（矿业工程专业论文）云锡塘子凹311＃矿体采矿优化及地压管理研究.pdf

昆明理工大学工程硕士学位论文 摘要 摘要 数值模拟分析技术已广泛地应用于岩土工程领域。本文所探讨的正是如何 应用此技术来解决采矿这种特殊地下工程的优化问题，从而在保证安全的前提 下，最大限度地实现其经济效益和社会效益。 本文针对云南锡业股份有限公司采选分公司塘子凹坑3 1 - 1 8 矿体的开采技 术条件，基于有底柱分段空场法，采用三维有限元和离散元数值模拟分析技术， 优化选择了回采顺序和采场结构参数，并且对采场顶板及间柱的稳定性、采空 区冒落的影响范围和程度等进行了研究，从而系统地、全面地进行了围岩稳定 性分析，提出地压管理措施，为指导矿山生产提出了可靠的依据。 关键词三维有限元，离散元，采场结构优化，稳定性分析，地压管理 l i ! 墨塑垄三鑫黧三垂壅主兰堡鲨壅盎! 翌墨垒壑 a b s t r a c t n u m e r i c a la n a l o ga n a l y s i st e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt og e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g t h i sp a p e rh a se x a c t l yd i s c u s s e dh o w t os o l v eo p t i m i z i n gp r o b l e mo f m i n i n ge n g i n e e r i n gw h i c hi ss p e c i a lu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gb ym e a n so ft h i s t e c h n i q u e ，f o rf u n yr e a l i z i n gt h ee c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s ，i nc o n d i t i o no f g u a r a n t e e i n gs a f e t y i nc o n s i d e r a t i o no ft h em i n i n gt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n so f t a n g z i a o s3 t 一1 8 b o d y o ft i n c o r p o r a t i o no fy u n n a n ，p i l l a r e ds t o p e m e t h o di nt h e p a p e r ， t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n dd i s t i n ce l e m e n tn u m e r i c a la n a l o ga n a l y s i s t e c h n i q u e i su s e dt o o p t i m i z e e x t r a c t i v e s e q u e n c e a n dt h e s t o p e s t r u c t u r e p a r a m e t e r s ，t h es t u d yh a sb e e nd o n ei ns t a b i l i t yo ft h er o o fa n dp i l l a ra n dt h e i n f l u e n c er a n g ea n dd e g r e eo f m i n e d o u ta r e a ss a g ，i nt h i sw a y ，t h es t a b i l i t ya n a l y s i s o fr o c kw a l li sm a d e s y s t e m a t i c a l l y a n d c o m p l e t e l y a n dp r o v i dt h e w a yo f m a n a g e m e n t o ft h ep r e s s u r ei nt h ee a r t h s c r u s t ，w h i c hh a sp r o f i d e dr e l i a b l eb a s i so f g m d i n g m i n e p r o d u c t i o n 、 k e y w o r d ：t h r e e - - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t ，d i s t i n ce l e m e t ，t h es t o p es t m c t u r e o p t i m i z a t i o n ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，m a n a g e m e mo f t h ep r e s s u r ei nt h ee a r t h sc r u s t i v ￥, 5 6 6 1 6 2 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑熏声明：所蟹交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何蒸谴个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出夔要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确静说朝荠袭示了谢意。