硬岩矿深部开采过渡区厚度优选与数值分析.pdf

第3 6 卷第4 期 2 0 1 5年 4月 东北大学学 报 自 然 科学 版 J o u r n a l o f No r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e Vo1 ． 3 6。 No． 4 Ap r ． 2 0 1 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 3 0 2 6 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 2 5 硬岩 矿深 部开采过渡 区厚度优选与数值分 析 刘敦文 ，褚夫蛟 ， 任高峰 ，吴迪 1 ． 中南大学 资源与安全工程学院 ， 湖南 长沙4 1 0 0 8 3 ； 2 武汉理工 大学 资源与环境工程学院 ， 湖南 武汉4 3 0 0 7 0 摘 要 针对某铁矿进入深部开采过程中采场出现的地压问题， 优化并选取了合理的采场参数． 考虑到 矿体中存在软弱夹层， 会对过渡区的稳定性造成影响， 通过极限平衡法 ， 决定采用 8 ． 5， 1 0及 1 2 m厚度的过渡 区以备选用 ， 运用大型数值分析软件 F L A C 3 D进行三维数值模拟， 对其稳定性进行对比分析． 结果表明， 随着 厚度 的增加 ， 过渡区中应 力集 中现象越来越小 ， 在开挖过程 中 ， 顶板位移也随着厚度 的增加而减小 ， 仅 1 2 m厚 过渡区的塑性区没有贯通． 所以留设 1 2 m过渡区可保证采场的稳定， 满足过渡期问安全生产的要求， 为矿山 的安全平稳过渡生产提供依据 ． 关键词 深部开采； 软弱夹层 ； 采场参数； 过渡区厚度； 数值分析 中图分类号 T D 3 2 7 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 5 3 0 2 6 2 0 1 5 0 4 0 5 7 1 0 5 Op t i mi z a t i o n o f Tr a n s i t i 0 n Zo n e Th i c kn e s s a n d Nu m e r i c a l An a l y s i s f o r De e p Ha r d- Ro c k M i n i n g L I U D l r l ,一 w e n 1 ． C H U F u - j i a o ． R E N G a o f e n g ， WU D 1 ．S c h o o l o f R e s o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e ri n g ， C e n a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ．S c h o o l o f Res o u r c e s a nd En vi r o nme n t Eng i n e e rin g， W uh a n Uni ve r s i t y o f Te c h no l o g y， W u ha n 43 0 07 0， Ch i n a ． C o r r e s p o n d i n g a u t h o r C HU F u - j i a o ， E ma i l 4 5 3 9 4 9 1 9 2 q q ． c o m Abs t r a c tAi mi ng a t t h e g r o un d c o n t r o l p r o b l e m d u r i n g u n de r g r o u nd s t o pi n g a t de e p i r o n mi ne， s o me r e a s o na b l e s t o p e pa r a me t e r s we r e c h os e n a n d o pt i mi z e d． I n c o ns i d e r a t i o n o f we a k i n t e r c a l a t e d 1 a y e r wo u l d i n f l u e n c e t h e s t a b i l i t y o f t r a ns i t i o n z o n e．3 k i n d s o f a l t e rn a t i v e t hi c k n e s s o f t h e t r a ns i t i o n z o n e wh i c h we r e 8． 5． 1 0 a n d 1 2 m we r e s e l e c t e d b y us i n g l i mi t e q ui l i b rium me t h o d． Be s i d e s ， t h r e e d i me n s i o n a l n u me ric a l mo d e l wa s e s t a bl i s h e d wi t h t he l a r g e s c a l e n u me ric a l a n a l y s i s s o f t ware FLAC 3 D 。 