三山岛金矿深部开采采场能量释放规律研究.pdf

Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ. ５９６ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ. ２０１８ 现 代 矿 业 ＭＯＤＥＲＮ ＭＩＮＩＮＧ 总 第５９６ 期 ２０１８年 １２ 月第 １２ 期 刘建坤１９８３ꎬ男ꎬ工程师ꎬ硕士ꎬ１１０００４ 辽宁省沈阳市和平 区三好街 １３６ 号ꎮ 三山岛金矿深部开采采场能量释放规律研究 刘建坤 沈阳鑫博工业技术股份有限公司 摘 要 深部开采过程中“三高一扰动”对采矿工程造成很大的影响ꎬ不仅回采的安全性难以 保证ꎬ也极大地限制了矿石的回采率ꎬ充填法因能很好地控制地压而被认为是深部开采可选的采矿 方法ꎮ 以三山岛金矿为例ꎬ结合地应力测量结果ꎬ对深部开采过程中岩体开挖过程的能量释放规律 进行研究和分析ꎮ 结果表明ꎬ随着开采深度的不断增大ꎬ岩体释放的能量随之增大ꎻ岩体的弹性模 量越大ꎬ弹性应变能密度则越小ꎻ深部采场充填能明显降低岩体的弹性应变能密度以降低岩体释放 的能量ꎬ显著降低发生岩爆的可能ꎬ从而保证回采的安全ꎮ 关键词 岩体能量释放 充填体 数值模拟 弹性应变能密度 地压控制 ＤＯＩ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １６７４￣６０８２. ２０１８. １２. ０１２ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｌｅａｓｉｎｇ Ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｅｅｐ Ｍｉｎｉｎｇ Ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｓａｎｓｈａｎｄａｏ Ｇｏｌｄ Ｍｉｎｅ Ｌｉｕ Ｊｉａｎｋｕｎ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｘｉｎｂｏ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ. ꎬＬｔｄ. Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｍｉｎｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｓ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ “ｔｈｒｅｅ ｈｉｇｈ ａｎｄ ｏｎｅ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ“ ｐｈｅｎｏｍｅ￣ ｎｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｄｅｅｐ ｍｉｎｉｎｇꎬｗｈｉｃｈ ｃａｕｓｅｄ ｔｈｅ ｓｔｏｐｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ｉｓ ｎｏｔ ｅｎｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｏｆ ｏｒｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｒａｔｅ ｉｓ ｌｉｍｉｔｅｄ. Ｆｉｌｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｇｒｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅꎬｓｏ ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ａｓ ａｎ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｄｅｅｐ ｍｉｎｉｎｇ. Ｔａｋｉｎｇ Ｓａｎｓｈａｎｄａｏ Ｇｏｌｄ Ｍｉｎｅ ａｓ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｅｘａｍｐｌｅꎬｃｏｍｂｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎ￣ｓｉｔｕ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓꎬｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｌｅａｓｉｎｇ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｉｎ ｄｅｅｐ ｍｉｎｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｄｅｐｔｈꎬｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｌｅａｓｅｄ ｂｙ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙꎻｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｍｏｄｕ￣ ｌｕｓꎬｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ ｓｔｒａｉｎ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙꎻｔｈｅ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｅｌａｓｔｉｃ ｓｔｒａｉｎ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅ￣ ｌｅａｓｅｄ ｂｙ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｆｉｌｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄꎬｔｈｅ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｃａｎ ａｌｓｏ ｂｅ ｒｅ￣ ｄｕｃｅｄꎬｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｔｈｅ ｄｅｅｐ ｍｉｎｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ Ｓａｎｓｈａｎｄａｏ Ｇｏｌｄ Ｍｉｎｅ ｉｓ ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｌｅａｓｉｎｇꎬＦｉｌｌｉｎｇ ｂｏｄｙꎬＮｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬＥｌａｓｔｉｃ ｓｔｒａｉｎ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙꎬＧｒｏｕｄ ｐｒｅｓｓｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ 随着浅部矿产资源的不断开采ꎬ现有资源已不 能满足社会发展的需求ꎬ在近期或不久的将来ꎬ深部 矿体的开采必将成为未来的趋势[１￣２]ꎮ 深部开采中ꎬ 岩体在高地应力条件下ꎬ由于内部积聚大量应变能ꎬ 回采过程中会突然释放ꎬ即发生岩爆现象ꎮ 当开采 深度达到 ８００ １ ０００ ｍ 即进入深部开采ꎬ南非大部 分矿山开采深度已达到千米以上ꎬ最深达到 ４ ０００ 多 ｍꎬ为了有效的防治岩爆的发生ꎬ南非矿山均采用 充填采矿法ꎬ有效地改善了深部岩体应力的突然释 放ꎮ 充填采矿过程中ꎬ充填体作为开挖后回填介质 抑制围岩变形ꎬ同时ꎬ围岩对充填体进行挤压ꎬ充填 体内部就积聚了一定的变形能ꎬ围岩与充填体之间 存在能量交换ꎮ １９６６ 年 Ｃｏｏｋ 和 Ｈｏｅｋ 等[３]在研究 南非金矿深部开采岩爆问题时提出了能量释放率的 概念ꎬ同时提出了岩爆发生的次数以及规模与井下 开采过程中平均能量释放率密切相关ꎬ平均能量释 放率越大ꎬ发生岩爆的概率就越大ꎬ因此能量释放理 论在地下工程中的应用将日益广泛ꎮ 谢和平院士在 文献[４￣５]中讨论了岩石变形破坏过程中能量耗散、 能量释放与岩石强度和整体破坏的内在联系ꎬ文中 指出岩石的变形破坏是能量耗散与能量释放的综合 结果ꎬ能量耗散使得岩石内部产生损伤破坏ꎬ能量释 ５４ 放则是造成岩石突然破坏的内在原因ꎮ 在弹性情况下ꎬ采场围岩释放的能量依赖于采 场的闭合体积ꎬ采场围岩中储存的能量依赖于采场 采出的体积ꎬ充填体受围岩的压缩发生变形ꎬ充填体 吸收围岩释放的能量同样与体积有关[６]ꎮ 本文根 据能量原理ꎬ通过对岩体和充填体单位体积释放或 吸收的变形能进行研究ꎬ对充填体与围岩之间的能 量交换进行分析ꎬ最后通过数值模拟验证效果ꎮ 