极破碎矿床开采的数值模拟与实践.pdf

S e r i a l No ． 5 41 Ma y． 2 01 4 现代矿业 M0DE RN MI NI NG 总 第 5 4 1 期 2 0 1 4 年 5月第 5期 采 矿 矿 物 加 工 极破碎矿床开采的数值模拟与实践 术 杨清林 王 星 ， 孙国权 汪 亮 1 ． 葫芦岛八家子矿业有限责任公司； 2 ． 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司； 3 ． 金 属 矿 山安 全与健 康 国家重 点 实验 室 摘要根 据某金矿极破碎矿床 的地质条件 ， 通过经济技术比较进行开采方法初选 ， 并对采场 参数进行 了数值模拟优化 ， 确定 了回采方案 ， 经过矿山实践证明， 该采矿方法合理可行 ， 对类似矿 山 的开采具有一定的借鉴和参考意义。 关 键 词极 破碎 矿床采矿 方 法数 值模 拟 App l i c a t i o n a nd Nume r i c a l Si m ul at i o n o f Ex t r e me l y Fr a c t u r e d Or e De p o s i t M i n i ng Y a n g Q i n g l i n g Wa n g X i n g ’ S u n G u o q u a n Wa n g L i a n g ， 。 1 ． Hu l u d a o B a j i a z i M i n i n g C o ． ， L t d ． ； 2 ． S i n o s t e e l M a a n s h a n I n s t i t u t e o f Mi n i n g R e s e a r c h C o ． ， L t d ． ； 3 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f S a f e t y a n d He a l t h f o r Me t a l Mi n e Abs t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e g e o l o g i c a l c o nd i t i o n s o f e x t r e me l y f r a c t ur e o r e d e p o s i t o f a g o l d mi n e， t h e mi n i n g me t h o d i s p r e l i mi n a ry s e l e c t e d b y e c o n o mi c a l a n d t e c h ni c a l c o mp a r i s o n a nd t h e s t o p i n g s c h e me i s d e t e r mi ne d b y n u me r i c a l s i mu l a t i n g o f t h e s t o pe p a r a me t e r s ． T he a p pl i c a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t ， t h e s t o p i n g s c h e me o f t h i s p a p e r i s f e a s i b l e a n d i t pr o v i d e s o me r e f e r e n c e for t h e r e l a t e d o r e d e po s i t mi n i n g ． Ke ywo r d s Ex t r e me l y f r a c t u r e d o r e d e p o s i t ，Mi n i n g me t h o d，Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 1 地质概况 某金矿矿 区处于秦岭东西 向复杂构造带西段 ， 洮河复向斜北翼 ， 马菅河 ～鹿儿坝 中低温热液成矿 远景区东端 ， 区内出露地层为中三迭统 ， 由一套轻微 变质的浅海相碳酸盐岩 、 中细粒陆源碎屑岩建造组 成 ， 空间表现为北老南新 的复式单斜构造 ， 地层总体 走 向 3 0 0 。 ～3 2 0 。 ， 倾 向 2 1 0 。 ～2 2 0 。 ， 倾角 4 0 。～ 7 O 。 。 区内岩浆岩不发育 ， 仅见有零星印支期花岗斑岩、 闪 长玢岩小岩柱 、 岩脉 出露 ， 矿区仅在Ⅲ矿带见有一条 蚀变闪长玢岩脉出露。 1 工程地质条件。区内主要 工业矿体顶地板 岩性均为中厚． 厚层状石英砂岩 ， 岩石坚 固， 且 均有 不同程度的硅化。