wh i c h wa s u s e d t o m a k e a c o mp ar a t i v e a n a l ys i s of i t s s t a b i l i t y ． Nu me ric a l r e s u l t s s h o we d t h a t t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n d u rin g t h e p r o c e s s o f mi n i ng b e c o me s l e s s o bv i ou s a nd t h e d i s pl a c e me nt o f r o o f d e c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s i n g t h i c k n e s s o f t r a n s i t i o n z o n e， a n d t h e p l a s t i c z o n e a t on l y 1 2 m t hi c k n e s s o f tra ns i t i o n z o n e h a s n o t b e e n c o n n e c t e d．I t f o l l o ws tha t 1 2 m t r a n s i t i o n z o n e c a n g uara n t e e s t o p e s t a b i l i t y，a n d s a t i s f y s a f e t y p r od uc t i o n r e q u i r e me n t s d u r i ng t he t r a n s i t i o n p e rio d，wh i c h p r o v i d e s ba s i s f o r t h e s a f e p r o d u c t i on o f mi n e t r a ns i t i o n． Ke y wo r ds d e e p mi n i n g； we a k i nt e r c a l a t e d l a y e r ； s t o pe p a r a m e t e r s； t h i c kn e s s o f t r a n s i t i o n z o ne；n u me r i c a 1 a na l y s i s 随着矿山开采规模的扩大及浅部资源的 日益 枯竭 ， 矿山开采转入深部 的趋势 日益加强． 地下矿 山进入深部开采后 ， 随着开采深度 的逐年增加 ， 采 场的地压 问题将会越来越严重 ] ． 为 了维持采场 的安全稳 定 ， 需要改 变地下采场 的采 矿方法 ， 收稿 日期 基金项 目 作者简介 并在上下相邻的不同采矿方法的采场间留设过渡 区 隔离矿柱 、 保安矿柱等 ． 这样不仅 可以减 轻浅部矿体的开采对深部 的扰动 ， 也可 以减弱深 部采场因地压问题所带来 的影 响， 从而使得浅部 与深部的开采工作能顺利衔接 ， 同时进行 ， 对矿山 2 01 4一O 4 2 3 国家 自然科学基金重大资助项 目 5 0 4 9 0 2 7 4 ； 湖南省 自然科学基金资助项 目 0 6 J J 3 0 3 0 ；中南 大学前沿研 究计划项 目 2 0 1 0 Q Z Z D 0 0 1 刘敦文 1 9 7 1一 ， 男 ， 湖南祁东人 ， 中南大学教授 ， 博士生导师． 5 7 2 东北大学学报自然科学版 第 3 6卷 生产起到维稳的作 用并保证经济效益． 国内外许 多矿山在转入深部开采的过程 中都采取了留设过 渡区的措施 ， 比如谦 比希铜矿在浅部转深部 开采 的衔接部位留设隔离矿柱来满足矿山生产的平稳 过渡 ； 新龙矿业 留设保 安矿柱用来 隔水 ； 龙 桥铁矿为保证 下部开采 的安全进行 留设 隔离矿 柱 ； 桓仁铅锌矿保证下部开采 的安全正常进行 采用留设隔离矿柱的方案来隔离上部采空 区 ； 石人沟铁矿在露天转地下开采中留设隔离矿柱保 证矿山安全生产 ； 安庆铜矿进入深部开采为了 保证深部 回采的安全 留设 隔离矿柱 ． 过渡区的 稳定性对深部开采有着重要影响 ’ Ⅲ ， 因此对其 厚度的确定也至关重要． 如果过渡区留设过薄 ， 则 不能保证深部矿山生产的安全 ， 一旦发生垮落 ， 将 会给矿山企业带来灾难性后果 ； 如果过渡 区留设 过厚 ， 在后期回采的过程中， 会消耗大量的人力物 力 ， 并且还会出现回采矿石损失贫化大的现象 ， 对 矿山企业造成损失． 1 某硬岩矿采场参数优化 1 ． 1 工程概 况 某铁矿在露天开采结束后转人地下开采 ， 采 用无底柱分段崩落法， 由于矿床位于裂隙破碎带 中， 矿岩稳定性差． 随着开采深度 的 日益增加 ， 深 部 的矿压显现规律及地质作用特征使得浅部开采 条件下所沿用的采矿方法已经明显不适用于深部 开采． 为了改善深部开采的技术条件 ， 提高矿石开 采 的回采率 ， 充分 回收资源 ， 提高经济效益 ， 决定 在深部采用充填采矿法采矿． 矿山转入深部开采后 ， 由于采矿方法的转变 ， 使得开采工艺产生很大差别． 为了减小浅部与深 部开采相瓦问的影响 ， 需要在上下 采用不 同采矿 方法的采场问布置具有一定厚度的过渡区 ， 并需要 保证其稳定． 过渡区的稳定会影响到整个采场的安 全， 对矿山安全 、 顺利、 高效的生产有着重大意义． 