（采矿工程专业论文）梅山铁矿上覆岩体塌陷与错动机理研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed o w n w a r dm o v e m e n to fe r e b o d ym i n i n gd e p t hi nm e i s h a r i i r o nm i n e t h eg r o u n dc a v e i na r e ah a sb e c o m el a r g e ra n dt h eg r o u n d p r e s s u r em o r ee v i d e n ta n dt h eu n d e r g r o u a dj o i n t s ，f i s s u r e s ，f a u l t sa n dd r i f t c a v e 。i nm o r es e r i o u s d u et ot h ei n f u l e n c e so fu n d e r g r o u n dm i n i 簪ga n d u n d e r g r o u n dw a t e rd r a i n a g e s e v e r a lc a v 。一i na r e a sa n dd i s p l a c e m e n ta r e a s h a v eb e e nf o r m e di nv a r i o u sp e r i o d sa n ds c a l e sa n dd u et od i f f e r e n tc a u s e s ， b r i n g i n gs o m eu n f a v o u r a b l ef a c t o r st ot h es a f ep r o d u c t i o no fm e i s h a n m i n e t nv i e wo ft h e e x i s t i n gp r c b l e m s ，t h ea u t h o r u s e st h e 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 tm e t h o et oa n a l y s et h em e c h a n i s mo ft h e c a v e - i na n dd i s p l a c e m e n to ft h eo v e r l a y j n gr o c k r n a s si nm e i s h a nm i n e i t i sa i m e dt oc a l c u l a t et h eg r e a t e s ts t r e s sc o n c e n t r a t e da r e ab ye n g i n e e r i n g a n dt e c h n i c a lm e a n s ，b a s e do nw h i c ht h et i m e ，l o c a t i o na n da m o u n to fr o o f c a v i n ga r ed e c i d e ds o 拣t oe n s u r et h em i n es a f e t yw i t hg o o de n t e r p r i s e b e n e f i t 。 i nt h i s r e s e a r c h ，b yc o m p u t e ri h r e e d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n di nc o m b i n a t i o n w i t ht h er e a ls h a p eo f t h eo r e b o d yo fm e i s h a n i r o nm i n e ，t h el i m i tv a l u eo ft h eh i g h e s ts t r e s sc o n c e n t r a t i o ni sc a l c u l a t e d f o rd e t e r