（采矿工程专业论文）石人沟铁矿采场结构参数的优化研究.pdf

摘要 摘要 唐钢石人沟铁矿目前处于露天转地下开采过渡期。为了有效、安全地开采地下 矿产资滚，急霉确定台理懿缝下采场终槐参数，本文采焉三维蠢疆元数傻摸掇方法 对此进行了研究。三维有限元数值模拟方法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柬解决采场这种特臻地下工程的优化问题，从穗在保诞 安全的前提下，最大限度地利用矿产资源。 在分析矿山的工程地质条件和现状的基础。t ，对矿糟的岩石力学参数进圣亍了测 定，并将澍石单轴抗压强度、岩石璜鬣指标r 、节避闻距、节理状况、地下永状 况作为5 个基本参数，采用r m r 法对岩体质量进行评价。用霍党一布朗公式对岩体 力学参数进孬了 鑫簿。 考虑到石人沟铁矿北区实际的地质条件，建立了有限元数值模拟模型，模型主 饔包括m l 、h 龟矿体和黑云母是闲籀长片藤卷。营走黠暴岩瘟力进抒了摸擞，在戴 基础上采用了8 种不同的方案进行数值模拟，得出了地下开采时不同采场结构参数 下采场的庶力和应变情况，依此为依据对其稳定性进行了分析，最终确定了最优方 案，确定了石入沟托区合理的采场结构参数：聚场长5 0 m 、高4 4 m 、问柱1 0 m 、顶 撞6 m ，底柱1 2 m 。 本文对于指导矿出确定合理的袋场臻褐参数具有一窀的实际慧璺。 网4 7 个袭1 2 个参6 1 个 关键词：商限元；采场结拘；数值模拟 分类号：t d 8 0 1 河北理工大学硕： 学位论文 a b s 骶c t s 挞把n 黔ui 翔n 搬 挑i s & 毽妇g 婶鞠把也eu 矗e 喀黼糊d 的n0 r e 扭曲瞎 c u n 屯n tp r o c e s s t ob ee 任b c t i v e ，s a f eu s eo f m m e r a lr e s o u r c e s ，t h es t o p en e e dt od e t e m l i n e t h e 托a s o n a b i e 曲c n l f ep a e 把r s ，l h i sl i m i t 。dt h el l s eo f 啦r e e 出m e 璐i o n 8 lm 埘e r 沁a l s i m h h t i o nm e f l l o d sf o rc o n d u c t i n g 蝴ss t u d y t 抵e - d i m e n s i o n a l 最n h ee l e m e n tn 砌翻c a l a i l a l o g 撇出s j st e e 枷q u eh a sb n 谢d e l ya p p l j e dt og e o t e c h i l i c a le n g i n e e r i n g t h i 5p a p e r h 8 se x a c 钍yd i u s s 娟h o w 协s o l v eo 萍i m i 蠹n gp r o b l 懿lo fm i 蝣n g 锶l g i 粥崩n g 证h i 曲i s 印e c 谢u n d e g r o u n de n g i l l e e r i n gb yh 1 e a n so ft l i i st e c h n i q u e ，f 醅f h u ym a k i n gu s oo f m 叠嘲lf e s o 班e e s ，攮e 锄d 撼。娃o f 晷鞘黼溺# gs 套哆 b a 辨do n 也e 黼a i y s i s0 f e n g i r i e e r i n g 萨o l o g ya n d c u r r e n ts i m a 土i o n o f s t l i r e n g o u i r o n 啦殛岛馥噼f km e c h 勰沁8 lp a 壬越把f sh 矗矬b e e 瓤糟髓s 骶逸鞠dc o 髂追蕊赴gc o m 弘s s i o 牲 s t r e n 甜ho f 峙r o c k ，r q d ，s e p a r a t i o no fd i a c l a s e s ，c o n d “如啦o fd i l a s e d s 锄d n d i t i o no f 笋o u n dw a 缸，r o c km 嬲si sa 卿a i s e db yr m r na d d i t i o n ，p a r a m e 妞o fr o c km a s si s d e t e f n l i n e db yh o o k - b f o w nf o 黼m a a c c o r d i n gt o n d i 吐o no fs h ir 栅g o u 油nm i n ce n g h 忙e f i l l gg c o l o g y ，f i n i t ee l c m e 眦 n 啪e 矗c a l d 或i n g 螽s e 蚺赫dm o 酬n gm 越n 玲l 戚u d e s 醛l 、魄。