乳山市金矿深部采矿方法数值模拟研究.pdf
第 1 8卷 第 3期 2 0 0 3年9月 湘潭 矿业学 院学 报 J . XI ANGTAN M I N. I NS T Vo1 .1 8 NO . 3 S e p . 2 0 03 文章 编号 1 0 0 0 - 9 9 3 0 2 0 0 3 0 3 ~ 0 0 0 5 0 4 乳 山市 金 矿 深 部 采 矿 方 法 数 值 模 拟 研 究 苏永 华 , 管 梦清 湖 南大学 土木工 程学 院 , 湖 南 长 沙 4 1 0 0 8 2 摘要 根 据 乳 山市金 矿 深部矿 藏的 赋存 条件 、 围岩 特征 和 地压 显现 特点 , 以采 场结 构 的稳 定性 为前提 、 降低 矿 石 二 次 贫化 为 目的 , 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 的 优 劣. 认 为在 乳 山市金 矿在 一4 8 5 m 水平 以下采 用上 向不胶 结 充填 分层 回采 方 法 可 以有 效 地 降 低矿 石 的二 次 贫 化 和 改 善安 全 生产条 件. 该 研 究成 果 已获得 工程 实践 的验证 . 图 2 , 表 3 , 参 l O . 关键词 采 矿方 法 ; 三 维数 值 分析 ; 位 移 监 测 ; 矿 石 货化 中 图分 类号 TU4 5 7 ; TU4 5 8 文 献标 识码 A 乳 山市金矿位 于 山东乳 山县城 东 3 0 k m 处 , 正规 建矿 已有 2 O多年. 先后 采用 过浅 孔 留矿法 、 削壁充 填 法 、 中深孔 留矿法 、 胶 结充 填法 等 多种 采矿方 法. 随着 采 深的加大 , 岩体力学 性 质、 采矿 环境 、 矿 山压力 出现 了许多新 的特点口 ] , 目前采 用 的采 矿方 法在 安 全和效 益上显得很不适应 , 因此 迫切 需要 研究 适合 该 矿深部 条 件 的采 矿 方 法 . 1 矿 区概 况 乳 山市 金 矿矿 区有 1 O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 m~ 3 m , 矿 体 产 状 为 N2 0 。 E / S E 8 5 。 ~ 9 O 。 . 这 些 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[ 2 ] , 在计 算 中将 围岩分为 I区 、 Ⅱ 区和 Ⅲ区 3个 区域 [ 1 ] , I 区矿 体 为 近 矿 围 岩 、 Ⅱ 区 位 于 I 区的两侧 、 Ⅲ区位于Ⅱ 区外侧. 矿 区发育 较大 的断层有 5 组 F l , F 2 , F 3 , F 4 , F 5 , 其 中对采矿影响较大的 F l 断层. 该 矿地表标高在 1 3 0 m 左 右 , 目前 开拓 水平 已到 一 5 8 5水 平 , 一 5 3 5 m~ 一 4 8 5 m 中 段 已 经 试 采 .目前 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 , 因 此 深 部 采 矿 方 法 是 目前 迫切需要解 决的课题. 文献 [ 1 ] 从各方 面 比较 了各种采 矿方法在该矿 的适 用性 , 提 出了多单 元 连续 开采 的分 级尾砂不胶 结充填采矿 法. 作者 研 究 的 目的在 于采用 数 值试验 方法分 析留矿法 和分级 尾砂不胶结充填法对 采 场 结 构 的安 全 性 能 和 对 出 矿 分 化 的 影 响 程度 . 2 模 拟 方 法及 参数 2 . 1模 拟 程 度选 择 数值模型方法有 多种 , 如有 限元 、 离散 元 、 边 界元 、 无界元 、 流行元等. 国内外适 合 于岩 土采 矿 、 地质 工程 的数值试验 程序有很 多 , 其 中 F L AC F a s t L a g r a n g i a n An a l y s i s 0 f C o n t i n u a . 三维有 限差 分程序 是专 为 岩 土开挖 、 采矿 、 地质 工程 而开 发 的 , 该 软 件 主要适 用 于模 拟计 算岩土体材料 的力学行为及 岩土材 料达到屈 服 极 限 后 的 力 学 行 为 , 在 国 内 外 得 到 广 泛 验 证 和 应 用口 , 作者 的研究就是选用 了该程序. 由于岩土是一种脆性材料 , 当外荷载达到岩石强度 后 , 材料发生 断裂 破坏 , 产 生 弱化现 象 , 应 属 于弹 塑性 .仕 L AC 3 。 中, 一般对 于弹塑性 材料 , 判 断其破坏 与 否 的基 本 准 则 有 两 个 , 即 Dr u c k e r P r a g e r 准 则 和 Mo h r - C o u l o mb准则. 根据大量 的理论 分析 和实验 结果 , 对 于 结构面在分析 中采用 Mo h r - C o u l o mb准则 , 硬岩 的弹塑 性问题 , 一般较为符合 D r u c k e r P r a g e r 准则[ 7 - 8 ] . 2 . 2计 算 机 模 型 及 参数 根据该矿的服务 年 限和开 采顺 序安 排 , 其研 究 的 内 容 主 要 模 拟 从 --4 8 5 m 开 始 向 深 水 平 开 采 的多 单 元 收稿 日期 2 0 0 2 一 I 卜2 4 作者 简介 苏永 华 1 9 6 6 一 , 男 , 湖南 涟源人 , 湖 南大 学副教 授 , 博 士, 主要 从事岩 土工 程研究 维普资讯 湘 潭矿 业学 院学报 2 0 0 3年 9月 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 m ~一 5 3 5 I T I 的 O 2 采 场为 例. 