（采矿工程专业论文）某金矿采空区稳定性研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的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，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 垒拯日期：21 l 五： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：且翩躲刍坠日期：丝! l ：【 摘要 东坪金矿位于河北省张家口市崇礼县，现开采南山采区7 0 号厚大矿体。矿山 在开采的过程中形成了大量的采空区，采空区顶板的最大暴露面积达到1 2 9 0 0 m 2 。 这些采空区不但影响矿山的经济效益，而且可能会危及矿区人员的生命安全。 论文分析了目前国内外专家学者对采空区稳定性的研究现状、顶板的冒落机 理和影响采空区稳定性的因素，进而根据东坪金矿开采的具体情况对采场空区稳 定性进行分析。利用a n s y s 软件，模拟采空区在不同深度、不同倾角时的应力 应变情况，并对7 0 号矿脉1 2 6 4 m 水平的采场空区进行了数值模拟，分析当采场空 区跨度分别为4 0 m 和1 0 0 m 时采空区的稳定性，得到如下结论： ( 1 ) 随着采空区深度的增加，采空区的最大位移值逐渐减小，顶板最大拉 应力值和最大剪应力值都随之增大，东坪金矿顶板围岩的抗剪强度远大于抗拉强 度，随着深度的增加主要考虑项板的拉裂破坏，日常的生产中应加强顶板位移和 应力的监测。随着矿体倾角的增加，顶板最大拉应力值是逐渐减小的，最大剪应 力逐渐增大，此时应主要考虑采空区的剪切破坏。在日常的生产中应该加强对采 空区隅角处的位移与应力的监测，及时掌握采场和采空区的地压显现规律，预防 采空区的剪切破坏。 ( 2 ) 利用a n s y s 有限元软件对南山采区1 2 6 4 m 水平矿体采场空区稳定性进 行了分析。当采场空区跨度为4 0 m 时，项板的最大拉应力为7 9 1 m p a ，顶板的最 大位移为6 4 c m ，位于顶板上部中央处，没有超过顶板的最大抗拉强度。当采场 空区的跨度为1 0 0 m 时，顶板的最大拉应力为1 2 9 m p a ，超过了顶板的最大抗拉强 度1 0 5 m p a ，项板的最大位移为6 6 c m ，位于矿柱开挖后与顶板围岩接触及拐角 处，这时顶板会破坏。 ( 3 ) 最后根据模拟结果提出了采场空区的处理方案，对4 0 m 空区进行进行 粗骨料胶结充填，才能回采剩余的矿房。 关键词：采场空区、a n s y s 、稳定性、胶结充填 a b s t r a c t d o n g p i n gg o l dm i n el o c a t e di nc h o n g l i c o u n t y z h a n g i i a k o uc i t yh e b e ip r o v i n c e n o wt h e7 0 # o fs o u t hm o u n t a i np r o d u c t i o nm i n i n ga r ee x p l o i t i n g t h e r ea r eal o to f c a v e da r e a sw h i c hf o r m e di nt h ep r o c e s so fm i n i n g , t h em a x i m u me x p o s u r er o o f r e a c h l2 9 0 0s q u a r em e t e r s t h e s eg o a f sa r en o to n l yi n f l u e n c ee c o n o m i cb e n e f i t ，b u t h a r mt ot h es a f e t yo f m i n es e r i o u s l y i nt h ep a p e r , t h ei n f o r m a t i o na b o u tt h es t a b i l i t yo fg o a l si si n t r o d u c e d ，t h et h e o r y o ft h ec a v e da r e ac o l l a p s ea n dt h ef a c t o rt h a ta f f e c tt h es t a b i l i t yo fg o a fa r ea n a l y s e d a n s y si su t i l i z e dt oa n a l y s i st h es t r e s s s t r a i no fg o a ft h a ta f f e c tb yt h es i z eo f g o a f t h ed e p t ho fo r ea n dt h ea n g l eo