矿 区 矿 体 总 体 走 向 S E 1 2 0 。 ， 走 向 长 约 5 ． 7 k m． 内分布多个矿体 ， 多数矿体倾 向 S W． 上 盘为闪长岩， 下盘为第 五段大理岩或 白云质大理 岩． 个别矿段矿体倾 向 N E， 上盘为第 五段大理岩 和白云质大理岩， 下盘为闪长岩． 研究区域总体倾 向 S W ， 倾角约 5 5 。 ， 倾斜延深约 1 2 0 0 m． 在矿体 内部有厚约 2 m 的软弱夹层 ， 倾角约 5 0 。 ． 1 ． 2深部采场参数优化 矿山以 一1 8 0 m水平为分界线 ， 以上矿体为 浅部矿体 ， 以下为深部矿体． 浅部矿体 的平均厚度 为 4 0 m， 深部矿体的平均厚度为 2 8 m． 过渡 区设 计布置在 一1 8 0 m 水平． 因矿 区决定在转入深部 开采后采用上向水平分层充填采矿法开采 ， 根据 设计要求 ， 若矿体厚度 大于 1 5～2 0 m， 则矿房 垂直矿体走 向布置 ， 一个采区设置 3～5个采场． 由于 矿 山 一1 8 0 m 水 平 以 下矿 体 平 均 厚度 为 2 8 m， 因此设计采用矿房垂直矿体走 向布置 ， 每个 采区设计 5个矿房 ， 以此来减小采准切割 的工程 量． 上 向水平分层充填采矿法要求矿房和矿柱的 宽度分别为 8～1 0 m和6～ 8 m【 1 2 j ， 查 阅各矿山的 采场参数 ， 部分矿山所选取的宽度大于设计要求． 根据矿山的具体情况 ， 结合生产实际， 并本着研究 从极限角度出发的思想 ， 选取矿房矿柱的宽度均 为 1 0 m． 2 过渡区厚度的优选确定 过渡区的厚度对于矿山由浅部顺利转入深部 至关重要． 影响其安全性的因素主要有采场围岩 、 上覆岩体 、 过渡 区 自重等． 根据力学 的相关原则 ， 结合岩石 的物理特征 、 力学性质 、 岩体结构等 因 素 ， 同时依据矿山现状 ， 选取极限平衡法 ’ ” 对过 渡区的极限厚度进行估算分析． 综合上覆岩体荷载 、 采场围岩及过渡区 自重 等影响因素 ， 对过渡区进行条块划分 ， 利用微分条 块 的方法计算过渡 区的剪应力和重力． 由于不同 条块的物理参数不 同， 应用极限平衡法计算过渡 区厚度 ， 条块划分 的数量越多 ， 计算结果越准确． 过渡区受力情况如图 l 所示． 图 1 过渡 区受力示 意图 F i g ． 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f f o r c e a t t r a n s i t i o n z o n e 采场开挖后 ， 定义安全系数 7 7 为过渡区m条岩 层 对于 i 条厚度 h 重力与侧边剪力的比值 ， 即 抗滑力 R 水平应力 矿柱 自重 7 ／一滑动力 w一 上覆岩体 自重 一 第4期 刘敦文等 硬岩矿深部开采过渡 区厚度优选与数值分析 5 7 5 岩体的上覆荷载及围压的自重和位移所引起的局 部应力集 中现象． 由于应力集中现象 ， 应力值大于 岩体强度 ， 使得过渡区发生 了塑性破坏． 仅 1 2 1T I 厚过渡区的塑性破坏没有贯通 ． 从 顶板位移也能 看出， 8 ． 5以及 1 0 m厚 的过渡 区位 移量相 差不 大 ， 与 1 2 m厚过渡区有明显差别． 由此可见 ， 留设 1 2 I T I 过渡区在下部回采过程中， 足够维持矿 区的 稳定 ， 并能适应矿 山矿石回采过程中设置 1 2 IT I 一 个分段的生产习惯． 因此 ， 建议矿山留设 1 2 m 厚 过 渡 区． 4 结 论 1 地下矿山的采矿工作在 由浅部 向深部 的 发展过程中， 伴随采矿方法的转变 ， 留设过渡 区能 有效减轻浅部地压对深部采矿工作的影 响， 减少 冲击地压 、 冒顶片帮等灾害事故 的发生及发展． 2 在过渡区下部进行开采 的过程 中， 软弱夹 层位置会 出现应力集 中及少量的塑性破坏 ， 影 响 过渡区的稳定． 留设 1 2 1T I 的过渡区， 使得 过渡区 的塑性破坏没有贯通 ， 能够保证采场 的稳定 ， 以及 使后期对其进行 的回采工作适应矿 山的生产 习 惯 ， 满足过渡期间安全生产的要求 ， 为矿山的安全 平稳过渡生产提供依据． 参考文献 [ 1] 古德生 ． 地下金属矿采矿科 学技术 的发 展趋势 [ J ] ． 黄金 ， 2 0 0 4， 2 5 1 1 8 2 2 ． G u D e - s h e n g ． T h e d e v e l o p me n t t e n d e n c y o f m i n i n g s c i e n c e o f u n d e r g r o u n d me t al mi n e [ J ] ． Go M， 2 0 0 4 ， 2 5 1 l 8 2 2 ． [ 2] 刘 同友． 国际采 矿技 术 发展 的趋 势 [ J ] ． 中 国矿 山 工程 ， 2 0 0 5 ， 3 4 1 3 5 4 O ． f Li u T o n g y o u ．De v e l o p i n g t e n d e n c y o f i n te r n a t i o n al mi n i n g t e c h n i q u e E J ] ． C h i n a Mi n e E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ， 3 4 1 3 5 4 0 ． [ 3] 李元辉， 南世卿， 赵兴东， 等． 