（采矿工程专业论文）金属矿山地下采空区处理方案的优化研究.pdf

河北理工学院硕士学位论文 摘要 矿柱回采和空区处理是地下空场采矿法的一个重要工艺步骤，其工作质量的 好坏不仅直接影响着矿山的经济效益和地下有用资源的回收，而且关系到矿山的 生产安全与生态环境。矿柱回采和空区处理方法的选取与矿岩的物理力学性质、 矿柱存在时间的长短、地压变化规律有关。通常情况下，在矿房回采完毕后应及 时回收矿柱处理空区。但由于处理空区工艺复杂，难度大，成本高，所以很多矿 山在矿房回采后还留有大量的矿柱没有回收，大量的空区未作处理。 本文针对这种现状，在崩落围岩处理空区的基础上，以建龙铁矿为研究对 象，通过对矿山工程地质、采场参数及原岩应力场的调研来建立三维有限元模 型，采用数值模拟的方法，运用a n s y s 软件对地下矿房开采、矿柱回收和分步 处理空区顶板围岩的全过程进行了动态模拟，同时对每一步骤分别进行了稳定性 分析，从而模拟了围岩的失稳冒落过程，确定了空区顶板围岩冒落拱的形状和范 围，得出了冒落拱的物理模型及经验公式，并由此提出了“按预知最终稳定冒落 拱的形状和范围来布置工程处理空区”的技术方案。 本课题研究的成功，对沉积岩形成的铁矿床的地下矿山在空区处理问题上具 有普遍的指导意义，特别是在目前我国矿产资源紧张的情况下，对于有效利用资 源、及时消除安全隐患、最大限度的减少成本都具有重要的现实意义。研究成果 丰富了设计理论，具有较高的推广价值和广阔的发展前景。 关键词：矿房开采 空区处理 数值模拟稳定性分析 河北理工学院硕士学位论文 a b s t r a c t s t o p i n gp i l l a r sa n dd i s p o s i n gg o b si s8 ni m p o r t a n tt e c h n i c a lp r o c e s so fu n d e r g r o u n d m i n e , t h e q u a l i t y o f s t o p i n g p i l l a r sa n d d i s p o s i i l g g o b s n o t o n l y d i r e c t l y i n f l u e n c e s i l l e m i n e s e c o n o m i cn m 舢a n dt h er e c l a m a t i o no f u n d e r g r o u n du s e f u ll e s o t l r c 鹤b u ta l s oi nc o n n e c t i o n w i t ht h es a f e t yi np r o d u c t i o na n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n to f 妇m i n e t h em e t h o d ss e l e c t i o n o fs t o p i n gp i l l a r sa n dd i s p o s i n gg o b sa l ei nr e l a t i o nt ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h e r o c k , t h ee x i s t e n tt i m eo fp i l l a r sa n dt h ee x c h a n g ed i s c i p l i n a r i a no fg r o u n dp r e s s u r e g e n e r a l l y , w es h o u l ds t o p ep i l l a r sa n dd i s p o s eg o b si nl i m ea t t e rt h er o o n l s 骶m i n e d , b u t b e c a u s eo f t h eh i 【g l ac o s ta n dd i f f i c u l t yo f g o b sd i s p o s i n g , m a n ym i n e sh a v el o t so f p i l l a r sl e f t a t t e rt h el o o m sa r em i n e da n dg o b sa l en o td i s p o s e d a g a i n s t t h i se x i s t i i l gs t a t e ，t h ep a p e rb a s e do nt h eb l o w i n gu po ft h ea c t j a c e n tr o c ka n d g o bd i s p o s i n g , r e g a r d i n gj i a n l o n gi r o ns t o p e a sr e s e a r c ho b j e e t , e s t a b t i s h e st 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 