（采矿工程专业论文）缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究.pdf

摘要 论文针对广西南丹县五一矿大福楼矿区采用全面法进行采矿，但采场 结构参数设计不合理，一些采场跨度过大、矿柱尺寸不合理、矿石损失率 较高等实际问题，从矿山工程地质、水文地质以及矿岩物理力学参数性质 的研究分析入手，对地下采场参数进行了研究。结合矿山的实际情况，利 用a n s y s 有限元数值模拟软件，模拟研究了不同的矿房、矿柱组合并保证 地下采场稳定性的情况下对大福楼矿区采场参数进行优化设计： ( 1 ) 、现场收集了南丹县五一矿大福楼矿区地质、地质构造、矿体赋存 特征、原岩应力等资料。 ( 2 ) 、通过现场调查与室内试验，对南丹县五一矿大福楼矿区矿岩性质 进行了系统的研究。结合试验结果，给出了矿山的岩体力学参数，为后续 的研究提供了基础数据。 ( 3 ) 、利用a n s y s 软件，建立了矿体研究区段的三维模型，对几种不 同采矿方案进行了有限元数值模拟，得到了不同采场结构参数下矿岩中的 应力、位移值。 ( 4 ) 、以采场参数、损失率、贫化率、经济效益等指标进行优化，分析 几种可行的方案。 ( 5 ) 、结合实际矿山生产实际，对模拟方案进行分析，对当前开采方案 进行优化。 关键词：缓倾斜薄矿体a n s y s 采场结构参数数值模拟优化 a bs t r a c t i no r d e rt os o l v et h ep r a c t i c a lp r o b l e m si nd a f u l o um i n ef l o o r , 51m i n e , n a n d a nc o u n t y , g u a n g x ip r o v i n c e , s u c ha so v e rw i d t ho fs t o p es p a nr e s u l t e df r o mu n r e a s o n a b l ed e s i g n p a r a m e t e r s ，r e s e a r c hh a s b e e nm a d eo nt h em i n i n gs e q u e n c e ，u n d e r g r o u n dm i l l es t o p e p a r a m e t e r st h r o u g ht h ea n a l y s i s o ne n g i n e e r i n gg e o l o g y , h y d r o g e o l o g i c a la n dm i n i n g p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f r o c k o nt h eb a s i so ft h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h em i l l e ， t h ea u t h o rh a so p t i m i z e dt h ed e s i g np a r a m e t e r so fd a f u l o um i n ef l o o rb ys i m u l a t i n gt h e v a r i o u sm i n e r a lr o o m s ，p i l l a r so nt h ea n s y sf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e u n d e rt h ep r e m i s eo f a s s u r a n c eo f t h es t a b i l i t yo f t h eu n d e r g r o u n ds t o p ef l o o r ( 1 ) c o l l e c t e dt h ei n f o r m a t i o no fg e o l o 舀c a ls t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c so fo r eo c c i t c n c c ， o r i g i n a lr o c ks t r e s so nt h ew o r k s i t ei nd a f u l o um i n ef l o o r ，51m i n e s ，n a n d a nc o u n t y ( 2 ) m a d eas y s t e m a t i cs t u d yo nt h eo r en a t u r e o fn a n d a nm i n et h r o u g ho n - s i t e i n v e s t i g a t i o na n dl a b o r a t o r yt e s t o nt h eb a s i so ft e s tr e s u l t s ，t h em e c h a n i c sp a r a m e t e r so f t