fo r ea n dt h es t a b i l i t yo ft h e12 6 4l e v e lo fs o u t h m o u n t a i np r o d u c t i o nm i n i n g , a n dt h er e s u l t sa r es h o w na sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h em a xt e n s i o ns t r e s so fr o o fa n dt h em a xs h e a rs t r e s sa r ea l li n c r e a s ew i t h t h ei n c r e a s eo fl c n g t hw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed e p t ho fo r e ，b u tt h em a xd i s p l a c e m e n t o fg o a fi sr e d u c e ，t h es h e a rs t r e n g t ho ft h er o o fi sg r e a t e rt h a nt h et e n s i l es t r e n g t h ，s o t h et e n s i l eb r o k e no f r o o f s h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n t ，t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to f r o o fs h o u l db eo f t e nm o n i t o r e d t h em a xt e n s i o ns t r e s so fr o o fa n dt h em a xs h e a r s t r e s sa r ea l li n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fl e n g t hw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea n g l eo fo r e ， b u tt h em a xd i s p l a c e m e n to f9 0 a fi sr e d u c e ，s ot h es h e a rb r o k e no fr o o fs h o u l db e t a k e ni n t oa c c o u n t ，i nd a i l yp r o d u c t i o ni nm i n e d - o u ta r e as h o u l ds t r e n g t h e nt h ea n g l e o fd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s si nt h em o n i t o r i n g , t og r a s pt h es t o p ea n dg o a fa p p e a r e d r u l e ，p r e v e n tm i n e d - o u tg r o u n do fs h e a rf a i l u r e ( 2 ) a n s y si su t i l i z e dt oa n a l y s i st h es t a b i l i t yo ft h e12 6 4l e v e lo fs o u t hm o u n t a i n p r o d u c t i o nm i n i n g w h e nt h es p a no fg o a fi s4 0 m ，t h em a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s si s 7 9 1m p a ，i ti sn o te x c e e dt h em a x i m u m p r i n c i p a ls t r e s so fr o o f w h e nt h es p a no fg o a f i slo o m ，t h em a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s si s12 9 m p a , t h a te x c e e dt h em a x i m u m p r i n c i p a ls t r e s so f r o o f w h i c hi s10 5 m p a ，t h e nt h es p a ni sb r o k e n ( 3 ) b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sg i v eo p i n i o n sa b o u tt h eg o a fm a n a g e m e n t o n l yt h e4 0 ms t o p e9 0 a fi sf i l l e d ，t h a tt h er e s to ft h eo r ec a nb er o o m i n g , t h i sp a p e r c h o o s et h ec e m e n t e df i l l i n gf i l lt h es t o p eg o a f k e y w o r d s ：g o a t a n s y s 、s t a b i l i t y 、c e m e n t e df i l l i n u 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究的目的和意义1 1 2 采空区稳定性研究现状2 1 3 主要研究内容3 1 3 1 研究内容3 1 3 2 研究方法3 第二章采场稳定性分析4 2 1 顶板冒落机理4 2 2 采空区灾害的主要影响因素7 第三章地质及开采技术条件9 3 1 交通位置及区域地理经济9 3 2 矿区地质概况9 3 2 1 地层1 0 3 2 2 构造1 0 3 2 3 岩浆活动1 l 3 2 4 围岩蚀变1 l 3 3 矿床地质特征1 l 3 4 矿石特征1 3 3 4 1 矿石物质组成1 3 3 4 2 矿石主要类型1 3 3 4 3 矿石结构构造1 4 3 4 4 矿体围岩及夹石1 5 3 4 5 采空区状况调查1 5 3 5 矿区水文地质及工程技术条件1 7 3 5 1 水文地质条件1 7 3 5 2 工程地质条件1 7 第四章采场空区稳定性数值模拟分析1 8 4 1 有限元法分析过程1 8 4 2 采空区稳定性规律数值模拟研究1 9 4 2 1 模拟条件2 0 4 2 2 改变矿体的开采深度2 l 4 2 3 改变矿体倾角2 6 4 37 0 号矿体采场空区数值模拟3 2 4 3 1 模拟条件3 2 4 3 2 计算准则3 3 4 3 3 岩石力学参数3 4 4 3 4 采场空区模型的建立3 4 4 3 5 结果分析3 5 第五章采空区处理4 l 5 1 常用的采空区处理方法4 l 5 1 1 金属矿山采空区的分类4 1 5 1 2 空区处理的方法4 2 5 2 东坪金矿处理方案4 4 第六章结论与展望4 6 6 1 结论4 6 6 2 展望4 6 参考文献4 7 致谢4 9 武汉理工大学硕上论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 矿产资源是我们人类赖以生存和发展的基础，随着国民经济和社会的快速 发展，矿产资源的地位越来越突出。据统计，我国9 2 的能源8 0 的工业原料 来源于矿产资源，其中金属矿产资源占有非常重要的地位。因此金属矿产资源 的开发与利用是影响国民经济和社会发展的重要因素，也是国家经济腾飞的首 要条件i l , 2 1 。 金属矿山在开采过程中大量使用空场法、崩落法、留矿法等采矿法，由于 采矿技术与装备的局限以及充填成本较高，在生产过程中形成了大量的采空区。 湖南某锡矿矿山井下采空区冒落1 7 万平方米，损失矿量达数十万吨。广西某石 膏矿采空区顶板垮落造成2 9 人死亡。这些采空区不但影响矿山的经济效益，而 且时常危及矿区人员的生命安全。 东坪金矿地处河北省崇礼县境内，崇礼紫金矿业有限责任公司于2 0 0 5 年收 购了原东坪金矿资产。该矿主要使用的采矿方法为全面法、浅孔留矿法、全面 留矿法。矿山在开采过程中由于没有及时的充填而形成了大量采空区，这种空 区达到一定规模就会产生顶板大面积冒落，会造成重大灾害。大面积采空区的 存在，是诱发大面积采空区冒落的隐患，由于采空区处理不及时或处理措施不 当，将会造成资源损失和经济浪费，而且严重危害相邻部分矿体开采的安全。 因此对于矿山地下采空区稳定性的研究工作及空区的处理是十分重要的，对矿 山预防和减少事故、防灾减灾具有十分重要的意义。 目前东坪金矿主要开采南山采区7 0 号矿脉中厚矿体，采用长沙矿山院推荐 的“窄分条两步骤空场回采嗣后充填采矿法开采，沿矿体走向将矿体划分为 l o m ( 宽) x 8 6 m ( 长) x 3 5 m ( 高) 的一步骤采场和2 0 m ( 宽) x 8 6 m ( 长) x 3 5 m ( 高) 的二步骤采场，一步骤采场基本回采完毕，留有l o m ( 宽) 的空区未进行充填， 现二步骤采场已经部分回采，在回采过程中形成大面积的采空区，本文对形成 的采空区进行了数值模拟分析，确定了不同跨度下采空区的稳定性，为矿山下 一步安全高效地生产提供指导。 武汉理工大学硕上论文 1 2 采空区稳定性研究现状 纵观国内外采空区稳定性研究现状，其采空区稳定性分析方法包括预计法、 解析法、半预计半解析法、工程地质法及数值分析法。 