采矿方法选择及其数值模拟研究.pdf

I S S N 1 6 7 12 9 0 HD CN 431 3 47 ／TD 采矿技术第 9卷第 3期 Mi n i n g T e c h n o l o g y ，Vo 1 ． 9， No ． 3 2 0 0 9年 5月 Ma v 2 0 09 采 矿 方 法 选 择 及 其 数 值 模 拟 研 究 杨德全 ， 周国庆 ， 侯克鹏 ， 张成良 ， 李克钢 1 ． 云锡集 团松树脚分矿 ， 云南 个 旧市6 6 1 4 2 1 ； 2 ． 昆明理工大学 国土资源工程学院 ， 云南 昆明6 5 0 0 9 3 摘要 为提 高矿 山效益、 降低矿石的贫化损失 ， 通过现场调查、 取样和 室内力学试验 ， 并 结合现场实际， 采用大直径深孔连续采矿的工艺进行 回采， 并对其回采工艺、 矿体的顶板、 底板、 矿柱和顶底板两侧 围岩的应力、 应 变、 塑性区分布和安全率进行了模拟 ， 模拟结果表 明， 采场的顶板和底板的侧帮出现了应力集中， 并导致局部破坏， 对采场的稳定性有一定 的影响， 对采场 实现锚杆支护 ， 保证 了矿 山的安全生产。 关键词 大直径深孔连续采矿 ； 数值模拟 ； 锚杆 支护 “ 大马芦” 矿段是一个 以锡为 主， 含部分铅 、 银 的多金属矿床。区内主要矿床为埋深 3 0 01 0 0 0 i n 的隐伏矿体 ， 矿床工业类型为原生矿床 ， 属层问氧化 矿类 型。主要 由土状 、 部分胶状褐铁矿、 赤铁矿组 成 ， 其 中有针铁矿含矿大理岩 ， 含矿粘土。有色金属 矿物主要是锡石 ， 有少量工程揭露 的矿体存在有氧 化铅矿物。矿体上盘为大理岩， 下盘为花 岗岩 ， 矿体 走向东西至近东西向， 走 向长 6 0 9 0 m， 倾角 多为 0 。～ 2 5 。 分布 ， 标高 1 8 3 0～1 3 0 0 i n ， 矿体厚度 1～1 0 I n ， 个别达 2 0 m以上 。走 向有东西 向和 N 3 0 。 E两 组 ， 倾角5 0 。 ～8 0 。 ， 走向较长 ， 矿体厚度可达2 0 m以 上 ， 脉状矿体具有矿体形 态和品位变化大 的特点 。 土状氧化矿矿石稳固性差 厂 2～4 ，胶状赤褐铁矿 石稳固性较好 厂 4～ 6 。矿体的综合特征有 1 层问矿体呈叠瓦状多层产出， 矿层之间 的 距离不大 ， 只有数米至十几米， 矿体倾角缓 ， 多在 0 。 ～ 2 5 。 之问变化 ； 2 脉状矿体穿层产出， 倾角较陡 ， 在成因上与 层状矿体密不可分 ； 3 当脉状矿体与层状矿体相交时 ， 矿体膨大 ， 品位也较富集 ； 4 矿体顶底板有矿化破碎层 。 1 采矿 方法的选择 由于矿体的开采技术条件复杂 ， 矿体多层互存 、 薄厚不一、 产状变化大， 构造断裂多而大， 矿岩松散 、 含水量大， 属于难采矿体。若用传统的采矿方法和 工艺开采此矿体无法保证矿块 日产量 的要求 ， 开采 存在诸多问题 1 由于各层矿体相互 间的距离变化大 ， 先采 矿体会影响后采矿体的开采 ， 增加了开采的难度 ， 导 致矿石损失贫化率的增加 ； 2 同时回采 的采场数 目多 ， 生产管理复杂； 3 采切工程量大 ， 矿石生产成本增加； 4 劳动生产率和生产技术水平低下 ， 难 以保 证生产安全。 根据矿体 的地质赋存特征和开采技术条件 ， 并 结合松树脚锡矿的生产实际 ， 对试验矿块缓倾斜多 层矿体 的开采 ， 采用大直径深孔连续采矿 的综合工 艺进行回采 j 。采矿方法见图 1 。为确保矿房连 续回采的安全 ， 并尽可能创造空场条件下的出矿 ， 采 场布置由东向西 ， 每隔 3个 矿房设置一个矿柱 ， 矿 房 、 矿柱宽度均为 1 4 m， 矿房和矿柱的长度也均为 6 0 i n ， 矿房 、 矿柱 的高度为 3 0 m， 回采矿柱后 ， 嗣后 用块石胶结混凝土形成人工矿柱 ； 矿房呈阶梯后退 式连续回采 ， 采后用废石处理空 区。