m i n i n gt h er o o fc a v i n gm o d e , a n ds t e ps p a c e ，s oa st om a k ea r t e f l c t i v ec o n t r o lo f t h eo v e r l a y i n gl a y e ro f m i n e ， k e y w o r d s g r o u n dp r e s s u r e ，m i n e da r e a ，r o o fc a v i n 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 t 梅山铁矿上覆岩体塌陷与错动机理研究 专娥：采矿工程 碳士生：陈勇 指导老解：郭龛峰 撼藜 藉由铁矿蘧赘矿蒋开采漾褒蕊荨移，遗表强蹬螽稷越塞逮丈，逮压髓蕊莛亲越窝显， 井下节理、裂隙、断层、镄道跨冒现象越来越严麓；并殿梅山铁矿受地下开采殿地下水 巯予嚣素酌影璃；在建裘墨产生熬令不斟鼹絮、习；懑援摸、甭嗣缀嚣豹援结区翻移裁嚣。 给矿山安全生产带来了些不利阑素。 键对撼出铁矿存在熟翘题，零文褥耀兰维套漱元采分婿梅出铁矿上键岩钵塌强与镶 动机理，靖的是荆甭工程技术手段计算出最大的麻力集中区域，由j 磁来决定放顶的时间、 地点及敷颈量，以较佳麴企业效凝寒确探矿山安全。 首先，具体趣分桥了梅由铁矿的工耩堍质和浓文地质的特靛、工程地质静分区、分 缴情况以投矿岩物理力学性质。 萁次，重点收集了矿出开暴瑷来翡瑗状数摄、莠辩开采过程中各个辩鬻蕻暇莺落遵 稔进行了爨点分析。 最嚣，零l 霜计算鞔三维有限元努褥，结合梅出铁矿矿俸蘸实际形态，诗算浅位移交 化、最大应力集中的边界值以及安全率，从丽得出顶板l 雾落的基本规律，来确定梅山铁 矿的放礤方式和藏疆步瑟，对矿山静覆蔑淫进行有效控镧。 关键诫；地压空区放 簧三维有限元 1 1 前言 1绪论 避j l 十年采，随羞鞭毒| 料上业、能涮工业瓣迅速发展，嚣类矿藏的大璧拜装，一方箍嬲速了国民 经济赫避速笈麓，蕊霹也带来了系翘瓣生态邵壤燮诧瓣题。萁串之一楚融予逡下矿藏瀚拜采，建表 深处出现了大硝积的人为空洞( 采空区) 。这些空洞在一蒜列的内外因素的作用下，以坶落、断裂、 离鬟、弯魏等形式扩震列媲淡，筏建表影成番释萋襻豹破蒋。对建筑耪、构筑穆、各粪公路铁路警统 等韵燕常往翊带来了危簿。 地表移渤避地一f 采矿的必然结果。移渤送域海战小而簸中，或大而扩隧：缝表移动曛随采矿活动 立即发生，戏滞爱数年仍最现。总之，地袭穆动摄不可谶兔蚋，近1 0 多年嫩，随着城带的扩火承j 对 环凌国蠢蘸基注，灭稍嚣趋关注势f 采矿对缝表建筑物秘弗下安全囊产懿彭拣与危害。 强翦，图内抟一些大烈地f 金属矿山，随着开采深魔的加深，歼采范嗣的加大，糊燃出现了各式 各样豹地表塌陷。许多矿山的地袭塌陷藏脯是在设计范嗣之外的，滤就缭矿l 如带来了一魑惫想不劐舱 离题，两霞遗f 金嚣矿出中，盘开采聂$ 越地表籀麓熬溉毯礴究芸多。 本论文所研究的内容是梅山铁矿由于井下开采引起的辑层移动与地袭塌陷阿题。 1 2 i n 内多 碜 究动态 自5 0 年代中期在航空结构工程学界首先发展起来的商限单元法，襁6 0 盛# 代初期就已经广泛地应 耀予者l ；力学串，竣鳍决鞫裟燕力、采筠蟪惩娃及壤塞、边城、壤基砉髂稳是性戆逮蘧。1 9 6 0 年c i 秘g h 、 1 9 6 3 年w i l s o n 、1 9 6 7 年z i e n k i e w i c z 等人黼先采用线性弹性连续体结构有限单元法来求解岩体力学问 蘧，毽在岩体力学中秘箱遮i 线往弹往逡绫介矮鸯滏元努糈的结聚纨往与实测结果不一教，究箕添羽 是裔： 有隈冠分辑中泰考惑喾缚豹不连续蠢。1 9 6 8 年g o o d m a n 、t a y l a r 及b r e k k e 等褪趣了 ￥理裂羧 岩体静有隈嚣分析方法，1 9 7 0 年z i e n k i e w l c z 捷出了岩体审裂隙不女承鬣拉力的有隈霞分糈法。此矫， 1 9 6 6 年r c y e s 及d e e r e 提出了分析岩体中妯服变形引起崩都破坏的谢限托分析法。可以稽出，肖限元 努褥渡己发歉戏羹一静较麟确蟪颡潍砉体力学注态，瓣决嚣张复杂裟体力学趣瑟鹣蠢散抟鼗蘧方法。 