长 度 。 计算 方案一 采场长度为 6 0 m 根据 前 面 的 分 析 ， 当矿 房 走 向 长 度 为 6 0 m 时 ， 采场结构是稳 定的。 计算 方案二 采场长度 为 7 0 m 图 4为采场结 构的最大 不 平衡 力趋 势 图， 最 大 不平 衡力最后趋 于零 ， 说 明最 大不 平衡 力是 收 敛的。说 明采场结构在采场的采 充工作 完成后处 于 平 衡状 态 ， 采 场 结构 从 总体 上 来说 是 稳 定的。 根据 上盘监测点的最大位移趋势图和各监测点 的 维普资讯 试验研究 I MP化I矿物 与加I 2 0 0 3年 第 1 1 期 最大速率 图。其 中除 8 监 测点 位移 有 不稳定 趋 势外 ， 其他监测 点的位移趋势都 是收敛的， 各监 测 点 的最大位 移在 1 9 1 ～2 3 8 mm。对于 各个 监测 点 的位移速 率， 除 8号监测点外 ， 其 他监 测点 的移动 速率在采场采 充 完成 后基 本趋 于零 ， 故采场 基 本 是稳定的 。8号 监测点 的位 移在采 场结构 总平 衡 后 ， 其位移和速率达 不到一个 收敛值， 说 明该 监测 点可能跨落 ， 但个 别 地 方 的局部 破碎 并 不影响 采 场总体上 的稳定性 ， 况且采空 区经过 了充填 ， 对 回 采安全和采 场结构 的稳定并不产生大 的影响。因 此 ， 采场 7 0 m跨 度基本是可行 的。 2 00 2 ． 05 21 0 2 1 5 图 4 最大不 平衡力趋势图 当采场 长度为 6 0 m和 7 0 m 时， 采场 采充完毕 后， 两者相 同点在 于采场 结构 总 体上 基本 是稳 定 的。不同点 在于， 从监测结果 发现， 总体上 顶板的 位移后者 比前 者大 。后者顶 板 l m 深处 的位 移绝 大部分地 方 都 超 过 了 2 2 c m， 而前 者 位 移 一 般 在 1 9 c m 左右 ； 当采场 长度 为 6 0 m 时 ， 采场 监测 点位 移和速率都 是 收 敛 的， 而 当长度 增 大到 7 0 m 时， 采场局部有 些应力集 中处开始失稳 。 计算方 案三 采场 长度 为 8 0 m 当采场走 向长 度 为 8 0 m 时 ， 四个 角 点 应 力 集中处 的应 力 出现 突 然降低 、 位移 突然增 大 ， 表 明这几个监 测点 在 回采 和 充填 的某 一个 时候 ， 产 生了断裂而脱离母 体。 由于所选 的监测点在采场 的四角上， 它们对采 场的稳定性具有 指标性 作用。 因此根据这几 种情 况可 以判断采场结构和 围岩的 稳定状况是不够 理想 的。 综合前 述模拟结 果 ， 在 一5 3 5 m 水平 采用 分级尾砂 充填法 采矿 时 ， 采场 的最 大长 度必 须控 制在 7 0 m 内。根据 同样 的模拟 和分 析原 理 ， 在 一 5 3 5 ～ 一5 8 5 m 水平 、 一5 8 5 ～ 一6 3 5 m 水 平采 场 的 最大 走 向长度 应 分别 控 制 在 6 0 m 和 5 0 m 之 内。 进 入 一6 3 5 m 水平 以下 ， 不胶结分级 尾砂 的强 度 已 经不够 ， 必须在 专题 研 究 的基础 上提 高 尾砂 的强 度 ， 再 确定采场的长度。 7结论 本文利用三维 数值 模拟 方 法 ， 根 据乳 山市金 矿深 部矿藏 的赋存 及矿压显现特点 和采矿的力学 稳定原理 ， 利用程序的位移监 测功能 ， 以矿 山生产 安全 和采矿方法 对矿 石 的贫 化程 度 为标 准 ， 进行 了模拟试验 ， 其结论为对该矿 深部来说 ， 多单元连 续 出矿上 向不 胶 结 充填 采 矿 法 是 最 为 适 合 的方 法 。在此基础上 ， 得 出了 各水平 的 矿房 的最 大 走 向长度。该研 究成 果以 被现 场确 认 ， 并 且进 入 了 实 用 阶 段 。 8参考 文 献 略 M e c ha n i c a l s t a b i l i t y s i mul a t i o n r e s e a r c h of s t o pe f o r Ru s ha n go l d m i ne SU Yon g hu a ， YAN Yo ng gu o Ci v i l En g i n e e r i n g Co l l e g e o f Hu n a n Un i v e r s i t y ， Ch a n g s h a Hu n a n 4 1 0 0 8 2，Ch i n a Ab s t r a c t I n c o n d i t i o n o f e n s u r i n g s t a b i l i t y o f s t o p e s t r u c t u r e a n d r e d u c e s e c o nd i mp o v e r i s h me n t o f o r e ． b ot h m i n i n g me t h o ds we r e s i mu l a t e d b y 3 1 nu me r i c a l a n a l y s i s pr o gr a m me ． Th e f i r s t i s s hrin k a g e me t h od ． Th e c on d i s s u b l e v e l f i l l s t o p i n g f r o m b o t t o m t o t o p a n d i t s f i l l i n g me d i u m i s n’ t c e m e nt ed ．I t wa s f ou n d t h a t t h e s e c o n d mi n i ng m e t h od c o u l d r ed u c e s e c o n d i mpo v e r i s h m e nt o f or e e f f e c t iv e ly a n d i mp r o v e f e t y p r od u c t i o n c o n d i t i o n b e l o w le v e l o f 一 4 85 m i n t h e m i n e ． Th e r e f o r e ． t h e s e c o n d m i n i n g m e t h od i s t o be c h o s e n． Ba s e d o n a b o v e me n t io ned r e s e a r c h r e s u l t s ． t he p a r a me t e r s of t h e s e c o nd mi n i ng m e t h od we r e d e t e r mi ned ． Ke y wor d s u n d e r g r o u n d mi n i n g ，mi n i n g me t h o d ，3 D n u me ri c a l s i mula t i o n me t h od ，dis p l a c e m e nt i n s p e c t i o n ， p a r a me t e r s o f s t o p e 1 5 维普资讯