（岩土工程专业论文）矿床开采环境数字化评价技术研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 矿床开采环境数字化模型是数字矿山建设的基础，只有完全掌握了矿 床及井下开采环境情况，才能够为数字矿山的建设提供基础平台，数字矿 山建设后续的通讯系统、生产调度及人员设备定位、生产过程安全监控与 预警系统、生产过程虚拟现实系统都需要以此为基础平台进行设计开发和 系统运行。 矿床开采环境数字化评价主要是采用t i n ( 不规则三角网) 技术产生 数字地形表面模型和三维地质实体( 包括矿体、岩层及断层) 模型，同时采 用变块技术建立矿床资源评价块段模型。最终采用地质统计学方法对块段 模型进行估值，得出既有结构性又具有随机性的复杂地质体的品位空间分 布和开采环境综合评价技术成果，并在此基础上进行开采方案优化与设 计。 本文根据金川有色金属公司三矿区现有工程的实际情况，以专门为项 目实施而设计的工程地质勘查钻孔及矿床开拓系统施工过程中形成的巷 道工程为依托，借助大型矿业工程软件，建立了金川i i i 矿体实体模型和 品位分布的块段模型，并对三矿区岩体构造、矿岩及不连续面物理力学性 质进行了分析和评价。且在此基础上，对矿体可崩性分级评判指标体系进 行研究，通过对评判指标的计算、统计及变异函数模型的研究，建立评判 指标三维评价模型，采用模糊分级技术建立矿体可崩性三维分级模型，最 后对i i i 矿区可崩性进行分级、分区与综合评价。 本文所述理论与方法在矿床开采环境评价中，视角独特、设计新颖， 且具有很强的针对性和适用性。评价结果表明数字化技术在矿床开采环境 评价中是高效合理的，也将对我国矿山企业的数字化进程起到巨大的推动 作用，具有重要的理论意义和实践意义。 关键词；开采环境，自然崩落法，实体模型，块段模型，岩体质量分级， 可崩性 中南大学硕士学位论文a b s l 限a c t a b s t r a c t 1 1 坨d i g i t i z a t i o nm o d e lo fd e p o s i tm i n i n ge n v i r o n m e n ti st h ef o u n d a t i o n o ft h ed i g i t a lm i n ec o n s t r u c t i o n , w ec a nn o tp r o v i d et h eb a s a lp l a t f o r mt h a t d e c i d i n gt h ed e s i g nd e v e l o p m e n ta n ds y s t e mm o v e m e n to fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g , p e r s o n n e le q u i p m e n to r i e n t a t i o n , p r o d u c t i o n p r o c e s ss a f em o n i t o r i n g ，w a r n i n gs y s t e m ，a n dp r o d u c t i o np r o c e s sv i r t u a l r e a l i t ys y s t e mf o l l o w i n gt h ed i g i t a lm i n ec o n s t r u c t i o n ，f o rd i g i t a lm i n e c o n s t r u c t i o nu n l e s sw eh a v e c o m p l e t e l yg r a s p e dt h ec o n d i t i o no fd e p o s i t m i n i n ge n v i r o n m e n t t h ed e p o s i tm i n i n ge n v i r o n m e n td i g i t i z a t i o nv a l u a t i o nm a i n l ya d o p tt h e t e c h n o l o g yo fi r r e g u l a rt r i a n g u l a rn e tt op r o d u c et h ed i g i t a lt e r r a i ns u r f a c e m o d e la n dt h e3 dg e o l o g i c a ls o l i dm o d e l ，i n c l u d i n go r e b o d y , r o c ka n df a u l t ， s i m u l t a n e o u s l yu s e st h ec h a n g i n gb l o c kt e c h n o l o g yt oe s t a b l i s hd e p o s i t r e s o u r c e sa p p r a i s a lb l o c km o d e l f i n a l l y , c