众所簿知，辫体是她党内卦力长期作搿下形成的一种复杂静地质傣，熬艇裔天然应力、非均壤、不 连续、各项舜性等特点，从而表现在力学性质上其有1 线健、剪胀憔、糯变性等。所以往有限冗法之 藏，健统豹数建诗篓方法无法金莲考虑上述番转特性，蛊蠢浆元出现嚣，在岩石力学斑麓魏分辑孛， 帮可将砉主体整杂多变瓣力学属性，基奉壤餍因素、复杂耩滢舍的迭嚣条僻、岩体和：i ：箨编梅裙的 掇合终蠲嚣潮堪统筹考虑，戳袋德接近嶷繇熬数缓解答。 另一方面，有限元浊的应用给岩土体的野外调商、室内和现场试验等提出了更高要求，要求岩土 物经磷究下襻为有限元分析计舞捷供更禽瑾的搂戮，更全蕊、准确靛计算捂梅。函两露辍擎元法鼹赢 | j ，促进了岩石力学基本属性的进一步研究，推动了岩年仂学的发腱。 随着该分卡斥方法的不断完善，谶年来，有袋擎元法在永力、交透、蛾震、城市建设、矿由等已经较好 地得到了上程应用。 在采用无底枉分段崩落法的地下矿由，由于矿体通常蹙不规女形状，开采活动新形成的硐嶷( 采 场) ，其形状鲫尺寸也干差万别，地质构造复杂，岩层的力学性质是各种各样，边界也千差万别，再 加之地f 开采引起不同岩层的崩落、离牒年i 粘弹黧性变形使得数学模拟方法也存在锻大的局戳性。 尽镑弱兹已有关予数值分| l 厅用，模拟地表移动的磺究报告，但在男游情况下，沉陷的谢限元模拟还不 能得划非常台适的结果。关键在于数学模戳和计算参数与嶷际岩体存在很大的差异。 然蔼，睫蟹入 = | 对采矿地摄警理孛她袭蕴测技术和测懿精度豹提赢，以及计算技零和诗算程序 l 勺 日益毙善，人们在不断探索新的预测理论和计算方法，逐步提高金属地下矿床开采岩层移动规律的认 识，姨嚣提裹建表移动颈测戆霹靠性。 我国学者杜维吾、划宝琛对金属矿山地压管理中地表移动与变彤规律有定的研究，在考虑岩石 垮嚣惹戆簿簌攘惹。缝台廷祝奔矮，对金斌矿出娩装移动与交影终了定茧探讨。基本悉跨是：跨落带 岩撕运动具有较大的究变性，不能用一个连续函数米描述。由于岩石的碎胀性崩落岩石完全充填地下 空区，餐在上覆岩瑶静篷力佧罐“f ，致使上覆老鼷移动并 l 起逢表移动，静簸碎带、弯薤带掰产生豹 运动，并且这种移动利变形是谶续的，遵循随机介质理论地表移动的基本规律。 牵文秀蟊i | 模糊锲l 壤瑾论，建立了具荫瞽遍意义的岩俸移动理论分析的数学模囊，舞对在由蕊采矿 岩体移动进行了预测，该理论的盥现，为解决岩体移动的一i ：程问题提供了强肖力的工具，在岩体移动 研究和分祈中已经逐步澎成了鞍为完整的理论体系。 我国金属矿山地f 开采地裁穆动所面临的问题已经引超了极大荚注。鲁中冶金矿山公司小富庄铁 矿予1 9 8 9 年3 月l o 日1 5 时，东区地表突然塌隔。塌陷坑南北长1 0 米系硝宽9 米，深2 0 米。幸 好无人员伤亡。金川二二矿区大巍识连续汗采采场强岩移动规律以及稳定性一直为国内步 采矿界所关 注，对于一期一l 二程顶檄达5 万平方米稳定的情况”f ，对于二二期将超过1 0 万平方米顶板围岩的稳定性 以及交彤破坏枫理与攒式戏为咎 究的焦点。 随着金属矿山的开采深度网益加深，开采范围日益加大，以及人们环保意识的加强，由金属矿山 开采两带采的她裘塌翳、岩瑶移动等地矮灾害，也基菇 | 越了矿山巍辩骚下侮者戆重筏，这袁到手推 动遮方面的研究：r 作。 1 3 研究的目的和意义 梅山铁矿自开采以球，蹙地下开采及地。f 水疏干因素的影响，在地农已产生数个不同时期、不同 麓攘、不周鳔藤麓瑶酝嚣张移动嚣，箍蒜产爨意西最嚣积遴海溪按，其边缘矿搏主魏顼援爨岩t 乎没 有进行放顶：f ：作主要拯顶掇自然崩落形成覆盖屡。随着今后矿山生产髓力的提高，歼激深部和开采 萄积靛增大，势必要遴一疹 起魄表沉降等蝤陷，蕾这一糯攘波及到王攮璐逮、海滚躐麓滚瑶建( 构) 筑秘将誊接彩蛹金矿静歪嚣安奎生产。嚣忿，有努簧对梅由铁矿敦蝠貉龟罐动辊理；墩及遗。f 开采上 覆者体移动瀚芙系进行企瑟的磷究，掌援凇确静鏊础资料，提出台瑗穗联搬簸穗蒲施，节约矿出采矿 直接成本。 奉论文毋掰涉及魏憨蹋螭形态及其穗芙参数蠹接选鑫穗垂铁矿掰提供勰穗关瓷裁秘辕舞掰年穗 出铁矿与国内备高等院校嚣l 科研院所科研研究资擎苒势析的绪梁。 l 。4 基本研究思路 蹲簧国内惫瓣矿由上覆岩 誊塌陷与锩劝辘理的醒究进行了缀多零，擐仍憋采矿界探索研究中的难 题。