本声鞠鲶法律结果蠡l 本人承担。 学位论文作者签名：埔乒移 日期：2 0 0 年1 胃1 5e t 昆明理工大学工程硕士学位论文 第一章国内外研究现状及研究课题的提出 第一章国内外研究现状及研究课题的提出 1 1前言 采矿是一项古老的工业，我国的金属采矿业可以追溯到几千年以前。传统的采 矿设计采用的是经验类比法，靠“查手册”来进行开采方案的设计和确定采场结构 参数。当采矿规模较小，并在近地表的范围内进行开采的时候，经验类比和定性分 析的设计方法是可行的。但是，随着开采规模的不断扩大和开采深度的逐渐增加， 经验类比的方法已经失去了意义。为了保证开采的安全，提高开采的效益和效率， 必须进行采矿设计的定量计算和分析。根据每个矿山的具体工程地质条件，矿体赋 存状况和所追求的技术经济指标，通过定量的计算、分析、比较，确定合理的开采 方法、采场结构参数、开采顺序等，从而实现采矿决策科学化和设计优化。 根据现代岩石力学的基本理论，地压管理的核心和关键是采用一切手段保持和 提高围岩的强度，充分利用围岩的自身强度来保持开采系统的稳定性。为了有效地 完成开采过程，就必须对开采过程中的地压活动规律有充分的了解和认识。利用数 值模拟等手段，在方案设计阶段即可模拟显示开采全过程，对开采过程中的地压活 动规律进行预测，从而为采矿优化提供相应的依据。 因此，有效地控制开采过程中的地压活动，保证开采系统的稳定性，是采矿设 计优化的主要内容。大型计算机的出现和各种数值分析方法、非线性科学和不确定 性研究方法的兴起，为进行采矿设计的定量计算和分析，实现开采设计的优化提供 了有力的工具。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 数值计算方法在地压管理、采场优化中的应用研究 地压控制或地压管理是采矿设计、采矿方法试验和采矿开采过程中的第一重要 问题。地压控制的基本理论就是掌握开采过程中巷道和采场围岩的应力、应变分布 规律，开采结构系统的变形和破坏情况，并采取合理的措施，控制开采系统有害的 变形和破坏，保持开采系统的稳定，保证生产安全。因此，采矿方法的应用研究目 的和地压控制的目标是完全相同的，合理采矿方法的“力学研究”实际就是地压控 制的优化研究。 。 根据现代岩石力学的基本理论，地压控制的核心和关键是采用一切手段保持围 岩的强度，充分利用围岩的自身强度来保持开采系统的稳定性。任何采矿活动都是 通过对地层的开挖来完成的，采矿开挖破坏了地层的原始平衡状态。地压显现就是 地层失去平衡引起的是地层为达到新的一轮平衡而进行的一种自我调节的行为， 昆明理工大学工程硕士学位论文 第一章国内外研究现状及研究课题的提出 这是地层或采矿系统自组织功能的一种反映。但是不能完全等待地层通过“自组织” 达到新的平衡，那样就可能在达到新的平衡过程中将原有的采矿系统破坏了，而是 要在适当的时候，采取适当的方式，帮助地层达到新的平衡状态。为了有效地完成 开采过程，就必须对开采过程中的地压活动规律有充分的了解认识。利用数值模拟 等手段，在方案设计阶段即可模拟显示开采全过程，对开采过程中的地压活动规律 进行预测，从面为采矿优化提供相应的依据。 实现采矿设计优化，其目的就是在保证开采系统稳定和生产安全的前提下，最大 限度地减少支护工作量，减少支护和掘进成本，最大限度地提高采矿强度和生产效 率，增加矿石产量，大幅度提高企业的经济效益、社会效益和环境效益。减少支护 工作量的前提就是要避免在开采过程中造成剧烈的地压显现的发生，如围岩中过度 的应力集中、过量的位移和大范围能量聚集区的出现。这是在开采设计优化中应优 先考虑的问题。如根据现场地应力条件和工程地质条件，进行合理的矿山总体布置， 包括确定合理的采场位置、走向、结构尺寸等，使采场处于有利的受力状态，使围 岩的应力、应变分布趋于均匀化；选择合理的开采顺序、开挖步骤，不仅要考虑本 步骤开挖的稳定性，还要考虑下一步骤开挖的稳定性，要考虑本步骤开挖对今后各 步骤开挖的影响；避免开采过程中某些部位和某些阶段出现难以控制的应力集中、 能量集中和变形破坏。 因此，为有效地控制开采过程中的地压活动，保证开采系统的稳定性，是采矿 设计优化的主要内容。大型计算机的出现和各种数值分析方法、非线性科学和不确 定性研究方法的兴起，为进行采矿设计的定量计算和分析，实现开采设计的优化提 供了有力的工具。 在岩石力学问题中常用的数值分析方法主要有有限差分法、有限单元法、边界 元法和离散元法等等。