h e m i n er o c kh a sb e e nf o u n d ，w h i c ha let h eb a s i cd a t af o rt h el a t e rs t u d y ( 3 ) e s t a b l i s h e dat h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h em i n es e c t i o no na n s y ss o f t w a r e m a d ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ns e v e r a lm i n i n gp r o g r a m s ，o b t a i n e dt h es t r e s sa n d d i s p l a c e m e n tv a l u e so f t h eo r eu n d e rv a r i o u ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa tt h es t o p e “) m a d es e v e r a lp o s s i b l eo p t i o n sf o rt h ep r o b l e mb yo p t i m i z i n gt h ef i e l dp a r a m e t e r s ， l o s sr a t e ，p o v e r t yr a t e ，v e n t i l a t i o na n dc o s t - e f f e c t i v e n e s s ( 5 ) i nl i g h to ft h ea c t u a lr e q u i r e m e n t so ft h em i n ep r o d u c t i o n ，o p t i m i z e dt h ec u r r e n t m i n i n gp r o g r a mo nt h ea n a l y s i st h es i m u l a t i o np r o g r a m k e yw o r d s ：g e n t l yi n c l i n e d 廿1 i 1 1m i n e ：s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fs t o p e ；a n s y s ： o p t i m i z a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n h 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果 和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第_ 署名单位发表或使 用本论文的研究内容。除己注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成 果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要 帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：僭、为纠年毛窍1 5 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校 要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并提供目录检索与阅览服务：学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保 存论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 口解密后发布 并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：嚼、功导师签名飞年矽月f r e t 广西大学硕士学位论文缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 第一章绪论 1 1 采场结构参数优化的目的和意义 采矿业是一项古老的行业，为人类社会的发展做出了重要贡献。在社会文明高度发 展、科学技术突飞猛进的今天，人类生存、社会发展对资源需求的数量日益扩大，需求 的品种更加多样化，要求更加合理、有效地开发利用不可再生的矿产资源，为矿业的发 展展示了巨大的前景，也为采矿技术的不断进步提出了更高要求。 论文从实际出发，结合南丹县五一矿大福楼矿区的情况，对南丹县五一矿大福楼矿 区的采场结构参数进行优化设计，在保证开采系统稳定和生产安全的前提下，最大限度 地减少矿柱的数量、规格和开拓成本，最大限度地提高采矿强度和生产效率，增加矿石 产量，提高企业的经济效益、社会效益和环境效益。 因为南丹县五一矿大福楼矿区地质水文条件、矿藏富存简单。因此对南丹县五一矿 大福楼矿区的采场结构参数进行优化研究，可以为一系列的缓倾斜薄矿体采场的参数优 化设计提供理论参考。