tm o d e l s ，t h r o u g ht h es t u d yo f e n g i n e e r i n gg e o l o g ya n dp a r a m e t e ro fs t o p ea n d t h ef i e l do fo r i g i n a lr o c ks t r e s s ，a p p l y i n ga n s y sn u m e r i c a lm o d e l l i n ga n a l y s e dt h ep r o c e s s o f t m d e r g r o u n ds t o p e a n dt h ep i l l a rs t o p i n ga n ds u b s t e pc l y m m i ed i s p o s i n gr o o f o f t h eg o b ，a t t h es a m et i m e ，i tg i v e st h ew h o l ep r o c e s sas t a b i l i t ya n a l y s i ss t e pb ys t e pa n dm o d e l st h e c a v i n gp r o c e s so f t h ew a l lr o c k a n dc o n f i r m st h ef i g u r ea n df i e l do f c a v i n ga t e ho f 舭r o o f w a l lr o c k , w h a t s m o r e , t h ep a p e rf i n d st h ep h y s i c a lm o d e la n de x p e r i e n t i a lf o r m u l a , a n di tp u t s f o r w a r dt h ep r o j e c to f t l l ed i s p o s i n gg o bt h a ti sb a s e do nf o r e k n o w l e d g es h o p ea n ds c o p eo f t h ec a v i n ga r e ht oa n d n g ee n g i n e e r i n g t h ea c h i e v e m e n to ft h ep a p e rh a si m p o r t a n ti n s l i 删o ns i g n i f i c a n c ef o ru n d e r g r o u n d m i n e sf o r m db ys e d i m e n t a r yr o c kt od i s p o s eg o b e s p e c i a l l yi nt h ee i r e st h a t0 1 n c o u n t r y h a m te n o u g hm i n e r a ll - e s o u r c 嚣a tt h ep r e s e n tt i m e , t h es t u d yi si m p o r t a n tt om a k ef u l lu s e o fr e s o u r c e sa n dg e t 谢o fs a f e t yi n c i p i e n tf a u l ti nt i m ea n dr e d u c ec o s ta tt h em o s t t h e a c h i e v e m e n ti sw o r t he x p a n d i n ga n di t sd e v e l o p i n gf o r e g r o u n di sw i d c k e yw o r d q ：s t o p i n gn u g g e t ，d i s p o s i n gg o b ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s t a b i l i t ya n a l y s i s - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为 获得河北理工学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的 说明并表示了谢意。 签名：霞兰童：日期：磷皇且乏日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：z 盟年互月之日 河北理工学院硕士学位论文 引言 应用空场法开采的地下矿山，空区处理是影响矿山生产、安全的重要因素。 空区处理己被国内外很多专家、教授、工程师们列为研究的重要课题，并在一些 大型矿山进行了大胆的尝试，成功的研制了一系列处理采空区的合理方案，并积 累了很多宝贵的经验。 而在地方中、小铁矿山，由于矿体倾角较陡，矿脉较薄，大都采用工艺简单 的空场采矿法。矿房回采后形成了空区，如不及时有效地处理这些空区，势必造 成围岩应力变化大，地压活动频繁，顶板冒落，甚至引起地表变形塌陷。