有限差分法的历史比较悠久，铁木辛柯在他的弹性理论 一书中就已介绍过有限差分法的基本思想。在有限单元法出现之前，有限差分法是 工程应用的主要方法，但主要用于解决弹性平面问题。近年来基于有限差分法显式 算法的快速拉格朗日分析程序( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ，缩写为 f l a g ) 在采矿和岩土工程中得到了较为广泛的应用。有根单元法5 0 年代开始盛行， 首先是由m j t u r n e r 和r w c l o u g h 等人于1 9 5 6 年提出。1 9 6 0 年，c l o u g h 又 利用三角形单元求解了平面应力问题。1 9 6 5 年。0 c z i e n k i e w i c z 将有限单元法 用于以变分原理为基础的问题，从而使有限单元法有了坚实的数学基础。2 0 世纪6 0 年代以后，随着电子计算机的飞速发展和广泛使用，有限单元法得到了迅速的发展 昆明理工大学工程硕士学位论文 第一章国内外研究现状及酬究课题的提出 和完善，并在各种复杂工程的数值模拟分析中得到普遍的应用，目前已从二维发展 到三维，从弹性发展到弹塑性及粘弹塑性，从线性发展到非线性，从小变形有限元 发展到大变形有限元等，展示了广阔的发展空间。边界元法是7 0 年代兴起的一种数 值方法，s l c r o u c h 首先将边界元法用于解决层状岩体的开挖问题。由于边界元 法具有降维的作用，从而大大减少计算工作量，使边界元法具有输入数据少、计算 时间短、计算精度高的特点，因此对解决无限域或半无限域问题尤为理想。上述几 种方法是解决连续体力学的数值方法，但是岩体是一种经历了漫长地质构造运动的 地质介质，为众多弱面所切割，具有明显的不连续性，且其变形、破坏或稳定性往 往受这些结构面或弱面的控制，不能简单地视为连续体，于是离散单元法等一些解 决非连续体问题的方法应运而生。离散单元法是由c u n d a l l 等人于1 9 7 1 年首先提出 来的。该方法把破碎的岩体看作是由裂隙切割而成的单个块体的集合体，这些块体 可以是刚性的也可以是可变形体。使用有限刚度参数刻画块体间的接触，运用牛顿 运动定律得出由于不平衡力引起的各块体的运动速度和位移。离散单元法与传统的 连续介质分析方法如有限单元法、边界单元法、有限差分法相比。其优点是能更为 真实地表达求解区域中的几何状态以及大量的不连续面，比较容易处理大变形、大 位移和动态问题，且材料参数数目相对减少。目前，最广泛应用的离散元程序是由 美国i t a s c a 公司开发的二维离散元程序u d e c 和三维离散元程序3 d e c ，它们已成功 地应用于巷道稳定性、边坡工程和放矿力学的研究中。 除了上述四种主要的数值分析方法之外，还有刚体节理元法、无界元法、半解 析元法、不连续变形分析法和流形元法。这些数值方法都有各自的优缺点及适用条 件，在实际应用中应根据具体情况采用合理的方法，做到既经济又可靠地解决实际 问题。 1 2 2 工程岩体物理力学参数的研究 伴随着上述数值方法在采矿设计优化中的应用，由此一个一直困扰岩土工程工 作者的问题即岩体物理力学参数选择的问题就突显了出来。现场测定岩体强度能够 得出较合理的岩体物理力学参数，但由于该项实验工程费用高，试验周期长，非一 般工程力所能及，从而导致不能普遍推广应用。然而，岩体力学参数的选取，是影 响工程技术分析结果的关键。多年来，国内外岩土工程工作者在岩体力学参数选择 方面作出了很多努力。 1 2 2 1 影响岩体力学参数确定的主要因素 从工程观点来看，影响岩体工程性质起主导和控制作用的主要因素有：岩石质 昆明理工大学工程硕士学位论文 第一章国内外研究现状及研究课题的提出 量、岩体完成性、风化程度、水、赋存环境及开挖卸荷等。 ( 1 ) 岩石质量：岩石质量好坏主要表现在它的强度和变形性质方面。对于岩体质 量参数的测定是利用岩块自身的各种力学性质指标，考虑岩体完整程度，再给以适 当的安全系数，以此得出的结果作为岩体相应指标。即岩体和岩块的同一指标，如 抗压强度，它们在同等受力状态下两者之间的差别仅在于岩体的完整性系数和所赋 予它的安全系数乘积之大小。以次类推，其余的一些指标参数也可按此途径去考虑。 目前对于岩体质量的描述常用的方法主要有普氏坚固系数法、岩体质量系数分级法 和岩体质量指标法。我国矿山过去常用普氏系数作为岩体质量的分类依据，但通过 多年的实践发现，普氏分类没有把岩体的完整性、岩体结构特征等对岩体稳定性有 决定作用的因素在分类中反映出来，因而在工程中不能正确评价岩体稳定性。目前 在工程中采用下列两种方法评价岩体质量： 岩体质量系数法： 岩体质量系数z 可表示为：z = j f s 式中：i 一岩石完整系数( 或r q d 值) ； f 一经验系数( 一般取0 6 ) ； s 一岩石坚固系数( 即普式系数) 。 岩体质量指标法： 岩体质量指标法m 可表示为：m = r ，3 0 0 r q d 式中：r c 一岩石饱和单轴抗压强度； r q d 一岩石质量指标( 可通过钻孔岩芯或巷道调查获得) 。 ( 2 ) 岩体的完整性 岩体的完整性主要考虑岩体中节理、裂隙的发育程度和结构类型。目前采用龟 裂系数来表示，即采用岩体中弹性波纵波速度v p 和组成该完整岩块的弹性纵波速度 的比值平方表示。