关键由于艇杂的地艟继| 、多变的聚炀边界条件以及众多的采矿因索影响，这不仪搏致硪滏变形 酸鞣翳连续鞘j 醵续著群，摭、压、剪鞠破铎瓤瑗共存，褥盥在暴赣淘囊孛述潜在着丈夸甭霜帮形竣 各异的空区、空洞。同时，其介质的力学性质、变形破坏机理以及空区、空涧在复杂粥变的采矿因素 影璃f ，醚空阀鞠霹竭臻态堍变恁。因她，程送嚣上覆袁俸塌貉与镶动嘏疆臻究对痖究分考懑驴出这 耱复杂鹣奔矮4 孝毪耩多变鹣慕扩嚣境。 练土辑述，缝f 慕矿具礴 确定建霸裳，嚣魏本论文硪究主要采麓潮耩流苻静岩土工程f e m 分辑 系统3 d0 软件，对梅山铁矿矿体的动懋开挖过程进行兰维非线性有限元分析。基本恩路有以下几 个方嚣： ( t )基础赏料调研 收集梅山铁矿所有避蕊泼辩、程关采矿技术资鞘，竟然4 0 1 - 4 1 l 割谣。 ( 2 ) 莓幽铁矿籀关辩骚戚聚 2 0 0 0 年初梅山铰矿与玛鞍出矿由研究院、中莺矿啦火学缀成联合玫装雏，共耐歼麟梅由铁矿 上覆磐体塌嫡与错动机理及蕻对辨下生产影响和肪演技术研究课题，u 捧嗣8 寸被列入豳家“十美”攻 关谖题，通过辑究，颡瓣出l e 摹篷礁爱金妒褥来戆缝表鲻蹩窝移动蕊熬，迸过获取熬密壤移葫爨瓣臻 定髫层移动参数。 ( 3 ) 应刖二三维有限元分析梅山铁矿上藕辫体塌陷与错动机理 搴次计箨程褥垂铁矿矿体及周边戮懑避 子三三维菲线经有浆元分辑，麟袋j l 韵模型蠛掇了出蒋地 形、不同者憔及其采矿瓣动态开挖过程计舞出最大的应力集中区域，由诧来决定放顶的时间、地点及 敖璎蹩，戳较挂貔企照羧豢袋鞴绦矿出安垒。 2 1 矿虫工覆逡霞 2矿垂工程地质与水文邀痿 2 。 t矿区工程琏螽岩缀及箕特薤 根据辫石成因、岩性、蚀变程度及工程地质特征的相似性，将矿区划分为8 个岩组。 ( i ) 巢云母辉摹i 安出宕夹凝获砉、凝获受繇卷喾缀鸯椿罗系上统燕王弱缀 黑云薄安盘岩老塑 为佻罗系上统火王山纽( j ：，d ) ，分布在矿区西部、副井绕道北端及两风井一带。岩性为灰紫色、 获黄色、块状、斑获辞秘翘鞑，斑聂为麓长西孛陡虿) 3 0 、嚣云母 s ，鏊矮为交织结耨。汰 生矿物为豳岭石、水云母、烈云母人部分暗化。地表除抛到硅化殷玉髓细脉外，斑晶与基麟大部分黼 蜍佳，谯与沉凝获岩接融佼整台楚飘纯蚀变较强燕，卷石衷瑟较薅褪、懑东澎黢。镬蔷邋藤蓑，稳 定性极蒜。 ( 4 ) 凝获舞砾岩、集块岩冶鳃 为侏罗系上缆大王山纽( j 3 d ) 与黑云母蜜山岩里：垃层。为火山爆凝堆积在矿送豹西磷部及西部 防洪沟一带。岩性为灰紫龟、灰自色、较松散，略显定向排列，角砾几毫米至0 5 m m 左右。角砾成分 鸯黑云母嶷出岩、糍蛉_ 化安出岩和次生螽英岩，套旦寸禽有辉稻i 闪长岩糍块，戒势复杂。胶结物为火 山灰和岩属，胶结松散，稳定性差，单轴抗压强度r c 3 4 7 m p a ，oc 1 5 1 l 2 6 4 3 m p a 。 ( 5 ) 螽英角阕石安也岩岩娥 为f 自避系冯圩村组( k l f ) ，主要分布谯矿区北部、主井地袭及西南井浅部。岩性为状绿色、 获紫色、块凝褥选、赣凝结鞠，褒鑫魏孛一更长石l o 1 5 、凳闪氍5 弼嚣英鬏毅肖髂蚀瑷黎，逮表 风化为球状构造，楗状节理较发育。澍石较稳逝。单轴抗压强度较大r c l 7 2 3 m p a 。 ( 6 ) 毒i 葵糨瑟岩意缀 为向然系上统娥娘山组( k 2 n ) ，主要分布在付井及附近钻孔，厚度为1 2 5 m 。 者健翔浅红琶、浅灰色，块状稿遮，斑状维秘，藏箍蠢逢转磊、少越石英、辩云母：基蔚为辩 晶斌粗面结构，交生矿物为商蛉石和方解石等，岩石较稳定。 i 缀结裢厦梅出一鼠撼出断裂藩，在矿隧南霞l 经过，为嚣域经结梅蕊，畏2 0 k m 。该凝戮带走离 l b 趟一南尔，沿断裂带有辉石闪长玢崧、辉石c ql 受岩及闪长玢岩分布。在断裂带两侧火山崭系地层发 商明显不辩，j 傩火出砉系菠寄齐全，鱼形戒次生祗樊蠢及硅话带；南铡豫吉山山顶有次燕蠢英岩盏 联形成山峰辨、大郏分为小山包，沿带育大中小型铁矿及粘矿。梅山铁矿在该断裂带的斟北端。 ( 2 ) i i 缀辩构面裤山接触带复台秘遗，为驼龋向和驼永商构造的复合部位，它控制着辉石闲艮玢赘 敬火出岩体趋展毒，与辉瓤安出岩熬搂燃破醛带地段形成强烈灼矿化和尉爱蚀变。出于矿他秘基岩蚀 变的强弱，造成各异的啊穰地质特点。 ( 3 ) i l l 级结揭蟊 北尔向i 性断裂组走向n e 3 5 。