对于正 在开采的矿山，冒落过程中形成的冲击气浪，严重地威胁着下部生产阶段作业人员 和设备的安全，给矿山的正常生产安全埋下隐患。另外，矿房回采以后，还留有 大量矿柱。对于缓倾斜和倾斜矿体，矿柱矿量占1 5 2 5 ；对于急倾斜厚矿体， 矿柱矿量达4 0 6 0 。如果不及时回采矿柱，矿柱存在时间过长，不仅增加同时 工作的阶段数目，积压大量设备和资金，延长维护巷道和风、水压风管道的时 间，增加生产费用，而且由于地压增加使矿柱变形和破坏，为以后回采矿柱增加 困难，甚至不能回采，造成永久损失。因此，为充分回采地下资源，消除安全隐 患，在及时回收矿柱的同时必须处理采空区【2 】。 在我省，矿产资源丰富，截至9 8 年底共有黑色金属矿山1 8 8 个( 不包括民 采矿山) 这些矿山绝大部分都存在空区处理问题，民采矿山更为突出。基于我 省地方铁矿床的赋存特点，百分之八十以上的矿山都使用空场法，一方面由于技 术落后，处理空区难度大、成本较高；另一方面，由于单纯追求经济利益，不愿 投入。所以，在矿床回采后，形成了大量空区。如果这些空区得不到及时处理， 必然会危及安全生产，甚至危及到整个地区的生态环境安全，同时也会造成重大 的资源损失。在目前矿产资源日益短缺的情况下，国家对矿山开采的要求愈来愈 规范化，所以及时合理地回收矿柱处理空区消除安全隐患，已是所有矿山面临的 亟待解决的重要课题。如何找到一种即安全可靠又经济合理的处理空区的方式， 是解决课题的关键。 河北理工学院硕士学位论文 本研究正是在这种背景下，结合我省地方矿山在空区处理问题上大都采用工 艺简单的崩落法的现状，以我省地方铁矿山为研究对象，确定相应的岩石力学参 数和采场参数，运用数值模拟技术，建立三维岩体力学模型，模拟在多因素影响 下围岩的应力、应变情况，分析空区形状和岩体失稳冒落规律的关系，最终寻找 一种既能保证矿山安全生产又能最大限度的减小工程量、降低成本的处理采空区 方案，为矿山空区处理提供一种理论模型。该课题的研究成功，将对矿山空区处 理模式带来深远的影响。 河北理工学院硕士学位论文 第一章文献综述 地下矿床开采后形成了空区，破坏了岩体的原岩应力平衡，使空区周围的岩 体应力产生变化并重新分布，当达到临界变形以后，随之出现围岩破坏和移动。 由于矿床的地质构造、岩层的组合结构、岩石结构和成矿因素等较复杂，有的矿 石非均质、有的坚硬不易变形，有的岩层软弱而易破裂，一些矿床地形地貌差别 较大。因此地下矿床开采所形成的空区技术特征也各有不同。随矿床开采范围不 断扩展，变形进一步发展，岩体发生崩落；有的采动影响引起的岩移不发展到地 表而仅对井下产生影响，有的发展到地表而产生开裂、下沉、塌陷；地形条件复 杂的地表可发生山崩、滑坡、滚石、泥石流等，发展到地表的岩移，严重的能切 割地面，破坏地表或山头的植被，引起水土流失。 实践证明：大规模岩移可产生以下影响。 ( 1 ) 顶板围岩的突然崩落，可形成秒速达千米的、压力达每平方厘米数十 公斤的压缩气流，它的冲量很大，可以破坏井下建筑物、设备和伤害人员。 ( 2 ) 岩体移动活动范围扩大，一定条件下可使矿产资源损失在岩移区而无 法回收。 ( 3 ) 受地表地形限制，或矿床开发中未正确确定地表岩移范围，某些建筑 物设施布置在采空区上部及产生山崩、滑坡、滚石等影响的范围内将威胁建筑物 设施及人员安全。 采空区处理不论采用何种技术方法，都是为了改善围岩应力分布状态，减少 应力集中、阻止岩体超量变形、控制岩移幅度，从而达到消除空区隐患及避免灾 害，能够安全生产的目的。 1 1 采空区处理的常用方法 应用空场法开采矿床，所形成的空区按赋存条件可以分为下列三种类型： ( 1 ) 缓倾斜中厚以下矿体开采空区。 ( 2 ) 急倾斜薄矿脉群开采空区。 ( 3 ) 倾斜、急倾斜中厚矿体开采空区。 河北理工学院硕士学位论文 上述各类空区可能是单独存在，也可能是数个或成群分布在一个、两个或多 个阶段上；空区有与地表直接相通或不直接相通两种情况。 根据空区处理特征，处理方法有以下几种： ( 1 ) 强制崩落围岩使地表陷落消除空区；或强制崩落部分围岩形成废石垫 层将作业区段与空区隔离。 ( 2 ) 围岩自然崩落处理空区。 ( 3 ) 用矿石垫层将作业区段与空区隔离。 ( 4 ) 充填料充填空区。 ( 5 ) 留永久矿柱支护空区。 ( 6 ) 矿柱支护与充填处理空区。 ( 7 ) 疏通空区与密闭空区。 上述方法中，崩落法、充填法应用较多，永久矿柱支护法和密闭空区对于薄 矿脉开采的空区应用相对较少。 1 1 1 崩落法 崩落围岩处理采空区的目的，是使围岩中的应变能得到释放，减小应力集 中的程度；用崩落围岩充填采空区，在生产地区上部形成岩石保护垫层，以防上 部围岩突然大量冒落时，冲击气浪和机械冲击对采准巷道、采掘设备和人员的危 害。 崩落围岩又分自然崩落和强制崩落两种。矿房采完后，矿柱是应力集中的部 位，按设计回采完矿柱后，围岩中应力重新分布，某部位的应力超过极限强度 时，即发生自然崩落。从理论上讲，任何一种岩石，当它达到极限暴露面积后， 应能自然崩落。但由于岩体并非理想的弹性体，往往在远未达到极限暴露面积之 前，因地质构造原因，围岩某部位就可能发生破坏。 