a r r y i n go nt h eb l o c km o d e l e s t i m a t e sb yg e o l o g ys t a t i s t i c a lt h e o r yo b t a i n st h et e n o rs p a t i a ld i s t r i b u t i o no f c o m p l e xg e o l o g i cm o d e lb o t hi nc o n f o r m a t i o na n dr a n d o m i c i t ya sw e l la s s y n t h e s i sa p p r a i s a lt e c h n o l o g yp r o d u c t i o na b o u tm i n i n ge n v i r o n m e n t ，a n d c a r r i e so nm i n i n gs c h e m eo p t i m i z a t i o na n dd e s i g ni nt h i sf o u n d a t i o n i nt h i sp a p e r , t h en o 3d i s t r i c to fj i n c h u a nc o r p o r a t i o ni st h er e s e a r c h o b j e c t 1 h e3 dg e o l o g i c a ls o l i dm o d e la n db l o c km o d e lw i t ht e n o rd i s t r i b u t i o n h a db e e ne s t a b l i s h e db yd i n to ft h e l a r g em i n i n gs o f t w a r e ，a n dr o c k c o n s t i t u t i o n ，p h y s i c sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fo r er o c ka n dd i s c o n t i n u i t y s u r f a c eh a db e e na n a l y z e da n da p p r a i s e d i nt h i sf o u n d a t i o n ，t h ec a v e a b i l i t y c l a s s i f i c a t i o nj u d g m e n ti n d e xs y s t e mo fo r e b o d yh a db e e nr e s e a r c h e d , a c c o r d i n gt o t h ec o m p u t a t i o na n ds t a t i s t i c a b o u tj u d g m e n ti n d e x , s t u d y v a r i o g r a mf u n c t i o nm o d e l ，t h e3 da p p r a i s a lm o d e lw i t hj u d g m e n ti n d e xh a d b e e ne s t a b l i s h e da sw e l la st h ec a v e a b i l i t y3 dc l a s s i f i c a t i o nm o d e lo fo r eb o d y h a db e e ne s t a b l i s h e db yf u z z i n e s sc l a s s i f i c a t i o n t e c h n o l o g y f m a l l y , t h e c a v e a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o n , s u b a r e aa n ds y n t h e s i sa p p r a i s a lo ft h en o 3d i s t r i c t h a db e e nc a r r i e do n 中南大学硕士学位论文 a b s l l r a c t t h et h e o r ya n dm e t h o ds t a t e db yt h i sp a p e rh a sv e r ys t r o n gp e r t i n e n c e a n da p p l i c a b i l i t yi nt h ed e p o s i tm i n i n ge n v i r o n m e n ta p p r a i s a l t h er e s u l t i n d i c a t et h a tt h ed i g i t i z e dt e c h o l o g yi sh i g h l ye f f e c t i v er e a s o n a b l