6 0 。，倾向s e ，倾群i5 5 。9 0 。，敞儿卣米、延伸至- 3 3 0 m 以 一f ，龋瑟窝i 3 瑶+ 描舒霹达6 - 一8 m ，羰箨繁究填有浚生方怒石，富舍承，导瘩瞧性良努。 北东东向断裂组以右行张搬性为主，走向n e 7 0 。8 5 。倾向s e ，倾角7 5 。0 0 。，宽度0 5 m i m t 涌拳簸羧太，一3 3 灏_ 隶乎长麓涌窳毒该缝断袭煮美。 北北两向断裂为左行剪性断裂，走向n w 3 2 0 。3 3 0 。，倾向s w ，倾角6 0 。 l m ，断层器乎糟擦瘢清黼，蕊有龋瑶溉，不含承、不透承，延深较大。 北撕两向断裂为右行剪性断裂，走向n w 2 8 0 。3 0 0 。倾向s w ，倾角7 0 。 2 0 m ，两最井石门寄融求现象。 8 5 ，断裂宽0 5 9 0 。，破碎带宽1 0 不同岩性界面破碎带结构面，矿区两北部c k i l 孔附近，沉凝灰岩与辉石安山岩层间滑动破碎带， 副并斜巷和石门不同岩一陛的破碎结椅蕊，造成涌水和岩石强度降低。 不同岩性沉积界瓤，云合山纽( j s y ) 紫红色凝灰质砂质，沉积在龙王山组( j 。y ) 安山岩的假整合 丽，人千山组( j j y ) 黑云母安山岩( 熔岩) 堆积在凝获岩以及凝获岩凝获角砾岩和集块岩( k l f 组) 堆积在黑云母安山豢之上的不貉会露，都经过期风他测蚀，形成风化蚀变带，使嫒岩强度火人酶低。 ( 4 ) i v 级结构面 矿区主要发嘉罄三级节理，扶坟遵裂默节理统计表明，瑷n 7 2 9 5 。3 2 5 。及n e 3 0 。5 0 。者羼 多。其中辉石安山岩节理裂隙统计( - - 3 3 0 m 运输巷道) 走向n e 3 0 。6 0 。，倾向姗，倾角4 5 。 ? 0 。矧走粒n e 2 0 。s 04 ，豫囱驱。簸燕4 5 。? 5 。辉虿翊数玢岩，节瑾裂熬缓诗：颓囊n e 5 0 。，倾角4 3 。7 0 。倾向s e l 2 0 。1 7 0 。倾角4 5 。7 5 。倾向s w l 9 0 。2 2 5 。，倾角3 0 。 7 3 。三缀繁淫发弯，骼瑾羯禽霄较宽鹣羲士矿携，运隶溅耗。这三组节理与其它结构嚣缀台( 潲一s e 向破碎带) ，使岩体稳定性显蒋降低。 2 4 4 61 5 j l2 6 2 ll 。1 50 2 3 3 。墓带硝4 6 7 31 8 5 7 61 3 9 4 71 4 0 70 3 0 4 贫矿石3 0 7 l1 3 8 + 2 49 ，3 50 2 7 4 3 2 点载荷强度试验 根据北京科技人学对梅山铁矿主升- - 3 3 0 m 井底车场进行的岩石点载荷试验，麒结果别袭3 2 。 表3 2 蚀交辉石阗长玢老单辘撬莲强度袭 件数单轴抗压强度o 。平均单轴抗拉强度o 。平均 岩年院称 o 。( 耩p a )( m p a )( 伊氇) ( m p a ) 强粘士化钠长石化 9、7 5 8 - 3 3 7 72 3 3 3 00 3 8 - 1 。6 91 1 7 辉磊霹& 玢岩 中等粘土化钠长石 1 2 2 1 5 6 - 5 8 ，5 0 3 5 4 0 0 l 。0 8 - 2 9 3l 。9 0 亿辉石阂长玢岩 弱粘士化钠艮石化 3 5 ，5 9 - 7 0 1 85 5 3 9 01 3 3 5 12 7 7 辉石闵殴玢岩 l 轻微钠k 石化辉4 ：i 44 8 ，6 2 - i 1 4 5 78 3 ，6 5 02 4 3 5 7 34 1 8 阂长玢者 3 。3 矿区膨胀岩石力学性髓 梅山铁矿深部开拓：程中地乐显蕊与地压活动较为最耱，研究中发现深部囤者中禽有膨耱矿裙， 如蒙脱石、伊剥石、禽岭石及绿泥石等，为此北京科技大学对梅山铁矿膨胀岩石力学性能测定，其结 果列表3 3 。 弹s 恤糨弱芒撼 囊髦颦。 。岬划噱匿龟 。 羹交篓 骥碘燃蹬 妥。k 囊 亡 萋襄| | | | 藜 饿 盛， 翁霎嚣饕 羹瑟娄 冀曩囊鋈 蹙篓孳 冀薹霹誉 鼍矾棼 暖曩 羚 。按螋嚣崤 辩苯鼍暑薹娶嚣散。 蓑誊藿丧 强雌f 城鬣 ，伽哥辞 臻 亨；蠢菇豢爰篓冬 蹬。露嬉 $ 蠖 锓 婪 薄察磷婆 - e 隧瑟搽程掷亏辎 援莨戢糕 珂。i 霹戳巾 暴璺譬蒸罢 蛰 黍采耋麓篓 熹 至鋈! 鑫耋蜜 s 越、躺差 蚕慧蒸鬟幂送姜萋嚣篓霉。 d 描。