预计法是通过计算顶板承载力、地表剩余变形量、残留空洞的稳定性和地 表破坏来进行。解析法通过简化采空区，建立矿山地质模型，再按照一定的原 则抽象成理想的数学物理模型，用数值方法进行求解。半预计半解析法是预计 法和解析法的结合。工程地质法主要根据地层构造、矿区地质构造、节理构造、 岩石强度、岩体r o d 值等多方面因素评价采空区的稳定性。 随着计算机技术的迅速发展，数值分析方法在工程地质力学研究领域里也 日益广泛应用。数值模拟方法是通过计算机对实物进行的一种数值模型试验。 由于通用性强，方便灵活，易于修改，耗资少，而且可以模拟各种复杂情况， 能反复进行试验，因此在岩体稳定定研究中得到了广泛的应用p 弓j 。 目前采空区数值模拟常有的方法有有限单元法、边界单元法、离散单元法 以及有限差分法等。国内外开发的相关软件有有限元软件a n s y s 有限差分软 件f l a c 、f l a c 3 d ；离散单元软件u d e c 、3 d e c 等。 彭欣等利用a n s y s 软件对特大采空区近区开采进行模拟，研究了采空区处 理前后其对近区开采的影响。何忠明等利用f l a c 3 d 软件分别对双层采空区以及 考虑应变软化的地下采场开挖顶板稳定性进行了分析。张耀平等采用f l a c 3 d 方 法对龙桥铁矿空区形成过程及采空区稳定性进行模拟计算和预测分析【6 】。陈庆发 等以高峰矿1 0 5 矿体高价值碎裂矿段为例，运用离散元程序u d e c 对这些空区 的稳定性进行计算分析【7 1 。吴亚斌将大型矿床软件s u p r a c 和f l a c 3 d 结合，形 成了采空区稳定性数值模拟的新技术，有效地提高了采空区稳定性数值模拟结 果的准确性和可靠性哺】。 考虑到采空区稳定性分析不仅具有一定随机性，同时具有很强的模糊性。 对采空区稳定性模糊综合评价的方法也得到了研究者的广泛应用。 吴启红等运用多级模糊评判理论，结合某矿山采空区工程地质资料选取1 5 个评判因子，引入系统理论中的模糊评价方法、层次分析方法建立多级模糊评 价模型，对矿山采空区稳定性进行了评价 9 1 。马云龙等分析了影响高峰1 0 5 号矿 体采空区稳定性的因素，选取了1 4 个影响因子，运用模糊数学建立采空区稳定 性二级综合评价模型，对其稳定性进行了分析评价l l o l 。段瑜首次在硬岩矿山采 空区评价中引入了模糊综合评价理论，建立了采空区灾害危险度多因子评价模 2 武汉理工大学硕士论文 型，指出了不同危险度采空区的空间位置和分布特点【1 1 1 。钟春晖等基于关系矩 阵和模糊理论，结合工程实际情况，对采空区稳定性进行了综合评价，确定了 采空区稳定性系数与稳定性级别之间的对应关系【1 2 】。模糊综合评价法能较准确 地反映采空区稳定性，而且精确度高，为矿山采空区稳定性评价提供了可行的 思路和方法。 由于突变理论可以仅在少数几个假设的基础上，用少数几个控制变量便可 预测系统的诸多定性或定量状态，不用知道系统有哪些微分方程，更不用知道 如何求解这些微分方程的条件。近年来用突变理论进行采空区稳定性分析逐渐 增多，并取得了可喜的成果。 徐曾和【1 3 1 等人利用尖点突变理论对柱式岩爆进行了研究，马海军首次将突变 原理应用于采空区稳定性研究中，对某铜矿采空区稳定性状态进行了定量评价 【t 4 】，单晓云t l s l 等人用突变理论预测巷道岩劂1 6 】发生的可能性。 除了以上方法外，研究采空区稳定性的方法还有很多，例如灰色系统理论 评判法、神经网络法、系统分析法等。 1 3 主要研究内容 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 调查分析东坪金矿工程地质情况、开采现状、采空区形态；研究顶板 冒落机理以及影响采空区稳定性的因素。 ( 2 ) 利用a n s y s 软件，模拟采空区在不同深度、不同倾角时的应力应变 情况，以及采空区有可能失稳的形式。 ( 3 ) 利用a n s y s 软件对7 0 号矿脉1 2 6 4 m 水平的采场空区进行数值模拟， 模拟的采空区跨度分别为4 0 m 和1 0 0 m ，确定顶板位移及应力分布，分析采场空 区的稳定性。 ( 4 ) 提出采场空区的处理方案，指导矿山安全高效生产。 1 3 2 研究方法 本文运用有限元a n s y s 软件，建立采场空区模型，对采场空区的稳定性模 拟分析，最终确定采场空区的处理方法。 3 武汉理t 大学硕上论文 第二章采场稳定性分析 在空场采矿方法中，采场的安全性主要考虑采场顶板的张性破坏和矿柱的破 坏。因此采空区的稳定性主要由顶板和矿柱的稳定性来决定。 2 1 顶板冒落机理 大量的研究工作证明，顶板大面积来压是坚硬顶板在房柱式开采时的一种特 有的剧烈动压现象。这种现象一次冒落的顶板面积少则几千平方米，多则几万甚 至十几万平方米。这样大面积的顶板在较短时间内冒落，不仅由于重力作用产生 严重的冲击破坏，而且更严重的是把己采空间的空气瞬间排出，形成巨大的冲击 气浪，并伴随有矿震动，其破坏力极强。