这样从根本上 避免了利用传统工艺 回采所造成 的大量矿石损失 ， 也避免了采后因空区暴露面积过大带来严重影响矿 山生产安全等一系列的问题。 图1， ； } 直径深孔连续采矿法 杨德全 ， 等 采矿方法选择及其数值模拟研 究 1 3 2 采矿方法模拟及分析 采用三维有限元方法对大直径深孔连续采矿工 艺 、 矿体的顶板 、 底板 、 矿柱 、 充填体和围岩进行了动 态实体模拟 ， 模拟分析 了采场顶板 、 底板 、 充填体的 应力、 应变、 塑性区分布和安全率的变化特性 。 2 ． 1 三维有限元数值模拟 2 ． 1 ． 1 计算模型 1 计算域计算域的大小对数值模拟结果有 重要影响 ， 计算域取得太小容易影响计算精度及可 靠性 ， 但如果计算域取得太大又使单元划分过多 ， 受 计‘ 算机容量限制往往会给计算带来 困难 ， 因此计算 域选取既要保证计算工作 的顺利进行 ， 又要保证计 算结果具有一定的精度根据试验矿段的特点和采 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 宽 X高为7 1 0 m X 7 0 0 m8 0 0 m， 即沿矿体走向取 7 1 0 Il l 模型中 z方向 ， 垂直矿体 走向取 7 0 0 m x方 向 ， 沿垂直方向取 8 0 0 n 1 y方 向 ， 共计 4 2 1 7 7个节点 ， 8 9 4 8个三维等参元单元 2 边界约束。计算域边界采取位移约束。由 于采动影响范 有限 ， 住离采场较远处岩体位移值 将很小， 可将计算模型边界处位移视为零因此， 计 算域边界采取位移约束， 即模犁底部昕有 节点采用 X 、 、 z 3个方 向约束， x y所在平面采用 z 方 向约束 ， y z 昕住平面采用 X方向约束 一 3 地庸 力设 置试验采场距地 表深度 4 0 0 图2 最大主应力 等值线分布 2 ． 2 ． 2 底板稳定性分忻 m， 采场围岩 中地应力水平应力分量与垂直应力分 量相差不大。本次计算 中， 水平应力略大于垂直应 力 ， 采用 A1～ 1 ． 2为基本计算方案。 4 计算采用力学模 型。在岩体破坏分析中， 采用莫尔 一库仑 Mo h r C o u l o m b 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。 2 ． 1 ． 2 计算所采用力学参数 在本次计算过程 中， 通过大量 的试算和经验折 减 ， 计算模拟中所采用的计算参数见表 1 。 表1 三维有限元计算参数 密度 P 弹性模量 泊松 比 抗拉强度粘聚力内摩擦角 g ／ c m G P a MP a C M P a 。 2 ． 2 三维有限元计算结果分析 本次模拟采用矿体的实体形态进行模拟 ， “” 表示应力为拉应力； 表示位移为与坐标轴同向， 如在 采场底板表示底板位移臌出， 顶板表示位移上升 ， 采 场边壁表示位移向采空区移动一“一” 则反之 2 ． 2 ． 1 顶板稳定性分析 顶板最大主应力 拉应力 为 4 ． 5 6 M P a ， 小于岩 体本身的抗拉强度 6 ． 1 MP a ， 应力主要集 中在顶板 的四边和四角上， 安全牢大于 1 位移值也很小， 塑 性区局部出现破坏 ， 达叮以从 2～ 5看出 图3 安全率等值线分布 图4 Y方向位移等值线分布 底板最大主 力 托喧力 为 4 ． 5 6 M P a ， 小于岩 图5 塑性区等值线分布 体本身的抗拉强度安伞卒大 F 1 何移不人 ， 底 板 出现局部 破坏 ， 这 | 1 f 以从罔 6～图 9看 出～ 图6 塑性区等值线分布 ” 啡