当矿柱崩落后，围岩跟随崩落或逐渐崩落，并能形成所需要的岩层厚度，这 是最理想的条件。如果围岩不能很快自然崩落，或者需要将其暴露面积逐渐扩大 才能崩落，为保证回采的安全，则必须在矿房中暂时保留一定厚度的崩落矿石。 当暴露面积扩大后，围岩长时间仍不能自然崩落，则需改为强制崩落围岩。 1 ) 自然崩落顶板处理采空区 河北理工学院硕士学位论文 随回采推进，采空区面积增大以后，借覆盖岩层压力使顶板逐渐自然崩落而 充满空区的方法叫自然崩落法处理空区。 平缓矿床开采空区运用自然崩落法处理时，应研究顶板岩石物理力学性质， 合理选择采矿方法参数及工艺；顶板允许暴露面积大小，矿柱大小及比例，采后 顶板开始崩落及完成崩落时间；崩落岩石充满空区情况，对相邻矿块影响状况 等。研究上述因素，对于掌握顶板崩落规律，成功运用自然崩落处理空区有很大 影响。 顶板自然崩落与空区暴露面积大小、暴露时间长短有关，理想的情况应当使 项板按计划自然崩落。例如矿块之间每隔2 3 个矿块留一条连续矿柱隔开，也 就是使空区不连续，这样后面采空区崩落，不影响前面矿块作业。 湘西金矿西安矿区某些矿段应用全面采矿法回采，留不规则矿柱和混凝土柱 支护顶板，根据现场观察，控顶距离保持4 5 m 范围，一般一个矿块回采结束后 不久，采空区开始崩落，随着时间的推移，顶板局部崩落逐渐引起混凝土柱和自 然矿柱倒塌，使整个矿块顶板自行崩落并充填空区，空区充填率可达7 0 t 3 。 矿柱不能自行破坏的某些区段，一般在回采矿房时，应预先向矿柱中打眼。 采完一定数量的矿房后，爆破后面的矿柱，使顶板失去支撑，促成顶板的自然冒 落。 缓倾斜中厚以下矿床开采空区及处理： ( 1 ) 床倾角小，空区水平面积范围较大。 ( 2 ) 矿床应用房柱法和留矿法开采，矿柱占矿块矿量比例一般达2 0 以 上，有的甚至更大，它主要用于支撑顶板，通常不回收或难于回收。 ( 3 ) 一些层状、似层状矿床在矿床开采深度增加以后，因垂直应力增大， 影响矿床下部开采。 ( 4 ) 岩石特别坚硬稳固的矿床，矿柱布置及规格合理矿体不连续或空区范 围不大等条件下的开采空区，空区顶板岩层可维持较长时间的稳定，顶板不会崩 落。 一些情况下顶板围岩强度不够，矿柱尺寸小而跨度大，或者矿柱部分回收， 因岩层压力增大将引起矿柱破坏及顶板覆岩的崩落。崩落围岩松散体积增大，能 河北理工学院硕士学位论文 将空区充满，以阻止岩层进一步崩落，不至于影响地表岩移。这种情况的崩落高 度约为采空高度的2 6 倍。如果采深不大，或者矿体厚度大、顶板受到地质构 造弱面破坏，顶板围岩崩落可发展到地表。 崩落方式可能是逐渐发生的，也可能是突然发生的。一般情况下，往往是回 采空区面积增大以后，顶板压力增加，使某一矿柱中所受应力超过了它的强度， 首先引起该矿柱的破坏。矿柱系统的破坏总是先由一点突破，然后遍及整个系 统。因为矿柱系统与其它工程结构一样，首先总是在最薄弱的环节破坏，因而影 响到相邻矿柱载荷的增加，这样连锁反应的结果导致整个矿柱系统的破坏。 实践表明，统一方法开采的不同矿床，顶板崩落程度是不相同的，原因在 于： ( 1 ) 顶板岩层和矿石的性质不同，尤其是抗压强度和地质构造上的差异； ( 2 ) 覆盖岩层和矿体的厚度、倾角； ( 3 ) 空区的规模； ( 4 ) 回采崩矿对顶板和矿柱的破坏程度； ( 5 ) 矿柱尺寸和它们之间距离是否合适； ( 6 ) 地质构造和水文地质。 观察研究某些空区顶板崩落过程，可以分为以下几个阶段3 】： a 预兆阶段 岩层发响：顶板崩落前，因岩层受压破裂而发出声响，一般由小到大，频率 由低到高。从声响的大小和频率的高低可以判断岩层的破坏情况。 ( 1 ) 顶板岩层松动和掉块，临崩落前掉块次数增多，顶板产生系列纵横交 错的裂缝。原因在于顶板弯曲变形而出现拉伸应力所致，原有较完整的顶板被裂 缝割裂成为许多连接力很低的大小不等的岩块，这种情况下矿柱仍有一定的支撑 能力，故顶板尚未垮落，只是表层有部分掉落。 ( 2 ) 矿柱破坏：顶板崩落之前，矿柱破坏有一个压裂、剥落和倒塌的过 程。这种情况下，多数矿柱失去支撑能力，随着更多矿柱的破坏倒塌，顶板岩层 发生大范围的崩落。 河北理工学院硕士学位论文 ( 3 ) 采准巷道破坏：靠近崩落区的矿块是处于受压的高压应力区，矿柱的 破坏导致采准巷道破坏更为明显。 b 崩落阶段 当矿柱和顶板遭受严重的破坏之后，大面积覆盖岩层急剧崩落。这种崩落一 般先由一点突破，然后遍及更大范围。崩落区相邻的矿块地压急剧增加，表现为 矿柱压裂、顶板破坏、巷道开裂、冒顶等现象，并使通风、运输、动力等工艺系 统受到影响，随着空区顶板崩落的扩展，地表开裂并逐渐下沉。 c 稳定阶段 当岩体崩落发展到地表并出现最大沉降值，或者崩落围岩充填空区之后，崩 落过程则基本结束。由于覆盖岩层的崩落，受压区的压力逐渐消失，达到新的平 衡状态，岩移活动逐渐消失至停止。 下图为锡矿山锑矿开采空区顶板崩落的发展过程，可分为：初始时期早 期岩移活动崩落扩展时期大面积崩落大量崩落即。 蠹学霾 图1 1 锡矿山锑矿开采空区顶板崩落的发展过程 f i g1 1t h ed e v e l o p i n gp r o c e s so f t _ h eg o b sr o o f b r e a ki nt h ea n t i m o n yo r eo f t h et i n m i n e 初始时期：在一个阶段中的矿房回采数不多时，矿房顶板离层破坏深度约为 o 3 1 4 m ，顶板下沉速度达lt u r n d 以上。