设计中对采场结构参数的优化方法，可适用到其它缓倾斜薄矿体 采场设计，乃至对采用全面采矿法的其它类型矿体都有参考意义。 本论文主要针对南丹县五一矿大福楼矿区的采场参数设计过于粗放的问题进行针 对性的研究，合理设计矿柱规格，降低矿石损失率。通过本次研究，希望能够优化采场 参数，为解决上述问题提供理论依据和技术措施。 1 2 有关课题的国内外研究现状 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，是采场设计优化的主 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支持。 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。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 f c o n t i n u a ，缩写为f l a c ) 在采矿和岩土工程中得 到了较为广泛的应用。有限单元法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 1 广西大学硕士学位论文。缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 年，o 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墓础的问题，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和完善，并在各种复杂工程的数值模拟分析中得到普谊的应 用，目一前己从二维发展到三维，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、 计算时问短、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、边界元法、有限差分法相比，其优点是更能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 ，它们己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 。( 3 j ，( q 、( 2 6 ，、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 3 7 ) ，( 5 】) 2 燮堂堡圭兰位论文：缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 第二章矿床地质特征及其开采技术条件 2 1 矿区位置与交通 广西南丹县五一锡矿大福楼矿区位于南丹县车河镇大湾村，矿区中心位置地理坐标 东经1 0 7 。3 8 0 1 ”，北纬2 4 。5 4 0 3 ”。原黔桂公路经过矿区，新建大西南通道经过矿区东 侧，离矿区约l k m 。矿区至南丹县城1 7 k m ，至车河6 k m ，距南丹火车站( 小场站) 2 铂n ， 交通便利。 图2 - 1 矿区交通图 f i g2 - 1m i n i n ga l e at r a n s p o r t a t i o nm a p 1 0 7 3 0 1 0 7 。4 5 7 3 1 二一蓼 ，嵫 、 卜 e 甲甓孵 乒 甚。骥蜩7 o 、鹣炎耕 最贽、 乙7 l 岁 ，一，o 朝房 。) 9 坡旁i ；营一 馨蹬哭 翁乐罨庄、拉么妊吣 、 芝迄碰弋 k 一、了 y = 夕 h j 。笋国爿j 图 例 圃吕城 三 乡铍 三 村电 乏：t ? 一= = ， 厂国峨 、 团四边囫踏圈水系1 固工作引 3 广西大学硕士学位论文缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 2 2 矿床地质特征 2 2 1 矿床地质特点 矿区地层为泥盆系丹林组( d 1 1 ) 、益兰组( d 1 2 ) 、塘丁组( d 1 3 ) 、纳标组( d 2 1 ) 、 二 罗富组( d 2 2 ) 、榴江组( d 3 i ) ，丹林组为石英砂岩夹少量泥岩、泥灰岩，益兰组为泥 质灰岩夹泥岩，塘丁组、纳标组、罗富组均为钙质泥岩夹泥质灰岩，为矿区赋矿层位， 榴江组主要为薄层硅质岩。 矿区大地构造位置位于江南台背斜与滇桂台向斜间的丹池凹陷带内，丹池大背斜 ( 走向3 2 0 。 - 一3 3 0 。) 的北东翼。由于受强烈挤压局部地层产状略有变陡并产生一系列 规模不一的与主背斜近于平行的纵向( n w ) 压性、压扭性断裂，次级挠曲和深部的层 间滑动带及地表的裂隙带。本区的o 号陡倾斜矿体，深部2 1 、2 2 号似层状矿体以及地 表的裂隙脉群均受此构造控制。成矿后断裂为北东向的张性和张扭性断裂，走向北东4 0 。 - 4 8 。，倾向南东，倾角6 0 。 - 8 0 。，错距8 m 一7 0 m 不等，对矿体起破坏作用。 2 2 2 矿体地质特点 2 1 、2 2 号矿体位于0 号矿体下面产于下泥盆统上段( 塘丁组) 隐条带状含钙质页岩 夹泥灰岩中，因受层位和层间剥离滑裂面的组合控制，矿液沿陡倾斜断裂向两侧的层间 滑裂扩充而形成。