裂隙、 节理构造发育， 抗压、 抗拉 性能差 ， 地下开采需要进行支护。 十二 五国家科 技支撑计划 编号 2 0 1 2 B AB 1 4 B 0 1 。 杨 清林 1 9 6 3 一 ， 男 ， 工程 师 ， 1 2 5 3 1 6辽宁省 葫芦 岛市建 昌县八 家子镇 。 2 水文地 质条件。矿 区未作水文地质工 作 ， 但从施工硐探工程看 ， 一般顶底板 围岩均无大量渗 水现象 ， 仅在 断裂 破碎带存在 滴水现象 ， 但水 量较 小 ， 主要靠雨水补给 ， 表现为雨季滴水量较大 ， 旱季 几乎无滴水现象 ， 且矿体多在侵蚀基准面以上 ， 目前 未发现有含水岩系。 3 矿体地质特征。矿 区内金矿体均赋存于 中 三迭统第三岩组 T ； 中的近东西 向断裂破碎带中 ， 按其分布特征 ， 从北 向南依次划分为 I、 Ⅱ、 Ⅲ矿带 ① I 矿带分布于矿区北部的泉湾山 ～ 大后沟脑一 线 ， 由 F 、 F 为主干 断裂 ， 附以旁侧断裂、 羽状裂隙 组成 ， 矿 体走 向 2 6 0 。～2 8 0 。 ， 倾 向南 ， 倾 角 7 0 。～ 8 0 。 ， 矿 体 厚 度 一 般 1 ． O 0～4 ． O 0 m， 平 均 厚 度 2 ． 5 9 m； ② I I 矿带位于 I矿带南 3 0 0 m 的小后沟脑 ～ 大后沟 中部 ， F 为主断裂 ， 矿体走 向 2 8 0 。 ， 倾 向 1 9 0 。 ， 倾角 7 5 。 ， 矿体厚度 1 ． O 0～3 ． O 0 m， 平均厚度 2 ． 1 9 m； ③ m矿带分布于小后沟口一大后沟口， F 为控矿及容矿构造 ， 走 向 2 8 0 。 ， 倾 向 1 9 0 。 ， 倾角 7 5 。 1 总第 5 4 1 期 现代矿业 2 0 1 4年 5月第 5期 一 8 0 。 ， 厚度 1 ． 9 3～ 9 ． 3 7 m， 最厚l 6 ． 0 3 m， 平 均厚度 4． 9 3 m。 2 采矿方法 矿山之前已进行浅孔留矿法开采试验 ， 但由于矿 岩体过于破碎， 上下盘岩体极易垮 冒， 矿石在放矿过 程中贫化率大 ， 开采安全性差 。所 以， 基于采矿方 法的选择原则、 矿床开采技术条件 、 之前开采实践及 矿山整体开采规划要求 ， 采矿方法选择要特别考虑以 下几点 ①矿石地质品位低、 尾矿不沉淀、 充填骨料外 购价格高且来源保障性差等， 不宜采用上向或下向胶 结充填采矿法； ②矿区社会环境要求矿山开采不能发 生意外 不可预见 的地表塌陷， 因此浅部或深部可能 引发意外地表塌陷的区段不能采用崩落法开采； ③ 矿 、 岩体整体上极为破碎且易垮冒， 大部分区段基本 无法采用空场法或嗣后充填法开采； ④矿体赋存条件 及矿区工程地质条件变化大， 本着安全、 经济的原则， 应针对不同条件选用适合的采矿方法。 综上分析， 根据矿体赋存条件和开采技术条件 ， 充分考虑到矿山现状 和采矿方法 的适用性 ， 对预护 顶人造覆岩废石充填采矿法和上向分层废石充填采 矿法经济技术比较后 ， 选择预护顶人造覆岩废石充 填采矿法作为主矿开有方法。采矿方法见图 1 。 中段顶板预支护区 图 1 预护顶人造覆岩废石充填采矿法 1 一中段 巷道 ； 2 一溜井 ； 3 一分 段脉外巷 道 ； 4 一分段 出矿巷道 ； 5 一锚 杆 ； 6 一锚索 ； 7 一护顶拉底 ； 8 一崩落矿石 ； 9 一 分段凿 岩巷道 ； 1 O 一炮 孔 ； 1 1 一假底 3 采矿方法数值模拟 以矿山实际地质资料为依据 ， 根据现场勘查情 况 ， 建立有限差分网格模型 ， 按走向每隔 5 0 m划分 一 个矿块进行数值模 拟和计算。通过模拟计算 ， 分 析在不同分段高度下采矿时采场顶板和上下盘 围岩 2 中次生应力分布状态、 顶板的直接位移沉降量 、 塑性 区范围等， 以确定此种条件下上述采矿方法的可行 性和安全性 ， 为采矿方法选择提供理论依据。 3 ． 1 岩体力学参数 根据矿山的工程地质特征进行 了岩石物理力学 参数折剪， 本次数值模拟过程 中所用岩体力学参数 见表 1 。 表 1 矿岩体力学参数 3 ． 2 数模边界条件 在数值模拟计算之前 ， 需要对模型设定边界条 件 ] 。将模型于 y面 内固定 ， z方 向上于模 型 底部固定 ， 即让模 型顶面到达地表 ， 无需设定约束 ， 使其处于 自由状态。 3 ． 3 数值模拟方案 为了尽可能真实地反映开采 的实际情况 ， 并使 得模拟开采在合理的应力环境 中进行 ， 数值计算按 以下几个步骤进行。 1 初始应力场。依据 上述要求建立模 型， 按 照应力大小与矿体埋藏深度的变化关 系， 让模型首 先达到初始应力平衡状态。 2 采矿方法模 型的构建 。