以 O 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 大小 为 8 0 0 m8 0 0 m5 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 I T I 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 1T I , 可 以 减 少 计 算 模 型 的 尺 寸 , 增 加 网格 的 密 度 , 使模 拟结果更为准确 . 在模 拟 时 , O 2 实验 采场走 向长 度 为 6 0 I T I , 假设周 围采场 已经全 部 采 完 , 采 空 区仅有 不胶 结 的尾矿. 这样相 对 于采场 尾砂 的受力 是最 为不 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 . 图 1 计 算机模 型局 部 立体 图 利 的 , 相 对整个矿 山的采矿来说 , 是 趋于安全 的. F i g . 1 L o c a l t r i d i m e n s i o n a l d i a g r a m o f c o m p u t a t i o n mo d e l 表 1围岩及 矿体 力 学参数 表 T a b . 1 M e c ha n i c a l p a r a m e t e r s o f s u r r o u n d i n g r o c k a n d o r e 计算 的初始地 应力场为Ⅲ 一 y H 1 y H yH J 其 中, 瞎8 . 9 5 MP a , 5 . 5 4 MP a , 一 1 . 0 6 MP a , 侧 压 系数 取 0 . 6 6 8 , 岩体 容 重 y取 2 6 4 4 k g / m。 . 模 拟计算 的边界条件为 一一0 . 0 ,0 . 1 平 面上 x方 向为位移 为零 , 一0 ; x7 9 9 . 9 ,8 0 0 . 1 平 面上 X 方 向为位 移 为 零 , u ---- - 0 ; 一O . 0 ,0 . 1平 面上 y方 向为位移 为零 , 0 ; 7 9 9 . 8 ,8 0 0 . 1 平面上 y方 向为位移为零 , v 0 ; 一0 . 1 ,0 . 1平面上 Z方 向为位 移为零 , 锄一0 ; 一 4 9 9 . 9 ,5 0 0 . 1平 面 上 施 加应 力 边 界条 件 , 按 照 O “ z 7. H,具 体 施 加 的 应 力 为 一 4. 7O M Pa, 0.64 M Pa, 一 0 M Pa,蝣一 1 2.1 64 M Pa . 2 . 3模 拟 过 程 根 据该矿深 部地 压 和 已有 的研 究 成果 , O 2 采 场 走 向长取 7 0 m, 矿房高度 为 5 0 m, 分层高 度 2 m, 矿 房 宽度 2 i n . 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 . 3监 测 及分 析 3 . 1监 测 方 法 根据采矿方 法的力 学原理 , 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 [ 9 . 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 了监察采场上 下盘的安全情况 r 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 成 果 分 析 采 场 和 巷 道 围岩 稳 定 的情 况 . F L AC 程序 模拟 了现场 的监测 , 通过在采场 围岩的不 维普资讯 第 1 8卷 第 3期 苏永华 等 乳 山 市金矿 深部采 矿方法 数值 模拟 研究 同深 度 布设 监 测 点 , 监 测 不 同深 部 围 岩 的 应 力 、 位 移 及 位 移 速 率 , 可 以 发 现 位 移 的 裂 隙 、 破 坏 发 展 情 况 , 从 而 有 效 地 控 制 围 岩 的 稳 定 性 和 地 压 . 在 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 1 m 深 处 、 2 m深 处 各 布 置 一 个 监 测 点 , 每 隔 3 0 m 分 别 在 围岩 1 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 图 2 . I . _ 单 位 m 图 2监测 点 布置 示意 图 Fi g . 2 S k e t c h o f me a s u r e m e n t p o i n t l a y o u t 3 . 2模 拟 结 果 及 分 析 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 的 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 m~6 m. 大 放矿后最大不平衡 力没 有 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 , 监 测 点 1 ~ 9位 移 和 速 率 见 表 2 . 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 1 0 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 1 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 该 矿 一4 8 5 m 水 平 以下 是 不 宜 采 用 的. 