r e b o d y 糊d 蛹a c 糕 r o c k a tm s t ，o r i 西n a lr o c ks 舡e s s 酶s i m u i a t c d e 曲t t e1 ( i n d so fp r o j e c ta r eu t i l i z e d 强斑i 撕虹o nds 妇s s 髓ds 撵越n 。f 如赫ds l o p c 黜曲癌n 靠童o j h d g e 如e 盛西i l 姆 t h r o u 曲也ec o h m r e h e n s i v ee v a i u 撕o i l ，t h ef i n e s tp 嘶e c th a sb e e na c q u i r e d ，a 札d a c c o 蛔妇g i ys 啦j c t u 糟p 娃甜孵e fo f r o o 黻h a sb e e n 毫e q h 如蝌：l e n g 出o f 嘲5 ，h e i g b ln f r o o m4 4 m ，印a rp m hg m ，t o pp i i l “6 m t h # r ei sac e n a i ne x p l o 抽gm e a n i n gt ot hs t u d yo f 如t e 哂n g 唧9 r o 皿毗dp a r a m a 把f o f s t o p es t n ，c 嘛， f i g u r e4 7 ；t a b l e1 2 ；r e f e r e n c e6 l k 祥w e r 蠡；f 窳ee l e 鞴。继；s t o p e 栅锰琏鲇n u m e 西e 砖s 碡! u l 蘸i 麟l c h i n e s eb 0 0 k sc a t a l o g ：t d 8 叭 ， 独剑性说囔 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波和致谢的地方 韩，论文中不包含其德入已经发袭或撰鹭的研究成采，巍不包含为获褥 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同悫对本研究所做的任俺贡献均毫在论文中徽了明确的说瞬著表 示了谢意。 签名：钍日期：雄年华月舷日 关于论文使用授权的说明 本人完全了勰河北理工大学有关傺窝、使鼹学位论文的规定， 郄：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和倍阕；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 制手段僚存论文。 ( 保密的论文在解密厝应遵循此规定) 虢锄啦导师懿缉雕必荜月鲫 引言 孳l衰 采矿是一项古老的工业，我国的金属采矿也可以追溯到几千年以前。传统的采 矿设计袋震的是经验类眈法，靠查乎爨柬进行嚣采方案懿设诗氍礁定采场结梅参 数。当果场规模小，并在近地表范潮内进行开采的时候，经验类比和定性分析的设 计方法是可 亍的。但是，隧蓉开采娥模蛉不叛扩大和歼采深度的逐濒增热，经验类 比的方法已经失去了意义。为了傈t i 磁开采的安全，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，通过定量的计冀、分析、比较，确定合理的开采方 法、采臻结构参数、开采顺序等，获两实现采矿决策科学讫帮设计优纯u j 。 地下采矿是在浅层地表中进行，面临的对象是岩体。岩体是一种非常复杂的地 震结构俸。一定莲疆蠹兹卷俸筠由多晕牵岩石构成，每静者石孛掰包含戆矿耱残势又 各不相周，其力学性能也都不一样。更重要的是，岩体在形成初期和随厢的漫长地 蒺年代中，又经爨了多次鲍构造运动，被切割褥支离骏醛，形裁了j 零笺杂鳇裂豫 系统，包括一系列软弱面，小到层理、片理、裂隙，大到节理、断层。翻此岩体魑 非常复杂的非连续、非均匀和各向异性体，其力学形态或本构关系，既不是单一鲍 线弹性的，也不是简单的弹握性的戴粘弹塑性的，而是表现出非常复杂的非线性。 地下采矿开挖工程是在一定的地层中进行的，地层本身存在着原始的地应力。 臻应力燕一穗内藏力，藕不是拜热豹荷载；遗应力是；| 起逢下采矿开挖工程变形帮 破坏的根本作用力，是决定采矿岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现采矿设 诗帮决繁科学纯戆必要i 掇条抟。建痰力静产生与发裁是因鞋掰异、因撼磊舅静掰 史过程。产生地应力的原因十分复杂，至今尚不十分清楚，4 0 多年的实测和理论分 撰表明，熏力终耀瑚构造透动对地盛力的形成澎魄最大。由于亿万年来，遣球经掰 了无数次大大小小的构造运动，造成了地应力状态的复杂性和多燮性。 正是瞧于地下采矿所研究的对象岩体( 地艨) 的多样性和地成力鲍复杂性，噬及 不同的采矿方法和回采工艺、回采顺序所带来的结果也各不相同，因此彼有必要对 采矿设计进行优化，以最台理、最安全方式将埋藏于地下的矿石开挖出来。 在众多静采矿方法中，盼段空场法国子其篡有采矿方法简单、成本低、开采强 度大，生产能力高、贫化小等优点，在矿山中得到广泛应用。其特点是把阶段划分 为矿块采强采，在一个矿琰懿整个泠段离凄土器有一个瘸帮结擒，在不照理空区豹 情况下进行采矿作业。阶段空场法设计内容土疆包括采场结构参数( 采场水平尺寸、 除段寒度、矿柱大小、回采顺序、落矿方式等) 。壶于在整个罴场延采裳蠲蠹采空逸 河北理丁大学硕士学位论文 始终存在，采空区顶板及矿柱存在失稳破坏的可能性，采场回采期间的安全问题就 成了采矿设计所需考虑的重要问题。