本文以三山岛金矿为例ꎬ运用能量原理对其深 部采场中充填体与围岩的能量释放规律进行分析研 究ꎮ 根据三山岛金矿情况ꎬ该矿三期工程即 －４２０ ｍ 以下采场已进入理论意义上的深部开采ꎬ地压现象 严重ꎬ三山岛金矿针对 － ５５５ ｍ 中段 ５５３＃采场进行 采矿方法研究ꎬ采用房柱交替上升式机械化盘区上 向充填采矿法回采ꎬ本文将针对该采矿方法对深部 开采采场能量释放规律进行研究ꎬ旨在为深部矿山 开采提供指导ꎮ １ 矿山岩性及工程地质 该矿区为近海岸地下开采的矿山ꎬ矿体倾角缓ꎬ 断裂构造发育ꎬ近矿围岩多不稳定ꎬ局部地段易发生 矿山工程地质问题ꎬ工程地质条件复杂程度为中等￣ 复杂ꎮ 影响岩体稳定性的主要因素为各种地质结构 面、断裂带及附近岩石受挤压而破碎ꎮ 这种岩体的 能量释放极容易引起掘进及开采时产生塌方或大规 模的冒顶ꎮ ２ 岩体能量释放分析 岩体在地应力场的作用下ꎬ内部储存了弹性应 变能ꎬ在岩体被开挖后ꎬ将会释放一部分能量[７]ꎮ 矿岩开挖前处于一个稳定的地应力场ꎬ处于弹性状 态ꎬ其内部储存的能量采用下式描述[８￣９] Ｕｒ＝ １ ２Ｅ０[σ ２ １ ＋ σ２ ２ ＋ σ２ ３ － ２μσ１σ２＋ σ１σ３＋ σ２σ３] ꎬ１ 式中ꎬμ 为岩体泊松比ꎻＥ０为岩体弹性模量ꎬＧＰａꎻσ１ 为原岩应力最大主应力ꎬＭＰａꎻσ２和 σ３为原岩中间 应力和最小主应力ꎬＭＰａꎮ 根据蔡美峰等对地应力测量的研究[９]ꎬ发现地 应力分布规律为线性分布ꎬ与深度大致呈线性关系ꎬ 即 σ ＝ ａ ＋ ｂＨ ꎬ２ 式中ꎬσ 为原岩应力ꎬＭＰａꎻａ 为截距ꎬｍꎻｂ 为斜率ꎻＨ 为深度ꎬｍꎮ 将式２代入式１中ꎬ即可得到根据地应力分 布特征的原岩储存能量的计算公式ꎬ该公式能很好 地表征岩体中能量的分布ꎮ 根据乔兰等[１０]采用应 力解除法对三山岛金矿深部矿体地应力进行测量分 析结果ꎬ可知三山岛金矿地应力分布规律 水平应力为 σｘ＝ ０. ８７ ＋ ０. ０２３Ｈ ꎬ３ σｙ＝ ０. ８１ ＋ ０. ０４４ ９Ｈ .４ 垂直应力为 σｚ＝ ０. ２８ ＋ ０. ０２５ ５Ｈ .５ 将地应力分布规律代入式１中ꎬ得到三山岛 金矿岩体弹性变形能密度公式为 Ｕｒ＝ １ ２Ｅ０[０. ００３ １９５ ２６Ｈ ２ ＋ ０. １２７ ０３８Ｈ ＋ １. ４９１ ４ － ２μ０. ００２ ７６４ １５Ｈ２ ＋ ０. １１９ ５４５Ｈ ＋ １. １７５ １] .６ 不同开采深度弹性应变能密度曲线见图 １ꎮ 可 以看出ꎬ随着开采深度的不断增大ꎬ岩体弹性应变能 密度也不断增大ꎬ则在开采过程中岩体释放的能量也 愈来愈大ꎻ对于不同性质的岩体ꎬ弹性模量越大ꎬ也就 是岩体刚度大ꎬ则在开挖过程中释放的能量越小ꎮ 图 １ 不同开采深度弹性应变能密度曲线 ●５. ０ ＧＰａꎻ■７. ０ ＧＰａ ３ 数值模拟计算 根据三山岛金矿 ５５３＃采场的开采技术条件ꎬ建 立 ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟计算模型ꎬ针对深部采场回采过 程中岩体的能量释放规律进行分析ꎮ 如图 ２ 所示ꎬ ５５３＃盘区划分成 ８ 个采场ꎬ２＃、４＃、６＃、８＃采场为第一 步回采采场ꎬ１＃、３＃、５＃、７＃为第二步回采采场ꎬ一二步 交替上升分层回采ꎬ回采安全步长为 １１. ５ ｍꎬ每分 层回采高度为 ２. ５ ｍꎬ控顶高度为 ４. ０ ｍꎬ每一步回 采完毕后接顶充填ꎮ 图 ２ 数值模拟计算模型 在模拟计算过程中ꎬ假设接顶质量良好ꎬ在每次 模拟充填完毕后ꎬ运算 ５ ０００ 步模拟充填体的固结 形成强度的过程ꎮ 根据弹性力学理论ꎬ运用 ＦＩＳＨ 语言编写了弹性应变能密度的计算程序ꎬ回采过程 ６４ 总第 ５９６ 期现代矿业２０１８ 年 １２ 月第 １２ 期 中岩体的弹性应变能密度云图见图 ３ꎬ由于篇幅有 限ꎬ这里只显示第一步回采、充填过程中的弹性应变 能密度云图ꎮ 图 ３ 弹性应变能密度云图 每一步开挖后与充填后岩体的弹性应变能密度 的变化情况见表１ 及图４ꎮ 可以发现ꎬ未充填时ꎬ随着 开挖体积的增大ꎬ弹性应变能密度呈指数增长ꎬ充填 后岩体的弹性应变能密度较未充填时降低了很多ꎬ较 好地控制了地压ꎬ保证了采场的安全稳定开采ꎮ 表 １ 充填前后弹性应变能密度变化情况 回采步骤 最大主应力 σ１/ ＭＰａ 充填前充填后 弹性应变能密度 Ｖ/ ＭＪ/ ｍ３ 充填前充填后 第 １ 步９.８３９.９６０.００２ ６５０. ００２ ５３ 第 ２ 步１０. ５４１０.７５０.００３ ２６０. ００３ ０３ 第 ３ 步１１. ３６１１.５１０.