大面积采空区冒落将会造成资源损失和 经济浪费，而且严重危害相邻部分矿体开采的安全i7 - 2 0 。 顶板大面积来压的冒落方式分为整体一次冒落式和分层分次冒落式。其冒落 类型可分为切冒型和拱冒型【2 1 】，如图2 一l 所示： ( a ) 切冒型 ( b ) 拱冒型 图2 - 1 冒落类型 一、切冒型 采用房柱法开采矿体时，矿体被划分为矿房和矿柱，矿房开采后采场由多个 4 武汉理工大学硕士论文 矿柱共同支撑顶板。随着开采工作的延续，矿柱逐渐被回采，当开采范围达到一 定面积时，顶板暴露面积增大，于此同时岩层因荷载、采动、风化、潮解等影响， 首先使局部承载较大，强度较低的矿柱产生破坏、坍塌或失去支撑作用，破坏了 矿柱的连续性、完整性，从而引起周围矿柱承压增大并相继发生破坏。失去矿柱 支撑的项板成为悬空顶板，在四周岩体支撑下被拉裂破断，变为简支厚岩梁，由 于简支岩梁的受剪截面积减小，采空区项板容易沿四周切落直达地表，其特征为 一次冒落面积大、时间短；冒落一般发生在浅部或上部己开采形成空区的较深部 区域；冒落形状呈反漏斗状，地表呈圆形、椭圆形的沉陷，沉陷面积小于采空区 面积；冒落后地表出现纵横交错的张开裂缝，裂缝宽度0 1 - 0 5 m ，深不见底， 裂缝位置均在采空区平面范围内侧。 顶板大面积来压冒落与矿柱分布有关，其实质就是由于矿柱破坏失稳后，顶 板失去支撑所致，因此矿柱分布是来压与否的关键因素，矿柱破坏失稳是顶板大 面积来压冒落的直接原因。 在前人的研究中，矿柱的是否破坏可以用逐步破坏理论或极限强度理论进行 判别2 2 ，2 3 1 ，逐步破坏理论的判别式为： b _ t r 。 ( 2 _ 2 ) 式中：盯矿柱平均应力，仃= f - 1 h ； c 矿柱面积比率，即矿柱面积与采区总面积之比； m 一安全系数，一般取m = 1 5 3 ； o r p 矿柱的极限强度，p = c r c ( o 7 7 8 + 0 2 2 2 b m - 1 ) ； o r 一岩体的单轴抗压强度。 将极限强度理论应用到矿柱极限抗压强度上面，则有： b 2 x 0 2 号h 揣 q _ s ， 式中：b 一矿柱宽度o 一矿柱塑性区宽度； m 一矿柱开采厚度； 卜矿柱与顶底板的摩擦系数； 孝一三向应力系数，善= _ 1 + t s i n # ： l s i n 9 一岩体的内摩擦角； 5 武汉理工人学硕上论文 c _ 岩体的粘结力； 卜开采深度； y 岩体平均容重； k 应力集中系数； 鼻一支架对岩壁的阻力。 关于简支岩梁的切冒判据，依据弹性力学的应力公式： 吒= 日6 q ，、4 。) y + 喏( 4 景一；3 ) ( ) 旷一抄秘一争2 ( ) 矿一等工( 等_ y 2 ) ( 2 - - - 6 ) 当岩梁中部底面仃。芝彤( 岩梁的抗拉强度) 时，则该处拉断，o z = 耳， x = 0 ，y = l 2 代入( 2 _ 4 ) 式得： l a = 2 h ! q 垡1 0 q 二垡 ( 2 7 ) 式中厶为采空区短边的极限跨距。 当岩梁端部k 彤( 岩梁的抗剪强度) 时，则该处发生切冒，将= 群， x = l 2 ，y = u 2 代入( 2 q ) 得： l ：丝堡( 2 _ 8 ) 3 q ( h 一2 ) 由于岩梁的剪应力与跨度成正比，故公式( 2 8 ) 的t 为采空区长边的极 限跨距。故预测发生的切冒型大面积采空区失稳的面积为 a 2 厶t ( 2 q ) 二、拱冒型 当开采范围达到一定面积时，项板跨度较大，在岩体自重以及构造应力的作 用下，顶扳岩层之间分离或直接顶板与上覆岩层分离，产生弯曲变形，当弯曲变 形产生的拉应力超过岩层的极限抗拉强度时，顶扳岩体即向采空区垮冒，直到形 成平衡拱而停止冒落。其特征一般为分层分次冒落，冒落延续时间较长，可达几 天至数月；拱的四周悬臂、冒落高度小，中部冒落高度大，但空顶面积小；冒落 多发生在开采深度大的区域，冒落拱形成以后，其上项板随着时问的推移缓慢沉 降，最后充满采空区；地表冒落形状呈盆地状，地表呈圆形、椭圆形的沉陷，沉 陷面积大于采空区面积；冒落后地表出现纵横交错的张开裂缝，裂缝位置可在采 6 武汉理工大学硕士论文 空区平面范围内侧或外侧盆地边缘处【砒钔。 拱冒型的冒落过程与切冒型相似，只是层间组间不同步而已，即首先因部分 覆岩的变形使矿拄破坏，然后在固支岩梁的条件下，四周逐层逐组拉断，最后在 简支岩梁条件下切冒。因此，对于拱冒型的失稳机理首先要预测使矿柱破坏的覆 岩厚度。 2 2 采空区灾害的主要影响因素 众所周知，采空区灾害的发生与地质因素采空区的几何参数、埋藏深度、采 空区的支撑矿柱以及开挖条件等密切相关。 一、地质因素 ( 1 ) 岩体结构。岩体结构由结构体和结构面两个要素组成，是反映岩体工 程地质特征的最根本的因素，不仅影响岩体内在特性，而且影响岩体的物理力学 性质及其受力变形的全过程。岩体结构可分为整体块状结构岩体、层状结构岩体、 碎裂结构岩体、散体结构岩体【2 9 1 。 整体块状结构岩体完整性较好，是采矿较理想的稳定岩体。