（采矿工程专业论文）大红山铁矿采场地压规律及顶板岩层自然崩落机理研究.pdf

l 中南大学硕：仁学位论文 中文摘要 摘要 本文以昆钢大红山铁矿矿床整体为研究对象，在昆明有色冶金设 计院提供的矿床开采设计资料及西南地质勘察设计研究院提供的地 质相关资料的基础上，采用岩体力学理论对大红山铁矿矿床开采过程 中围岩的应力、应变及位移情况进行了理论分析，对废石覆盖层形成 过程中的力学机理进行研究。提出了边回采边放顶的覆盖岩层的形成 方案，分析了通过采用强制崩落、诱导崩落等手段，最终实现采空区 围岩自然崩落的可行性。本文完成的主要工作有： 1 采用国际上成熟的岩土分析软件f l a c 一3 d ，对矿床开采过程 中采空区围岩的应力、应变及位移分布规律进行了模拟计算；通过对 模拟结果的分析研究，得出了在矿床开采过程中采空区围岩应力、应 变及位移的变化规律，采空区顶板围岩自然崩落的机理、可能崩落的 范围及诱导崩落的方案；为矿床开采正确地决定回采顺序，诱导顶板 岩层自然崩落最终形成自然崩落机制，以及进行合理的采场地压管 理，特别是对灾害性地压的预测、预报提供了理论依据。 2 对无底柱分段崩落采矿法的采场地压规律进行了研究，主要 从沿进路和垂直进路两个方向，对回采过程中围岩的应力场分布规 律、采场地压的传播规律及上覆岩层的来压机理进行了研究，在此基 础上又对覆盖岩层的形成方式、合理厚度、覆岩形成后上部岩层继续 冒落的发展规律及地表可能塌陷的情况进行了分析预测。 3 除主采区外还对东部小矿体开采过程中的地压活动规律进行 了数值模拟分析，研究了开采过程中采空区围岩应力、应变及位移的 变化规律，两采区围岩应力场的相互关系，得出了两采区地压活动各 自独立互不影响的结论。 本文与现场生产实际结合紧密，计算基础数据来自生产实际。可 以预见，本文的研究结果将为矿山生产和建设，特别是安全生产制度 的建立提供重要的理论依据。 关键词无底柱分段崩落法，采场地压，废石覆盖层，数值模拟 1 t 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t a k i n gt h ew o r k e d 。o u ta r e aa tt h ew h o l eo r eo fd a h o n g s h a ni r o n m i n ea sac a s ei n v e s t i g a t i o n ，b a s e do nt h em i n ed e s i g nd a t ap r o v i d e db y k u n m i n ge n g i n e e r i n ga n dr e s e a r c hi n s t i t u t eo fn o n f e r r o u sm e t a l l u r g y a n dt h eg e o l o g yd a t ap r o v i d e db ys o u t h w e s tg e o t e c h n i c a li n v e s t i g a t i o n a n dd e s i g ni n s t i t u t e ，t h es t r e s s ，t h es t r a i na n dt h ed i s p l a c e m e n ts i t u a t i o n o fs u r r o u n d i n gr o c kd u r i n go r em i n i n gh a v eb e e nr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ， t h em e c h a n i c sm e c h a n i s md u r i n gt h e f o r m i n gp r o c e s so ft h ew a s t e o v e r b u r d e nh a sb e e ns t u d y e d t h ef o r m a t i o np l a no ft h eo v e r b u r d e nh a s b e e np u tf o r w a r d ，t h ea m e n a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c ka c h i e v en a t u r e a v a l a n c h e ，w h i c hu s i n gt h em e t h o do ff o r c e da v a n l a n c h ea n di n d u c e m e n t a v a l a n c h e ，h a sb e e na n a l y z e d t h em a i na c h i e v e m e n t s o ft h ep a p e ra r ea s f o l l o w s ： f i r s t l y , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs t o p es t r e s sh a sb e e np r o c e e d e d d u r i n gt h eo r em i n i n go fd a h o n g s h a ni r o nm i n eb yu s i n gam a t u r e m e c h a n i c s a n a l y s i s s o f t w a r