在矿岩条件一定的情况下，采空区顶板的安全 与采场结构参数有着直接的关系，一般而言，采空区顶板暴露面积越大，空区跨度 越大，则危险性也越大。但是，采场参数过小，则矿柱损失过大，采场生产能力受 到限制，则难以发挥阶段空场法开采强度大的特点，难以实现高效开采，对于适宜 的矿岩条件而言则是浪费。因此确定合理的采场结构参数。是阶段空场法的主要问 题。传统的设计方法主要为经验类比法，设计人员根据少数几个指标如普氏系数f 等，参考类似矿山的成功经验进行设计。由于矿岩的差异性，即使普氏系数相同， 由于矿岩成分的不同，形成的历史过程不同，其物理力学特性也表现出很大的差 异，即使在同一矿山的不同矿段，虽然普氏系数相同，所体现出来的矿岩特性也相 差很大。因此，传统的经验类比法的设计往往或者偏保守，则采场结构参数过小， 采切工程量加大，矿柱矿量增加，造成矿柱回采时矿石损失与贫化加大；或者设计 偏冒进，则采场地压显现加剧，甚至因采场结构失稳而造成矿石的永久损失剧增。 太保守或太冒进的设计都是不可取的，有必要寻求新的设计优化方法。 随着计算机技术的发展和应用，在采矿工程中应用数值模拟方法，尤其是有限 元法研究地下开挖对矿体围岩应力分布的影响，模拟地下开采作业，确定合理的结 构参数，取得了有实用价值的成果。 本论文将针对石人沟铁矿地下开采的具体情况，利用数值模拟方法，对不同矿 房结构参数下采场的稳定性进行分析，通过方案对比、综合评判，最终得出合理的 矿房结构参数，以确保矿山在地下采场的稳定前提下安全生产，又可使矿山资源得 到合理的利用。 l 文献综述 l 文献综述 1 1 国内采场结构参数优化研究现状 在我阑的矿山生产过程中，确定采场结构参数应用比较广泛的方法主要有： 1 经验类比法 通过参考国内外类似矿山的经验，分类比较后确定本矿山的采场结构参数，且 般取值e e 较保守。由于类比法简单方便，在嘲内矿山中应用广泛。 国内一些矿出的浅孔留矿法和势段矿房法矿块构或癸素觅表l 、2 口j 。 表1 阁内些矿山的浅孔留矿法矿块构成要素 釉l e ic 雠瞳i 挺豳n a l e l 锄e n t so f 靛秘b b l o c k 艏s 嘲毒辩e 曲而虫篦簿粥e 瞻o d 讯s 韶嚣抽m e s 鞋e m 斑e $ 矿山名称 ( m )f 长度宽度x( m )( m )( m ) 一 塞塞 舟山铜矿 5 0 4 0 6 0 矿厚6 8 3 53 6 x 5 0 表2嘲内些矿山的分段矿房法矿块构成要素 珏耙2 c s 溉避o # 砖e k m e n 姆o f 。f e b l k 薛b 撇确搋h 由g 聃炳醴融m e 如燃l e 秘i 辩s 1 陌j 瑟一一丽甄疆_ i 两葡l 丽猫万1 骚丽r 荫丽蓊莉靠厦1 薤葡r ( 苎!i 尘2 1 里) 巫吐一+ 妲业地立坐l 一 3 0 3 5 2 5 天碴羲矿5 2 5 5 2 5 5 0 姑王坟铜 2 5 3 0 扩 瓣锕出镉 3 7 4 2 矿 强岭铁矿 拯本 3 4 龙山矿 4 2 盎岭铁矿 3 0 4 0 9 l 坤 1 0 l o 6 7 1 2 6 1 i 1 4 1 6 1 3 1 2 8 s 8 l o 1 0 3 砷 砷 攀如厚 搏 孽 岸厚 登徘稚 黼腓徘 河b 理t = _ 人学硕士学位论文 2 物理和计算机模拟放矿 计算机模拟放矿的方法目前主要数值模拟、离散元法和随机模拟三种。计算机 模拟救矿实际上藏是在计算机上做敝矿实验。随机模拟是目前应用最为成熟的计簿 机模拟方法之一，它可以对包括复杂边界条件在内的备种放矿条件及放矿方案进行 模接，不仅齄给蠢各令除段抟放矿缭莱，两靛能展示崩薄矿岩移动静全j 建程，完整 地给出崩落矿岩移动规律的三项基本内容一矿石放出体、矿石残留体、崩落矿岩界 嚣移动秘鬟杂过程。随飙摸掇葫落矿岩单元移动嚣翔鲍计算程垮，缱矿块赋存条 件、布鬻的结构参数和放矿制度的不同而不间。首先对已确定的矿块模型按一定大 小划分的单元模块避幸亍赋缀并赋珏挺应符号，然后调用教矿程撵进芎亍模拟玻矿。谯 模拟放矿过程中臻对一些指标参量进行计算或判断，以决定放矿过程是继续还是中 止。物避放矿通过实验室傲一定量的模型实验来进行。物理模型实验的结果比较客 观准确，值费时费力，主要塌子检验计算视放矿静结暴。 武钢矿业公司程潮铁矿东采用的是无底栈分段崩落法，运用物理和计算机模拟 藏矿手段，我出分段高囊、避路闯鼹帮崩矿爹距三者乏蠲静数鬟关系，确定最筑麓 采场结构参数，提高了回收率，降低了贫化率f 3 】a 毽燕，无论燕浆理模毅，还是诗霉援摸摄，砉瑟是哭单纯鳇考痣了贫纯率窝回收 率指标，没有考虑到采场的稳定性和安全性以及资源的充分开采。因此，这种方法 在优化采场结枣上有很大的局限性。 3 神经网络优化识剐方法 在众多的神经网络模型中，多屡前馈神缀蹲络模型是目前谯采场结构优化中皮 鲻最为广泛静模黧，它可隧道近任意菲线性姨瓣。蘑反向传播学习算法( 简称bp 箨 法) 可以实现多层前馈神经随络的训练，获得网络连接权值。 华锈集霞高峰矿l 弩矿俸逸撵盘区辊辍佬充壤来矿法，蠲莱场结构参数静控 制因素来构造人工神经网络。采用三层网络结构，网络隐含层中的节点数为1 0 个， 输入交爨为5 令，竣毒变鳖为5 巾。