2 1 号矿体呈似层状，分布于4 9 m - 一1 4 0 m 标高之间，走向长6 0 0 m ， 宽2 0 0 m - - 一，3 0 0 m ，平均厚度2 3 8 m ，平均锡品位1 o ，厚度不大，较稳定，品位均匀， 形态较简单，倾向5 0 。，倾角8 。 - 1 0 。2 2 号矿体呈似层状，分布于2 7 m - 8 7 m 标 高之间，走向长1 1 0 0 m ，宽2 5 0 m - 4 0 0 m ，倾向5 0 。，倾角7 。8 。，2 2 号矿体南段 己基本采空，尚未开采部份矿体平均厚度1 9 7 m ，平均锡品位0 7 5 。 2 2 3 矿石特征 矿石类型属原生锡石矿，矿石成分复杂，金属矿物有锡石、磁黄铁矿、毒砂、铁闪 锌、黄铁矿、白铁矿、黄铜矿、黝铜矿、方铅矿、脆硫锑铅矿、黝锡矿、车轮矿、草莓 状黄铁矿、异辉铅银矿及胶黄铁矿。脉石矿物有石英、方解石、自云石、铁白云石、电 气石、菱铁矿及绿泥石等。矿石主要有用组分为锡，伴生组分为锌、硫、砷、锢、镉等。 矿石结构主要为自形结构、半自形结构，少量固溶体分离结构，反应边结构，矿石构造 主要为块状构造( 占4 7 ) ，次为浸染状构造( 占2 9 ) 和脉状构造( 占2 4 ) 。据详查地质报 告，伴生组分平均含量0 号矿体s 1 4 0 0 ，a s 2 1 7 ，2 1 号矿体s 9 1 9 ，a s 0 6 1 ，2 2 号矿体s 9 7 8 ，a s 0 8 0 ，另外，铁闪锌矿中含少量铟、镉，品位不详。矿石体重0 号 4 广西大学硕士学位论文缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 0 号 2 l 号 2 2 号 0 1 号 0 - 2 号 5 1 9 3 5 4 2 ，2 。4 矿床水文地质条件 矿区属中高山地形，海拔标高4 1 0 m , - - 一1 0 8 0 m ，中部为一狭长沟谷，两侧群山环绕， 组成矿区分水岭，地形陡峻、沟谷发育。大气降水大部份形成地表迳流从东西两侧汇入 灰乐河排出区外。黄腊桥为矿区最低侵蚀基准面，其标高为+ 4 4 0 m 。 灰乐河是矿区最大的常年水流，由北向南流经矿区中部，在大福楼地段切过o 号矿 体。据上游观测站资料，平均流量0 4 0 7 m 3 s ，洪水时超过1 0 0 m 3 s ，最小流量为 o 0 6 9 班。j 。8 7 6 孔处最高洪水位标高4 4 4 9 7 m 。 融 嘴 蚴 啷 哪 啷 m 忽 粥 加 m m 侈 如 o o n n 乏 l c ： l 虻 胁 勉 粥 蚴 砒 粥 勉 砒 蚴 砒 粥 泓 粥 凇 m 撇 广西大学硕士学位论文缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 区内气候温暖，雨量充沛，年平均气温1 6 1 8 左右，年降雨量1 1 0 0 r a m - - - 1 5 0 0 r a m ，每年4 - 9 月为雨季。 矿体埋深大，顶、底板为钙质泥岩夹泥灰岩，厚度数百米，为良好隔水层。矿区构 造破碎带胶结完好，地表水和地下水无水力联系。但局部裂隙发育地段，有可能有小股 突水。矿区两侧有石炭系岩溶水含水层，溶洞标高7 0 0 m , - 8 0 0 m ，且离矿区较远，地形 切割深，有利于排泄，中间又有数百米隔水层，对矿床充水不发生影响。据详查报告矿 坑涌水量估算为1 2 4 3 m 3 d ，据该矿开采多年的排水记录，正常排水量为1 0 0 0 m 3 d ， 最大排水量为1 5 0 0 m 3 d ，雨季涌水量为旱季的1 5 倍。综上所述，矿区水文地质条件 属简单一中等类型。 2 3 矿床开采技术条件 2 3 1 矿体埋藏条件及矿岩稳固性 2 l 、2 2 号矿体埋藏于当地侵蚀基准面以下3 0 0 m - - 4 0 0 m 处，产于下泥盆统塘丁组 ( d 1 3 ) 隐条带状含钙质页岩夹泥灰岩中，矿体直接项板裂隙不发育，只是其上的中泥 盆统纳标组( d 2 1 ) 下段约2 0 m 的炭质页岩裂隙较为发育，但也多被方解石脉胶结，且 离2 1 号矿体顶板还有7 0 m - - 8 0 m 。据五一矿多年的生产经验，除后期断裂需要支护外， 还没有发生过冒顶坍塌现象。矿石构造以块状为主，其坚固性不亚于围岩。矿床地质条 件属简单一中等，对开采无多大的不良影响。 2 3 2 矿岩物理力学性质 隐条带状页岩、钙质泥岩平均抗压强度分别为1 6 8 4 1 0 8 p a ( 1 0 1 8 1 0 8 p a , - - - 2 1 8 5 1 0 8 p a ) 和1 1 4 9 1 0 8 p a ( 8 7 5 1 0 7 p a 1 3 1 5 1 0 s p a ) ，矿石自然安息角4 3 。 - - 4 5 。，矿石平均体重为3 5 2 t 形。 2 3 3 影响开采的其他因素 因本矿床矿石以磁黄铁矿、黄铁矿、毒砂和铁闪锌矿等高硫矿物为主，矿石含硫量 较高，当暴露空间曰久易氧化放热而自燃。因此3 c m 以下矿屑需及时清除，若堆放三个 月以上会产生结块现象。