当矿房项板拉开后，顶板迅速下 沉。当工作面推进距测点3 5 m 后顶板下沉达到最大值，随后有一段时期顶板趋 河北理工学院硕士学位论文 趋于稳定。此期间离层破坏只有顶板表层。在节理、裂隙发达的部位，有小块岩 石掉落和局部冒顶现象发生，此时用锚杆加固矿房的顶板是有效的。 随着矿体中的回采工作的进展，大范围空区的形成，采空区顶板暴露面积的 增加，顶板岩层的离层和破坏深度增加，达到3 5 m 5 m 。顶板岩层的下沉值小 于1 5 0 r a m ，下沉速度小于l m m d ，顶板上可保持稳定，下沉速度超过l m m d ，顶板产生冒落，局部冒落高度为3 5 m 5 m ，如图b ，顶板冒落线与铅垂方向 夹角为6 0 。7 0 。 早期岩移活动的特征是：随着回采工作的进行，矿房顶板暴露面逐渐不断地 发生离层和破坏，顶板离层则出现下沉，下沉速度也是慢慢增加。由于上阶段采 空区的影响，沿倾斜方向，矿房中心和上部的下沉值较大。此时，如果矿柱不破 坏，采空区顶板可以保持一段稳定时期。 崩落扩展期：( 图c ) 由于采空区顶板暴露面积的不断增加，顶板岩层离层 深度的向上发展，使各个矿房顶板离层线联合成一条拱线，进而发展到四个矿房 的顶板离层线的联合，最后全部矿房离层线联合在一起，而引起大冒落，使5 1 0 4m 2 7 l o m 2 的大面积空区顶板崩落。 大面积崩落( 图d ) ：空区大部分矿柱被破坏，失去了支撑能力，空区之上 的岩层弯曲、开裂而崩落，崩落范围不断扩大，采空区上最外层的崩落岩层形成 裂隙带，地表弯曲下沉。此时的崩落面积可达7 x1 0 4 m 2 、地表最大下沉1 1 m 1 7 m ，地表下沉区域面积达9 x1 0 4 m 2 l o x1 0 4 m 2 。 大量崩落期( 图e ) ：井下形成了大面积的崩落区，崩落区周围的压力增 加，使下阶段回采发生困难。地压升高区至采空区的距离为3 0 r a 。 2 ) 强制崩落围岩处理空区 方法的实质是用深孔或药室将顶板围岩强制崩落，用崩落岩石充满空区。 当空区高度大于3 m - - 4 m ，可直接从采空矿块向顶板布置束状扇形深孔将顶 板崩落。 决定顶板崩落的厚度可以考虑下了因素： - 8 一 河北理工学院硕士学位论文 ( 1 ) 切断顶板。降低回采区段岩层压力。例如，锡矿山锑矿某矿块用强制 崩落顶板处理，顶板未能切断，反而导致相邻矿块地压增加，使矿柱破裂，巷道 破坏。 ( 2 ) 崩落的松散岩体将原老空区高度范围充满，避免新增空区与老空区相 通，以防止新空区岩体崩落的气浪冲击。 ( 3 ) 合理选择崩落岩层厚度，减少顶板崩落工程量。 强制崩落项板充满空区的厚度可按下式计掣3 l ： m 丝 c o s k 式中m 一顶板崩落厚度，米； 口矿体倾角，度； 日一矿体采空厚度，米； k 一岩石松散系数。 强制崩落应注意以下几点： ( 1 ) 合理选择处理巷道位置，保证空区处理过程安全。 ( 2 ) 处理及时，否则，处理范围内地压增加，施工困难。 ( 3 ) 预防爆破和围岩崩落过程中冲击波的危害。 下列条件的空区可以应用这种方法： ( 1 ) 地表不需保护； ( 2 ) 顶板围岩不能自然崩落； ( 3 ) 需要切断顶板压力，或者是残留的空区范围大，用局部强制崩落顶 板，将大量空区与作业区段隔离。 这种方法的优点是：按计划控制顶板崩落，有利于顶板管理和地压控制，作 业灵活方便。缺点是：因缓倾斜矿床空区水平面积大，正常条件下，如果将所有 空区顶板崩落，需掘进较多的处理巷道和深孔爆破工程，工艺较复杂，费用增 加，处理费时等。 在崩落围岩时，为减弱冲击气浪的危害，对于离地表较近的空区应提前与地 表或与上述空区崩透，形成“天窗”，如西石门铁矿北空区崩落之前，从地表打 河北理工学院硕士学位论文 深孔形成“天窗井”【4 】，见图1 2 。强制放顶工作，一般与矿柱回采工作同段进 行，且要求矿柱超前爆破。如不回采矿柱，则必须崩塌所有支撑矿柱，以保证较 好强制崩落围岩的效果。 _ ，一 大 田 最 、k 回采边界 1 寄 a 空气 ，。= 龋， c 弋入 厂 弋 li f e 河北理工学院硕士学位论文 的巷道和出口进行坚固的密封。如用水力充填时应设滤水构筑物或溢流脱水。干 式充填时，上部充不满，充填不密实：胶结充填时充填料的离析现象严重。 1 1 3 永久矿柱支护空区 缓倾斜中厚以下矿床开采中用留永久矿柱支护空区的方法，在金属及非金属 矿山应用较为普遍，因为它能保持空区顶板较长时间的稳定，保证回采作业的安 全，下列条件可使用这种方法： ( 1 ) 层不允许移动和陷落。 ( 2 ) 板岩石和矿石特别坚硬稳固，留一定数量的矿柱或者用人工岩柱代替 自然矿柱，可以支撑空区。 ( 3 ) 矿石价值不高，或者矿体中局部品位低，可留作不规则矿柱，虽然矿 柱比例增大，但不影响矿床开采的经济效果。 矿床规模不大，开采以后的空区暴露面积也不大，不致影响空区顶板的崩 落。