输入变量为矿体厚霾、霉“体颓惫、矿石稳翻 性、围糟稳固性、采场布赣方式；输出变量为矿房长度，矿房宽度、问柱宽度、底柱 高度、分层高度。 钛工程实践中选耩2 4 个采矿方法实例作为神缝网络的训练样本， 选择6 个矿山本进行验样 难，验证结果表明：训练后的网络完全能够满足采场结构 参数分析的要求，因此，可以用来分析预测高峰矿的采场结构参数。把离峰矿的矿 俸开采技术条件代入，分析焉得出离峰矿盘隧机械讫充填采矿法的采场结梅参数为： 采场垂敷走向布置，长7 9 6 m ，宽1 2 - 3 m ，问柱7 9 4 m ，分层商度4 1 2 m 。考虑到 文献综述 实际工程实旌的要求，最詹确定参数为：长8 0 m ，宽1 2 m ，问桂8 m ，分层高度4 黼。毫媾矿近冗年携生产实践表弱，按照耱经疆络选取缝采场终抟参数，其采场雯 产能力达到了2 3 5 “d ，采矿二 效2 2 3 帆，采准系数4 2 5 m k t ，采矿损失举5 7 ，采 矿终监成本7 6 5 元， 4 l 。 采用神经网络对采场结构参数优化识别，改变了过去仅凭经验和工程浆比法选 取采场结构参数的历史，为采矿工程技术人员在实践中选取合理孵采场结构参数增 添了一种行之有效的方法。 4 遗传算法 遗蒋舞法g a ) 是基于糯痢n 静避纯论和m e n d d 的遗传学说。g a 怒将闻莲翁 求解表示成“染色体”，从而构成一群“染色体”。将它们置于问题的“环境” 审，校攒适者生存熬原翻，放孛选择适瘟环境戆“染色傣”遴行复裁，遴过交换、 突变两种藻因操作产生出新的一代璺适应环境的“染色体”群，这样一代代地不断 遴纯，最螽收敛到个最适合环境的个薅上，求褥闻题鲍最优解。 遗传葬法作为一种新的全局优化搜索方法，以其简单通用、鲁棒性强、适于并 行处理，以及应用范围广等盛藩特点，奠定了它作为2 l 世纪关键智能计算之一的遗 位。它奁矿山孛静应用正在涮剐起步，并敬褥了初步成泉。 影响采场结构参数的因索十分复杂，很难用一个数学表达式来描述它们之间的 关系，飘孺给采场结构参数盼优铑造成一定鲍闲难。传统静谎纯方法往往要求有一 个明确的数学表达式，并h 连续、可微，这往往是不现实的。现代工程结构设计 孛，大量豹痤滔瓣驻要求维瓣佳毯能够适合予各释类燮豹设诗变霪、各静类鳖豹约 束及各种类型单元组合结构的线性、非线性、静力、动力或控制结构优化等。若有 一静葵法爨毒这秘蠢度鲁捧髅，则鸯利于获褥安全理想的设计方案。近年来受到工 程界广泛熏视的基因遗传算法具有这种潜力。 长沙矿山研究院的周科平”3 将遗传算法应用于采场结梅参数的优化，通过实例 计算，、落明用这种算法能获得可靠的采场结构参数，而且该算法克服了传统方法的 不足，因而具有较大的应用价值。浆用了可靠度作为目标函数来优化采场结构参 数，箍较努遣接遂予工程实黼。 5 数值分析法 在采矿、东工窝遣下工程中，经裳遇委的器石力学溺嚣是_ | i l ；要确定露挖羲惹静 应力和位移及其在开挖过程中的变化，以便为殴计和施工提供可靠的定量依据。已 寄的理论瓣只能壤决睡形或撩瑟形铡蜜等具鸯簿单形状憋霹题，对于尼俘形状复象 河北理t 人学硕士学位论文 的铜室( 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，己成为岩石力学研究和工程计算的重要手段。 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( f d m ) 、有限单元法 ( f e w ) 、边界元法( b e m ) 和离散元法( d e m ) 等等。有限差分法的历史比较悠久，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 问题嘲。 在岩土工程或矿山工程中可供采用的数值分析方法虽然比较多，但由于有限元 法的显著优点，在工程实践中至今应用最广的仍为有限元法或有限元法与其它方法 的藕合，特别是有限元与边界元的藕合及有限元与离散元法的藕合，前者可以克服 有限元计算中的边界效应，便于提高计算精度，后者则考虑岩体的不连续性，可以 较好地模拟岩体的大变形。应该指出的是，近年来数值分析方法虽然取得了显著的 进展，但仍不能很好地适应矿山工程或岩土工程的复杂情况，其主要原因在于岩体 不但具有复杂的力学性质( 弹性、塑性、流变、应变硬化及应变软化等) ，且具有复 杂的结构特性( 岩体结构、岩体介质结构等) ；不但至今对岩体的失稳或破坏还缺少 可靠的判据或准则，而且工程开挖方法、歼挖步骤对围岩的力学状态( 应力与变形) 及稳定条件都具有重大的影响。显然，在这种情况下，对矿山工程的稳定性评价来 说，并不一定苛求特别精确的理论及计算方法，而是所选用的计算方法既简单方 便，又能较多地考虑复杂的地质条件及工程施工因素。基于上述原因，本次采场结 构优化研究采用了三维有限元数值模拟方法，利用此方法可较方便地模拟开挖过 程，使所得出的围岩应力及变形比较真实地反映矿山开采的实际情况。 1 2 国外采场结构参数优化研究现状 在国外，采场结构优化问题早就引起了人们的广泛关注。 欧洲最大的地下开采金铜铁混合矿床切诺佩奇( c h e l o p e c h ) 矿，位于保加利 亚。按照切诺佩奇矿的发展规划，到2 0 0 5 年产量要达到7 5 万如，到2 0 1 0 年产量 达到1 5 0 万讹。