ef l a c 一3 do n i n t e m a t i o n a l ；b a s e do n a n a l y s i n gt h ea n a l o gc o m p u t a t i o nr e s u l t s ，t h er u l eo fs t o p es t r e s s ，t h e s t r a i na n dd i s p l a c e m e n t ，t h em e c h a n i s mo fn a t u r ea v a l a n c h ef o rt h es t o p e s u r r o u n d i n gr o c k ，t h ep o s s i b l ea v a l a n c h ea r e ao ft h er o c ka n dt h ep r o j e c t f o ri n d u c e m e n ta v a l a n c h ec a nb ed r a w nd u r i n gt h eo r ec a v i n gp r o c e s s ，a l l t h e s ec a ng i v eat h e o r i t i c a lc r i t e r i o nf o rt h em e c h a n i s mo ft h eo r ec a v e s e q u e n c ea n dt h e n a t u r ea v a l a n c eo fs t o p er o c k ，a n dt h e nt h es t r e s s c o n t r o lo fs t o p es t r e s s ，e s p e c i a l l yt h ef o r e c a s to ft h ec a t a s t r o p h i cc a nb e d r a w n s e c o n d l y ，t h ed i s t r i b u t i n ga n dt r a n s m i t i n gr u l eo fs t o p es t r e s s ，t h e w e i g h tm e c h a n i s mo fc o v e rr o c kl a y e ra l o n ga c c e s sr o a da n da p l o m b a c c e s sr o a do fs u b l e v e lc a v i n ga r es t u d i e d b a s e do nt h er e s e a r c h ，t h e c o v e rr o c kf o r m a t i o nm o d e ，t h er a t i o n a lt h i c k n e s s ，t h er u l eo fc a p p i n gc a p k e e po ni n b r e a ka n d t h ep r o b a b i l i t yo fs u r f a c ed r a i n a g ea r ea n a l y z e d t h i r d l y , b a s e do nt h es t o p es t r e s sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h es m a l l s t o p i n ga r e ai ne a s t ，t h er u l eo fs t r e s s ，s t r a i na n dd i s p l a c e m e n ti ng o b s u r r o u n d i n gr o c k ，t h ei n f l u e n c eb e t w e e n t h et w os t o p i n ga r e a s s t r e s sf i e l d i i 堕奎堂堡主兰竺笙苎 竺! ! ! 垒! ! a r ea n a l y z e d a n dt h e n 廿l ef o l l w i n gc o n c l u s i o nc a nb ed r a w n ：t h es t r e s s f i e l do ft h et w os t o p i n ga r e ah a v en oi n f l u e n c et oe a c ho t h e rb e c a u s eo f t h ed i s t a n c ef a r - f o r t h t h es t u d yo ft h ep a p e rc o m b i n e sc l o s e l yw i t ha c t u a lp r o d u c t i o n ，a n d t h en u m e r a t i o nd a t aa r ec o l l e c t e df r o ma c t u a lp r o d u c t i o n a l lt h e c o n c l u s i o n sd r a w ni nt h ep a p e rc a l lb eu s e df o rt h ep r o d u c t i o na n d c o n s t r u c t i o n ，s p e c i a l l yt h es a f e t yp r o d u c t i o no fd a h o n g s h a n i r o nm i n e k e yw o r d ss u b l e v e lc a v i n g ，s t o p es t r e s s ，w a s t eo v e r b u r d e n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i i i ， t y 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 昆明钢铁集团有限责任公司是云南省特大型地方骨干企业，现己形成年产 4 5 0 万t 钢的综合生产能力，2 0 0 5 年销售收入突破1 3 0 亿元人民币。