表 2 留矿 法 大放 矿 后上 盘监 测点 位 移及 速 率趋 势发 展 情 况 Ta b.2 Dev e l op m e nt of di sp l a c e m e nt a nd ve l o c i t y f or m e a s ur eme nt p oi nt s i n uppe r pl at e of s t ope by s hr i nka ge mi ni ng af t e r bi g dr awi ng 对 于 采 用 多 单 元 连 续 出矿 上 向充 填 采 矿 方 法 的模 体 上 是 稳 定 的. 表 3和 是 采 场 上 盘 所 布 监 测 点 的 最 大 拟 采 场 结 构 模 拟 参 数 为 矿 房 长度 、 作 业 单 元 长 度 、 矿 位 移趋 势 和 最 大 位 移 速 率 趋 势 . 所 有 监 测 点 中 , 上 盘 近 房高度 、 分层 高 度 、 作 业 高度 、 最 大 空 顶 高 度 、 矿 房 宽 矿位移的最大位移在 1 9 4 1 T I 1T I 2 3 5 r n r n之间 , 根据模 度 、 溜 矿 井 间 距 分 别 为 7 0 、 2 5 、 5 0 、 2 . 0 、 1 . 8 、 3 . 8 、 2 . 0 、 拟 中的 监 测 点 的 位 移 曲线 的趋 势 , 发 现 在 一 定 的 计 算 3 5 r n , 作 业 方 式 为 一 采 一 充 , 首 先 研 究 充 填 的 尾 砂 是 时 步 后 , 曲线 平 , 位 移 不 再 增 大 , 说 明 监 测 点 的位 移 收 否起 到了作 用 , 衡 量 的依 据 是在 刚采 完后 和充 填完 的 敛. 所 有监测 点的位 移速率 在最 后计 算 时步 中的数 量 塑性 区分 布情况. 在 充填 后 围岩 中塑 性 区面 积 比采 完 级最大为 1 0 . 6 , 都趋 向于零 , 说 明在 一定 的时步后 , 围 时减少 了大约 4 0 , 说 明尾砂对 改善空 场 的稳定性 起 岩不再移动处于静 止状 态. 从 采场的受力平衡结构 、 采 到 很 大 的 作 用 . 场 围岩 的位 移 收敛 情 况 、 速 率 发 展 趋 势 3个 方 面 都 说 模 拟 结 果 表 明 , 采 场 以 一 采 一 充 的作 业 方 式 开 采 明 , 采 场 结 构 是 稳 定 的 , 采 场 顶 板 在 采 充 结 束 后 , 不 会 完 毕 后 , 采 场 的 最 大 不 平 衡 力 收敛 , 说 明 采 场 结 构 从 总 发 生 大 的破 裂. 在 回采 过 程 中对 矿 石 造 成 二 次 贫 化 . 表 3 多单元 连 续 出矿 上 向充填 采矿 方 法上 盘 监测点 位 移及 速 率趋 势发展 情 况 Ta b.3 Dev e l op m e nt of di sp l a c e m e nt a nd ve l oc i t y f o r me as u r e ment po i nt s i n upp er pl a t e of s t ope bv uP p er ext r a c t i on w i t h s t owi ng of s l i c i ng m e t hod o f m or e u ni t s 根 据模 拟 结 果 可 知 , 乳 山市 金 矿 深 部 采 矿 方 法 , 从 矿 石 的 二次 贫 化 和 生产 安 全 两 方 面 看 , 采 用 多单 元 连 续 出矿上 向不 胶 结 充填 采 矿 方 法 比较适 合 . 矿 房 的最 大 走 向长度不能超过 7 0 m, 其他参数依 次为作业单 元长 度 、 矿房高度 、 分层高 度 、 作 业高度 、 最大空顶 高度 、 矿 房宽 度 、 溜 矿井 间 距 , 分 别 为 3 5 、 5 0 、 2 . 0 、 1 . 8 、 3 . 8 、 2 . 0 、 3 5 m. 一 ● ● ● 下 』 维普资讯 8 湘 潭矿业 学院 学报 2 0 0 3年 9月 4 结论 采矿方法 的确定 是 一个 非常 重要 的 问题 , 它 与矿 藏的赋存条件 、 生 产安 全有着至关紧密 的联 系 , 也是决 定 矿 山经济效 益最重要 的一环. 作 者 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 , 研究 了乳 山市金矿深部 的采矿方 法问题. 认 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 . 该研究成果 己被现场确认 , 并且 进入 了 实 用 阶段 . 参 考 文 献 [ 1 ]武汉 岩土 力学研 究 所 .金 青 顶矿 区深部 地 下 开 采 岩 石 力学 研 究 报告 [ R] . 武 汉 中国科学 院武 汉岩 土力学 研究 所 , 2 0 0 1 . r 2 ] I T AS CA C o n s u l t i n g Gr o u p .I n c . F L ACS D Ve r s i o n 2 . 0 Us e t s Ma n u a l [ R], 1 9 9 7 . [ 3 ] 苏永 华 , 高 谦 .地下 工程 围 岩稳 定 性 模 糊 动态 聚 类 分 区 方 法 [ J ] _ 工程 地 质学报 , 1 9 9 7 , 5 3 2 0 5 2 1 0 . [ 4 3 谢 和平 , 周宏 伟 , 王 金安 . F L AC在 开采 沉 陷预 测 中 的应 用 及 对 比 分析[ J 3 . 