因此对采矿方法和采矿技术进行了改造，用空场法取代了崩落法。 采矿方法的更换也意味着岩体压力控制方法的改变。在解决采场结构参数问题上， 他们详细的研究了地质力学条件，使用经验法和计算机模拟法确定采场的尺寸，在 通过矿山的试验对结果进行检验。并且把全部试验数据组成了一个数据库以供确定 新采矿方法参数使用i ”。 6 文献综述 美国的长壁工作面开采中采用诺模图来进行采场结构参数的优化口i 。诺模图又 称“国葬”或者“谤彝蛰”，是霸 睾鬻瓣方法去求函数的毽。它楚挺函数中各参数 之间的相飘关系，用带坐标的几何图弗按一定规律绘制成的，可以赢观地看出每一 参数懿变化对计算缝果产生瓣影响，选择参数对方便，u 藤且可啦怒墓些特定篷或撼 准值，直接标在坐标轴上，免去临时套阅技术手册之苦。采用诺模图确定工作开采 时的诸多参数，e b 较形象直观，实用性强，值褥我国在嵌壁工作蕊开采时借鉴。 此外数值分析方法在国外岩土工程中发展的也比较早。 1 9 8 3 年，布朗( e t b 舯w n ) 等人给出了有限差分法求解弹塑性轴对称问题的简 单算法。避年来基于有限差分法显式薄法的快速拉洛鞠r 分辑程痔( f a s t 毛a 铲a n g i a n a n a l y s i s0 fc 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。 番限荤元法5 0 年戗开始盛释，蓄先燕蠢m t 羊h r 霾巍w c l o 啦等人予1 9 5 6 年 提出。1 9 6 0 年，c l o u 曲又利用三角形单元求解了平面鹿力问题。1 9 6 5 年，o c z 榷鞋e w i 将鸯限犟元法薅予以变分藤理为基囊撵的阚题，簌丽使富限单元法舂了坚 蜜的数学然础。2 0 世纪6 0 年代以后，随着电予计算机的飞速发展和广泛使用，有 限单元法褥到了迅速的发展秘完善，弗在各种复杂工程的数值模拟分析中得到普遍 盼应用。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 蕾先将边界元法用 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 佟量，使逸赛元法矮有输入数据少、计算对捌短、诗算精度高的特点，翻就对解决 觅限域或半无限域问题尤为壤想。上述几种方法是解决连续体力学的数值方法，但 楚岩传是一耱经蕊了漫长遮壤梅造运动嚣缝震律，为众多弱瑟爨貔裁，鬟有暖显豹 不连续性，其变形、破坏往往受这些结构面或弱面的控制，不能简单地视为连续 体，于是离数单元法等一些解决非连续体阅鬏魄方法斑运露生。离数单元法是由 c u n d a n 等人于1 9 7 1 年首兔提出来的。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，这些块体可以疑剐性的也可以是霹变形体，使用有限刚度参 数刻画块体问静接触，运用牛顿运动定律得出由于不平衡力；l 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 限差分法籀沈，箕优点是靛嚣为真实缝表达求辩透域中的凡侮状态戳及大赣静不连 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 赫，最广泛应用静懿教元程窿是出美翻l l a s e a 公霹并发懿二缍离敖元程痔u d e c 和三维离敞元程序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f 9 l 。 河北理 大学硕十学位论文 1 3 采场结构参数优化研究的发展趋势 长期以来，在确定采场结构参数问题的研究中多是依靠经验、半经验的方法进 行，一些潜在的危险因素难以得到揭示分析。随着开采规模以及其复杂性的日益增 大，这种依靠经验的方法越来越难以适应日益发展的实际工程的需要。随着计算机 技术的发展和相关学科新理论、新方法的出现，新兴起的数值模拟方法得到了充分 的发展，从有限元到边界元、有限差分法、离散元，不连续变形分析法以及近期出 现的流形方法，在解决采矿工程问题中显示出了独特的灵活性和强大的生命力。 数值模拟方法的基本思路是：a 将研究对象离散化；b 按照给定的本构关系，对 单元进行力学、运动学分析；c 用所有单元的组合表达整体特性；d 在给定的边界条 件下，用显式差分法迭代或解联立方程组，求出变形和应力。 对于地下采场结构参数的数值模拟，国内外的矿业工作者作了大量的尝试，并 取得了丰富而有价值的成果，数值模拟的理论已相当成熟。在实践中，各种稳定性 分析和评价方法得出的结果不是唯一的，其主要原因不仅在于各种分析评价方法的 固有特点及局限性，更主要的是因为影响矿山岩体稳定性的因素非常复杂，且这些 影响因素中大多都具有定的模糊性。 的a 漠纳斯特尔斯基针对“巨人深井”的条件，用有限元法确定了回采矿房和 倾斜矿房间隔离矿柱的最优参数，这样可保证矿块矿量回采率达7 3 “。 北京科技大学乔兰3 在对新城金矿深部采场结构参数和开采顺序优化研究 中，采用有限元数值模拟计算方法，对新城金矿深部采场的4 种结构参数和2 种开 采顺序等6 个方案进行了不同开采时期的优化分析和比较，获得了深部采场的最佳 结构参数。 