涮世罄 霍、罄型譬套 、一国事糍嚣嫂 器 忙糕杂，嚣1 k 潮繁暇 嚣 酿 秘 测越些黑罂皿耐j 埘 裁掣器站羞 。 瓣 葵渣嚣薅 疆霪卷交疆 串瀣商 嚣桩氍酶博黼 娶，、 蘩蔷 赛 占 羞。 。 啪 甓 o ： 、 峥 o 疆锄 戚蚰 皿础繇娟 皿砌 赵 蝥 螂 薹 宅嚣 一ho 0 薯越 = 誊 藩 翟 善 囊蚕量蠡 v 曩 一 。 心 ； 1 wo w 。一 鬟透饕莲 甍鼍 辞 艇 毒 鑫 萼 蓬主 ；硝 世 。 烈 鼯莲 锵觐镒赳静r浮昶遴蓥醢按譬n摧 。 寒西彝 莨城 求 鞍 蝴 捌m 慰 昏 瓣 k 掣 瓣 长 h 埽喇 剥 墨 营 醚 涨 ， 鞋 ， 、r 重 疆 采 球琼渊 嵯 惫 蓑羹鐾 量套 露 孥霎攀 鋈翼 蜒 赳 粕 璩 鲻扯 薹婆鐾睾 辇攀萎馨嚣 璧蕈鍪董霉 孙s 基k 嚣袁糕巅裂如 敏世稍。 矗埘 嚣 徽如瓣举称酶 林雌 毅 麟 博 磷 撩 蛹 嚣枷螺 ；丑：枷 黼 黎 溉 粼 腿 孪 “ i 垂 0敛 想 h 薹董 吞嚆 量 登 誉 二冀 艺 嚣 蓁| 耋 妊 鞘寸n g 邈 4 矿山开采现状与顶板冒落规律研究 4 。l 矿山开袋现状 梅出铁矿是个大型嚣矿体，墼大透镜炊，、平积投影为议糖圄形，蕊积为0 ，8 k m 2 ，长 1 3 7 0 m ，宽8 2 4 m ，平均厚魔1 3 4 m ，桶于缓倾斜极厚矿体。矿体水平面积太，一1 9 8 m 以下矿 体度敷为4 0 0 7 0 0 m ，水平蜜壤在3 0 0 m 酸上，分墚矿量9 8 0 1 7 6 0 t ，矿石主要袋钴为 磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿，矿体稳嘲性较好，嗣岩易冒落，；鼠有较好的开采技术条件。 缓矿疑1 9 7 0 年开始，在一7 0 瓣零平开始鸯_ 开袋，霆嚣在一8 蕊一1 8 瓢水平避行箨 菜，采矿方法为光底柱分段崩落法，目前开聚水平为1 9 8 m 、- - 2 1 3 m 和- - 2 2 8 m 水平，= 期 采手主运输巷遘褒- - 3 3 0 m 隶平。 梅山铁矿自期无底枉分段崩落法攻关以来，一魁采用小姑构参数，虽然取彳肆了较好的 采矿技术经济巷舔，餐采矿强度蕺，潮鳃了矿垂生产髓秀熬提簿，为武，在乐潦金帮魏领导 “f ，从1 9 9 1 年超梅山铁矿与马鞍山矿山研究院、青鼬建筑工程学院和鞍山冶金设计研究院 联台玻芙，开展了梅出铁矿无疯挺分袋扁落法趣丈结梅参鼗艘研究，强1 9 9 8 年完戒耨| 鞲 参数的过渡，一1 9 8 m 水平以下全蕊采用1 5 m 1 5 m 及1 5 m x 2 0 m 的大结构参数，当年生产原 矿2 5 1 万t ，爨鞠髓已实现了年产铁矿再3 5 0 万t 达产指标。 鞠磷矿山开袋强度增大翱开采蕊积的逐溉增加，由于矿体顶板主要为安山岩戏蚀变安山 者，顶裁岩i i 不稳晰，在歼采初蜊，由于采窝医周隔瓞力不大，加上采空区彼弱藩的矿材鞴 寒再充穗，如果不迭到一定妁暴露疆织也是不易垮落的，因此，在矿山开深初期，顶投放顶 工作开藤的较正常，随后经过长期观澳i 认为，顶板一般随采矿下延而逐渐冒落，并达到预端 嚣熬，辑强疆扳数谈工纷没有按黠逡嚣，主瓣靠垂然翅落方式，出于采场上覆岩艨块囊较火， 造成黄、撇涌入采妫的现辣，特别越雨季，情况更加严露，影响了矿山的正常生产。 4 2 顶板冒落过程分析 为了掌握梅山铁矿 ! l j 扳冒落规律，根据梅山铁矿提供的谢关资料和马鞍山矿山研究院 1 9 7 0 1 9 8 0 苹在梅出铁矿开疑翡菇疯疆势段辅落法所获霉魏掇关数擐，综台分橱嚣试曼 颈 扳冒落过程大致分为以f 四个阶段，并最终冒落到地裟，形成翻前的地淡塌陷隧。梅山铁矿 竣扳岩i 臀落黍 酸环戆袋蘸趋势魏窿 l 蕊示。 幽4 1 顶掇岩石冒落和破坏的发展趋辨幽 3 0 2 0 。1 0 0 一1 0 - 2 0 3 0 - 4 0 5 0 6 0 - 7 0 8 0 图4 1 顶板岩石冒落和破坏的发展趋势图 4 2 1 项板处于稳定阶段 证矿山开采初期从- - 7 0 m 水平开始向下开采，肉于开采范围小，采空区跨度和高度均小 大，啦采空区激着采矿崩入大墅麴矿石捌岩石，刺联扳有+ 定支撑非- j 日，安l i o 岩顶扳= i _ ：随 扣i 采晰4 i 断冒落在顶极与垫层之问经常m 现2 的采空赋，人可以进入崩落区，出现这 种现鬣主錾楚由。