( 5 2 ) 6 “西大学硕士学位论文缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 31 矿岩物理力学参数 第三章矿石力学实验 311 矿岩物理力学性质测定 本次所有岩样均取自2 2 号矿体粟场，在同一条矿脉及其上下盘选择具有代表性的 三种主要矿岩类型，其分别是隐条带状泥岩、钙质泥岩和矿岩，三种岩石试样贯穿矿体 及其上下盘，可以获取试验所需的矿体及其上下盘矿岩的物理力学性质。 本次试验在2 5 0 吨全数字型液压伺服刚性岩石力学试验系统( m t s 一8 1 5 型) 上完成， 8 1 5 型液压伺服刚性试验机的工作原理是采用闭环伺服控制方式，实现对压力机工作行 为进行控制。岩样的受力和变形是根据计算机给定的加载或变形进行的，它可以随时将 岩样的实际荷载或变形速度与控制程序给定的速率进行比较，一旦岩样承载能力下降， 变形加速，则给出控制信号命令压机自动卸载，从而完成一个闭环动作。压机完成个 试验过程，就要完成多个这样的闭环控制动作直至试验结束。罔3 - 1 为实验设备照片。 铡 冀 涮 曙3 1m t s 8 1 5 型试验设备 f i g3 - im t s - 8 l5 t e s ee q u i p m e n t 试验系统配置了基于w i n d o w s 平台的可视化控制操作软件，可跟踪已录当前时间、 荷载、应力、位移、应变值的大小、荷载一位移、应力一应变曲线等。试验时，采用统 一的加载方式，对加载系统采用轴向变形控制加载，控制加载速度为2 l o 。m m s 。全 部试验过程由计算机控制，并由计算机保存全部试验的图形和数据结果。 广西大学硕士学位论文缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 312 矿( 岩) 单轴抗压强度试验 试样直径为中5 0 m m 左右，高径比约为2 ：1 ，各种岩石的单轴抗压静力特性试验结 果如表3 7 。图3 - 2 图3 4 为不同岩石试样原始的单轴压缩条件下的应力一应变曲线( 主 要用于矿、岩的泊松比测试) 和载荷一位移曲线。图3 - 5 图3 7 为不同岩石试样单轴 压缩条件下的破坏情况。 卜一r i 扩一 上妻# 1 ”暑刍蔫1 ，1 一_ _ z 二二二 圈3 - 2 旷岩试样载荷位移及压力一压变曲线图 f i g3 - 2 0 r e - b e a n n gr o c k s t e s ts p e c i m e n l o a d - - d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s s t r a i nd i a g r a mo f e s 两大学硕士学位论文缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 。蔷“ l 。 2 6 0 f 一1 1 v q j 型赢： r 彳! 二、。 一一1 一 二o ， 一t j 羔二= 一! 二一 n * 口 7 芝二_ 二叫 0612 d is p l ac e l t t 韫“ ，$ 一 。：；：三i 葺习 l 二：兰：二f 。 v 7 。l 036 n r f im 9 4 0 r r _ i 一一一 3 t r 1 m r = = = _ 一i 一1 “一“n 三蕊了_ 7 m 卜j 一二二。z j - 枷一一 0 ：。：_ - 0 0 1 00 0 1 s t r ，nm m 图3 - 3 晦暑带状泥5 试样载荷一位耪及图压力一压变曲线圈 f l g3 - 3 h i d d e ns t r i p p e d m u d s t o n e t e s ts p e c i m e n l o a dd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s s t r a i nd i a g r a m o f c u r v c s 广两大学硕士学位论文缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 图3 4 钙质泥岩试样栽荷位移覆压力一应变曲线图 f m3 - 4 c a l c a r e o u s m u d s t o n e t e s ts p e c i m e n l o a d - - d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s - - s t r a i nd i a g r a m o f c u r v e s 广西大学硕士学位论文缓倾斜薄矿体粟场结构参数优化研究 f i g 圈37 钙质泥岩试样破坏情况囝 f 36 t e s ts p e c i m e nd e s t m c t i o ns i t u a t i o n m a po f c a l c ”e o u s m u d s t o n c 表3 7 矿、岩单轴抗压强度试验结果表 t a b l e3 - 7t h er e s u l tt a b l eo fo r e 、c r a gs i n g l ea x l ec o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t 一i _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ - 。