三维有限元数值模拟是进行采场结构参数和连续回采稳定性分析的最有效手 段。三维有限元数值模拟可以定量地计算和分析回采过程中采场围岩中的应力、位 移和塑性区、破坏区的分布状况，确定它们随每步回采的动态变化过程，从而对采 场围岩的稳定性状态作出判断。通过多方案的计算和分析，比较不同的采场结构参 数、不同的开采顺序和开挖步骤条件下的围岩稳定性状念，可以作出优化的开采设 计，确定最佳的采场结构参数。从而在保证生产安全的前提下，最大限度地减少开 拓成本，增加矿山产量。 由上可知，随着计算机技术的发展和应用，在采矿工程中应用数值模拟方法， 尤其是有限元法研究地下开挖对矿体围岩应力分布的影响，模拟地下开采作业，分 l 文蛾综述 析巷道的稳定程度，确定台理的结构参数，取得了有实用价值的成果。本课题将利 孀a n s ￥s 数蓬努耩较箨模拟嚣天海魏嚣逮下秀：采霹，盔不蘑静采场结构幸骞搅下，采 场顶板、底部和矿柱应力以及位移变化的情况，据此确定地下开采第一中段空场采 矿法会理孵结构参数，以确绦采场的稳定秘资源剥嗣率鲢最捷。 河北理一l ：大学硕士学位论文 2 研究目的意义及主要内容 2 1 研究目的及意义 在采矿科学领域，对采场结构尺寸的设计和研究中，岩体力学的研究是其重要 内容之一。空场采矿法在国内外金属矿山的使用很普遍，在我国占采出矿石量的 5 5 7 。以前，由于研究手段的限制，对采场结构尺寸研究不够，存留有大量矿柱于 采空区中，并且出现大规模地压活动，造成国家资源大量损失。这时候还得考虑二 次回采，如果当初采场结构尺寸得到优化的话，就省去好多麻烦。时至今日，有许 多矿山，虽然生产已接近尾声，然而绝非硐老山空，这些矿山绝大多数都遗留有数 量可观、仍具有回收价值的矿柱矿石可供丌采利用，并且还具有十分明显的经济效 益。近年来，各个矿山开始重视采场结构的优化设计，也取得了一些经验，但是大 多数是凭经验进行优化设计，并无科学依据，安全也不能保证，急需用科学的方法 进行分析和研究，以便指导生产。 本文应用有限元软件a n s y s ，结合石人沟铁矿的工程地质条件，对地下开采的 北区建立了关于采场结构参数的三维数值模型，得出了石人沟北区在不同的矿房结 构参数下地下开采时采场的应力、应变情况。为了对其稳定性进行定量分析，从采 场的应力、应变分布情况和大小两方面进行了方案对比，最终确立了最优方案，找 到一种确定合理的采场结构参数的方法。对减少工程量、降低生产成本、充分回收 资源有着十分重要的意义。 2 2 主要研究内容 本次采场的结构优化研究主要是以采场的稳定性为主要内容，通过对石人沟铁 矿的地质资料的整理和详细分析，采用r m r 岩体工程质量分级法结合霍克一布朗公 式估算石人沟铁矿的岩体力学参数，应用数值模拟方法( 使用a n s y s 软件) ，对 露天采坑、围岩和矿体进行数值模拟，得出地下开采后采场的应力、应变分布情 况，通过采场丌挖后应力和位移的综合评价，初步确立矿房结构参数。 主要的研究内容如下： 1 通过做岩石力学实验，得出岩石力学参数，对岩体进行工程分类结合霍克 布朗方法确定岩体力学参数。 2 研究目的意义及主要内容 2 利用a n s y s 软件建立矿山的三维模型。根据石人沟北区的实际工程情况， 建立长6 潞米，交0 0 米静赛嚣模型。模型主簧包括露天罴凌、辍岩、醚l 秘骚2 帮 条矿体。并对模型划分网格，确定合理的网格密度以及计算模型的原岩应力。 3 采壤不同的聚场续稳，模拟第一中段地下开采的过程，遗过采场承平葺瑟竖壹 方向上的皮力、应变剖面图分析采场的应力、成变情况，对采场稳定性研究，并对 蒜方案进行分板，确定最优方案，确立合理的矿房结构参数。 2 3 技术路线 通过瓣国内辨在采场结构参数筑纯方面的了解，结含石入淘铁矿韵实际情况， 本文将按照如下的步骤来完成本次研究。 l ，卷体力学参数豹确定 在岩硒力学实验的基础上，将岩石单轴抗压强度、搿石质量指标r q d 、节理问 距、节理状况、地一f 农炊况佟戈5 令纂本参数，采用娜r ( 岩傣分类方法) 法慰岩 体质量进行打分分缎，接着用霍克一布朗公式对岩体力学参数进行估算。 2 确定初选方案 为了确定合理的矿房结构参数，确保采场和边帮酌稳定性，本文采掰多方案对 比的方法，根据矿山的实际情况设计8 种初选方案( 见装7 ) ，用以考察采场结构 参数交纯澍遣下开袋莱场稳定性影虢。 3 建立数值模型进行优化分析 本文褥选取梵逸粟绣中蠢钱表缝豹篷段终为磅究对象，建立不露矿爨结秘参数 的数值模测，主要考虑岩体的物理力学性质、士呶质构造，水等因索的影响，利用模 型柬模拟地下开采时岩体内瘦力、应变雏变化，评赞地下果场稳宠蛙。 利用数值分析软件进行采场稳定性模拟的基本步骤如图l 所示。 具体分以下几步： 1 建立区段的几何模型，输入基本力学参数，结合实测原岩艨力，生成原岩应 力场： 2 剩翅数藿分帮亍软件模拟出分都鬻：挖矿岩黪成露天坑螽矿禽硬柱、鬻疆静应力 分布以及变形状况； 3 。在第二步静基弛，壤按疆菪矿房按照一定蓑疹秘采后，零霹戆鬟场结耱参 数下采场围岩的应力分布和变形情况 4 对嚣声申方案下采场进行稳定性分辑。 河北理上大学碗十学位论文 5 最后确定采场结构参数 嬲l 模拟漉程圈 f 碴1 f 1 0 wc h 础o f 赫m u l a t i o np r 。