若龟裂系数k v 大于0 9 为完整岩体，0 7 5 0 9 之间为较完整岩体， o 4 5 o 7 5 为中等完整，o 2 o 4 5 为完整性较差岩体，小- 90 2 为破碎岩体，同时根 据不同的k v 指标进行岩体指标折减。这种分类方法虽然可以反映出结构面组数、密 度等对岩体的影响，但不能反映出结构面的租糙度、张开度以及结构面组合形式等 对岩体稳定的影响。因此采用这一指标的大小还不能完全反映岩体的稳定程度。 ( 3 ) 风化程度 一般从工程观点出发，目前广泛采用单轴抗压强度来表示岩石的风化程度。即， 4 垦盟望三盔堂三塑堡主堂垡丝塞 篓二童垦堕! ! 堑塞型鉴墨型塑堡墼堕i ! 堂 k v = r ；。| r 。 式中：r a d 一风化岩石单轴抗压强度；r j d 一新鲜岩石单轴抗压强度a ( 4 ) 水的影响 对于该部分的理论和实践，矿山工程技术人员有着深刻的体会，目前常用软化 系数来刻画水对岩体的稳定性影响。一般软化系数大于0 8 可认为不受或略受水影 响，小于o 6 5 则受水的影响。从3 1 1 4 矿体所做试验看，大理岩和硫化矿基本不受水 的影响，而花岗岩则明显受水的影响。 ( 5 ) 赋存环境的影响 岩体赋存状态的不同，如岩体中节理、断层、地应力、温度等的影响，对试验 室岩块力学参数试验值的岩体折减等有很大影响，一般室内试验都脱离了岩体的实 际赋存状态，因此对室内试验应考虑不同的折减系数，以推广到岩体中。 许多试验表明，由于节理的存在使岩体的峰值强度降低到百分之几十，有时会 高达1 3 0 0 。这种强度的降低，一方面是由于节理面不能承担垂直于其表面的拉应力， 另一方面是由于节理面的风化或充填材料性质较差等，使节理面的抗剪切强度降低， 这使岩体的破坏沿节理面比岩石更加容易。同时，由于节理面在受力过程中容易产 生应力集中，产生一种难以让人了解的变形和破坏机理。一般节理岩体根据地质调 查可分为结构密集、中等密集和结构稀疏三类典型节理岩体。试验结构表明，三类 结构的弹性模量为完整岩体弹性模量的3 7 、4 3 和7 7 。节理组数对岩体弹性模 量也有很大的弱化，对一组节理岩体而言，节理越陡，间距越大，弹性模量越高。 当间距为2 3 米，含水平节理的岩体，其弹模为完整岩体的3 0 4 0 ；含垂直节理 的岩体，则为7 0 8 0 。对于6 0 7 0 度倾角的节理，当间距从l m 增加到6 m 时， 岩体的弹模可提高7 0 8 0 ，而间距大于6 m 后，弹模随间距增大的幅度明显减缓。 地应力、温度等对岩体参数的影响，国内外众多学者进行了大量的研究，一般 来讲，随岩体中温度的增高，岩石的弹模逐渐减小，但减小的规律不同。在地应力 作用下，岩体的波速比无地应力作甩下的岩体波速高。高地应力作用下的波速较低 地应力水平下的弹模高。 ( 6 ) 开挖卸荷的影响 开挖方式对岩体参数的影响，如工程爆破、卸荷等。在长江三峡所进行的试验 表明，在承压板法岩体变形试点的中心钻孔，量测承压板以下不同水平深度岩体的 位移，由此得到的岩体变形模量随深度增加而增加。据统计，从承压板表面至3 0 5 0 c m 深度范围内，岩体的变形模量比加荷载范围内( 约承压板尺寸的2 3 倍) 全 昆明理工大学工程硕士学位论文 第一章国内外研究现状及研究课题的提出 部岩体的综合变形模量低1 7 3 5 ；而深度3 0 5 0 c m 以下岩体的变形模量比综合变 形模量高7 3 1 ，该结果表明在洞表面以下3 0 5 0 c m 以内的岩体还受到洞子开挖 卸荷影响，变形模量降低了。在边坡工程中，边坡开挖松动区的岩体弹性模量将降 低，根据长江水利委员会的有关资料，在距离边坡4 6 m 的开挖松动带，其弹性模 量折减为原岩的一半，在4 6 m 到1 6 2 0 m 之间的过渡带，受开挖松动的影响较小， 弹性模量折减为原来的3 4 。其它影响因素如结构尺寸效应等。 1 2 2 2 岩体力学参数确定方法 目前岩体强度折减方法很多，但不同折减方法所得结果出入很大，在通过大量 的工程事例分析、总结中，人们渐渐认识到以工程岩体分类为基础进行来讨论岩石 力学强度参数是比较可行的。 ( 1 ) 摩尔库仑理论及其t r u e m c n 方法： 依据摩尔库仑理论，在分析了大量的不同折减因子后，利用工程岩体分类 ( r m r ) 得出了折减后的强度参数的表达式： 岩体单轴抗压强度：盯，= o 5e x p ( 0 0 6 r m r ) 岩体凝聚力：c u = o 2 5 e x p ( 0 0 5 r m r ) 岩体内摩擦角：2 0 5 r m r + 5 t r u e m e n 的这种方法在很多工程的数值分析中得到应用，事实证明是成功的，但 当强度比较低时，该方法不太令人满意，因此对于软弱岩体的研究仍将继续。 ( 2 ) h e o k - b r o w 强度参数的估计法：e h o e k 和e t b r o w n 通过大量的研究提出 了节理岩体的c s i r 法，对于节理岩体采取计分，并由计分进行岩石力学参数的工程 处理，该方法考虑了岩块的单轴抗压强度、岩石质量指标r q d 、节理间距、方位、 地下水条件，从而估计岩体的内聚力c 和内摩擦角中。 ( 3 ) 结吉( m g e o r g i ) 法：m g e o r g i 对片麻岩、大理岩、辉长岩、角闪岩、二长 班岩、安山岩、玄武岩、流纹岩等1 5 种坚硬的火长岩和变质岩的岩石强度和岩体强 度进行了研究后，得出下述经验公式： c 。= o 11 4 e “4 8 “+ 0 0 2 c r 式中：i 一一不连续面密度( 条m ) ；g 一一岩石内聚力( m p a ) ： c 卅一一弱化后的岩体内聚力( m p a ) ： 昆明理工丈学工程硕士学位论文 第一章国内外研究现状及研究课题的提出 ( 4 ) 经验折减法：国内外一些科研机构，往往根据自己从事该类工程的多年经 验，结合本工程的工程地质、水文地质和各类力学试验的具体条件，对岩石三轴强 度参数& 、中正和变形参数e 采取折减的办法，一些岩体工程专家常以降低某个量 级取定c 卅值。这种处理办法是以丰富的工程经验和实地调查及岩石力学经验为基础 的。如：考虑裂隙密度i 对岩体内聚力的影响，将岩块的c k 降低( i + 1 0 ) 倍。 ( 5 ) 费森科( 1 1 母h e e h k o ) 法：该方法除考虑不连续面密度外，还考虑了岩体 破坏高度，多适用于煤田层积岩层的较坚硬一较软岩层。此方法认为岩体的强度与 岩块的强度之间存在如下关系： c m 。薯扛 式中：h 一一岩体破坏高度，因中部区段各盘区分上下两个单元回采，这里取 单元回采高度2 5 m ；l - - 一被节理面切割的岩块尺寸，以n l ，条表示； a 一一取决于岩块强度和结构面分布特征的系数。 ( 6 ) 系数换算法：一些从事岩石力学试验多年的国内外研究者，根据大量的试 验数据中总结出一些经验关系，得到完整无裂隙的坚硬岩块的内摩擦角t g * k ，约为 岩体内摩擦角t g * 。的1 1 1 2 倍。 1 2 2 _ 3 位移反演分析确定岩体物理力学参数方法 位移量是描述物体受力变形状态的一个重要的物理量，目前已被用作反演确定 初始地应力和地层材料特性参数的主要依据。自2 0 世纪7 0 年代起，这类课题的研 究开始受到重视，并逐渐取得了成果。其原因，首先是有限元法、边界元法等数值 计算法的发展，使研究人员增多了进行分析计算的手段；其次是新奥法施工技术的 推广应用，使洞室围岩位移量的量测受到了极大的关注；各类简易机械式量测仪器 和量测方法相继出现；再者是收敛限制法原理的研究，使人们对位移量发生了极大 的兴趣。本论文中没有用到该方法所以不再详细介绍。 1 2 3 监测技术在地压管理、采场优化中的应用研究 地下工程测试理论与监测技术历来受到隧道与地下工程界的高度重视而作为工 程设计施工不可分割的重要组成部分。这是由于与地面建筑相比，地下构筑物处于 岩土介质中，这使得后者在变形特性、物理组构、初始应力场分布、温度和水侵蚀 效应等众多方面具有明显的非均质性、离散性、非连续性和非线性特点，致使地下 建筑在施工、使用阶段表现出相当独特和复杂的力学特征，其变形规律和受力特点 很难以纯理论的方法、按一般封闭解的形式予以描述并获得令人满意的解答和结果。 昆明理工大学工程硕士学位论文 第一章国内外研究现状及研究课题的提出 借助于现代计算机技术，数值模拟方法具有计算各种复杂因素、描述材料非线性和 几何非线性等的能力及特点，突破了经典弹塑性理论有关介质与材料连续、均质、 各向同性和小变形性等假定的限制，使得分析方法及其成果更加贴近工程实际。然 而，由于数值方法在介质力学模型建立、材料参数确定等方面所存在的困难和问题， 其分析成果的工程应用还有待于在实践中积累经验，其中通过将分析结果与实测数 据进行对照校验是促使该计算手段日益成熟与可靠的重要途径。 在地下工程领域、测试和监测技术不仅对计算理论，而且对整个工程施工技术 水平产生了巨大和深刻的影响。6 0 年代初，首先在工程界，然后在学术界，开展了 以地下洞室开挖支护过程中，洞壁围岩收敛一位移量测为基础、以反分析( b a c k a n a l y s i st h e o r y ) 为导向的新奥法( n e wa u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ) 隧道施工新技 术的研究和实践，在铁道、公路、水利水电、煤炭、采矿等领域取得了成功。新奥 法以局部的和实时的量测信息作为依据，通过力学分析计算确定结构和岩土介质的 物理参数以及所满足的本构方程，以及地层初始地应力分布，在此基础上对全局的 和后期的变形及受力进行预测和估算。这里，将原先需要求算的诸如洞周收敛位移 等作为输入，而应该作为计算前提条件的材料参数和边界条件( 初始地应力场分布 等) 则作为计算所谋求的结果。在正视地下工程及其周围介质复杂性和多样性，进 而更多地通过工程实测数据获得准确信息，从而有针对性地提出隧洞支护方案方面， 新奥法和反分析方法的思路更为清晰和明确，以致它们迅速成为地下工程计算理论 和施工实践中的重要分支，在当代大型岩土工程建设中发挥着重要的作用。由于来 自旌工现场的量测数据中包含了结构与土层、甚至施工影响等复杂因素，以此作为 依据推演得到的士性参数、地层初始地应力场、结构与地层相互作用等就具有相当 的准调性，这对于认识和把握地下结构这样特殊和复杂的工程的规律性是必要的， 也是可行的。