ei nt h e d e p o s i tm i n i n ge n v i r o n m e n ta p p r a i s a l i tw i l la l s op l a yah u g ei m p e t u sr o l ei n o u rc o u n t r ym i n ee n t e r p r i s e sd i g i t i z e da d v a n c e m e n ta n dh a v et h es i g n i f i c a n c e b o t l li nt h e o r ya n dp r a c t i c e k e y w o r d s ：m i n i n ge n v i r o n m e n t ，b l o c kc a v i n g ，s o l i dm o d e l i n g ，b l o c k m o d e l ，t h ec l a s s i f i c a t i o no f r o c km a s s ，c a v e a b i l i t y h i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 作者签名：丛翌遮 日期：坌丑年上月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学 位论文：学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储龋靼导师躲逝瞧4 年d 卫日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题依据及研究的目的与意义 1 1 1 研究的依据及目的 金川集团有限公司是采、选、冶、化配套的大型有色冶金、化工联合企业，镍和 铂族金属产量占中国的9 0 以上，是中国最大的镍钴生产基地，被誉为中国的“镍 都”。就其金属储量而言，金川矿区贫矿矿石量占总储量的2 3 左右，达2 7 亿t 。由于 此前在矿山的生产过程中，遵循了“采富保贫、贫富兼采”的原则，只兼采了一部分 贫矿，使得绝大多数贫矿都保留下来，为以后进行大规模回采提供了有利条件。为了 有效利用国家的矿产资源，金川公司三矿区的贫矿开采技术也日益迫在眉睫。 根据金川集团公司的发展规划，三矿区贫矿开采已提到议事日程。按照规划，三 矿区从2 0 0 3 年开始进行基建，2 0 0 5 2 0 0 6 年将试投产。为保证三矿区开发如期投产， 在可行性研究阶段由北京院( 中国有色工程设计研究总院) 、兰州院及长沙院等三家 单位进行了初步设计，分别提出了“自然崩落法”、“无底柱分段崩落法”及“阶段 强制崩落法”等三种不同的适于贫矿开发利用的开采方案。2 0 0 2 年6 月由公司矿山部 牵头，组织公司矿山系统的工程技术人员对三家单位提出的“三矿区可行性研究”的 三种方案进行了系统的比较和优化选择，在综合分析三家设计院采用的采矿方法的基 础上，决定选用由北京院提出的自然崩落法开采方案，并建议由北京院( 中国有色工 程设计研究总院) 进行三矿区的初步设计。 为确保三矿区自然崩落法开采的顺利实施，金川有色金属集团公司组织相关工程 管理与技术人员，于2 0 0 3 年7 月赴长沙与在自然崩落法开采技术研究方面具有丰富基 础和经验的中南大学对相关问题进行了探讨，并在2 0 0 4 年3 月双方签订合同，委托中 南大学就金川三矿区高应力破碎矿岩条件下自然崩落法开采相关问题进行研究，确定 了“矿床开采技术条件研究”、“矿体可崩性与崩落矿岩块度分布研究”、“矿岩自 然崩落规律研究”以及“三矿区自然崩落法放矿、底部结构和拉底技术研究”等四个 专题。 在此背景下，结合导师课题金j l l i i i 矿区高应力破碎矿岩条件下自然崩落法研 究，根据金川有色金属公司三矿区现有工程的实际情况，以专门为项目实施而设计 的工程地质勘查钻孔及矿床开拓系统施工过程中形成的巷道工程为依托，对三矿区岩 体构造、矿岩及不连续面物理力学性质进行深入全面研究，以期能为三矿区矿床开采 中南大学硕士学位论文第一章绪论 环境评价提供翔实的基础研究资料。 1 1 2 矿床开采环境数字化评价技术研究的意义 矿山依赖于资源而生存，资源的分布情况对于矿山的设计、生产以及后续的效益 具有极大的影响。因此，矿山资源评价对于矿山开采而言，是一个非常重要的基础工 作之一。与此同时，由于矿山是以岩体为施工对象，岩层的空间形态与分布、岩体结 构面的产状与分布等等有关开采环境方面的评价与资源评价一样非常重要，在以往的 矿山设计或相关研究中，虽然也考虑到这方面的问题，但通常比较简单，采用的指标 比较单一。因此，我们认为应把开采环境评价提高到资源评价同等的高度上来，它们 共同构成数字矿山建设的基础平台，它对后续的矿山优化设计、工程措施制定、以及监 测成果的一体化分析等等都有着巨大的指导意义。它是数字矿山最底层的数据管理中 心。只有完全掌握了矿床及井下开采环境情况，才能够为数字矿山的建设提供基础平台， 数字矿山建设后续的通讯系统、生产调度及人员设备定位、生产过程安全监控与预警 系统、生产过程虚拟现实系统都需要以此为基础平台进行设计开发和系统运行。 