云锡塘子凹3l—l矿体的采矿设计优化.pdf

云锡 塘子 凹 3 11矿体 的采矿设 计优 化 侯克鹏 昆明理 工 大 学 国土 资 源工程 学 院 昆明 6 5 0 0 9 3 浦承尧 云南锡业股份有 限公 司采选分公司 个旧 6 6 0 0 0 0 摘要本文利用三维 有限元对云锡塘 子凹 3 1 1 矿体进 行了采矿设 计优化 ，模拟 所得 出的结论 经 过 了首 采矿块 的实验验证 ，模拟结果与实 际基本吻合 。为该 矿的采矿决策 和采 矿设计优 化提 供了一 定的 技术支 持。 关键词 三维 有限元3 1 1 矿体采 矿设计优化 中图分 类号T D 2 1 4 ． 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 0 3 0 40 0 3 20 4 ⅡNI NG DES I GN O阿M I Z觚ON 0lF 311 ORE B ODY I N GZ【 、 7 l M I NE Hou Ke p e n g Th e Fa c u l t y o f L a n d R e s o u r c e E n g i n e e r i n g，Ku n mi n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， Ku n mi n g 6 5 0 0 9 3 Pu Ch e n g y a o Mi n i n g a n d Mi n e r a l P r o c e s s i n g P l a n t o f Yu n n a n Ti n C o mp a n y L t d ，Ge j i u 6 6 0 0 0 0 Ab s t r a c t Th e p a p e r i n t r o du c e s t he mi n i n g d e s i gn o pt i mi z a t i on o f 3 1 1 o r e b od y b y t h e he l p o f t hr e e d i me n s i o n a l f i n i t e e l e me n t ．Th e c o n c l u s i o n d r a wn f r o m t h e s i mu l a t i o n i s j u s t i f i e d b y t h e f i rst mi n i n g o r e b l o c k a n d t h e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n ma t c h e s wi t h t h e a c t u a l c o n d i t i o n s ． Th e co n c l u s i o n p r o v i d es t e c h n i c a l s u p p o r t f o r t h e d e c i s i on ma ki ng a nd mi ni n g d esi gn o pt i mi za t i o n． Ke y wo r d sThr e e di me n s i on a l f i n i t e e l e me n t，3 1 1 o r e b o dy，M i ni ng d es i g n o pt i mi zat i on 采矿是一门极为复杂的工程 ，其复杂性既在于 开采 结 构 的复 杂性 ，也在 于开 采条 件 和环境 的复 杂 性 。 当采矿 规模 较 小 ，并 在近 地表 范 围 内进 行 开 采 的时候 ，经验类 比和定性分析 的设计方 法是可 行 的 。但 是 ，随 着 开采 规模 的不 断 扩大 和开 采 深度 的 逐渐增加 ，经验类 比方法 已经失去了意义 。为了保 证开采 的安全 ，提高开采的效益和效率 ，必须进行 采矿设计的定量计算 和分析 。