例如：新晃汞矿酒店塘矿区为透镜状矿体，走向长7 0 1 4 0 m 、宽2 0 4 0 m ，囊状矿体走向长l o 3 0 m 、宽7 1 5 m ，某些开采历史已达百年以上的大部 分老窿空区仍然保持完好，地表没有陷落。 永久矿柱支护空区有以下优点： ( 1 ) 围岩和矿石稳固的条件下，顶板管理简单，可以保护地表。 ( 2 ) 没有或很少空区处理费用。 ( 3 ) 合理选择矿柱尺寸与矿柱距离，有利于矿床开采作业的安全。 ( 4 ) 石坚硬稳固，可达到较高的矿床回采率。例如贵州汞万山矿区矿床回 采率达到9 5 。 缺点： ( 1 ) 开采顶板状况较差或地表需要保护的矿床，必须增大永久矿柱的比 例，使矿床开采损失率增加。 ( 2 ) 矿柱支护空区，某些条件下，可能产生顶板局部冒落，而影响安全生 产。 河北理工学院硕士学位论文 1 1 4 封闭采空区 在通往采空区的巷道中，砌筑一定厚度的隔墙，使空区中围岩崩落所产生的 冲击气浪，遇道隔墙时能得到缓冲。这种方法适用于空区不大，且离主要生产区 较远，空区下部不再进行回采工作的条件。对于处理较大的空区，封闭法只是一 种辅助的方法，如密闭与运输巷道相通的矿石溜井，人行天井等。该法处理采空 区，上覆围岩应允许崩落，否则不能采用。 1 2 空区处理现状及发展趋势 空区处理作为空场法采矿的必然环节，是继采矿方法、回采工艺之后的生产 工序也是矿山闭坑或转型前的收尾工作。空区处理技术要求高、难度大，一直是 矿山岩石力学研究的重要课题，也愈来愈受到专家、教授、工程师们的广泛重 视，而且在一些矿山作了有益的尝试，提出了很多处理采空区的方案。 1 ) 以崩落法为主处理采空区的典型方法。如： ( 1 ) 东北大学和邯邢冶金矿山管理局针对西石门铁矿开采情况及空区特点 空区特点，经过三年多的试验研究，成功的运用了“监测、封堵和自然崩落相结 合的空区处理技术方案”，成功的处理了北空区( 7 线以北) ，即消除了北大空 区的安全隐患，又保证了7 线以南工作面不受冒落气浪危害从而安全回采矿体， 用自然冒落的方案大大的减少了工程量，降低了成本【4 j 。 ( 2 ) 长沙有色冶金设计研究院廖江南结合洛阳栾川钼业有限公司三道庄矿 区地下转露天及采空区特点( 该矿生产标高从1 4 2 6 m 1 3 4 8i n 的空区有5 8 个，空区总容积3 3 8 5 0 0 8 m 3 ，空区分布广、范围大。为保证露天作业时间和人员 的安全，绝大部分空区必须进行处理) 提出了露天深孔爆破崩矿、井下深孔崩 矿、高浓度全尾砂充填、低浓度全尾矿充填和干式充填四个方案。经过经济合理 论证，最终确定了露天深孔爆破崩矿处理采空区的新方法晒1 ，同时还将国内外成 熟的v c r 技术应用与露天处理地下空区，节省了资金，降低了成本。 ( 3 ) 长沙有色金属设计研究院雷晓娜等，根据河南某钼钨矿露天转地下开 采时的空区情况，运用伏萨尔梁法基本原理，开发了高台阶处理采空区工艺， 并且应用于该矿，取得了较好的经济效果。该矿开发始于6 0 年代末，8 0 年代正 式投产。在地下开采范围，采矿方法设计为充填法。由于种种原因，只采不充， 河北理工学院硕士学位论文 截止到9 6 年底采空区平面范围已达l o x1 0 4 m 2 。更有甚者，从2 0 世纪8 0 年代 起，民采之风盛烈，集体、个人蜂拥上山，对矿区资源进行掠夺式开采。短短 l o 年，矿床就千疮百孔，造成大量空区。露天开采时，人和设备在洞上作业，极 不安全，所以空区处理便成了安全生产的头等大事。长沙有色金属设计研究院雷 晓娜等正是在这种背景下，通过对空区处理的各种方案进行论证认为：用地下方 式处理空区，工艺复杂，投资大，管理麻烦，不宜使用：用露天方式硐室爆破法 影响正常生产，且块度难于控制，也不宜使用；而台阶法工艺简单，易于实施， 再结合伏萨尔梁法基本原理可以精地确定安全项板厚度。最终确定了高台阶处理 采空区方案1 。 ( 4 ) 北京矿冶研究总院的赵刚等针对寿王坟铜矿空区情况，提出了空区管 理和监测方案】。寿王坟铜矿自1 9 5 7 年投产以来已开采4 0 年，井下形成了大 小不等的百余个采空区，其中南6 号矿体采空区最大，体积约为1 4 0 x1 0 4 m3 ， 对矿山井下开采安全构成严重的威胁。1 9 9 2 年8 月，北京矿冶研究总院与寿王坟 铜矿合作进行了南6 号采空区处理和地压监测。将预留的3 0 m 的矿柱爆掉。既免 除了矿柱垮落的可能，又多回收1 0 5 万t 的矿石，获得了较大的经济效益。同时 对采空区围岩实施岩体声发射定位监测，在无经济力量对特大空区进行充填等处 理的情况下，比较合理的运用了处理了空区。 ( 5 ) 紫金山矿业股份有限公司的刘献华根据紫金山地下采空区的赋存特征 和围岩稳定性变化的基本规律，进行了采空区处理方法的研究论证和比较选择， 并重点提出了双层双侧硐室爆破和崩柱卸压的处理采空区的技术关键，并结合微 差爆破与岩石力学理论指导实践，取得了安全有效的处理采空区效果。 ( 6 ) 广东高要河台金矿的工程师李纯青等通过对河台金矿高村矿床所形成 的数十万m3 的空区调查，分析其破坏原因及危害范围，提出了以各种人工矿柱 或低品位矿石支撑空区，变大空区为各自独立的小空区，并辅以自然片落形成废 石垫层或嗣后充填的方法处理采空区。 