1 2 矿床开采数字化评价技术理论 资源及开采环境数字化评价技术【l 】主要是采用t i n ( 不规则三角网) 技术产生数字 地形表面模型和地质体( 包括床体、岩层及断层) 实体线框模型，同时采用交块技术建 立矿床资源评价块段模型 2 - 1 2 1 。最终采用地质统计学 1 3 “1 9 方法对块段模型进行估值， 得出既有结构性又具有随机性的复杂地质体的空间分布及品位和开采环境综合评价 技术成果，并在此基础上进行开采方案优化与设计。这项工作从矿山工程测量和地质 勘探阶段即已开始，涉及的主要技术有数据库技术、成图技术、地质资料解译技术 2 0 - 2 4 1 、岩体质量调查技术、d e m 构模技术 2 5 。2 7 、3 d 实体构模技术、岩体质量评价指 标与评价体系 2 8 , - 4 4 1 、块段模型构模技术、块段与实体模型套合技术、区域化变量估值 技术等等。 资源及开采环境可视化建模与评价主要实现两个方面的目标：一是资源评价，主 要采用可视化建模方法和虚拟现实技术完成矿床模型的建立，用以表征矿床有用元素 的空间分布情况和对资源状况迸行科学合理的评价；二是开采环境评价，通过建模技术 全面掌握矿床和岩层分布、岩体质量、构造特征、已有井下工程的分布状态等影响矿 床开采的技术条件和关键工程指标。 对于矿山而言，开采环境三维数字化建模问题必须解决3 个方面的问题，一是开 采环境( 如地形、岩层、岩体、矿体、工程) 的空间位置与几何形态，二是反映开采 环境特征的相关参数( 如矿石的品位、岩体强度、岩体质量指标等) 的推估闷题，三 2 中南大学硕士学位论文 第一章。r 绪论 是能满足矿山设计、生产中地质制图的基本要求。 块段模型是最早采用的矿床开采环境建模的主要方法，这种构模方法建立的模型 不仅可以粗略地表示开采环境的几何形态，更为重要的是其符合开采环境参数数学推 估基本原理和假定的要求。然而，由于这种建模技术为了能够精确表示开采环境的几 何形态，必须将单元块划分为非常小的尺寸，导致了对存储容量、速度上的极高要求。 线框模型或实体模型是表示矿床开采环境的另一种方法，这种方法或者是用一个 表面表征开采环境的外部轮廓，或者是采用标准的组件填充封装的方式表征整个开采 环境。尽管国内有众多学者对标准组件封装方式进行了研究，由于地下开采环境形态 非常复杂，我们认为采用标准组件填充封装是不现实的。而且，对于线框或实体模型 而言，由于其不能满足环境参数数学推估的基本原理，如何解决环境参数的推估，也 是一个值得研究和探索的问题。 本文认为：集成块段模型与线框( 或实体模型) 二者的优点，利用线框和块段嵌 套模型来解决矿床开采环境建模问题。 1 3 国内外矿床开采数字化评价技术的研究现状 目前国内大多数矿山在矿床开采环境评价技术中，已经实现了计算机化，但在地 质、测量和采矿设计工作中，主要是借助于a u t o c a d 系统，在平面状态下，采用多 边形法计算储量和进行采矿设计，这无疑会导致出现如下几方面的问题： ( i ) 手工作业、工作强度大、速度慢。目前国内很多矿山为满足计划编制需要 而进行的地质储量计算工作进度非常缓慢，日常测量工作由于人手不够，甚至已经出 现了空白； ( 2 ) 对资源和岩体环境的三维分布状态掌握不准。采用a u t o c a d 软件进行储 量计算和设计，技术人员直接看到的只是一些平剖面图，对于这些图件所反映的三维 信息主要靠技术人员的空间想象力主观判断，对于复杂的地下环境，无论在速度方面、 还是质量方面，这无疑都是不能满足要求的； ( 3 ) 生产计划粗略、不精细。由于前述原因，国内矿山的生产计划编制时，储 量通常是采用一个估算的平均数，这无疑导致计划工作的不准； ( 4 ) 采矿设计盲目、施工措施被动。由于在二维情况下进行采矿设计，对相邻 两个已知图件之间的地质情况主要靠设计人员空间想象力主观臆定，因此，在设计时 往往导致工程布置位置不合理，缺乏前瞻性，在施工工程中出现问题后才去着手考虑 采取什么样的措施，造成极大的浪费，甚至出现一些安全事故。 ， 目前，国外矿山在这部分工作中，普遍采用国际上比较流行的矿业工程软件，有 些矿山甚至同时拥有2 种以上的这些软件。这类软件国内外都进行了研究和开发，但 由于性能差别很大，目前以采用国外软件居多，国内现在已经引进的有：d a t a m i n e 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 及m i n e 2 - 4 d 系列软件( 铜陵有色金属公司冬瓜山铜矿) 、s u 趾，a c 软件( 金川有色金 属公司) 、m i n t e c 软件( 江西铜业公司) 、m i c r o m i n e 系列软件( 西部矿业、云铜大红 山、国土资源管理部门等) 。 这些软件都是全三维的图形用户界面，性能大同小异，矿业公司在引进软件时着 重应考虑的是其技术服务和在矿山得到实际应用方面的投入力度。目前，d a t a m i n e 和m i n t e c 软件尚都是只有英文系统，实践表明，尽管这些软件功能很强，在矿山实 际应用的推动工作中具有很大的难度。