与此同时，工程的顺利开展对现场量测的准确性和精确度则提出了更 高的要求。在此意义上说，现场量测已经远远超出原来一般工程勘察的涵义和覆盖 范围，而成为工程设计和施工的一部分。 现今国内外地下工程监测类型和方法如下： ( 1 ) 位移监测 。 为量测洞周表面或围岩不同深度的位移，可采用单点位移计、多点位移计和滑 动式位移计等，地表和拱顶下沉可采用精密水准仪量测。其中多点位移计按位移量 测仪器的不同有机械式和电阻式两类，机械式一般采用深度测微计、干分表或百分 表，电测式采用的位移传感器常用的有电阻式、电感式、差动式和钢弦式等多种。 垦塑型三盔堂三里堡圭兰鱼堡皇 兰二童里查生! 婴塑塾鲨墨堕至堡壁塑量坠 由于单点位移计结构简单，制作容易，测试精度高，以及钻孔直径小，受外界因素 影响较小，容易保护，因而可紧跟爆破开挖面安设，目前应用较多。 ( 2 ) 收敛位移量测 地下工程周边或结构物内部挣空尺寸的变化，常称为位移收敛，收敛位移量测 所需进行的工作比较简单，以收敛位移量测值为判断围岩稳定性的方法比较直观和 明确，所以是地下工程现场测试中常用的。收敛计类型主要有以下几种：穿孔钢卷 尺式、钢钢丝弹簧式、铟钢丝扭转平衡式以及光电测距仪。测试设备应根据预计位 移量的大小进行选择，位移较小或精度要求较高时，可采用铟钢丝收敛计其精度 为0 o l m m ，穿孔钢卷尺式收敛计的精度也相当高，亦可以采用。洞室断面较大时， 可采用光电测距仪测取读数，精度可达o 2 n m n 。 ( 3 ) 压力量测 压力量测包括地下工程内部和支衬结构内部的压力、围岩和支衬结构间接触压 力的量测。应力量测通常采用压力计或压力盒。压力计或压力盒的种类有：电感式、 机械式、压电式、电容式等，在现场监测使用较多的是机械式压力计。 1 3 研究课题的提出 云锡股份有限公司采选分公司塘子凹矿段3 1 1 4 矿体是一单铜硫化矿矿体，3 0 8 地质队提交的工业储量( c + d ) 3 0 万吨；铜品位1 2 ：铜金属量3 6 0 0 吨：含硫1 5 2 3 。经过现有探采结合工程控制，进一步探清矿体的形态及规模，改算后矿体实际 保有储量( b + c ) 4 9 万吨；铜品位1 2 ：铜金属量5 8 8 0 吨；含硫1 5 2 3 。具有 一定开采价值，是采选分公司开采单铜硫化矿主要矿体之一。 根据该矿体地质情况及开采技术条件，采选分公司及云锡研究设计院经过技术 经济分析及多方案比较，选用了“有底柱分段空场法”进行开采。但由于矿体规模 由原设计时的3 0 万吨增至4 9 万吨，而实际生产中大部分采切工程已按原设计方案 施工形成，沿用原方案开采，则南、北矿块最终暴露面积预计分别达到：1 6 0 0 m 2 、 2 5 0 0 m 2 ，均超过了矿岩中等稳固时理论上允许暴露面积：开挖南、北矿块后上部覆 岩的部份应力将转移至中部间柱上；间柱回收过程中或回收后有可能导致采空区大 面积冒落。因此，原设计方案能否适应变化后矿体的开采，有必要对采场顶板及间 柱的稳定性、采空区冒落的影响范围和程度、采场结构要素和回采工艺的合理性等 进行研究。 鉴于此，我在导师的指导下对3 1 1 8 矿体的采矿方法及地压管理进行了研究。研 究主要针对下列具体问题： 9 昆明理工大学工程硕士学位论文第一章国内外研究现状及研究课题的提出 ( 1 ) 随着回采空区面积的逐步暴露，顶板的安全性问题： ( 2 ) 预留连续间柱的结构尺寸、稳定程度及回采方式； ( 3 ) 采矿结束后形成的采空区对上部老厂工程及周边2 4 # 矿体的安全影响； ( 4 ) 回采过程的安全问题。 本论文将对采矿中出现的问题，采用面向对象的方法进行研究。在对矿岩进行 室内试验的基础上，采用岩体参数折减的方法得出工程岩体比较合理的物理力学参 数；然后根据实际回采工艺和采后空区的实际形态，采用三维有限元和离散元等方 法进行数值分析和模拟：最后通过在矿体中多点埋设钻孔应力计和位移计，对开挖 过程中岩体的应力及位移变化进行适时监测，通过对监测结果的分析力图得出一些 能反映实际情况的结论，同时监测结果会对数值模拟结果起一定的验证作用。 1 0 昆明理工大学工程硕士学位论文第二章矿岩地质特征理苎塑堡虫堂堂堕! 堕堡型星 第二章矿岩地质特征及其物理力学性质指标测定 2 1 矿岩地质特征 2 1 1 矿体赋存特征 3 1 1 4 矿体赋存于老厂一卡房岩体塘子凹矿段0 5 突起顶端北东部位灰白色中 粒黑云母块状花岗岩和细一中晶大理岩形成的半封闭北东向凹槽式接触带中，属 接触带型铜矿床。经过现有工程揭露表明，矿体赋存形态简单，矿体总体走向 n e ，侧伏方向s w ，矿体东低西高，矿体北翼倾向s e ，倾角较陡，在8 2 0 8 8 0 之间，南翼倾向n w ，倾角6 0 。7 0 。之间，矿体走向长约1 0 0 米，宽度为6 5 米，矿体东部见沿层产出的硫化矿，矿体赋存标高在2 0 4 0 2 1 0 5 米之间，矿体 形态严格受花岗岩的起伏变化而变化。矿体由于受一北东向的花岗岩岩脉的影 响，在2 0 5 0 中段以下被花岗岩分割成东西两大块，但此岩脉并没有截断矿体， 只是影响了矿体的空间局部形态和厚度。 2 1 2 围岩特征 矿体顶板为灰白色细一中晶中厚层状大理岩，总体东低西高，倾角2 0 0 3 2 0 ， 岩石裂隙发育较弱。