l 二顶扳麴跨度器| 藜螽西积小，此对器鼹麴顼扳娉霞一般为3 5 4 0 m ，暴露嚣识 约4 5 0 0 m ! ，小能婷敛项板久稳。此阶段顶掇处于相对稳定状态。 4 ，2 。2 疆蔽懿始霉落黔段 随着开采范阑小断静“大，顶板跨度和器露面积不断地增太，按照溅戚柱分段崩落法的设 讨鞫采要求，开始在疆投侮翟援设计要求避行寄计蛾建集t | l 臻落疆叛，采场颈援逛开始遴坡 顶工作的步骤开始茸落，经现场观测和宏观观察分析认为，当颂扳跨发达到6 0 m 左右，暴露 嚣秘趣过5 5 0 0 酽对，= | 囊扳建鹾开始蝣橱，键健顶板密在开始谨藩，毽出手 髅空闻不足也 不能使顶板大鬣博落。 4 2 。3 顶扳大凝冒落阶段 为，及时常握顶饭的营落状抛，在采空区上方魄袭前i 置rt 2 个观i 9 | 钻孔，根据铺 l 戏测 资料分析我明：当一9 蛳域- - 8 0 m 水平叫采二 作接近艇测钻孔时，项板蜡石的下移t 或自然秘落 就h j 斌增大尚谱落发磁到一定程度后，崩落区被充满；出矿点远离蕊测钻孔时，项板的f 沉拳l 裂落就变小，甚至停i ：。由此说明，崩落区内丸丈的空区存在，顶板岩石熊够随蛰划袋 而门行雷落。 4 2 4 地表塌陷阶段 东i q 7 8 年，当弼暴承孚下辩魏一l o o m 避，琏蘩置佟盔瓣邀采，疆授誊夏菇改大量铡落， 并逐渐向地表发艟。1 9 7 8 年3 月8h ，首先在4 ”观测孔处苎之观地表断裂，3 月9 列测得地表 瑶貉范围4 0 0 分，遮裘移动莲遴6 0 e 蠢，囊薹圭建表移动范磷秘壤鼹范国不裴扩大，1 9 7 8 每9 妇 4 日地裘形成2 0 m 2 5 m 直径的塌陷漏斗，塌陷坑深度达i 5 m 走右，地袋塌陷范闰和移动范幽 尽簿；扩夫，瑶陵范潮绞为l o o m 1 5 0 m ，移动范围终为1 2 0 1 n x1 6 0 。；| + 箨的瑶陵筠帮穆葫角鲥 表4 ，j 。 淡4 i 褥由铁矿岩层移动参鼗( 锪期) 剖面方向 0 一so e 塌陷捂( 。) 8 27 2 移动珀( 。) 7 l6 3 肖1 9 7 8 年前次冒落到地表后+ 随着矿山的开聚活动的不断增大。塌陷区的范围和移 动范丽也逐渐地加火，列1 9 9 7 年底i t ，塌陷敝的面穰已选2 8 6 5 3 8 万m 2 ，移动隧面积犬r 3 0 万m 2 。历年井f 圄采矿辍与地表塌陷区和移动区的蕊积变化情况列表4 2 ，到t 9 9 9 年底 计算的塌陷角和移动角列丧4 3 。 袭4 ，2 ，i ：下蚓采矿量地表塌陷情况 年份 备注 ( 万t ) 塌黪嚣穰( 再茹)移动垂簸( 万0 ) 1 9 7 0o 0 1 5在一7 0 m 水平开始嘲采 1 9 7 18 0 3 6 2 1 9 7 27 0 1 8 6 1 9 7 36 6 0 6 9 1 9 7 41 1 4 7 1 8 1 9 7 52 0 9 9 0 2 1 9 7 61 7 0 6 4 0 1 9 7 7 1 9 7 82 1 + 4 1 2 60 7 30 1 6 1 5 顼扳蓠次艘是地裘韪通 1 9 7 93 3 8 7 0 6 09 5 6 0 2 0 1 2 0 1 9 8 04 5 6 2 9 5i 8 9 4 03 5 5 8 0 1 9 8 15 8 2 0 6 7 9 8 27 7 5 53 。3 1 4 75 4 4 2 1 9 8 37 8 。5 1 7 l 3 6 0 8 0 1 9 8 48 7 0 5 5 7 1 9 8 51 0 4 0 2 4 7 1 9 8 61 2 1 2 1 8 09 。6 2 0 01 3 + 7 2 0 0 1 9 8 71 4 1 3 2 2 31 29 0 0 01 9 2 0 0 0 1 9 8 81 4 9 0 5 9 51 4 9 0 0 02 1 ，0 0 1 9 8 91 4 8 2 9 4 71 6 。4 2 0 02 2 2 s 1 9 9 01 5 6 0 7 8 5 1 7 4 0 0 0 2 4 3 0 1 9 9 11 5 6 + 5 5 2 4 1 9 9 21 6 9 8 9 8 02 2 0 8 0 02 7 2 6 1 9 9 31 8 8 7 3 1 32 4 4 2 3 0 。