层状结构岩体结 合力一般不强，岩体稳定性较整体结构岩体差，此类岩体常见的冒落形式有滑移 破坏、塌落破坏和弯折破坏。碎裂结构岩体结合力不强，结构体块度不大，岩体 完整性破坏较大，这类岩体变形模量、承载能力均不高，工程地质性质较差，能 够导致岩体大冒落。散体结构岩体有较大的断层破碎带，构造影响严重，结构变 动剧烈，这是冒落规模最大、最危险的一种岩体结构类型。 岩体在成岩过程中形成的问断面、接触面、层理、夹层等结构面是岩体中的 薄弱部分，它们的力学强度只有岩石母体材料的几分之一，甚至更小。因此岩体 结构面及裂隙分布状况对围岩的稳定起着重要的作用。 ( 2 ) 地质构造。在复杂的地质构造带下开采，所形成的采空区的安全稳定 性就不好，危险度就高。如褶皱、岩脉、断层以及岩层的突变等。 ( 3 ) 岩石质量指标( r q d ) 。岩石质量的优劣直接影响着岩体的变形特性和变 形量的大小，岩石质量越好，岩体的刚性越大，采空区的安全稳定性就越好。 二、开采状况 采空区的大小、矿体的开采深度、开采厚度以及矿体倾角 3 0 1 都直接影响着 采空区的稳定性。 采空区的大小和形态直接影响采空区的稳定性。采空区的连续面积越大，顶 板就越容易冒落，岩移范围就越大。相邻采空区的面积越大，其相互影响就越大， 尤其是相邻采空区之间的矿柱受到的围岩应力就越大，从而导致采空区的稳定性 越差，顶板越容易垮落。 7 武汉理工大学硕士论文 随着开采深度的增加，采空区顶板位移变化变小，地表沉降减少，水平变形 减小。开采厚度越大，空区顶板冒落的可能性也越大，同时地表竖向位移也增大， 最大水平变形也随之增大。 三、采矿方法 采矿方法是研究矿块( 包括矿房和矿柱) 的开采，包括采准、切割和回采工 作。采矿方法的选择直接决定着采矿作业的安全，如果采矿方法或顺序选择不当， 可能造成冒顶、片帮和地压增大等各种隐患与危险。 ( 1 ) 空场采矿法将矿块分为矿房和矿柱，在回采过程中，不崩落围岩，也 不充填采空区，而用空场的侧帮岩石和所留的矿柱或人工矿柱支撑采空区顶板围 岩。这类采矿法容易发生空区顶板冒落破坏现象，因此空场采矿法必须要求矿石 和围岩均稳固才能保证采矿作业的安全进行。 ( 2 ) 充填采矿法随着回采工作面的推进，逐步充填采空区。充填体能有效 控制采场地压和围岩崩落，防止地表下沉，并为回采工作创造安全方便的条件。 充填采矿法是地下开采中矿石损失率与贫化率最低的采矿法。由充填体和围岩共 同支撑顶板，充填采矿法可用于矿岩稳固或不稳固的有色金属富矿或者贵金属 矿、稀有金属矿床。 ( 3 ) 崩落采矿法的基本特征是用强制崩落围岩的方法充填采空区，以控制 和管理地压。此类采矿法可以应用于地表允许塌陷和围岩不稳固的矿山。 上述三种采矿方法中，每种方法都有其适用条件及特点，在具体矿床赋存条 件下，应根据情况选择合理的采矿方法。 四、水文因素 地下水对岩体应力状态和强度都有影响。随着岩体结构中孔隙水压力的增 大，岩体结构面上的有效正应力随之减小，岩体沿结构面的抗滑稳定性也随之降 低。岩体的强度在地下水的物理化学作用下减小，所以地下水的活动往往是围岩 失稳的一个重要因素。 8 武汉理工大学硕上论文 第三章地质及开采技术条件 3 1 交通位置及区域地理经济 一、位置与交通 崇礼紫金矿业有限公司，地处河北省崇礼县境内。矿区西北距崇礼县城南东 1 5 k m ，行政区划隶属河北省崇礼县马丈子乡管辖，矿区东西长8 k m ，南北长5 k m ， 面积4 0 k m 2 。地理坐标为：东经1 1 5 0 1 8 1 7 1 1 5 0 2 4 0 8 ，北纬4 0 0 5 0 4 7 4 0 0 5 3 ，3 4 ”，区内交通方便，公路可达崇礼县城和张家口市，京包铁路可达全国各 地。 二、自然地理与经济概况 矿区地处燕山山脉西段与坝上高原衔接地节，洋河水系上游清水河与白河水 系上游红土河的分水岭西侧，海拔1 4 5 0 m - - - 2 0 0 0 m ，相对高差5 5 0 m 左右，地势 北东高，南西低，属中低山区。坡度2 5 0 - 3 5 0 ，植被较发育，局部东南坡为石砬 陡壁。 本区属大陆性气候。冬季漫长严寒，夏季凉爽短暂冬春多西北风。年平均 气温3 6 4 。c ，月平均最高气温3 4 4 c ，最低气温3 1 3 c 。1 1 月至翌年3 月底为冰 冻期。最大冻土层厚1 9 3 m 。为矿山建设服务的1 1 0 千伏高压输变电工程已投产 使用，可满足矿山生产和生活用电。 矿区河流为季节性河流，夏季水量较小，冬季基本干枯，矿区生产生活用水 采用坑内涌水。 农作物以莜麦、蚕豆、胡麻，马玲薯为主。有少量次生林，用材需外部供应。 矿区内居民点较稠密，劳力充足，主要从事农业生产，其次为开发金矿，其他工、 副业不发达。 3 2 矿区地质概况 矿区位于华北地台北缘，燕辽沉降带与内蒙古地轴邻接部位，北距崇礼一赤 城断裂l o k m 左右。 崇礼一赤城深断裂为区域一级构造。杨木洼一马丈子一金家庄断裂、中山沟 一红花背上水泉断裂为二级断裂构造，控制了水泉沟碱性杂岩体以及与其有成 因联系的金矿床的分布。 