００４ ２４０. ００３ ７８ 第 ４ 步１２. ２７１２.４００.００５ ４５０. ００４ ６２ 第 ５ 步１３. １８１３.３３０.００６ ８７０. ００５ ７４ 第 ６ 步１４. ２６１４.３８０.００８ １５０. ００６ ５２ ４ 结 论 １随着开采深度的不断增大ꎬ岩体释放的能 量随之增大ꎻ岩体的弹性模量越大ꎬ即刚性越大ꎬ弹 性应变能密度越小ꎮ ２深部开采过程中ꎬ对采空区进行充填ꎬ通过 减小开挖体积ꎬ同时降低充填后岩体的弹性应变能 图 ４ 不同开挖过程弹性应变能密度变化曲线 ●未充填ꎻ■充填后 密度来控制地压ꎬ能够有效地保证采场安全稳定ꎮ 参 考 文 献 [１] 古德生ꎬ李夕兵. 现代金属矿床开采科学技术[Ｍ]. 北京冶金 工业出版社ꎬ２００６. [２] 何满潮ꎬ谢和平ꎬ彭苏萍ꎬ等. 深部开采岩体力学研究[Ｊ]. 岩石 力学与工程学报ꎬ２００５ꎬ２４１６２８０３￣２８１３. [３] ＣＯＯＫ Ｎ Ｇ ＷꎬＨＯＥＫ ＥꎬＰＲＥＴＯＲＩＵＳ Ｊ Ｐ Ｇꎬｅｔ ａｌ. Ｒｏｃｋ ｍｅｃｈａｎ￣ ｉｃｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｓ[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｓｏｕｔｈ Ａｆ￣ ｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙꎬ１９６６ꎬ６６１０４３６￣５２８. [４] 谢和平ꎬ鞠 杨ꎬ黎立云. 基于能量耗散与释放原理的岩石强 度与整体破坏准则[Ｊ]. 岩石力学与工程学报. ２００５ꎬ２４１７ ３００３￣３０１０. [５] ＸＩＥ ＨＥＰＩＮＧꎬＬＩ ＬＩＹＵＮꎬＰＥＮＧ ＲＵＩＤＯＮＧꎬｅｔ ａｌ. Ｅｎｅｒｇｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｆｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｒｏｃｋｓ[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅ￣ ｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ.２００９ꎬ１１１１￣２０. [６] 蔡嗣经. 新城金矿分层充填法采场矿围岩力学响应特性研究 [Ｄ]. 北京北京科技大学ꎬ１９９１. [７] 杜绍伦ꎬ刘志祥. 充填开采过程中岩体能量释放规律研究[Ｊ]. 金属矿山ꎬ２０１０５１３￣１５. [８] 周伟垣ꎬ杨 强. 岩石力学数值计算方法[Ｍ]. 北京中国电力 出版社ꎬ２００５. [９] 蔡美峰ꎬ刘卫东ꎬ李 远. 玲珑金矿深部地应力测量及矿区地 应力场分布规律[Ｊ]. 岩石力学与工程学报ꎬ２０１０ꎬ２９２２２７￣ ２３３. [１０] 乔 兰ꎬ欧阳振华ꎬ来兴平ꎬ等. 三山岛金矿采空区地应力测 量及其结果分析[Ｊ]. 北京科技大学学报ꎬ２００４ꎬ２６６５６９￣ ５７１. 收稿日期 ２０１８￣０９￣２３ 􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛 上接第 ４４ 页 ６ 结 语 深凹露天开采普遍面临着开采难度大、生产成 本高、接续资源少、生产信息传递速度慢、生产效率 低等问题ꎮ 新技术的应用能够解决矿山面临的上述 问题ꎬ提高矿山的开采效率ꎬ强化矿石质量的管控ꎬ 实现资源量的动态管理和计算ꎬ提高资源的利用率ꎬ 降低开采成本和员工的工作强度ꎮ 新技术对于深凹 露天矿开采效率和质量管理具有举足轻重的作用ꎮ 因此ꎬ矿山企业要重视新技术的开发和应用ꎬ同时加 强相关领域的交流ꎬ为矿山的安全、高效、协调、可持 续发展提供保障和动力ꎮ 参 考 文 献 [１] 蔡美峰ꎬ郝树华ꎬ张文明ꎬ等. 大型深凹露天矿安全高效开采关 键技术[Ｊ]. 中国科技奖励ꎬ２００８２４６￣４７. [２] 吴丽春ꎬ王李管ꎬ彭平安ꎬ等. 露天矿配矿优化方法研究[Ｊ]. 矿 业工程ꎬ２０１２８８￣１２. [３] 钟德云ꎬ胡柳青ꎬ吴国栋. 基于 ３Ｄｍｉｎｅ 软件的露天矿开采设计 [Ｊ]. 现代矿业ꎬ２０１２１０１１￣１４. [４] 余牛奔ꎬ齐文涛ꎬ王立欢ꎬ等. 基于 ３ＤＭｉｎｅ 软件的三维地质建 模及储量估算 以新疆巴里坤矿区某井田为例[Ｊ]. 金属矿 山ꎬ２０１５３１３８￣１４２. 收稿日期 ２０１８￣０８￣１３ ７４ 刘建坤三山岛金矿深部开采采场能量释放规律研究 ２０１８ 年 １２ 月第 １２ 期