0 0 1 9 9 4 1 8 9 6 5 4 12 5 9 2 5 2 1 9 9 51 9 0 6 3 4 82 6 7 9 2 0 1 9 9 61 9 6 3 2 8 02 7 9 毫 1 9 9 72 0 8 6 4 8 72 8 6 5 3 8 l 锝2 l 。3 0 翰 2 9 4 7 4 7 1 9 9 92 2 0 3 6 5 92 0 9 8 5 5 2 6 0 0 3 i ? ，8 嚣o 2 0 0 1 3 3 3 1 1 8 0 3 2 5 7 8 5 2 0 涟3 46 9 3 4 03 7 4 蔼0 2 0 3 8 7 ，3 9 7 24 2 8 5 5 7 瞬4 2 领扳裙搿的塌陷区位誊与塌融角、穆韵角关系毽 4 3 梅山铁矿岩层移动参数( 1 9 9 9 够) | 剖面方向 ! 娄铡 铷面号 w e 剖谳号s - - n 4 0 7 + l6 7 。6 6 。3 0 0 + l5 l 。5 4 端鹃煮( 一鹳7辐。s 0 63 0 05 3 4 7 5 。 4 0 7 一l4 8 。2 6 。3 0 0 一15 9 。7 2 4 4 0 7 + i5 9 。6 0 。3 0 0 + i4 8 。5 0 。 穆动角( 。)4 0 74 2 。1 5 6 。3 0 05 0 。6 9 4 e 7 一l5 。虎s 。3 0 0 一l5 3 。尚5 。 5 。1 计算模型 5 三维有限元分析 5 1 。1 计算摸型 本次计算墩梅血铁矿矿体及周边囤岩进彳亍= 维n 线性有隔元分析，所采用的模型模拟了 越蒋趣澎，不瓣岩 生戛箕采矿豹动态开挖进程。努辑域鳇三维立镂强整强l 。辩挖矿髂酌立 体消隐幽见图2 、图3 。 诗萋范藏瞧灏墼撂鲢裁囊中的拳平坐精矮羹方趣意x 正巍，鼓镪垂囊上凳￥辘歪趣。 以剖面线的法线方向为z 轴方向，墩4 0 1 剖甄至4 1 i 剖亟为z 轴正向。在z 轴向，计算范围 取4 1 i 剖面和4 0 8 剖面向外各2 2 2 t n ，y 向为- - 3 3 0 水平至地表，x 向沿备音面取1 0 0 0 m 。 汾矿俸各横割面的法向方向，计算模型批计1 6 层超单元。有限元单元总数为1 4 0 4 0 ， 结点总数为6 1 3 1 6 。在z 向加z 向零位移约焱，在x 向加x 向零位移约束，在底部加y 向零 谴移约炎。 本次研究采用国际流行的岩土工程f e m 分析系统3 da 软件，对梅山铁矿矿体的幼 悫开挖道理进行三维# 线牲畜隈元分辑，避薅谤究该送域连矿出建压显珑楚题霉l 矿由毽夔鹣 放顶问题。3 do 软件是专j ：f j 丁| _ 卜术。啊鼙动态仿真的商、业应用软件，是一种功能齐全、分析能 力辍强鹅著名蔼缀尊线毪蠢浓元求鳃器适应予辩矿出搿莱鲻蹶遴聿- 区域犍翡痊力努褫。 6 1 。2计雾参数 计算分析城内的地脯材料太体上可分为5 种。根据相关的工程地质调查、鞋石力学试 验霸嗡辅研究，箕许葬参数取值如下： 表4 4 梅山铁矿备岩矿组力学参数表 弹横泊松比 薰度残留剪强度抗拉强度 矿岩参数内磨擦角 ( g p a ) ( u ) ( i n 酽) ( m p a )( m p a ) 安山岩 7 8 lo 2 l2 5 02 6 2 3 2 ，3 1 1 9 阂k 玢岩 l o 。20 。2 52 4 + 32 5 82 5 9l 。2 2 l 凝灰角砾岩5 60 2 22 4 01 7 23 1 90 9 富矿 3 2 。l 0 。2 8 4 6 03 。0 5 3 2 。6t ，7 6 贫矿 2 5 5o 2 53 1 02 8 2 3 2 61 6 1 5 1 3 地应力反演结果 鞭据遣赢力溯釜菇聚，综台考虑。7 缝磁力测点馕的睫梳不确定鼓，对计雾域瘫静地疲 力进行了反演。将坐标转换后的地应力与自重应力场比较，j 铎到三个地应力系数： y 商地癍力系数a l i 0 x 向侧压系数a 2 = 1 9 z 向侧压系数a 3 = o 8 地成力反演端果蛆蚓5 ，翻6 ，圈7 。 5 2 计算成果整理及分掇 由丁梅山铁矿矿体_ 开挖范耐嘏人，分段很多。计算域内的剖面也禳多，在报告中不可 戆一一反映，敷寤i l 妥透分翘选取个比较典型豹刹瓣，鄂4 0 7 削面积4 0 6 刹蕊，对计算结 果进行说明并练台各剖筒和并阶段的计鲜缡聚进行分析、比较和总结。在后面的圈中精出 了穗藏翡末平囱番瀣 垂