上述杂岩体是同熔成因的角闪变质岩类和重熔一交代成因的正长岩、二长岩 9 一 武汉理工人学硕 ：论文 类组成的复式岩基。该岩与围岩呈明显侵入接触，具有强烈的钾钠交代现象。 矿区位于水泉沟碱性杂岩体南侧内外接触带，面积4 0 k 苴n 2 。含金石英脉、硅 化钾蚀变型金矿脉具有成群成带分布规律。8 0 余条脉群分布在a u l 一a u 9 等9 个矿带内。 3 2 1 地层 矿区内除沟谷处分布少量第四系外，出露地层均为太古宙大白杨角闪斜长透 辉片麻岩，分布于矿区西南部照山凹至南坪村一线以南，出露面积6 2 k m 2 。片 麻理总体走向3 0 0 。，倾向北东，倾角5 0 。7 0 。其岩石类型包括角闪斜长片麻 岩、斜长角闪岩、黑云片岩和浅粒岩，系由基性火山岩变质而成。角闪斜长片麻 岩、斜长角闪岩平均含金8 5 5 x 1 0 - 9 ，为重要富金源岩。 3 2 2 构造 崇礼一赤城岩石圈断裂是区域一级断裂构造，距矿区仪l o k m 左右，它制约 着矿区内二、三级构造的形成和发展。 一、f 1 6 断裂 分布于矿区南部岩体接触带附近，属中山沟一红花背一上水泉断裂的一部 分，为二级构造。总体走向3 0 0 0 ，倾向北东，倾角4 0 。 - - 6 3 。矿区内主要矿脉 均分布在该断裂上盘，属导矿构造。 二、赋矿构造 矿区内的赋矿构造属三级构造，按走向可分为三组： ( 1 ) 北北东向断裂：是最主要的含矿断裂，走向o o - 2 0 0 ，倾向北西，倾角 4 0 0 , - - - 5 0 0 ，总体上属压扭性，断裂呈左行侧列。 ( 2 ) 北话向断裂或裂隙带：亦为区内主要含矿构造，走向2 9 0 0 - - 3 4 0 0 ，倾 向南两，倾角2 5 0 4 8 0 。走向上呈右行侧列分布，倾向上呈迭瓦状，断裂首尾重 迭。总体上呈张扭性。走向上由北往南，依次为单条断裂一多条断裂一密集节理 带，从上往下亦大致有相似规律。北北东向断裂和北西向断裂为一组共轭扭性断 裂继承性活动结果。这一断裂系统对成矿十分有利，在压扭性地段产生稳定的矿 体，在引张扩容地段形成厚大矿体。 ( 3 ) 北东向断裂：走向4 0 0 5 5 0 ，倾向北西，倾角4 0 0 - 6 0 0 ，由多条组成， 呈右行侧列，该组断裂矿化较差。 三、成矿后断裂 可分为近南北向、北西向、北西西向三组。总体上不发育，规模小，断距 0 5 m - 2 o m ，对矿体破坏不大。 1 0 武汉理工大学硕士论文 3 2 3 岩浆活动 矿区岩浆活动分为燕山期花岗岩浆活动和海四期碱性岩浆活动。海四期水泉 沟碱性杂岩体出露于矿区的东部、北部及中部，分布面积为2 9 5 5 k i n 2 。岩石类型 以石英碱性长石、正长岩和碱性长石正长岩为主。各种岩石除闪长岩和细粒石英 二长岩与其他岩石界线清楚外，其余岩石均为渐变关系。主要矿物钾长石由微斜 长石和微斜条纹长石组成，后者在角闪二长岩中以分解成因为主，属同熔作用的 产物；在二长岩、正长岩中则以交代成因为主，系重熔交代的结果。 二长岩和正长岩的岩石化学里特曼指数为3 9 - - - , 8 3 ，属碱性岩浆岩。 燕山期钾长花岗岩体分布于窑湾子一上水泉一带，出露面积2 5 5k m 2 ，呈岩 株状侵人到太古界变质岩系和正长岩、角闪二长岩中。 石英正长斑岩、花岗斑岩、二长斑岩等中酸性脉岩主要分布于东坪沟以北地 区，侵入于杂岩体内的数量较多。 矿床直接围岩是水泉沟碱性杂岩体中的石英碱性长石正长岩、碱性长石正长 岩和霓辉二长岩。蚀变岩与围岩中常量元素对比显示f e 2 0 3 、a 1 2 0 3 、f e o 、n a 2 0 等含量降低，s i 0 2 、k 2 0 含量增高，说明金矿化与硅化和钾化关系密切。从岩体 蚀变岩一矿体中微量元素的变化：a u 、c u 、p h 逐渐增高，s r 、b a 、v 逐渐降 低。 3 2 4 围岩蚀变 矿床的围岩蚀变分为两种类型，一类是黄铁矿化、硅化、钾长石化等组成的 复合型蚀变，以7 0 号脉群为典型代表；另一类是以钾长石化为主的钾化蚀变， 以l 号、2 号、2 2 号脉带为代表。 近矿围岩蚀变强烈，蚀变种类主要为钾长石化、硅化，其次为黄铁矿化和绢 云母化，此外还有碳酸盐化、重晶石化、高龄土化等。前四种蚀变与金矿化关系 密切。 3 3 矿床地质特征 矿床为与碱性杂岩有关的成岩后改造金矿床，也称碲型金。 一、脉群( 带) 地质特征 矿田呈北西走向，长7 0 0 ( 0 ，宽3 0 0 0 m 。自东向西划分为9 个矿带a t l l a u 9 ，矿带呈北北东一北东走向。9 个矿带中分布着6 9 条金矿脉群。其中主要的 脉群( 带) 有l _ 7 0 、2 、3 、2 2 、2 6 号等。 ( 1 ) l _ o 号脉群 武汉理工犬学硕士论文 1 _ 7 0 号脉群由于勘查阶段不同，人为划分为1 号、7 0 号脉群。 l 一7 0 号脉群产于a u 6 矿脉，地表仅1 1 号脉具有工业价值，深部则由5 0 多条脉组成矿脉群。