根据每个矿山的具体 工程地质条件 ，矿体赋存状况和所追求的技术经济 指标 ，通过定量计算 、分析、比较 ，确定合理的采 场结构参数 、开采顺序等 ，从而实现采矿决策科学 化和设计优化。所 以本文利用三维有限元对云锡塘 子凹 3 1 1矿体进行采矿设计优化 ，以期对该矿山 的采矿决策科学 化和采矿设计优化提供技 术支持 ， 并且为相似矿山的采矿决策和采矿设计优化提供借 鉴 经验 。 1 矿体开采技术条件、现用的采矿方法及开采顺序 3 1 1矿体 位于 塘子 凹矿段 东部 ，赋存 于 O 5 突起北 东 部顶 端 的 花 岗岩转 折而 形成 的半封 闭北 东 3 2 向凹槽 中，矿体形态严格受花 岗岩起伏控制 ，矿体 未受大的构造破坏 ，总体连续性较好 ，但 由于受北 东 向花 岗岩 岩脉 的影 响 ，在 2 0 5 0中段 以下 被 花 岗 岩穿插 ，分割成东西两块 ，下部沿走 向、倾向多呈 分支 、复合产 出，矿体东 部为似层状 产 出的硫 化 矿。矿体顶 板为灰 白色细 ～中晶大 理岩 ，中等稳 固；底板为 中等稳 固灰 白色 中粒致 密黑云母 花 岗 岩 ；矿石类型为 以磁黄铁矿为主致密块状硫化矿 ， 矿体走向长 l l 0 m，平均宽度超过 6 0 m，垂直高度 约 2 0 m左右 ，为 中等稳 固的单铜硫化 矿体。该矿 体埋藏较深 ，地表无重要建筑物及工业设施 ，上部 无需要保护的工程 ，允许陷落。根据该矿体地质条 件及 开采 技术 条件 ，通过 技 术经 济分 析 和多方 案 比 较 ，选用“ 有底柱分段空场法 “ 进行开采。为了保 障矿体安全 、顺利地 回采 ，在矿体中部沿走 向布置 了一条宽 1 2 m 临时 连续 间柱 ，将矿 体划 分 为南 、 北两个 矿块 ，先 回采南 、北矿块 ，最 终 回收间柱 见图 1 。 中国矿业 2 0 0 3年 第 1 2卷 第 4期 维普资讯 ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ 起 ．． ≥严～、 ， ＼ 一 ＼ ／ } Ⅵ ＼ ＼ 图 1采 场 平 面 布 置 图 2三维 有 限元 的 采矿设 计 优化 1 三 维有 限元 数 值模 拟 的基本 思 路 依 照现 用 的采 矿方 法 和开采 顺序 ，在采 场 的 中 部 沿矿 体 走 向布 置 宽 度 1 2 m 的 间 柱 ，将 采 场 划 分 为南北 两 部分 ，矿 房依 据 所给 工程 地质 图和采 矿方 法 图中实 际矿 体形 状 在计算 机 中进 行建 模 。模 拟 主 要 考 虑在 整个 回采过程 中 ，随 着 回采 空 区面积 逐 步 暴露 ，顶 板 安 全 性 问 题 ；预 留 连 续 间柱 的 结 构 尺 寸 、稳 定程 度及 回采顺序 等 问题 。在 本 次模 拟计 算 过 程 中 ，考 虑 到 间 柱 对 矿 房 顶 板 的 安 全 性 影 响 较 大 ，和间柱 尺 寸过 大影 响贫 化损 失指 标 等 因素 ，因 此 有必 要对 间柱尺 寸进 行合 理优 化 。矿 柱 的尺 寸设 计 为 四 种 形 式 1 6 m、1 2 m、8 m 和 不 留 矿 柱 ；考 虑到北部采 后暴露空 间较 大，达 2 5 0 0 m2 ，超过 中 等稳固岩体所允许的空 区暴露面积 ，拟在北部第 5 和 6矿房 处 ，设置 一1 2 m 临时 矿柱 ，把北 部 矿体 分 割 成 东西 两块 ，以减 少采 后暴露 面 积 。 2 本 次模 拟所 建立 的三 维模 型 根据 3 1 1矿体的特点和采场布置形式 ，结合 岩石 力 学相 关理 论 ，建立 三维 有 限元 模 型 ，模 型 长 X宽 X高为 7 9 4 X 8 1 9 X 7 4 0 m ，即沿 矿体 走 向取 7 9 4 m 模 型 中 z 方 向 ，垂 直 矿体 走 向取 8 1 9 m x 方 向 ，沿 垂直方 向取 7 4 0 m Y方 向 ，共 计 4 2 1 7 7 个节点 ，8 9 6 8个 2 O节点三维等参元单元。单元 网 格划分及计算机矿体模型分别见图 2和图 3所示。 