在模型达到初始应 力平衡状态后构建采矿方法模型 ， 根据所选 的采矿 方法进行模型构建 ①预护顶分段高度为 1 0 m， 采 场长度为 5 0 m， 宽度为矿体厚度 ， 采场 回采之前在 本阶段顶部进行喷锚网护顶作业 ， 分段 回采采用人 工覆岩废石充填 ； ②预护顶分段 高度为 1 5 m， 采场 长度为 5 0 m， 宽度为矿体厚度 ， 采场 回采之前在本 阶段顶部进行喷锚 网护顶作业 ， 分段 回采采用人工 覆岩废石充填。 3 建立模 型 ， 模 拟上 述两种 采场 的稳 定性。 根据矿体赋存条件和预定 的开采顺序 ， 模拟计算上 述两种采场模型的围岩应力应变情况及采场顶板和 上盘的位移情况 ， 同时记录开采时的围岩应力和位 移状态 ， 分析和研究空区顶板的应力响应特性 ， 进而 判断各采场模型的稳定性和安全性。 3 ． 4 数值模拟结果 3 ． 4 ． 1 分段高度为 1 0 m 时的数值模拟 分段高度为 1 0 m时的最大应力云图、 最小主应 力云图、 位移见图 2 。 姜建华 陆玉根等 缓倾斜薄矿脉沉积型铝土矿地下采矿方法的探讨 2 0 1 4年5月第5期 厂 Ⅱ L H I IH I 图 5 倾斜分条全面 采矿法 1 一 切割上山； 2 一顶柱 ； 3 一 阶段运输平巷 ； 4 一切割平巷 ； 5 一 电耙硐室 ； 6 一溜井 ； 7 一人行通风天井 ； 8 一 点柱 1 结构参数 。矿块沿矿体走向布置 ， 长 5 0 m， 宽为矿体水平厚度 ， 高为 中段高度 2 0 m 或3 0 m 。 采场矿石溜井和电耙硐室沿矿体走 向间距1 0 m。 2 采准切割。主要有施工人 行通风天井 、 溜 井 、 电耙硐室 、 切割上山及切割平巷。 3 矿房 回采。回采工作沿走 向， 在一个 工作 面上则沿倾向从上往下回采作业 ， 工作 面可 以采用 直线状或者阶梯状布置。 4 矿柱 回采及 采空区处理。每个采场留有顶 柱 、 点柱 或间柱 ， 确保 矿石 回采安全 。矿房采完 后 ， 矿柱留作永久 矿柱不 回收。采空 区内充填部分 废石并封闭。 5 主要技术经济指标。矿块生产能力 4 5 t ／ d ， 损失率 1 3 ％ ， 贫化率 1 0 ％ ， 采切 比4 6 ． 8 m ／ k t 。 3 结论 1 针对我国铝土矿地下开采技术研究 较为薄 弱的现状 ， 通过对原生沉积铝 土矿 的赋存情况 的分 析 ， 研究提出几种适合缓倾斜 薄铝 土矿 的地下采矿 方法 。 2 针对提 出的采矿方法 ， 确定各采 矿方法矿 块的结构参数 ， 采准切割工程 ， 顶底部结构 ， 各方案 的回采工艺 流程 ， 临时支 护 的材料 、 间距和支护 工 艺 ， 空区的处理方式等 ， 最终得 出各方案的经济技术 指标 。 3 通过对沉积型铝土矿地下采矿方法和 回采 工艺的研究 ， 以达到减少铝土矿资源的贫化 、 提高矿 石的回收品位 、 为节约铝土矿资源、 安全、 经济和高 效利用资源的 目的。同时为我 国其他缓倾斜薄矿体 矿山的高效 、 安全 、 经 济开采提供 了方法和技术经 验 。 参考文献 [ 1 】 陆玉根， 大佛岩缓倾斜薄矿脉原生铝土矿地下开采综合技术 研 究[ D] ． 长沙 中南大学， 2 0 1 2 ． [ 2 ] 任 为东， 杨 彪． 水压 支柱护顶全 面房柱采矿 法在豫 西铝土矿 中的应 用[ J ] ． 采矿技术 ， 2 0 0 9 3 8 - 9 ． [ 3 ] 齐清． 长壁采矿法的安全问题及其预防措施[ J ] ． 矿业快报， 2 0 0 0 9 2 - 3 ． [ 4 ] 邱慎前 ， 陈金峰． 倾向 长壁式崩 落采矿 法的回采 实践 [ M] ． 矿 业快报 ， 2 0 0 3 5 1 6， 2 9 ． [ 5 ] 齐清， 董志军． 分段间断式短壁采矿法的应用[ J ] ． 矿业快 报 ， 2 0 0 1 1 4 _ 5 ． 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 - 0 2 上接第 3页 采场稳定性对分段高度表现敏感 ， 根 据分析结果确定了采矿方法及采场参数 ， 经过矿 山 实践 ， 证明此采矿方法可行 ， 采场参数合理 ， 对类似 矿 山的开采具有一定的参考作用 。 参考文献 [ 1 ] 张瑞 雪。 李文 秀， 闻磊 ， 等． 破 碎矿体地 下开采地 压控制 问题 [ J ] ． 化工矿物与加工 ， 2 0 0 8 4 3 1 - 3 3 ． [ 2 ] 杨家冕， 刘人恩， 王 星． 数值模拟在分层充填法采场参数选 择 中的应 用[ J ] ． 金属矿 山， 2 0 1 3 1 2 2 9 3 1 ， 3 5 ． [ 3 ] 莫卿， 廖九波， 王剑波， 等． 管缝式锚杆在破碎矿岩采场支护 中的应 用研 究[ J ] ． 黄金科学技术 ， 2 0 1 1 ， 1 9 4 5 3 - 5 5 ． [ 4 ] 陆刚． 破碎矿段分层 回采嗣后充填方案研 究[ J 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