_ - _ - - 。_ _ _ _ _ 。_ 。_ 。- 。_ _ _ _ _ _ 。- _ 。_ 。_ 。_ _ 。- 。- - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ 。_ 一 试样 直径 高度 容重泊松比 emi1 。 破坏描述岩性 且彳全 儆扑= f 田地石仕 缠墨堕k g 垒坦 旦( 鱼里垒)璺( 坠堡垒) ： t b l 14 9 2 0 9 7 8 02 7 0 7 t b l - 24 9 1 41 0 0 2 6 2 6 9 9 t b l 3 4 9 2 49 0 5 02 6 8 9 0 3 2 6 o 1 0 2 4 2 5 3 0 3 9 平均值 2 6 9 80 2 13 2 7 3 2 k w l 14 9 o o9 8 7 02 9 3l k w l - 24 9 4 21 0 0 1 0 2 8 8 8 k w l 34 9 1 01 0 1 3 8 3 0 0 7 k w l - 44 9 2 29 0 0 02 8 8 6 平均值 2 9 2 8 d b l 14 9 1 01 0 1 。5 4 1 9 6 d b l 24 9 0 0 9 7 6 64 3 3 5 0 2 2 9 0 1 3 3 0 1 8 1 0 0 8 6 1 5 7 4 6 4 3 5 4 2 9 9 5 d b l 34 9 2 01 0 2 8 64 1 8 5o 13 5 5 1 d b l - 4 4 9 1 0 9 4 54 1 9 0 平均值4 2 2 6 0 0 93 2 7 3 1 1 0 9 8 3 3 4 1 8 8 3 2 9 9 6 5 8 1 4 7 5 8 7 1 1 2 5 6 3 1 2 3 2 8 9 7 2 7 7 3 3 1 6 8 5 6 3 6 5 0 6 6 7 3 6 1 2 8 纵向脆裂 纵向崩裂 隐条带状泥 纵向破坏 岩 纵向劈裂 纵向劈裂 纵向劈裂钙质泥岩 纵向劈裂 纵向破坏 纵向破坏 纵向开裂矿岩 沿原有裂隙破 3 1 3 单轴抗拉静力特性 采用圆盘劈裂方法在普通材料试验机上进行，根据弹性力学理论，在纵向直径平面 上作用的拉应力与施加载荷p 的关系，可用下式表示： r = 羔万a f ( 3 _ 1 ) 式中：r t 一抗拉强度，m p a ；p 一岩石试件断裂时，所施加的最大载荷，k n ； d 一岩石试件直径，m m ：t 一岩石试件厚度，m m 。 各试样的抗拉强度测试及分析结果见表3 8 。 1 2 广西大学硕士学位论文缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 表3 - 8 矿、岩单轴抗拉试验结果 t a b l e3 - 8t h er e s u l tt a b l eo fo r e 、c r a gs i n g l ea x l ea n t i - p u l lt h et e s t 3 1 4 矿岩的抗剪强度参数 根据矿岩的单轴抗压和抗拉强度试验结果，可以换算出矿岩的抗剪强度。计算公式 如下： 计算结果如表3 - 9 所示。 1 一s i n 驴 q2 赢吒 2 c o s 口 q2 赢c ( 3 2 ) ( 3 3 ) 广西大学硕士学位论文缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 3 2 岩体力学参数的确定 现场岩体力学参数性质确定依然是岩石力学研究的一个难题，数值模拟中岩体变形 性质需要用来确定开挖引起的位移，而评价破坏区发展范围则离不开岩体强度性质。一 般情况下，室内测试的岩石力学参数不可直接用于计算的数值模型中，另一方面，岩性 参数的现场测试既困难又很昂贵，所以，岩石力学界主要基于岩体分类成果，尝试了几 种估计岩石力学参数的方法。 要进行稳定性计算，需要分析矿岩的强度参数，在室内岩石力学参数实验和现场工 程地质调查的基础上，研究了矿体的岩体力学参数。 3 2 1 室内试验结果的统计处理 h o e k - b r o w n 根据岩石性态方面的理论和实践经验，用试错法导出了岩石破坏时的 主应力之间的关系式： 厂_ q2 0 3 + 、( 吒玛+ 墨) “6 ) 1 4 广西大学硕士学位论文缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 式中： o 1 一破坏时的最大主应力； q 一作用在岩石试样上的最小主应力； u c 一试样中完整岩石的单轴抗压强度； 他，置二常数，取决与岩石性质。 根据三轴试验结果，m i 、s i 值可由以下方法确定： 肾文瓷糌 洚7 ， 驴爿孚一孚 伶8 ， 式中：y = ( q q r 根据三轴试验结果，用以上方法可计算出h o e k - b r o w n 经验准则的r n i 、s i 值。 