图 2三维有 限元计算机模 型网格剖分 图 3 计算机模拟矿体 形态及 间柱位 置图 云镭塘子 凹 3 l 一1 矿体 的采矿设计优化 根 据矿 体 实 际情况 及要 求 ，本 次 模 拟计 算共 采 用六 种 方案 。方 案 一 南 北 矿体 全 采 留 1 6 m 间柱 ； 方案 二 南 北 矿 体 全 采 留 1 2 m 间 柱 ；方 案 三 南 北 矿体 全 采 留 8 m 间 柱 ；方 案 四 南 北 矿 体 全 采 ， 不 留间柱 ；方案五 先回采北部一半矿体和南部矿 体 ，再 回采北 部 另一 半 ，北 部 矿体 中部 ，5号 和 6号 矿 房之 间 设 一 临时 1 2 m 矿柱 ，最 后 回采 矿柱 和间 柱 ；方 案 六 先 采 北 部 一 半 ， 留 1 2 m 矿 柱 ， 然后 回采 北 部 另一 半 ，接着 回采 南部 矿 体 ，最 后 回 采 矿柱 和 间柱 。 计算采用力学模型在岩体破坏分析中 ，采用 莫 尔。 库 仑 Mo h r C o u l o mb 塑 性 破 坏 准 则 。此 破 坏 准则 是所 有 可能 屈服 面 的 内极 限面 ，在 工程 上采 用 此屈 服 准则 是偏 于 安全 的 。 计算所采用力学参数是经过室内力学试验所得 岩 块 的力学 参 数 根 据 经 验判 断及 He o k 。 B r o wn强度 准 则折 减 到岩 体 的力学 参 数 见表 1 。 表 1三维有 限元计算 参数表 岩性 被 g／ c r aP 弹 E 泊 松 比 抗 c 嘉 大理 岩 2 ． 6 8 7 ． 5 0 0 ． 2 6 4 ． 7 3 ． 8 3 7 花岗岩 2 ． 6 1 6． 5 0 ． 3 8 3 ． 0 2 ． 4 4 8 硫 化 矿4 ． 0 5 1 0 ． 0 0 ． 3 4 3 ． 2 4 ． 0 4 3 3 间柱结 构 尺寸 的确 定 方 案 1 ～4 应力分布分析 。从所模拟的四种方案来看 ，最 大 主应 力 主要 出现 在矿 体 开挖 后 的矿房 拐 角处 ，最 大 压应 力 2 2 ～2 4 MP a ， 在 顶 底 板 的 中部 压 应 力 逐 渐过渡到拉应力区。但 由于按矿体实际形态和开挖 形态 进 行 模 拟 ，拉 应 力 区并 不 一 定 出现 在 矿 房 中 央 。在 同一 间柱 尺寸 下 ，随矿 体不 断开 采 ，顶 板暴 露 面 积逐 渐增 大 ，顶 板应 力表 现 出 向破 坏 发展 的趋 势 。从 应 力模 拟 结果 来看 ，随间柱 尺 寸 的减 少 ，顶 底 板最 大 主应 力 表现 出相 同的发展 规律 。顶板 的拉 应 力 随 间柱尺 寸 的减 少 采 空 区增 大 ，拉应 力逐 渐增大 ，在全部开采结束后 ，顶板拉应力随间柱尺 寸 由 1 6 m、1 2 m、8 m 和 0 m 变小 ，顶 板拉 应 力逐 渐 发 展 为1 O ． 2 5 MP a 、 1 2 ． 5 8 MP a 、 1 2 ． 7 3 MP a 和 1 2 ． 9 9 MP a 。同时 从 间柱 应 力 分 布 的 模 拟 结 果 可 以 看 出 ，所 留间柱 的最 大 主应力 以压 应 力 为主 ，随 着 间柱尺寸 的减小 ，压应力逐渐增大。但间柱尺寸为 8 m时 ，间柱中所布置 的联道 出现较大 的拉应力分 布 ，影响间柱的安全。 位移分布分析。从位移变化规律来看 表 2 ， 顶底 板 的位 移 随 间柱 尺寸 的减 小而逐 渐 增 大 。顶板 3 3 维普资讯 位 移 指 向采 空 区 ，底板 发 生地 鼓 现象 和应 力分 布 规律 吻合 ，底部 结 构 处 发 生 拉 应 力 分 布 ，符 合 一 般岩 石 力学 规 律 。矿 体全 部开 采 后 ，四种 方 案 中顶 板 最 大 下 沉 位 移 为 8 ． 6 7 mm，底 板 鼓 出 位 移 为 9 ． 9 4 mm。从 表 2位 移结 果看 ，方 案一 和 二较 好 。 表 2模 拟工程关键步骤 的数据信息 塑 性 区 分 布 分 析 。