2 ) 以充填法为主处理采空区的典型方法 充填处理采空区可以减少岩石和地表岩土移动的幅度，并减慢其移动的发生 和发展过程，防止大面积地压活动。可以采用矿山尾矿和采掘废石进行充填采空 河北理工学院硕士学位论文 区，有助于解决尾矿和采掘废石的堆放问题。充填处理采空区的作用，在锡矿山 锑矿、红透山铜矿、金川镍矿二矿区、湘西金矿、报远金矿灵山分矿、金岭铁矿 等矿采用不同的充填采矿法方案，充填体对围岩和地表岩土移动及变形都得到证 实，起到了良好的控制作用，和其它处理采空区方法比较，充填法处理采空区一 般建设投资较大，费用较高，工艺较复杂。 1 3 国内矿柱回采与采空区处理存在的问题 空场采矿方法属于二步骤回采法，即矿块划分为矿房和矿柱。矿柱是用来限 定采场顶板的暴露面积，维护采场地压的。一般先采矿房，后回采矿柱并同时处 理采空区。随着矿房回采工作的进行，采空区暴露面积越来越大，暴露时间越来 越长，地压将不断增加，会出现采空区局部冒落、矿柱变形破坏、相邻作业区采 场维护困难等地压现象，有可能从高应力( 特别是拉应力) 部位或岩性较差、地 质结构发育部位为突破口，发生大面积突发性冒落和岩石移动，给生产和安全带 来严重后果。因此，必须及时回采矿柱和处理采空区。 矿柱回采是一项繁重而在技术上又复杂的采矿工作。其一，矿柱回采是在已 形成地下采空区的条件下进行的，原岩平衡应力状态已被扰乱，地下工程周围岩 体中应力发生了重新分布，因此矿柱回采的采准工程难度大。其二，矿柱崩落与 围岩崩落的先后顺序、矿石块度大小等控制难度大，出矿条件差，因此回采矿柱 生产效率低、矿石损失贫化大，与回采矿房矿石相比其成本高。 对于采用空场法的地下矿山或露天转地下开采矿山，一般随着矿房回采和采 空区的形成，均是有计划、有步骤地回采矿柱和处理采空区。因此，地下矿山生 产能力主要由矿房采矿量、矿柱采矿量、采切副产矿量等构成。据统计，矿柱矿 量一般约占整个开采矿量的2 0 - 5 0 。如凡口铅锌矿，其历年生产阶段储量比例 为矿房占4 2 ，矿柱矿量占5 7 ，其它占1 。而采出矿量约占矿山年产量的1 2 左右。如铜官山铜矿采出矿石量的统计，其中矿柱采出矿量占年产量的 4 3 7 3 - 5 3 2 5 。然而一些中、小型矿山，特别是地方矿山，由于技术条件差、管 理松散、单纯追求经济利益等原因，没能及时合理的回采矿柱和处理采空区，结 果造成了大量矿柱积压，大量的空区没有处理。不仅增加同时工作的阶段数目， 积压大量设备和资金，延长维护巷道和风、水压风管道的时间，增加生产费用， 河北理工学院硕士学位论文 而且由于地压增加使矿柱变形和破坏，为以后回采矿柱增加困难，甚至不能回 采，造成永久损失，同时也给矿山的正常的安全生产带来了隐患。 我国金属和非金属矿山在矿柱回采和空区处理方面已经作了大量的工作，积 累了相当丰富的经验，然而和矿房回采比较仍相对落后，表现为：大量矿柱积 压。据对3 1 个矿山统计，矿柱矿量达3 1 0 0 万吨。其中有几个矿山矿柱矿量达 1 0 0 , - 3 8 0 万吨，占开拓矿量的3 3 , - 4 0 以上；一些矿山因未及时回采矿柱，地压活 动加剧，损失矿量1 0 - , 4 0 万吨。大量空区没有处理。据对4 8 个金属矿山，未 处理空区达3 6 6 4 9 1 8 x1 0 4 i n 3 ，占空区总量的4 4 。对矿柱开采和空区处理的 研究，理论和实践上都较薄弱口】。技术上极待改进，技术经济指标还较差，矿石 损失贫化很大。特别是顶底柱回采其难度更大，有效方法更少，而其矿量和间柱 接近，更需着力研究和实践。造成上述情况主要原因： ( 1 ) 对及时回采矿柱和处理空区的必要性认识不足； ( 2 ) 科学地掌握空区稳定条件，预测失稳后果需要一个过程： ( 3 ) 处理空区需要相当多的人力和物力，矿柱回采在技术上比矿房回采困 难，在有关政策不够完善的情况下，导致矿山经营上的短期行为。 1 4 问题的提出 矿柱回采和空区处理问题直接关系到矿山企业的经济利益与生产安全，它已经 是矿业学者和工程师们亟待解决的重要课题。然而，由于矿岩体的地质构造复杂， 每个矿山的矿岩石物理力学性质不同，各矿山的开采现状和采场参数各异，所以矿 岩体的失稳冒落规律很难掌握，所以矿柱回采和空区处理难度较大，成本较高，再 加上国家有关政策还不完善，对矿山的管理较为松散，结果造成大量矿柱积压，大 量空区没有处理。值得庆幸的是，近年来，有限元数值模拟技术发展较快，应用的 数学模型已经较为成熟，一些矿业学者成功的把有限元数值模拟技术运用到地下开 采、边坡稳定、地表沉陷等问题的研究上，并成功的解决了许多难于解决的课题。 实践证明：运用有限元软件建立三维有限元模型，只要根据矿山的具体情况，通过 对矿山地质条件、原岩应力场、采场参数的实际调查以及矿岩物理力学参数的精确 测定，确定出模拟的实体模型和相应的边界条件，就能得出适合该矿山的模拟分析 结果。 河北理工学院硕士学位论文 目前矿产资源日益短缺的情况下，国家对矿山开采的要求愈来愈规范化，所 以及时合理地回收矿柱处理空区消除安全隐患，已是所有矿山面临的亟待解决的 重要课题。本论文希望借住有限元软件建立三维立体模型，根据弹塑性理论，采 用数值模拟技术，掌握岩体失稳冒落规律，从而确定一种即安全可靠又经济合理 的处理空区的方式，为矿柱回采和空区处理这一难题提供新的思路。 