3 2 2 岩体力学参数的确定 根据h o o k ，c a r r a n z a t o r t e s ( 2 0 0 2 ) 提出的岩体破坏经验准则： 仃r 盯旭m b + s 丁， 岩体的m b 、s 和a 可由b i e n i a w s k i 的岩体分类r m r 值和以上计算的m i 值来确定。 m b m ，= e x p ( 篱) 阳x p ( 等) 口：三+ 三( e g s i 小一e 捌，1 2 6 。 。 ( 4 1 2 ) 式中：g s i 为地质强度指标( g e 0 1 0 舀c a ls t r e n g t hi n d e x ) ，g s i 与r m r 分类的换算关 系为： 鲫= 懈，一5 ( 4 1 3 ) 式中：r m r 分类取值为地下水参数指标设为1 5 ，而不考虑节理方位指标修正的总 和。根据不同岩体的m b 、s 和a 值，应用下列公式确定它们的单轴抗压强摩和杭辅隅唐 广西大学硕士学位论文 缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 吒= ， o - , = = s o c i 彤6 ( 4 1 4 ) ( 4 1 5 ) 应用下列公式来估计岩体磨擦角巾和内聚力c 。 9 = 一i 而丽6 丽a m b ( 瓦s + m 丽b o 3 ) 丽4 - 1 6 ) 式中： o c m = 0 c i 乃。= 以一o , i ( 6 + 4 s - a ( m 6 - 8 s ) ) ( m 6 4 + s ) 4 。1 根据岩体质量评价结果和室内岩石力学参数试验成果， 所示。 ( 4 1 7 ) ( 4 1 8 ) “一1 9 ) ( 4 2 0 ) 选取的力学参数如表3 1 1 表3 - 1 1 岩体介质的力学参数 t a b l e3 - 11r o c km a s sm e d i u mm e c h a n i c sp a r a m e t e r 1 6 广西大学硕士学位论文 缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 4 1 概述 第四章采矿方法 南宁五一矿大福楼矿区为硫化矿床，目前主要采用全面采矿法开采2 2 号矿体。设 计生产规模为年产1 0 万吨年，实际生产能力为年产1 2 万吨年，设计只回收锡元素， 产品种类为5 0 锡精矿，实际精矿品位为6 0 。历年掘进工作量约为6 0 0 0 米，采石矿 量为3 6 万吨。2 2 号矿体设计回采率8 8 ，损失率1 2 ，贫化率2 0 ，实际开采回采率 8 9 ，每年生产矿量9 万吨，损失矿量l 万吨，损失率为1 1 ，贫化率为3 0 。由于矿 山开采地段锌品位较低，目前没有回收利用。硫、砷由于品位不高，杂质多，目前也难 以回收利用。 4 2 全面采矿法介绍 全面采矿法是用于开采矿岩稳固的水平缓倾斜薄矿体。矿体走向较长时，为了满足阶 段矿石产量的要求，需多采场多工作面同时开采，这时将阶段划分矿块，矿块沿走向布 置。当矿体向长度不长是，或者一个工作面开采就能够满足阶段矿石产量的要求时，阶 段可不划分矿块，工作面沿走向全面推进。由于工作面采用电耙运搬矿石，采场斜长一 般为4 0 6 0 m ，阶段高度为3 0 - 1 5 m 。 浅眼落矿的全面法，其矿块要留有顶柱、底柱和间柱。项柱用来维护回风平巷，将 上下阶段隔开，同时起支护项板围岩的作用，一般顶柱留2 - - - 3 m ，底柱用来维护本阶段 运输平巷和在其中开掘的矿溜子的安全，同时起支护顶板围岩的作用，一般底柱留2 3 m ，间柱将相邻矿房隔开，减少矿块的暴露面积，支护顶板围岩，间柱宽3 5 m 。全 面法随回采工作的进行，矿房以敝空形式存在，靠顶板围岩的稳固性和留下的不规则矿 柱或人工支柱来支护顶板。随回采工作面的推进，将夹石或贫矿留下不采作为矿柱。这 些矿柱不规则分布，直径f 2 j 3 1 6 m ，间距8 - - 2 0 m 。开采贵重或高品位矿体时，也可以 采用人工矿柱进行支护。 全面采矿法最适合开采矿岩稳固，倾角小于3 0 。，厚度小于3 - - 4 m 的水平、缓倾斜 薄矿体，尤其是矿石价值不高，或品位较低的矿体。全面采矿法生产工艺简单，采准切 割工作量小，通风条件好，对矿体形态变化的适应性强，生产交谈较高，采矿成本较低。 但顶板暴露面积大，当矿体厚度较大时，顶板检查和维护困难，作业安全性差，如留矿 1 7 广西大学硕士学位论文 缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 柱支护顶板，矿石损失率较大，可达到1 0 - - 1 5 以上。 南丹五一矿大福楼矿区2 2 号矿体开矿方法为全面采矿法，2 2 号矿体分布于2 7 m , - - 一 8 7 m 标高之间，走向长l l o o m ，宽2 5 0 m - 4 0 0 m ，倾向5 0 。，倾角7 。 - - 8 。采矿方 法为长沙有色长沙有色冶金设计研究院设计( 图4 1 ) ，采场生产能力为5 0 - 7 0 t d ， 损失率为1 0 - 1 2 ，贫化率为1 8 2 0 ，采切比为6 8 0 m 万吨。现2 2 号矿体南段 6 5 - - ，8 0 m 开采结束，当前开采2 2 号北段。2 1 号目前在开拓中，目前矿区主要有4 大入 1 2 1 ，分别为竖井、北通风井、南通风井和5 0 1 斜井。