s u r p a c 和m i c r o m i n e 软件均有正式的中文 版推出，但两者在国内的供应、服务有所不同，m i c r o m i n e 公司直接在中国设有分 公司，负责中国、韩国和外蒙地区的销售和推广应用工作，s u r p a c 软件则主要是通 过国内代理的方式进行销售和服务工作。 1 4 研究内容及技术路线 自然崩落法是一种依靠岩体内部的自然力来实现矿岩崩落与运搬的低成本、高效 率、大规模地下采矿方法 4 s , 4 6 ，因此，其成败与否主要取决于矿床的成矿特征、矿体 规模、矿岩的破碎程度、矿岩的物理力学性质及地应力状态等因素，所以在自然崩落 法可行性研究阶段必须对矿床的开采环境进行研究，以获得与矿体可崩性、崩落矿石 块度、矿体崩落规律及底部结构稳定性等研究相关的大量的、可靠的基础研究资料， 其研究具体研究路线见图1 - 1 。 本研究主要内容为： ( 1 ) 研究i i i 矿区矿体规模、形态、品位分布及岩层分布状态等； ( 2 ) 根据自然崩落法可行性研究对岩体构造调查、矿岩物理力学性测定及崩落 过程监测等工作的要求，完成工程地质勘察设计工作； ， ( 3 ) 通过三矿区矿岩及不连续面物理力学性质室内试验、对三矿区矿岩及不连 续面物理力学特征进行全面评价； ( 4 ) 对矿体可崩性分级评判指标体系进行研究，通过对评判指标的计算、统计 及变异函数模型的研究，建立评判指标三维评价模型，采用模糊分级技术建立矿体可 崩性三维分级模型，最后对i 矿区可崩性进行分级、分区与综合评价【4 5 】； 4 中南大学硕士学位论文第一章- 绪论 图1 - 1 论文研究技术路线困 5 中南大学硕士学位论文第二章金川三矿区开采技术条件 第二章金川三矿区开采技术条件 2 1 金川三矿区矿床地质 2 1 1 矿区地层及矿床概况 金川硫化铜镍矿区东西长6 5 k i n ，宽不足l k m 。按勘探先后的四个含矿超基性岩 段的分布，被分别称为一、二、三、四共四个矿区。 金川硫化铜矿床赋存于华北地台阿拉善地块西南缘龙首山隆起的铁质超镁铁侵 入岩中。龙首山隆起所在的阿拉善地块位于塔里木地区与华北地区相接的部位，南邻 早古生代北祁连褶皱带，北依晚古生代准噶尔褶皱带。 金川矿床所处的龙首山区，其沉积建造自下而上可分为：下元古代前长城纪变质 碳酸盐一火山岩建造；中晚元古代富镁质碳酸盐一火山碎屑岩建造；晚古生代磨拉石 一浅海相碳酸盐建造；中新生代陆相碎屑岩建造。 龙首山区岩浆活动以花岗岩类最为发育，分布面积大：多里岩基出现，主要形成 于早古生代中、晚期和晚古生代早、中期，岩石类型主要为二长花岗岩和闪长花岗岩， 其次是钾长花岗岩，少数为斜长花岗岩、石英闪长岩、石英二长岩等。 2 。1 2 含矿岩体形态与产状 金川矿床含矿岩体全长约6 5 k m ，宽2 0 5 2 7 m ，延深数百米至千余米，最大延深 超过1 1 0 0 余米，岩体东西两端被第四系覆盖，中部出露地表，上部已遭剥蚀，岩体 倾向2 2 0 。，倾角5 0 。8 0 。，岩体受北东向压扭性断层错断，由西向东分为四段， 即依次为三、一、= 、四4 个矿区的含矿岩体。 三矿区位于一矿区以西。主要有i 号、1 2 号、1 8 号和5 8 号矿体，镍金属储量占 金川矿区储量3 9 7 。其中1 号矿体最大，铜镍金属储量占三矿区储量的7 3 7 9 和 7 4 ，6 0 ，是崩落法的主矿体，1 2 号、1 8 号矿体赋存在l 号矿体的下盘，和l 号矿体 一同回采。5 8 号矿体是富矿体，平均品位n i 1 8 6 、c u - 1 4 7 ，需单独回采。三矿 区1 号矿体自4 行以东的f 8 断层，向西尖灭于1 4 行到1 6 行之间；走向北2 7 。西 南2 7 。东，与岩体底界近乎一致，以星点状贫矿为主，长约4 6 3 m ，宽约2 0 0 m 。在 1 5 3 0 m 中段以上，矿体沿走向在6 行最厚为1 4 9 m ，8 行最薄为8 m ，到1 0 行又逐渐增 厚至8 6 m ，构成了以8 行最狭窄，其东最厚、其西次之的沿走向急剧膨缩变化的特征。 l o 行向西，矿体开始分岔为上下两枝，紧贴岩体边部，继续向西延伸，于1 2 行到1 4 6 中南大学硕士学位论文第二章金川三矿区开采技术条件 行之间尖灭。矿体倾向南西，上部倾角较陡，一般为5 0 。6 0 。，1 5 8 0 中段以下逐 渐变陡达7 0 。8 0 。沿倾斜矿体同样表现了连续的膨大缩小的变化特征，当膨 缩的幅度一般仅十几米最大数十米。 2 1 - 3 矿区构造 如图2 1 所示，在i i i 矿区附近分布有f l 、f 3 、f 8 、f 3 6 等断层，矿区构造以断 裂作用为主。 f 1 断层位于矿区范围之外的北部戈壁潍中，走向北西7 0 度，延长约2 0 0 k m ，向 南西倾斜，倾角4 6 5 6 度。在一矿区的西端受f 8 断层影响，走向转为北东的一段， 倾角大于8 0 度或直立。至三矿区北侧四系覆盖，据推断f l 应在距离矿体底盘6 2 0 m 以外通过并继续向北西方向延伸。f 1 断层不但使其两侧岩石破碎，对开采不利，最重 要的是第三纪以来，由于它不断活动，对地面工程稳定性有很大危害。f 1 断层离矿体 虽然有6 2 0 m 左右，对采矿影响不是太大，但对开拓工程( 如井筒) 的布置影响较大。 