c e s s 1 2 3 岩体力学参数佑算 3 岩体力学参数估算 3 1 矿山基本现状 石人沟铁矿开采境界南j b 长2 8 k m ，矿体自南向北分布在3 0 母勘搽线爱5 号勘 探线之间。通过近三十年来的生产，石人沟铁矿露天开采基本结束，形成长约 2 5 m ，鬻约2 6 虢，涤鲍】2 0 i n 静豢j 囱露天坑。露天转建下时颈蟹境弄颈柱l 钰t ( 北区：0 一1 6 m ) 。矿区以1 8 勘探线为界将采区划分为南、北采区。目前，南 区露天开袋结束最终为内部撵主场，基攥满痰石，撑平均耘毫终鸯1 4 0 m ，废石黠 南区边帮的稳定起到了一定的维护作用，地下汗采条件较好。而北区现露天开采也 然本结束，正准备转入地下开采。 1 矿床地质特截e 矿区所处区域地质构造位置为燕山沉降带马兰峪背斜轴部。按地质力学所划分 酌构造蒋系，为马兰峪字型构造脊柱偏东铡部使。 1 ) 地层 矿嚣海凄露遥麓为下太蠢界迁嚣群马兰骚缀片窳老，按卷链蒋点壶下至上努 为四层： ( 主) 黑云螽闵斜长垮麻岩、是阗斜长痔寐岩，该层为熬个矿屡疯援。 ( 2 ) 花尚片麻岩、黑云母角闪斜长片麻岩夹零星磁铁石英岩遴镜体，该屡为m ， 矿体底板。 ( 3 ) 磁铁石英岩、角闶斜长片麻岩，为吉矿援，几条矿体均产于次层中。 ( 4 ) 黑云母角闪斜长片麻糟、角闪斜长片麻岩，该层为矿层的顶板。 2 ) 祷选 矿区为一单斜构造。片麻节理走向一般近南北向，向西倾，倾角5 0 0 7 0 。北部 磊a 出辫运，交予受f 辑绥瓣牵 | ，走薅藏秘兹疆，离瘫秀壤，赣角较耱。矿髂 产状与片麻节理一致。 矿区蠹叛裂捣造发育，越矿体影响也较大，主要叛裂构造蠢三组，鄂：n n 嚣 向，n w - s e 向，n e e s w w 向。在本次分析范围内无较大的断层。 3 ) 矿床地质特征 河北理t 大学硕 学位论文 本矿区主要有四层矿，分布在花椒园北负2 线至龙潭南3 0 线间，全长约为 3 6 0 0 m 。本次稳定分析的范围为1 6 1 0 线，长约6 0 0 m ，主要为m 2 矿体，约占设计 范围内工业储量的8 62 8 ，次为m l 矿体约占设计范围内工业储量的1 1 8 0 。 m l 矿体：分布在f1 0 - 2 6 线间，全长2 2 0 0 m 。该矿层沿走向及倾向厚度及形态变 化较大，最厚为5 0 m 最薄为3 m ，甚至有的部位歼灭。矿体走向近s n ，倾向w - s w ，倾角5 0 0 “5 0 。延伸一般在2 0 肚3 0 0 m ，最大控制深度为4 5 0 m 。 m 2 矿体：该层为主矿体，具有规模大，纵横变化较小之特点。分布在f l g - 2 8 线 南，全长3 0 0 0 m ，倾向深度9 1 0 m ，厚度为9 4 0 m ，在1 8 线深部明显变薄为4 7 m ， 矿体倾角5 0 0 7 0 0 。 矿体内夹层为黑云角闪斜长片麻岩，含铁斜长片麻岩，磁铁石英岩及中基性岩 脉。0 1 2 0 m 范围内夹石厚度为1 2 2 m ，平均厚度为1 6 m ，品位t f e 为1 1 3 4 。 该矿床矿石类型为石英岩型磁铁矿石。矿石中有用矿物主要为磁铁矿，次为假 象赤铁矿。脉石矿物主要为石英，次为角闪石、斜长石及少量次生蚀变矿物绿帘石 和黑云母。矿石呈粒状变晶结构或粒状花岗变晶结构，条带状、片麻状构造。 2 矿区水文地质 1 ) 自然地理概述 本区位于震旦系石英高山区组成之区域分水岭南侧。基本地形北高南低，北与 石英岩高山毗连，南与遵化盆地接壤。矿区内地势平缓，经多年开采后，已形成长 约2 5 0 0 m ，宽约2 6 0 m ，深约1 2 0 m 的南北向矿坑。南区已堆集废石。矿区范围内， 水系不甚发育，仅在东西两侧各有一条季节性小河，其流量季节性很强。如张庄子 西河，最大洪峰流量可达1 4 5 0 0 m 3 m ，枯水期流量仅3 4 6 m 。降雨多集中在七、 八、九三个月，历年平均降雨量8 0 44 m m ，历年一日最大降雨量3 4 3 1 m m 。 2 ) 矿区水文地质条件 矿区含水层： ( 1 ) 第四纪冲洪积沙砾卵石孔隙潜水含水层：厚度l 1 2 m ，水位埋藏深度3 m ， 年水位变幅3 瑚m ，渗透系数5 3 3 2 i i 们，单位涌水量3 8 3 l s m ，主要受大气降水和 基岩裂隙潜水补给，属c a m g h c 0 ，型水，分布在矿区两侧东西河谷地段。 ( 2 ) 太古界片麻岩风化裂隙潜水含水层：上部风化裂隙发育，一般随深度的增加 而减少，风化带深度l o 3 4 6 0 7 2 m ，水位埋藏深度2 9 3 4 1 6 m ，水位标高 2 2 4 9 1 3 6 5 6 m ，单位涌水量0 0 4 l s m ，渗透系数o 0 4 2 m d ，受大气降雨补给， 属c a 一 i c 0 。型水。 3 崭体力学参数馈掉 ( 3 ) 太古界片麻岩构造裂隙水含水带：主要由断层破碎带，构造裂隙密集带组成 受搀遥控铡，不受深菠影稍。缝下东类型为钕震获，踩获承毯裂藩东，羚拳珏力 大，承压水头3 4 3 9 5 m ，水位标高8 7 4 7 1 3 8 1 6 m ，水量不大，据1 9 7 0 年抽水试 验结果，肇使涌承辍o o l e 。0 6 l s m ，主要受鼹伍裂昧溢承及大气降瘩替给。 