河北理工学院硕士学位论文 第二章研究内容与方法 2 1 研究方法的确定 本论文要解决的问题是以我省地方铁矿为背景，运用有限元a n s y s 软件， 建立空区模型，根据空区处理的不同方案，分步模拟空区处理过程，并逐步进行 稳定性分析，最终确定处理空区的方法。处理过程涉及到采矿、水工和地下工程 中经常遇到的岩石力学问题，需要确定开挖前后的原岩应力和开挖后形成的二次 应力与位移及其在开挖过程中的变化，以便为设计和施工提供可靠的定量依据。 已有的理论解只能解决圆形或椭圆形坑峒等具有简单形状的问题，对于几何形状 复杂的坑峒( 如采场) ，只能用数值方法来近似求解。随着电子计算机的出现和 发展，数值方法有了长足的进步，已成为岩石力学研究和工程计算的重要手段。 在岩石力学中所用的数值方法先后有有限差分法、有限元法、边界元法、半 解析解法、离散元法和无界元法等等。以上各种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去解决问题，做到既经济 又可靠。有限元法在求解弹塑性多介质问题、模拟开挖等方面具有显著的优点， 特别是有限元法和边界元法的耦合，可以克服有限元计算中的边界效应，便于提 高计算精度，且可以考虑岩体的不连续性，较好地模拟岩体的大变形。 近几十年来，数值分析在求解复杂问题中的应用及其它应用技术有了较大发 展，而且随着微机计算速度不断提高，使大型的有限元数值方法在微机上运行很 方便，使数值方法逐渐成为研究岩土力学及工程问题的主要手段之一。在原始数 据选取和模型建立较为合适的情况下，数值方法在一定程度上可以取代昂贵的模 拟试验。因此本论文选取有限元数值模拟方法以我省地方铁矿为背景建立模型， 来研究地下采空区处理的稳定性问题。 2 2a n s y s 程序求解过程 本课题运用有限元软件a n s y s 进行数值模拟。a n s y s 程序由j o l l l ls w a n s o n 博士和s w a n s o n 分析系统公司( s a s i ) 最早于1 9 7 0 年推出，经过近3 0 年的发 展，它已经发展成为一个多用途的设计分析软件。a n s y s 程序是一个功能强 大、灵活的设计分析及优化软件包，该软件可以在大多数计算机及操作系统中运 河北理工学院硕士学位论文 行，a n s y s 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容，用户可以用它进行 所有行业的几乎任何类型的有限元分析，其许多功能在全球范围内得到了认同。 利用a n s y s 程序进行弹塑性分析的一般过程如下： 总之，a n s y s 软件是近年来发展起来的最为通用有效的有限元分析软件之 一，它的功能强大，用户界面友好，前后处理和图形功能完备，拥有丰富和完善 的单元库，可以高效地求解各类结构的静力、动力、振动的线性和非线性问题。 2 3 模拟过程 依据a n s y s 软件及建龙铁矿的开采及空区形成特点对建龙铁矿从矿房开采 到矿柱回收，再到采空区处理的全过程进行模拟，模拟过程基本步骤如下： 模型建立形成网格输入矿岩力学参数施加边界载荷 计算原岩应力+ 模拟矿房开采过程模拟矿柱回收过程- 分步模拟空 区处理过程。 首先将数值模拟计算模型离散化，划分有限元网格，进行未开挖条件及原岩 应力场作用下的有限元分析，计算出在原始应力作用下未采动的单元集合应力， 然后利用a n s y s 程序的重启动分析功能，进行采矿作业的连续开采模拟。在进 行矿体的开挖时，利用a n s y s 程序的单元生死技术，将开挖的矿块设为死单 元，这就形成了实际生产中的地下采空区。然后根据开采顺序的进行，依次将开 挖的矿块设为死单元，完成地下开采的模拟，同时对矿柱及顶板的稳定性进行分 析。在完成地下开采模拟后，将矿柱设为死单元，按同样道理进行矿柱回采模 拟，同时根据模拟结果进行顶板稳定性分析，依据分析结果制定出分步处理空区 的方案。然后，对每一步进行模拟，依模拟结果进行稳定性分析，最终找到稳定 的处理空区结果。 2 4 计算假设 因为矿山地质条件一般来说都比较复杂，数值模拟时必须对矿山地质条件、 受力条件、采矿工艺以及采矿方法结构做必要的简化。 ( 1 ) 对材料性质的假设 矿岩的力学性质是指它的弹性、塑性及各向异性等，根据在应力作用下所表 现出来的变形特性即本构关系，可将岩石分为线弹性体、弹塑性体及粘弹性体等 河北理工学院硕士学位论文 多种属型。然而模型愈精确，其所需参数越多越不好确定，计算时间成倍增长； 另一方面作为工程比较定性而言，选取弹塑性模型可以满足定性分析。因此根据 计算目的，这次模拟主要是评价矿山的采动效应，可不考虑长期时间效应的影 响，选取弹塑性模型为本次模拟计算的模型，以d r u e k e r - - p r a g e r 屈服条件式来判 断判断材料是否达到屈服极限。 ( 2 ) 对采场结构的简化 程家沟铁矿所用的采矿方法是浅孔留矿法，这种采矿方法在采准工作中掘进 了阶段运输巷道、天井、联络道、拉底巷道等大量工程，但这些微小结构对整个 宏观的采场的稳定性来说，影响是很小的，因此在建立有限元模型时，将这些结 构忽略，把采场结构简化成图2 1 的