f 3 断层属逆断层性质，发育于矿区南西部条带状混合岩和混合岩化二云片岩片麻 岩之间，大致以北1 0 0 3 0 0 西，西延出矿区，东端隐没于第四系覆盖物下，倾向南西， 倾角约5 8 0 ，断层破碎带宽约l m ，并局部被早期灰绿岩脉所充填。该断层远离矿体上 盘3 0 0 m ，且与矿体向同一方向倾斜，因此，f 3 断层对矿体没有破坏作用，在矿床开 采中也不会有所影响。 f 8 断层分布于矿区东南侧，属平推逆断层，呈北东南西向延伸约5 3 k i n ，倾向 南东，倾角约8 0 0 8 5 0 ；断层破碎带宽度1 5 3 2 m 。由于f 8 断层的错动，使i 矿区含 矿超基性岩体西段向南西位移约8 0 0 m ，形成独立的矿区。f 8 断层在矿区东部4 行 附近通过，直接切割矿体，断层破碎带宽度1 5 3 2 m ，对矿体有一定的破坏作用，对 矿床开采具有影响。 f 3 6 断层位于f 8 断层南东侧约1 2 0 m 处，走向北东南西，经k 5 、k 6 两槽向北 东延伸出矿区，向南西隐没于第四系中。断层倾向南东，倾角约6 1 。7 3 。，断层宽度 仅1 - 2 m 。f 3 6 断层也属逆断层，使老地层逆复于第四系之上。在矿区内，f 3 6 和f 8 断层乃是凹槽边缘的控制构造，但由于f 3 6 位于凹槽的南东一侧，与含超基性岩体并 未直接接触，且断层破碎带很窄，规模不大，因此，f 3 6 断层对矿床开采没有多大影 响。 7 中南大学硕士学位论文 第二章金川三矿区开采技术条件 2 2 采矿方法 图2 - l 金川矿三矿区位置及矿区构造分布 2 2 1 自然崩落法工艺概述 自然崩落法是通过在矿块底部拉底( 有时辅以割帮或预裂) 形成一定暴露空间， 引起岩体应力场发生变化来促迸岩石破碎而达到自然崩落的一种采矿方法。由于节省 了大量的凿岩爆破工程与费用，因而是一种低成本、高效率、安全性好的地下大规模 采矿方法。 由于自然崩落法是一种依靠岩体内部的自然力来达到矿石的破碎一并依靠重力来 进行矿石运搬的大规模地下采矿方法，它的生产过程与传统采矿方法相比，存在着很 大的不同。它的力学机理和工艺特点是；在矿块底部进行拉底( 有时辅以割帮和预裂 等诱导工程) 以引起矿块周边岩体内应力的变化，促使矿体破坏，并在重力场作用下 自行崩落，随着矿石不断放出或拉底工作不断进行，使矿体自然崩落并继续向上发展。 因此，这种方法不像别的采矿方法那样，不需要进行大量的凿岩爆破工作以使矿石跨 落，同时，也与其他采矿方法不同，不能通过凿岩爆破来实现人们所期望的崩落效果 和生产能力，其崩落特性主要取决于矿体的地质条件，即岩体构造及其分布规律、岩 体强度及地应力状态等因素。其能否成功实施，涉及到矿岩的可崩性、崩落规律与崩 落速率、矿岩的崩落块度、放矿控制、崩落区崩落状态与非崩落区稳定性监测等多方 面技术问题。因此，自然崩落法既是一种高能力、低成本的采矿方法，同时也是一种 技术含量高的采矿方法。 2 2 2 自然赢落法适用条件及优缺点 是： 自然崩落法对矿体的赋存状态有严格的要求，应用自然崩落法采矿的基本条件 ( 1 ) 矿体必须厚大，具有足够大的开采规模和足够的厚度，以保证拉底后矿石发 8 中南大学硕士学位论文第二章金川三矿区开采技术条件 起有效的崩落。 ( 2 ) 矿化较均匀，矿体内夹石含量不宜多；围岩最好是已有矿化，并不带废石夹 层，从而减少崩落的矿石的贫化。 ( 3 ) 矿体节理裂隙发育，这是适用自然崩落法的必要条件。 ( 4 ) 矿体比较规则；因为小部分支矿体不易回收，而且会使崩落边界不易控制。 ( 5 ) 矿体没有氧化自燃性，地表允许塌陷。 前两项是矿体地质条件，是应用自然崩落法的基本条件；后两项是岩体物理性质 条件和环境开采条件，是应用自然崩落法的必要条件。如何利用岩体自身特性，利用 地应力，利用工程控制来进行自然崩落是岩石力学在采矿中的具体应用，也是自然崩 落法的技术关键。 。 自然崩落法特别适用于低品位大型矿床的开采。当地质、经济、气候等条件使得 露天开采及其它采矿方法无法进行时，往往可以考虑采用自然崩落法。目前，适用自 然崩落法的主要矿种有：铁矿、钼矿、斑岩铜矿、石棉矿、金刚石矿和菱镁矿。由于 这种方法开采损失率高，不适用于贵金属矿石的开采。同时，它的优缺点也非常明显。 ( 1 ) 优点 这种方法主要优点是产量高，大矿体生产能力可达l 1 0 万能吨天；采矿成本低， 如果只考虑采矿直接成本时，相当于于剥采比为4 - 1 2 的露天开采成本，在合适的成 本最低的一种采矿方法，安全性好；通风条件好；生产集中有利于实现有效的生产管 理。 ( 2 ) 缺点 基建工程量大，时间长，投资大；拉底水平以下巷道难于维护；这种采矿方法不 灵活，要改为其它采矿方法是很困难的。 2 2 3 自然崩落法分类 自然崩落法有三种形式：矿块崩落、盘区崩落和全面崩落。 ( 1 ) 矿块崩落 把矿体划分为矿块，通常是矩形，出矿时保护矿岩接触面水平下降。在节理发育 的软弱矿体中，这种方法容易保证底部结构的稳定性，并能获得很大的装矿速度。 ( 2 ) 盘区崩落 在横向和纵向将矿体划分为盘区，盘区之间不一定留矿柱。用控制拉底面积的方 法，自盘区的一端向另一端后退式回采。崩落矿石与覆盖岩石是一斜接触面。当矿体 长宽尺寸很大时，都宜采用盘区崩落。 ( 3 ) 全面崩落 回采是从矿体的端用整个矿体厚度向另一端推进。当矿体稳固性较好时或矿体宽 9 中南大学硕士学位论文第二章金川三矿区开采技术条件 度方向尺寸不大时，可以考虑采用全面崩落。 2 3 工程地质调查的内容与意义 2 3 1 工程与水文地质调查内容 金川i l i 矿区为新建矿山，课题研究期间正处于矿山基建阶段，井下暴露工程不 多，为详尽地获得用于矿区开采技术条件评价的工程地质信息，采用两种调查手段一 钻孔岩芯调查和井下开拓工程岩体暴露面现场调查。调查内容根据研究所涉及到的 指标来确定，具体包括：岩体质量指标r q d 、岩石的单轴抗压强度、结构面的产状、 间距、节理面的粗糙度、节理面间的充填物、岩体和节理的风化蚀变程度、地下水条 件、所属的岩石类型等。 2 3 2 工程地质调查的意义 岩体构造调查能为矿体可崩性分级、崩落块度预 测及矿体崩落规律研究等课题的研究提供足够详尽的 现场岩体特性数据。同时，亦可将调查结果用于采矿 工程结构稳定性分析等研究中。一般来说，当面l | 盎下 述情况时，需要进行工程及水文地质调查。 ( 1 ) 新建矿山； ( 2 ) 露天转地下； ( 3 ) 具体工程地质环境要求对当前采用的采矿 方法进行评价时。 目前的研究表明：岩石的单轴抗压强度，r q d 指 标( 图2 - 2 ) ，节理面的几何参数、节理表面条件，节 理面的强度特征，节理产状与工程结构之间的相互关 系，地下水条件及地应力状态等众多因素对矿体的可 崩性、崩落矿石块度及矿体崩落规律均有不同程度的 影响。因此，这些参数的现场收集对自然崩落法的实 施至关重要。 调查的主要内容包括；不连续面的几何参数( 产 状( 倾角倾向) 、间距及持续性) 、不连续面表面条件 ( 平直度、粗糙度、张开度) 、充填物性质、风化等级 及地下水条件等。 1 0 图2 - 2 钻孔岩芯长度测定方法 鼢，jic： 耋i 中南大学硕士学位论文第二章金川三矿区开采技术条件 工程地质调查是研究岩体力学特性的基础，对工程岩体的力学特性来讲，就显得 更为重要。因此，必须制定严格的调查规范，认真组织施工，力求数据完备准确 2 4 工程与水文地质调查规范 工程及水文地质调查一般采用钻孔岩芯调查和岩体原位观测相结合的方法。 2 4 1 钻孔岩芯调查规范 钻孔岩芯调查是构造调查空问控制的一个必要部分。在工程设计的最初阶段，钻 孔岩芯资料往往是唯一可能获得的岩体构造资料。只有随着工程开挖才能逐步和原位 观测法结合起来。 施工时，钻具要求采用金刚石钻头，双管或三管钻具，n x 直径( 岩芯直径一般 在5 0 5 5 m m ) ，按要求在指定位置进行定向取心。取出的薪岩芯，在做素描之前，以 每盒为单位，用高像素的数码相机岩芯的原始状态进行拍照。在照相前将岩芯浸湿， 以便在不同的岩石类型与其它形状的矿物条件问产生很好的图像。然后认真填写回次 卡片。、 回次卡的内容主要包括：回次、相当孔深、进尺、岩芯长、采取率( r ) 、长岩芯、 岩石质量指标( r q d ) 、节理数、节理频数( f ) 、节理产状和岩芯描述等。在记录节 理时，切不可用力敲击岩芯管取心或人为造成岩芯断裂，如有人为断裂必须在断口处 标注“m ”以特别注明。每一岩芯盒内应该附以沿整个岩芯盒长度的合适的米尺比例尺。 岩芯损失部分以木块来代替，木块上注明长度，回次卡填好后将岩芯放入岩芯盒内。 2 4 2 岩体原位观测调查规范 岩体原位观测是观测地表岩石露头和已开挖的坑道内的岩体，一般采用详细线观 测法。 在调查区域岩体构造复杂，结构面类型、产状和闻距等的分布多变的情况下，沿 岩体暴露面连续不断地调查；当岩体构造类型简单、产状相对稳定，分布规律比较明 显的情况下，选择有代表性区段进行调查。关键是抽样区段的代表性。应该先由有经 验的地质人员和岩石力学工作者联合进行踏勘，初步将调查区域分成若干构造区( 3 类以上) ，使每一区段的主要特征( 如岩石类型，岩体切割程度，节理产状以及水文 条件和风化蚀变等) 或多或少地相同。在大多数情况下，构造区的边界都与主要的地 质特征，如断层，岩脉和剪切带是一致的。构造区确定之后，在每个区内选择代表性 最强的区段进行观测。 根据统计分析，要确定所测区段中各节理组，节理间距的分布参数，所需测定的 中南大学硕士学位论文 第二章金川三矿区开采技术条件 节理条数应不少于1 5 0 条，这个数字随结构面产状的随机性以及进一步分析的需要而 变化。 坑道调查位置确定后，在纵、横坑道布置测线如图3 2 所示。沿坑道壁面距底板 1 米高处安置测尺作为测线，用以确定各结构因素的位置。测尺必须水平拉紧，基点 设在开始调查点。从基点开始沿沿线方向对各构造因素进行测定和统计。 2 4 3 特殊情况处理 图2 - 3 三测线不连续面量测方法示意图 特殊情况主要是指大断层破碎带的量测与记录。 厚度大于l 米的断层破碎带内，通常岩体切割严重，风化剧烈，构造复杂，含 水量大。在稳定性方面，它起控制作用；在崩落方面，它本身易于崩落成碎块，但 也导致两铡岩体呈大块崩落。因此，在构造调查时应作特殊的量测和记录。 ( 1 ) 节理量测统计：断层带或破碎带内节理密度大，交叉切割严重，但方向性 仍比较明显。