矿区断裂构造发育，多属压性裂隙，未形成地下水的良好循环通道。仅聚集少 最脉状裂隙水对矿床充水影响不大，本矿床属予山水文地质条l 牛简单理性类型。 以东第西系覆盖区乏下的矿体，虽然耀深不大，但受f 5 、f 加大断裂构造的影响，水 文条件较为复杂。搦矿山地测科提供的地质资料，首采睡内f 。f 5 断层与第四系和 季节往溺流有密留联系，f 。f 撺、氏辑层与第翻系有密切联系。矿区主要充承因素 为大气降雨，深部构造裂隙水突水可能对开采造成影响。 3 ) 矿堍潺瘩量颈溺 矿山深部地下开采后，矿坑涌水摄主要为风化裂隙潜水及大气降水渗入。南区 属回填采空区，废石已堆积舞达1 2 0 袅米，凌矗缝踩中含水较多。经基岩裂踩渗透 别矿坑内，降雨后，存在迟翁现象。 4 ) 存在的问题 ( 1 ) 该医深部为详查迪鹱报告，其做了简翳钻孔水文地质观测，定性的评述了矿 区水文地质条件，但深部断层破碎带，构造裂隙发育带无钻孔控制，缺乏基础资 精。在地下开采对，揭露静断裂带有胃能导致夫气降水存入露天境的永及地表承突 入矿坑。因此在地下开采时需做超前探水工作，提前查明断裂带的导水性。 ( 2 ) 在一s 溉中莰硬拄匿袋磊，矿体疆扳塌落会襞大蠢避表承溃入矿境。 3 2 岩体力学参数估算 在岩体工程稳定性分析中，力学参数的选取会对计算结果产生重大的影响，甚 蕊可能得挂l 与实际不一致的分析结果。岩体在力场作用下的性质包括两个方面：岩 体的变形特征帮强度特征。由于岩休中节理弱丽的存在，以及水、风纯等外力的作 用，使得糟体的力学行为与岩石试块所表现的力学行为之间存在着很大的差异。因 戴，将岩蠢力学参数应用予鬻俸工程瓣，要考虑岩石与岩捧静这释差异莉进行工程 处理，咀使我们对糟体工程所做的稳定性分析髂果更接j 艟于现场嶷际情况。 采用原篷试验方法巍 & 较准礁蟪确定岩体力学参数，瞧强位试验逶常受到静 条件的限制，而且还存在着一些尚待解决的技术问题。阂此，对于一般的岩体工程来 说，往往楚在室由爨块的试验斡基础上，通过搬减的办法来煞诗嚣俸鲍力学参数，毽 河北理工人学硕士学位论文 这种方式主观性比较强，选择的随意性大，缺乏客观的依据。长期以来，已有许多 学者对合理选取岩体力学参数，并用于解决实际工程问题作了大量工作。由于岩体 的力学参数受到岩块的力学性质、结构面的分布情况、结构面的性质及地下水作用 等因素的影响，因此，本文在室内岩块的试验基础上采用r m r ( 岩体分类方法) 岩体 工程质量分级法结合霍克一布朗公式估算石人沟铁矿的岩体力学参数1 。 3 2 1 岩石力学参数的确定 岩石的性质及岩体结构是影响或决定岩体稳定性的物质基础，其中包括岩石物 理性质、力学性质和水理性质。为了获得数值模拟计算中所需的基础数据，进行了 岩石物理力学性质实验。 本次实验的试件为片麻岩和磁铁石英岩，对每项参数均进行了4 组测试，剔除 奇异数据，将合理数据取平均，得到石人沟铁矿岩石力学参数如表3 所示。 表3 唐钢石人沟铁矿岩石力学参数表 t a b i e3r 0 c km e c h a i l i c sp a 1 e 时l _ s to f s h i “g o ui f o nm i n e 3 2 2 岩体的工程分类 1 石人沟铁矿岩体结构特征 矿区内断裂构造发育，对矿体影响也较大，其中在范围内较大的断层有f 5 、 f 8 、f 1 8 、f 9 、f 0 、f c 等。同时在断层带内充有各类岩脉，有的切穿矿体。各断层 常伴随有节理产生，且它们在产状上有一定的相似性，分布规模受断层影响。 矿区所发育的结构面按其成因和规模分为大规模的原生结构面、大规模的构造 结构面、小规模的层理节理面三类大规模的结构面构成岩体不稳定的滑面和切割 面，小的结构面切割岩体，使岩体破碎，降低岩体力学强度。 1 ) 原生结构面包括岩性分界面、岩脉和围岩的分界面，其中地下采空区顶柱和 围岩的分界面构成顶柱潜在失稳的危险滑动面；岩脉和围岩呈破碎接触，这类原生 1 6 3 岩体力学参数估算 结构面随着地下开采，结构面张开，极易沿接触面滑动，是采空区围岩稳定性的主 要控制边赛。 2 1 大规模的构造结构面生要为断层，其中f 8 、f 1 8 两条规模较大的东西走向的 断层和袋空区相交，对顶柱安全影响较大。 3 ) 小规模的层理节理磷把岩体切割成层状和块状结构，益现场勘查，参考冶金 部勘察设计研究所提交的石人沟铁矿边坡稳定性研究报告中岩体结构评价结果，褥 出如下结论：矿基岩诲节琏密度为6 ，9 条琛，节理蟊的起铰度 2 5 时 詈= e x 笔产卜 蹦，、 2 5 ， ，一耿决于崧石性质的材料常数。 鼢x 等半卜 存= o 5 经式( i ) 、( 2 ) 、( 3 ) 计算得唐钢石人沟铁矿岩体经验参数如表5 所示。 袭5 唐钢石人沟铁矿岩体经验参数表 张b l e5 r o 酞m a s s e m p 埘c a lp a r a l t l e t e r o f s h i r e ng o u i r o n m i n e 2 岩体力学参数的估算 气= o 鞋，褥岩律黪零辘抗压强度疋。： 口。= 吒s “( 4 ) i = o 时，褥岩体盼肇轴抗披强度口0 ； = 导b 一纛石) “5 ) 为遥成摩尔一库仑准嬲分析，依照菲线髋准口( 1 ) 所推得的公式( 4 ) 、( 5 ) ，可用下 式确定岩体的巴、值： q ：塑