2 2 号矿体采用竖井为8 0 m 和3 0 m 中段主进风口，并作为主人行通道、材料入口、矿石废方出口等用途。1 0 0 m 和8 0 m 矿 石通过溜井汇集到3 0 m 中段，然后通过竖井提升，l o o m 中段通过北通风井进风，然后 通过5 0 1 斜井回风。北通风井为2 1 号矿体主人行通道、材料入口、废方出口、进风口， 而5 0 1 斜井目前主要为2 1 号矿体矿石废方出口、安全通道、出风口。南通风井为2 2 号 矿体抽风井、安全通道。 采场矿体走向延伸，不留顶柱和底柱，只在采场中留矿柱进行支护。矿柱按长沙有 色长沙有色冶金设计研究院设计，保留3 x 3 不规则矿柱进行支护。矿柱间距为l o m 。采 场上部分为隐条带泥岩，下部分为钙质泥岩矿区水文地质条件简单，每天只需排水2 小 时就可以满足生产要求，采场地压稳定，开采条件简单。只是因为该矿床为硫化矿床， 散热现象较严重，加之地下泉水影响，采场温度较高，现打通北通风井，使得采场温度 有所控制。 ! = ! 却 一 l _地= 照兰 兰- j 叫 旦= 旦 娅= 照- j 图4 1 采矿方法 f i g 4 1m i n i n gm e t h o d 1 8 图示 1 中段运输巷 2 矿石溜井 3 切割拉底平巷 4 通风上山 5 电耙硐室 钆蒸囱bh口bb爱塞曲如曲黝即阳盟露 昌j c 霉 燃一 缁芴麴鹨移 广西大学硕士学位论文 缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 第五章三维有限单元法的基本原理及计算程序简介 5 1 三维有限单元法的基本原理 f ，“( 础，z ) 肛lv ( 训，z ) l fm 0 0 2 0 0 2 0 001 = 10 l 0 0 2 00 2 0 0 i io o m o o 2 oo 2 0 ) f = 吾( 1 + 妥孝) ( 1 + r l , r 1 ) ( 1 + 缶f ) ( 缶孝+ 玩7 7 + 缶f 一2 ) m = 丢( 1 + 阳( 1 _ 矿) ( 1 + 六f ) 1 9 ( f = 9 ，1l ，1 3 ，1 5 ) 广西大学硕士学位论文 缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 m = 丢( 1 + 仇7 7 ) ( 1 一善2 ) ( 1 + 缶f ) m = ( 1 + 毒似1 一g - 2 ) ( 1 + r , r ) 单元应变与单元节点位移之间的关系为： 。= b a e 式中占8 一单元应变向量： b 一应变矩阵。 利用( 4 3 ) 式，通过物理方程可得单元应力为 仃。= d 6 。= d b a 。 式中矿一单元应力向量： d 一弹性矩阵。对于空间问题 其中 d = 五+ 2 g 五旯000 五十2 g兄000 兄+ 2 go0o goo go g 五+ 2 g ：垒! ! 二盟g ：上 ( 1 + ) ( 1 2 ) 72 ( 1 + ) o = 1 0 ，1 2 ，1 4 ，1 6 ) a = 1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 ) ( 5 3 ) ( 5 4 ) = d 一4 ( 5 5 ) 其中塑性矩阵珥可由增量理论导出，采用相关联流动法则，则为 n 一。斟。 砩。a k糕ao-jl a o - j 广西大学硕士学位论文缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 k 。口。= ，。 式中尼。一单元刚度矩阵；尸一单元节点力向量。 七。= b r d b d f 2 搿 5 1 3 单兀有效节点衙载 由体积力产生的单元等效节点荷载向量可用下式表示 g = 0 n r b d f l 式中g 一由体积力产生的单元等效节点荷载向量； b 一单元体积上的体积向量，对于空间问题 6 = ( 吃也) 由面力产生的等效节点荷载为： q e = l p n t t d f 式中鲜一由面力产生的单元等效节点荷载向量； t 一单位面积上的面力向量。对于空间问题 f = ( o乞) ( 5 6 ) ( 5 7 ) ( 5 8 ) ( 5 9 ) 5 。1 4 有限元法的解题步骤 ( 一) 、结构离散化，即将解域划分成有限元网格： ( - - ) 、接( 5 7 ) 式形成各单元刚度矩阵； ( 三) 、将各单元刚度矩阵按“对号入座规则形成总刚度矩阵； ( 四) 、按( 5 8 ) 式或( 5 9 ) 式形成单元等效节点荷载向量； ( 五) 、将各单元等效节点荷载向量集合成节点荷载向量； ( 六) 、建立有限元方程： k a = q ( 4 1 0 ) 式中；k 一总刚度矩阵： 口一总节点位移向量： 2 1 广西大学硕士学位论文 缓倾斜薄矿体采场结构参数优化研究 o 一总节点荷载向量。 k = k 。，t 2 = 矿 ( 七) 、引入边界条件： ( 八) 、解( 4 1 0 ) 式有限元方程，得到节点位移a ； ( 九) 、利用( 4 3 ) 式计算单元应变占。，利用( 4 4 ) 式计算单元应力仃8 ： ( 十) 、整理计算结果。( 3 ) 6 ) ( 1 5 )