底板为灰白色中粒块状黑云母花岗岩，块状构造，主要由斜 长石和石英组成，两者含量之和大于9 5 ，花岗岩风化极弱。通过对2 0 0 多件节 理的调查、统计、分析和计算，顶底板岩石发育两组优势节理：一组走向n 3 0 。5 0 。w ，一组走向n 2 5 。4 0 。e ，两组倾角6 2 。8 4 。，间距大多数大于 6 0 c m ，节理属光滑闭台型。岩石r q d 值为8 2 1 3 ，根据别列乌斯基( 1 9 7 3 ) 提出 的地质力学岩石分级法标定，顶底板岩石均为稳固岩石。 2 1 3 矿石类型、组分及储量 矿石类型为磁黄铁矿型致密块状硫化矿。自形一半自形晶结构，包含结构、 条带状构造、稠密浸染状构造，矿石稳固。经3 0 8 队沿1 5 排，1 4 排及1 4 1 排剖 面线施工钻孔后提交储量，其中1 4 7 0 0 1 4 钻孔，揭露1 6 0 1 米厚的硫化矿，主要金 属矿物为磁黄铁矿、黄铁矿、黄铜矿、白铁矿、毒砂等，脉石矿物为方解石、石 英、萤石、透辉石、绿泥石、石榴子石等，有用组份主要以钢为主。矿体储量( c + d ) 3 0 万吨；铜品位1 2 ；铜金属量3 6 0 0 t * 含硫1 5 2 3 。通过现有探采结合工 程的控制，进一步探清了矿体的形态及规模，改算后矿体保有储量( b + c ) 4 9 万吨：铜品位1 2 ；铜金属量5 8 8 0 t ；含硫1 5 2 3 。 2 2 矿岩物理力学性质指标测定与分析 矿岩各项物理力学性质指标测定的结果将用于岩石分类、井巷掘进、爆破装 昆明理工大学工程硕士学位论文第二章矿岩地质特征及其物理力学性质指标测定 药量计算、巷道和采场断面形状及尺寸确定、支护形式选择、开挖过程控制，数 学模型建立及模拟分析、矿区稳定性分区和总体评价等方面，因此在矿山生产及 其它岩土工程等领域，具有重要的作用，已成为采矿研究中的重要环节。但在采 矿工程中，我们所接触的工程岩体，从力学上看，与其它各种材料的主要区别在 于它的不连续性和不均匀性，在成岩期间受到热力作用，在漫长的地质年代又受 多次剧烈、复杂的构造运动作用，岩体中存在着许多不连续面大大小小的断 层、节理、层理、裂隙、微裂隙等。这些不连续面，其产状( 走向、倾向) 、规 模( 长度、宽度) 和性质( 接触情况、充填物和含水率) 各不相同，且变化幅度 较大。而且在一个采场或矿段内，往往有多种不同的岩性，同一种岩性的组成成 分也一处与一处不同，特别是由于那些不连续面的分布，密度极不规律，造成岩 体力学的性质高度不均匀。使目前人类在室内所进行的小规模试验，很难代表大 规模范围内的岩体力学特性，即，室内岩块试验的参数与现场岩体的试验差别很 大。所以为了使对工程岩体进行的稳定性或安全性计算分析更加符合工程实际， 人们往往希望得到代表大范围的岩体力学参数，即岩体宏观力学参数。岩体宏观 力学参数的研究就是一定范围和尺度的岩体在一定的荷载作用下的力学特性 ( 弹、塑、粘、流变等各项力学参数、本构关系等) 。工程岩体在荷载作用下的 应力、应变( 位移) 分析，变形、破坏和稳定性研究，以及岩体性状监测的反分 析等，这些岩体的力学研究工作遵循何种理论、采用什么方法、选用什么参数， 都取决于岩体的基本力学特性。因此，岩体宏观力学参数的研究是岩石力学最基 本、也是最困难的研究课题之一。但受经费及时间等其它因素的制约，大规模的 岩体试验在采矿生产中是很难企及的。 在本研究中，针对3 1 1 。矿体的岩体性质及模拟需要，对顶板、底板和矿石 进行取样，分别进行了室内的相关物理力学指标试验。 2 2 1 试件的采取、制备 根据矿山实际，选取有代表性的主要岩石和矿石即大理岩、花岗岩和硫化矿 进行物理力学参数的试验测定。试样采集由采选分公司和云锡研究设计院负责完 成。经过现场调查后，在有代表性的地段采取岩、矿块样，用塑料袋密闭后用编 织带包装，汽车运送昆明理工大学。 昆明理工大学岩石加工试验室根据不同的试验要求加工试样。所加工试样规 格分为四种，圆柱形试样有两种，其中，直径5 0 r a m 、高1 0 0 1 1 0 m m 的6 组， 直径5 0 m m 、高5 0 m m 的3 组：方形试样有两种：长x 宽高= 5 0 5 0 1 0 0 m m 的长方体试件和5 0 5 0 x5 0 m m 的立方体试件分别6 组和3 组。分别进行了抗剪 1 2 - 垦塑垄三查堂三堡堡主兰些笙苎 苎三主蔓宣垫璺竺堡墨苎竺堡查堂丝垦! ! 堑型塞 切、准三轴( 自然风干、饱和) 、劈裂强度、抗压强度( 自然风干、饱和) 、弹性 模量及泊松比、容重等的试验。 2 2 2 试验结果及试验结果评价与分析 云锡采选分公司3 1 - 1 。矿体矿岩物理力学性质试验汇总结果见表2 - 1 2 6 。 