已控制矿脉总长1 4 0 0 m ( 从2 4 线- 3 5 线) ，分布宽度几十米 至5 0 0 多米，控制最大斜深8 2 0 m ，南端及深部仍未封闭。矿脉均赋存在硅钾化 正长岩蚀变带内，蚀变带总体展布方向北北东，西倾，倾角中缓。脉群分为上下 两个富集区段。第一富集区段，赋存标高在1 1 5 0 - - - - 1 6 7 0 m ( 地表) 。第二富集区段， 已控制标高为9 0 0 - - - - 1 2 0 0 m 。从剖面上看，两富集区段之间有5 卜1 0 0 m 的无矿地 段。从矿脉数量、矿体规模及矿化强度看，第一富集区段为主要矿段，第二富集 区段为其下盘小矿体。 1 7 0 号脉群的倾向变化：单层矿体呈脉状、扁豆状，由浅至深矿脉数量逐 渐增多，并雁列平行成群产出。主要矿体各剖面对应性较好，矿化集中富集在 1 2 5 0 - - - - 1 3 5 0 m 区间。 1 7 0 号脉群平面分布特征：矿脉数量由北向南逐渐增多，矿逐渐变厚，脉 群总体由北北东向南西西侧列，主要矿化富集区间分布在4 一心7 线。主要矿体北 部向南西侧伏，南部矿体向北东侧伏。 1 7 0 号脉群占全区总储量的9 0 以上。该脉群以7 0 - _ 5 、l 1 - l 矿体规模 最大，其次为7 0 - - l 、1 8 6 、l 一1 1 一l 、l _ _ 2 旺1 等矿体。 ( 2 ) 2 号、2 2 号脉带 2 号脉带分布于a u 3 号矿带中，地表由6 条脉组成，三条主脉呈右侧幕状分 布，构成长达1 0 0 0 m 的脉带，赋存4 个工业矿体。 2 2 号脉带产于a u 8 号矿带中，由3 条脉组成，呈左侧幕状排列，脉带长约 8 0 0 m ，赋存3 个工业矿体。 ( 3 ) 3 号脉带 3 号脉带分布于a u 4 号矿带中，主要由6 条脉组成，以3 8 、3 1 2 号脉为 主脉，脉带长约4 0 0 m ，赋存8 个工业矿体。 二、矿体规模、形态及产状 l q o 号脉群由5 0 多条脉和8 0 多个矿体组成。其矿体规模大体分为三类： 大型规模矿体：走向、延深大于5 0 0 m ，代表矿体有7 0 _ _ 5 、1 一一等，占 脉群总储量6 0 以上。 中等规模矿体：走向、延深2 0 0 m 一4 0 0 m ，代表矿体有7 0 _ 一l 、3 一1 2 一、 3 一卜l 及1 _ 2 卜1 等，占脉群总储量2 5 以上； 最小型规模矿体：延长、延深小及变化性很大的矿体。 本区成矿受几组构造相互追踪复合控制，因而矿体形态比较复杂。单一构造 形成的矿体以脉状产出；多组构造控制的矿体呈分支脉或网脉；构造复合部位矿 1 2 武汉理工大学硕上论文 体增厚，形成扁豆体或厚大矿体。总体看，矿体形态、产状变化较大。 l o o 号脉群矿体总体走向为2 0 0 5 0 0 ，北部走向小，南部走向大，倾向北 西，倾角2 6 0 5 0 0 。 2 号脉带矿体总体走向为2 0 0 - 3 5 0 ，倾向北西，倾角3 5 0 - 5 0 0 。 3 号脉带矿体总体走向为2 0 0 - 3 0 0 ，倾向北西，倾角3 5 0 4 0 0 。 2 2 号脉带矿体走向为3 0 0 - 4 5 0 ，倾向北西，倾角4 5 0 5 2 0 。 矿体走向和倾向均有波动，分支脉多为北西、北北西走向，南西倾斜。 3 4 矿石特征 3 4 1 矿石物质组成 一、矿石矿物 金矿物：以自然金为主，其含量约占金矿物总量的9 0 以上，成色较高， 可达9 3 4 - - 9 7 8 。中粗粒自然金与石英、硫化物共生，细粒的浸染在石英脉中。 银会矿约占5 。碲金矿等金的碲化物普遍，约占2 3 。 金属矿物：矿石为贫硫化物型，金属矿物以黄铁矿和褐铁矿为主总量不超过 3 。i i 、i i i 世代的黄铁矿和方铅矿是金的重要载体。此外还有闪锌矿、黄铜矿、 碲铅矿、辉碲铅矿、含铅自然碲、镜铁矿等。 次生矿物有褐铁矿、蓝辉铜矿、斑铜矿、铜蓝、铅矾、孔雀石。 。 二、脉石矿物 主要是石英、钾长石。此外，尚有少量绢云母、绿泥石、绿帘石、白云母、 方解石等矿物。 三、矿石的化学成分 矿石的化学成分比较复杂，主要元素有a u 、p b 、c u 、z n 、t e 、a g 、f e 以 及其它稀有、分散元素3 0 余种。其中a u 、c u 、p b 、z n 、t e 、f e 是矿石中金属 矿物自然金、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、黄铁矿、碲金矿、碲铅矿等矿物的丰要 成分。c o 、n i 、a s 、s b 、b i 、a g 、s e 、w 、m 0 等是金属矿物的混入物。s i 0 2 、 a 1 2 0 3 、k 2 0 、n a 2 0 、c a o 、m g o 是矿石中脉石矿物石英、长石、绢云母等的主 要成分。 3 4 2 矿石主要类型 矿石工业类型为贫硫化物易选冶矿石。主要载金矿物为黄铁矿、方铅矿、石 英，其次为黄铜矿、闪锌矿、钾长石等。金属矿物含量甚低，属贫硫化物型。金 以中、粗粒为主，裂隙金、晶隙金占8 0 以上，选矿回收率达9 7 以上。