露天转地下境界矿柱稳定性 分析[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 4 2 2 7 8 2 8 3 ． L i Y u a n h u i ， Na n S h i q i n g ， Z h a o Xi n g d o n g ， e t a 1 ． S t a b i l i t y o f b o u n d a r y p i l l a r f o r t r a n s i t i o n f r o m o p e n p i t t o u n d e r g r o u n d mi n i n g『J] ．C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri n g， 2 0 0 5 ， 2 4 2 2 7 8 2 8 3 ． [ 4] 赵兴东． 谦 比希矿深部开采隔离矿柱稳定性分析 [ J ] ． 岩石 力学与] 程学报 ， 2 0 1 0 ， 2 9 s u p 1 2 6 1 6 2 6 2 2 ． Z h a o X i n g d o n g ． S t a b i l i t y a n a l y s i s o f i n s u l a t i n g p i l l ar o f e x c a v a t i o n o f C h a m b i s h i C o p p e r Mi n e in d e p t h [ J ]C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g， 2 0 1 0， 2 9 s u p 1 2 6 1 62 6 2 2 ． [ 5] 赵雄 飞， 吕光宗 ， 杨小勇． 含水老 窿区下部 开采 隔水方法探 讨 [ J ] ． 中国矿业 ， 2 0 0 7 ， 1 6 8 4 5 4 7 ， 5 1 ． Z h a o Xi o n g f e i ，L y u G u a n g - z o n g，Y a n g X i a o y o n g ． Co n t a i n s wa t e r l o we r p a r t t h e o l d h o l e are a t o mi n e s e p ara t e s t h e ma t e r me t h o d d i s c u s s i o n[ J ] ． C h i n a Mi n i n g Ma g a z i n e ， 2 0 0 7， 1 6 8 4 5 4 7 ， 5 1 ． [ 6] 李海洲 ， 杨天鸿 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p i t i n t o u n d e r g r o u n d min i n g a t S h i r e n g o u[ J] ．J o u rna l o f H e b e i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y， 2 0 0 5 ， 5 2 81 3 ． [ 9] 张友锋 ， 张耀平 ， 王林． 安庆铜矿深部开采 一 4 0 0 m隔离矿柱稳 定性分析[ J ] ． 有色金属科学与工程 ， 201 1 ， 2 6 6 2 6 7 ． Z h ang Yo u - f e n g ，Z h ang Ya o p i n g ， Wang L i n ．S t a b i l i t y an a l y s i s o f 一4 0 0 m l e v e l i n s u l a t i n g p i l l ar o f d e e p e x c a v a t i o n i n A n q i n g C o p p e r Mi n e [ J ] ． No n f e r r o u s Me t a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g， 2 0 1 1 ， 2 6 6 2 6 7 ． [ 1 0] 王文杰， 任凤玉， 周宗红， 等． 夏甸金矿采矿方法过渡期临时矿 柱尺寸确定方法研究[ J ] ． 中国矿业 ， 2 0 0 7， 1 6 4 6 1 6 3 ． Wa n g We n - j i e ， R e n F e n g y u ， Z h o u Z o n g h o n g ， e t a 1 ． T h e i n t e ri m p i l l a r s i z e d e s i g n me t h o d s t u d y o f mi n i n g me tho d t r ans i t i o n i n X i a d i an G o l d Mi n e [ J ] ． C h i n a Mi n i n g Ma g a z i n e ， 2 0 0 7， 1 6 4 6 1 6 3 ． [ 1 1 ] 采矿设计 手册 编 写 委员 会． 采 矿设 计 手册 矿 床 开 采卷 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