从 塑 性 区分 布 图 中可 以 看 出 ，随 间柱尺 寸 的减 小 ，在 间柱 中塑 性 区 的发 展逐 渐 增 大 ，其 中方 案 三仅 留 8 m 的 间柱 ，在 间柱 中 出 现较 大 的塑 性 区域 ，严 重 威胁 着 间柱 的安 全 ，因此 对于 3 1 ～ 1这 样 大 的矿 体 ，预 留 8 m 间柱 不 太 适 宜 ，应 设法 提 高 间柱 的尺 寸 ，以保 证 安 全 。无论 是 1 6 m 或 1 2 m 的连 续 间 柱 ，基 本 没 有 塑 性 区域 的 出 现 ，对于 3 1 1 这样的矿体来讲是安全的，所 以说 方 案一 和 二较 好 。 从 以上 三方 面 的分 析 ，可 以看 出方 案一 和方 案 二 即留 1 6 m 和 1 2 m 间 柱 较 好 ，但 增 大 间柱 的尺 寸 势必增大开采的损失和贫化 ，同时矿山实际生产中 已按 1 2 m间柱进行开 采，因此在确保 安全 的情况 下 ，建议 1 2 m 间柱 比较 合 理 。 4 合 理 回采 顺 序 的优化 方 案 五和 六 应 力分 布 分 析 。从表 3各应 力值 可见 ，方 案 五 各 主 要部 位 的拉 应力 基本 小 于方 案六 ，特 别 是在 联 道处 和顶 板 拉应 力数 值 比较 明 显 。从 应 力状 态看 方 案五 优 于方 案六 。 表 3方 案五、六模拟结果数据信 息表 从 位 移分 布 分 析 。从 表 3中可 以看 出方 案 五位 移在顶板和地板处小于方案六 ，但在围岩突 出部位 方案五大于方案六 。仅从位移比较 ，各方案各有特 点 。从 顶 板 及 间柱 位移 看方 案 五较好 。 从塑 性 区分 布 的 角度 来 分 析 。 以步 骤 6为 例 ， 方案 5和 6在 步骤 6的顶板 暴露 面相 同 ，但 从 顶板 塑性区分布图 4和 5来看 ，但方案 6较方案 5的塑 ●I■ -I I 图 4 方 案五开挖第 6步顶板塑性 区分布图 、 I 豳一 图 5 方案六开挖 第 6步顶板塑性 区分 布图 性 区分 布 大 ， 由此 可 以看 出 ，方 案 5要 优 于 方 案 6。 根据 以上分析 ，建议 比较合理 的采矿顺序 为 在首采 矿体 所 留 间柱 的东 北块 ，见 图 1 完 成 后 ，先 回采 南 部矿 体 ，再 回采北 部 另一 半矿 体 ，最 后 回采间柱和矿柱 。但该顺序存在的缺点是，南部 大空 区暴 露时 间 过长 ，可 能带来 顶 板管 理 困难 。建 中 国 矿 业 2 0 0 3年 第 l 2卷 第 4期 维普资讯 议 在南 部 回采 时 ，加 强对 顶板 的支 护 如采 用 锚杆 支护 ，对局部品位 比较低 的矿体 留作矿柱 ，以支 撑 顶板 。 5 顶 板安 全 性 问题 从 以上 6个方 案模 拟 结果 来 看 ，随着 顶 板暴 露 面 积 的增 大 矿体 开 采 的深入 及 间柱 尺 寸 的减 小 ， 无论 是 顶 板 应 力 、顶 板 位 移 、顶 板 塑 性 区都 在 变 大 ，这符 合一 般 的 岩石 力学 规律 ，所 以要 求在 开采 3 1 1矿 块 的 过 程 中 ，要 时 刻 注 意 顶 板 的 暴 露 面 积，及时进行支护 ，以防止顶板大面积 的冒落 ，造 成事 故 ，影 响 开采 的效 率 。 3三 维有 限 元模 拟 结论 1 采 用 三 维 有 限 元 对 云 锡 公 司采 选 分 公 司 3 1 1 矿 体 所进 行 的六 种 方 案模 拟 ，结 果 表 明 ，三 维 有 限元 模 拟 比二维 有 限元模 拟 ，更能 反 映模 拟结 果 的真实 情 况 ，所 得 结 论 ，和 实 际情 况 比较 吻 合 ， 能用 模 拟结 果 指导 今 后采矿 作业 ； 暴露面积过大，顶板容易产生 冒落破坏 ，建议在北 部矿体中部设置 1 2 m 临时矿柱 ，有利于顶板 稳定 性提高。