岩石力学 与工程学 报 , 1 9 9 9 , 1 8 4 3 9 7 4 0 1 . [ 5 ]梅松华 , 李 文 秀 , 高 谦 . F L AC 在 岩 土 工 程 参 数 反 演 中的 应 用 [ J ] . 矿冶 工程 , 2 0 0 0 , 2 0 4 2 3 2 6 . [ 6 ]苏永华 . 方祖 烈 , 高谦 . 用改 进 的响应 面方 法 分析 特 殊地 下 岩体 空间 的稳 定 可靠性 [ J ] . 岩石 力学 与工 程学报 , 2 0 0 0 , 1 9 1 5 4 5 9 . [ 7 1苏永华 , 高谦 , 苏靖 . 某 大 型地下 空 间开挖 模拟 分析 [ J ] . 矿业 研究 与开发 , 1 9 9 8, 1 8 4 卜4 . [ 8 ]苏永 华 , 高谦 , 苏靖 . 大 跨度地 下 洞室 开挖 动态力 学 特性 及支 护设 计研究 [ J ] . 化 工矿 山技术 , 1 9 9 7 , 2 6 6 1 7 - 2 0 . [ 9 ] 苏永 华 , 曹文贵 . 乳 山金矿 采 场 力 学稳 定性 模 拟 研 究 [ J ] . 岩 石力 学 与工程 学报 , 2 0 0 2, 2 1 2 2 3 5 9 2 3 6 6 . [ 1 o ]高磊 . 矿 山岩石 力学 [ M] . 北京 机 械工业 出版社 , 1 9 8 7 . Num e r i c a l s i m u l a t i o n r e s e a r c h of d e pt h m i ni ng m e t h o d f o r Ru s ha n c i t y Go l d M i ne SU Yo ng hua, GU A N M e ng q i ng Ci v i l En g i n e e r i n g Col l e g e o f Hu n a n Un i v e r s i t y,Cha n g s h a 4 1 0 0 82, Ch i n a Abs t r a c t A c c or di ng t o o c c ur r e nc e c on di t i on a nd s ur r ound i ng r oc k f e at u r e a s we l l a s gr o und pr e s s ur e c ha r a c t e r o f de pt h m i ne r a l r e s o ur c e s o f Rus h an c i t y go l d m i ne,b ot h s hr i nka ge me t hod and no c e m e nt upp er e xt r a c t i o n wi t h s t o wi n g of s l i c i n g m e t hod of m or e uni t s was s i m ul at e d by 3D num e r i c a l a na l y s i s p r o gr a m m e. A pr e m i s e o f s t abi l i t y of s t ope s t r uc t ur e a nd a n a i m o f r e duc i ng s e c o nd i m p ov er i s h m e nt of or e we r e c o ns i de r e d whe n t wo a bo ve m e nt i one d m i ni ng m e t hods we r e s i m ul a t e d. I t i s r e ga r de d t ha t n o c e m e nt u ppe r e xt r a c t i o n wi t h s t owi ng of s l i c i n g me t h o d o f mo r e u n i t s ma y e f f e c t i v e l y r e d u c e s e c o n d i mp o v e r i s h me n t o f o r e a n d i mp r o v e s a f e t y p r o d u c t i o n c o nd i t i on be l ow l e ve l of一 4 85 m i n Rus h an g ol d mi ne . The r e s e a r c h r e s u l t wa s v e r i f i e d by e n gi ne e r i n g p r a c t i c e . 2f i gs .,3t a bs .,1O r e f s . Ke y wo r d s mi n i ng m e t ho d; 3 D num e r i c a l s i m ul a t i on m e t hod;di s pl a c e me nt i ns pe c t i on;o r e i m pov e r i s hm e nt Bi o g r a phy SU Yon g hua,m a l e,bor n i n 1 9 6 6, Dr ., a s s o c i a t e pr o f e s s or,ge o t e c hni c a l e ng i ne e r i ng and und e r gr ound en gi ne e r i n g. 维普资讯