表2 - 1 抗剪强度( 自然风千试样) 抗剪强度 样号 备注 粘聚力( m p a )内摩擦角( 度) 花岗岩1 7 6 84 1 0 3 大理岩 1 2 75 9 4 l 矿石8 8 43 5 7 8 表2 - 2 劈裂强度 劈裂强度建议值 样号高度( 栅)直径( r a m )备注 ( m p a ) ( m p a ) 矿石一15 3 14 9 4 21 4 2 3浸染 一25 2 74 9 1 01 4 3 6 浸染 - 35 1 84 9 4 08 1 7 6 3 9 45 1 64 9 4 04 6 0 裂纹块状 - 5 5 1 4 4 9 4 0 2 5 9 裂纹 - 6 5 0 2 】 5 2 1 0 2 9 1裂纹 花岗岩一1 5 0 54 9 47 7 8 一25 2 04 9 88 1 9 - 35 0 74 9 23 8 87 “ 裂纹 - 45 2 34 9 46 8 3 55 2 14 9 57 7 2 大理岩一1 5 1 84 9 58 3 3 - 25 2 24 9 4 8 7 8 35 l + 84 9 39 6 98 0 5 44 8 64 9 3 7 0 3 - 55 044 9 56 2 2 注： 为立方体试样 垦塑堡壬盔堂三堡婴主兰些丝壅 苎三兰! 堂些堕堑笙墨茎塑兰垄堂竺璺塑塑型塞 表2 - 3 抗压强度( 湿) 试样尺寸( m m ) 建议值 样号 抗压强度( m p a )备注 长宽高 ( m p a ) 矿石一l 4 9 05 2 o 9 9 76 1 5 0 - 25 1 8 5 1 09 8 55 3 3 4 - 35 0 65 0 4 9 975 6 4 25 2 9 7 - 45 0 45 3 39 9 34 9 1 7 55 0 75 3 o9 9 4 4 5 4 f i 花岗岩一1 5 l _ 35 1 41 0 0 04 9 7 1 - 25 1 6 5 2 31 0 7 06 7 9 4 - 35 1 74 9 61 0 5 05 3 4 25 5 5 2 45 1 35 1 01 0 6 03 9 9 3 - 55 2 15 1 91 0 2 46 3 4 l 大理岩一1 5 0 25 0 61 0 2 75 0 8 3 - 25 2 25 0 31 0 1 34 6 9 2 35 1 85 1 61 0 4 45 3 4 75 3 4 2 45 0 75 1 91 0 1 36 2 5 5 - 55 1 o 5 1 81 0 3 + 05 5 9 6 表2 - 4抗压强度( 千) 、弹性模量及波松比 抗压强度( m p a )弹性模量( g p a )泊松比 样号备注 试验值建议值试验值建议值试验值建议值 花岗岩一19 9 8 2 1 3 1 lo 2 5 25 7 3 18 0 80 3 8 - 39 1 2 07 2 0 51 3 5 l1 3 3 10 5 5o 3 8节理 - 4 54 9 7 51 3 9 20 3 7 大理岩一l5 2 6 91 7 6 30 3 7 - 25 7 8 21 1 6 20 2 6 34 7 9 55 2 2 51 8 2 0 1 7 1 7 o 2 8o 2 6 45 6 1 21 6 9 40 2 3 - 54 1 3 71 6 8 3o 2 5 矿石一i5 6 8 12 1 7 90 ，4 0 24 6 5 01 4 3 90 3 4 - 36 2 0 05 7 7 82 2 9 42 2 3 90 3 40 3 4 45 6 5 32 2 4 30 3 4 56 0 0 22 6 9 00 3 7 1 4 昆明理工大学工程硕士学位论文 第二章 矿岩地质特征及其物粤垄宝! 幽蔓! 塑竖 表2 - 5 准三轴抗剪强度 抗剪强度 样号含水状态 备注 粘聚力( m p a )内摩擦角( 度) 矿石饱水 1 2 9 75 8 1 3 矿石自然风干 1 3 8 25 8 7 8 花岗岩 饱水 6 6 66 1 1 0 花岗岩自然风干 1 1 6 05 9 8 5 大理岩饱水 2 3 9 84 5 2 5 大理岩自然风干 2 5 6 03 7 0 6 表2 - 63 1 1 铲体矿岩物理力学性质试验结果汇总 密度p 抗压强度o 。 弹性模量泊松比抗拉强度 粘聚力c内摩擦角 岩性( d 4 p a ) ( m p a ) ( 度) ( g c m 3 )e ( g p a ) u o 。( m p a ) 风干饱和风干饱和风干饱和 太理岩 2 6 85 2 。2 55 5 5 21 7 。1 7o 2 68 0 52 5 6 02 3 9 83 7 0 64 5 2 8 花岗岩 2 6 l7 2 0 65 5 5 l1 3 3 l0 3 87 4 41 l 6 06 6 65 9 8 56 1 1 0 硫化矿 4 0 55 7 7 85 2 9 82 2 3 90 3 46 3 91 3 8 21 2 9 75 8 7 85 8 1 3 本次试验委托昆明理工大学和云南省地震工程研究所中心试验室完成。从试 验结果可以得到如下的认识： ( 1 ) 抗压强度：从所测试的三种矿岩的单轴抗压强度看，除风干的花岗岩 外，其它强度都比较低，这主要是由于矿岩样是从爆破堆中采集的，试样经过爆 破、冲击等作用，试样中有较多的损伤弱面等。但从附表2 的三轴实验结果看， 矿岩在三向应力的作用下，岩体强度得到极大的改善，强度值是单轴强度的3 5 倍，因此在实际工程中，应设法改善岩体的受力状态，使之向有利岩体强度发 展的方向采取必要的工程措旌，如在采场、巷道等工程中，采用锚杆、喷射混凝 土等措施，使围岩受力处于三向应力状态。根据岩石三轴与单轴抗压强度