并对该方案所形成 的不同开挖顺序进行模 拟 ，结果 表 明先 开 挖北 部 一半 矿 体 ，后 开挖 南 部矿 体 ，再 开挖 北 部另 一 半矿 体 是较 优顺 序 ； 4 通 过 对 首 采 实 验 矿 块 的模 拟 ，无 论 从 位 移 、应 力分 布 还是 从 塑性 区分 布等 结果 和 现场 实 际 比较吻合 ，论证了所选计算模型 、计算方法及岩体 参 数是 正 确 和合 理 的 。 4结 束语 本 文 利用 三 维有 限元对 云锡 塘 子 凹 3 1 1矿体 进 行 了采 矿 设计 的优化 ，最后 得 出结 论经 过 了首 采 矿块实际验证 ，模拟结果与实际基本吻合 ，证 明三 维有 限元 在 地下 矿 山的开 采优 化设 计 中是 能 够得 到 推广 应用 的 ，同时 本 次对 3 1 1矿体 采矿 优 化设 计 的三维 有 限元 模 拟为 其它 矿 山 的采矿 优 化设 计 提供 了一 条 途径 。 一 2 采 用 三维 有 限元对 不 同尺 寸 的 间柱进 行模 拟 ，经 过顶 底 板 、间 柱 的位移 、应 力 及 塑性 区 的 比 收稿 日期 2 0 0 2年 1 0月 2 1日 较 ，论 证 了 1 2 m 间柱 是合 理 可行 的 ； [ 作 者 简介 ] 侯 克鹏 1 9 6 6 一 副教 授 博 3 三维有限元模拟结果表明 ，北部矿体采后 士 研究岩土工程力学 【 上 接2 8 页 ] 波监测系统 的拾震器间距完全视监测范 围而定 ，可 在 每个 盘 区布 置 1 ～2个拾 震 器 。 对 于整 个 矿 体 ，采 用 相 对 固定 的连 续 监 测 网 。 但是由于各岩层的岩爆倾向性不同，可以采用不同 网格 密度 的监 测 网 。对采 场顶 底 板 围岩 和巷 道交 汇 部 位 以及 岩 脉和 软硬 岩体 接触 带 范 围岩体 必 须加 大 监 测 网 的密度 。 由于 该矿 设计 采 用空 场采 矿 嗣后 充 填 的 采矿 方法 ，对 采 空 区顶 板 的 监 测 需 特 别 重 视 。 虽然采空区充填初期围岩的应力分布以及岩爆的趋 势和强度与未充填单一采空区情况相比均不发生重 大改 变 ，但 由于此 时不 会 引起人 员 安 全问题 ，可 以 减小 岩爆 监 测 的强 度 ，但 原有测 点 必须 保 持 到矿柱 回采 并 充填 之 后 ，以备 回采 矿 柱 和充 填空 区之 用 。 另 外 ，由于巷 道 掘进范 围 比较 大 ，各 巷道 交 汇 点很分散 ，微震 监测 系统 的固定 探头难 以有效 控 制 ，需要采用便携式监测仪对各巷道交汇点进行监 测作 为对总 体 监测 网的一 种补 充 。 5 形 成 步骤 岩爆监测应从矿山基建阶段开始 。由于该矿基 建 工程 大 、工 期 长 ，现 阶段还 不 可 能建 立起 整 个矿 床开采 的岩爆监测 系统 ，因此 ，必须分阶段建立岩 云镭塘 子凹 3 l l矿体 的采矿设计优化 爆 监 测 系统 。 首先 ，在 矿 山基 建 阶段 ，采用 便 携式 声发射仪、磁场检测仪和现场观察记录等方法 ，对 井 巷岩爆 进 行 监测 ，同时 也 为微 震和 短周 期地 震 波 监测 系统的建立提供基础资料 ，并开始培训技术人 员。第二阶段是在矿山开拓过程中根据矿床整个岩 爆 监测 系统 设 计 形 成 建 立 岩 爆 监 测 系 统 所 需工 程 ， 在 开采 之 前 布置 监测 点 埋设 探头 ，建立 岩爆 监测 网 站 ，初步 形成 岩爆 监 测 系统 ，并 以试 验 采场 或首 采 区段作 为重点研究对象 ，开展岩爆监测 。然后 ，在 监测 实践 中逐步 完 成 岩爆监 测 系统 ，特 别 是岩爆 分 析预报系统的完善 。 4结 语 通过对各种岩层活动测量方法 的分析和讨论 ， 选取了适合该硬岩矿床开采的岩爆监测方法 ，针对 这些方法的功能和特点以及该矿床的开采条件 ，对 冬瓜山硬岩矿床开采进行 了岩爆监测初步设计 ，该 设 计 已成 为该 矿采 矿 设 计 的组 成 部分 ，对该 矿岩 爆 灾害防治必将起到重要作用。 一 收 稿 日期 2 0 0 2年 1 1月 2 4日 [ 作者简介] 唐礼 忠 博 士 中南大学副教 授从事岩石力学教学与力学试验研 究 3 5 维普资讯