若逐条节理量测统计，工作量太大，因此可按方向大致相同的节理量 取代表性产状，说明节理组相对发育程度，统计与测线相交的节理总条数和平均间 距。 ( 2 ) 量测记录破碎带上下界处面的产状，以便推断破碎带的延展性，并确定断 层性质。 ( 3 ) 记录构造岩石类型( 节理切割，砾岩或断层泥等) 。 中南大学硕士学位论文 第二章金川三矿区开采技术条件 ( 4 ) 记录节理壁和节理岩块的风化情况。用点载荷试验测定其强度。 ( 5 ) 记录渗水性，构造岩饱和状态或流水大小。 2 5 工程地质调查钻孔设计 为了全面了解生产区及其影响区中的岩体构造、力学参数、水文条件，为i 矿 区采用自然崩落法开采可行性研究提供地质依据，在i i i 矿区4 行勘探线到1 2 行勘探 线范围一共设计了1 3 个钻孔( 其中3 个为机动钻孔) ( 见图2 - 4 ) 。 、。1 。 | 。、d 。 ，ij 讲心 1心羹心 心、。、 ， 。、 、 。、 一 自 l 搴童基一薯 蜀 图2 4 金川三矿区新钻钻孔位置布置图 设计过程中，遵循的主要原则是：1 ) 满足可崩性分级研究时，对岩体构造、岩 石及不连续面物理力学性质资料的空间分布规律进行研究的需要；2 ) 满足崩落过程 监测研究对钻孔位置及深度的需要；3 ) 考虑补充探矿等工作的需要；4 ) 考虑研究的 需要；5 ) 钻孔数量及其位置、深度等对信息收集的详细程度及可靠往均有一定程度 的影响，且随矿区工程地质条件的变化而变化，因此，随着勘探工作的进行，根据矿 床地质的具体变化情况需对设计的钻孔数量及参数进行相应的增减与调整；6 ) 为充 分利用原有地质资料和方便今后利用本次勘探资料，钻孔全部沿勘探线布置；7 ) 为 了对深部工程地质和水文地质条件进行勘察勘探并与1 5 5 4 m 水平以上区域进行对比， 需设计部分深孔。各钻孔的位置及设计目标等详细情况见表冬l 。 中南大学硕士学位论文 第二章金川三矿区开采技术条件 表2 1 i i i 矿区自然崩落法开采可行性研究_ x - 程2 l 水文地质钻探设计表 钻孔 开孔位 孔底 位置 孔号 设计孔深孔斜备注 yxz 标高 z k o l8 8 1 24 7 7 71 7 5 81 5 6 01 9 8直孔 5 行 z k 0 28 7 6 84 7 1 01 7 6 21 4 5 23 1 0直孔 z k 0 38 8 5 44 7 5 01 7 5 51 5 3 02 2 5直孔 6 行 z k 0 48 8 0 94 6 8 61 7 6 01 5 0 02 6 0直孔 z k 0 5 8 7 7 0 4 6 2 2 1 7 6 51 3 5 04 1 5直孔 7 行z k 0 6 8 8 4 04 6 4 01 7 6 01 5 5 02 1 0直孔 9 行 z k 0 78 9 4 44 6 1 41 7 6 0 1 5 6 02 0 0 直孔 z k 0 89 0 2 54 6 4 61 7 5 21 5 8 01 7 2 直孔 1 0 行 z k 0 98 9 9 34 6 0 01 7 5 31 5 1 02 4 3 直孔 1 1 行 z k i o9 0 7 44 6 2 71 7 5 01 5 7 01 8 0 直孔 4 行 z k l l8 7 7 34 8 0 91 7 5 91 5 3 02 2 9 直孔 机动 8 行 z k l 28 8 7 14 6 0 01 7 6 31 5 3 02 3 3 直孔 机动 1 2 行z k l 39 0 8 0 4 5 5 01 7 5 31 5 0 02 5 3 直孔 机动 说明： ( 1 ) z k 0 1 在1 5 6 0 1 6 6 0 m 之间为定向钻孔，主要调查矿体与下盘围岩细粒二辉 杆岩中构造面的产状分布规律；( 2 ) z k 0 2 在高程为1 5 7 0 1 6 7 0 m 之间为定向钻孔，主 要调查矿体与上盘大理岩及均质混合岩中构造面的产状分布规律；( 3 ) z k 0 3 在矿体 与下盘大理岩的交接部位，勘察该部位矿岩的工程地质和水文地质条件，在1 5 5 4 - 1 6 5 4 米水平之间为定向钻孔；( 4 ) z k 0 4 在矿体的中部，且在1 5 7 0 1 6 7 0 米水平之间为定 向钻孔；( 5 ) z k 0 5 穿过了矿体及上下盘围岩，在1 5 7 0 m 水平以上的1 2 0 m 为定向钻 孔；( 6 ) z k 0 6 在1 5 7 0 m 水平以上1 0 0 m 为定向钻孔；( 7 ) z k 0 7 在1 5 7 0 m 水平以上 1 0 0 m 长度为定向钻孔；( 8 ) z k 0 8 的主要部分位于矿体中，在1 5 8 0 1 6 8 0 米水平之间 为定向钻孔；( 9 ) z k 0 9 基本上穿过矿体，1 5 7 0 m 水平1 0 0 m 为定向钻孔，主要调查 矿体及上盘围岩均质混合岩中构造产状的分布规律；( 1 0 ) z k l 0 在1 5 7 0 - 1 7 0 0 m 水平 之间为定向钻孔；( 1 1 ) 机动钻孔z k l l 主要勘察f 8 断层和上盘角砾岩及部分矿体的 工程地质和水文地质条件，若需要施工该钻孔，则在拉底层1 5 7 0 m 以上1 0 0m 采用 定向钻准确确定岩体弱面的产状；( 1 2