但是长期以来 昆钢集团的铁矿石主要依赖进口和省内收购，铁矿石紧缺己严重影响和制约了昆 钢集团的生存和发展。大红山铁矿是昆钢集团正在建设的主要的铁矿石原料生产 基地，是国家发改委( 发改工业( 2 0 0 4 ) 1 61 8 号) 2 0 0 4 年批准的六大建设工程之一。 大红山铁矿4 0 0 万t a 采、选、管道工程项目，工程总投资2 3 7 3 亿元，设计生产 规模为年产4 0 0 万t 原矿、2 0 0 万t 精矿，它的j l 孵b j 建成投产和达产，对昆钢集团在 二十一世纪的生存和发展至关重要。 “大红山铁矿深井高温多层缓倾斜厚大矿体开采综合技术研究”是2 0 0 3 年云 南省科技厅立项的省院省校科技合作项目，其研究内容涉及到矿山建设、生产的 诸多关键技术，有许多研究内容属于矿山建成后生产组织的核心技术。其中在采 矿工艺技术方面所采用的高分段、大间距无底柱分段崩落采矿法( 分段高度2 0 m ， 进路间距2 0 m ) ，是目前国内采用的结构参数最大的无底柱分段崩落采矿法，属于 国内最先进的采矿技术；同时，矿床开采使用的大型无轨设备( 凿岩台车、装药 台车、铲运机) 全部从国外进口，其优良的性能必将使无底柱分段崩落采矿法大 规模高效率采矿的特色得到充分的发挥，是大红山铁矿4 0 0 万t a 生产能力的有力 保障。可以预见该项目试验成功后，不仅在云南乃至在全国的无底柱分段崩落法 矿山都有很好的引导和示范作用。 形成废石覆盖层是无底柱分段崩落法的一个重要的工艺环节“，它能对顶 板岩层大面积的冒落起缓冲作用，能避免冲击风暴和崩落的废石对回采进路中的 人员和没备的危害，同时废石覆盖层能使崩落的矿石留在端部，是形成挤压爆破、 形成端部放矿条件的必要条件。因此，形成废石覆盖层是实现无底柱分段崩落采 矿法正常生产的必要条件。而大红山铁矿床属缓倾斜矿体且顶板岩层较稳固，在 矿床开采初期形成废石覆盖层有一定的经济、技术难度。因此，开展矿床开采过 程中地压活动规律和废石覆盖层形成机理的研究，对实现从强制崩落顶板围岩形 成覆盖岩层到形成顶板岩层自然崩落机制的转换，对矿山建成后持续稳定的矿床 开采有重大的理论和现实意义。 本文对针对大红山铁矿床缓倾斜、顶板稳固的特点，采用较成熟的岩体力学 理论和数值分析软件，对大红山铁矿床开采过程中围岩的应力、应变及位移情况 中南大学硕：t 学位论文 第一章绪论 进行分析；对废石覆盖层形成过程中的力学机理进行了较深入的研究，提出通过 强制崩落、诱导崩落等手段，最终实现采空区顶板围岩的自然崩落形成废石覆盖 层，对大红山铁矿建成后实现低成本持续生产具有重要的理论和现实意义，同时 对国内具有类似采矿技术条件的矿山采用无底柱分段崩落采矿法生产也具有示 范和指导作用。 1 2 国内外研究现状 12 1 无底柱分段崩落采矿法的国i x l y l 、研究现状 1 特点及其适用条件 无底柱分段崩落法的特点是。1 将阶段矿体划分为分段，自上而下回采分段， 在分段巷道内崩矿和出矿，在崩落的覆盖岩石下出矿，以崩落围岩处理空区，如 图卜1 所示。 图卜1 无底柱分段崩落法方案图 无底柱分段崩落法是一种机械化程度高、生产能力大、回采效率高、采矿成 本低和作业安全的采矿方法。它的适用条件是： ( 1 ) 矿体厚大、急倾斜或矿体极厚缓倾斜； ( 2 ) 地表容许陷落； ( 3 ) 矿体和下盘围岩中等稳固以上： ( 4 ) 上盘围岩不稳固或中等稳固： ( 5 ) 矿石价值不高，上盘围岩最好含矿。 2 国外无底柱分段崩落法的发展状况 崩落采矿法起源于十九世纪九十年代美国的苏必利尔湖铁矿区“3 。经过一百 中南大学硕士学位论文第一章绪论 余年的的生产实践和工程实验研究，己成为一种成熟的、广泛应用的高效率的采 矿方法。其发展演变过程大致可分为三个阶段，各阶段的主要技术特征见表1 - 1 。 表1 - 1无底柱分段崩落法各发展阶段的主要技术特征 二十世纪五十年代后期，瑞典l k a b 公司的基律纳( k i r n u a ) 矿首先采用分 段崩落采矿法“卅。作为世界上使用无底柱分段崩落法最先进的矿山，基律纳矿 的分段高度也有一个由小变大的过程。1 9 8 3 年该矿的无底柱分段崩落法的分段 高度仅为1 2 m ，使用阿特拉斯科普柯( a t l l a sc o p c o ) 公司的s i m b a 3 2 3 型风动 凿岩台车，可钻凿直径5 7 r a m 的扇形炮孔，用8 t 斗容的c a t 9 8 0 型柴油装载机装 载。现在基律纳矿的分段高度已增加到3 0 m ，近几年来分段高度一直在稳定增加； 凿岩主要用a t l a sc o p c os i m b aw 4 6 9 重型液压遥控凿岩台车，该台车以水为动力 配有压力为2 0 m p a 的w a s s a r a 潜孔冲击器，能够自动钻凿一组1 0 个扇形炮孔， 孔径1 1 5 r a m 孔深可达5 5 m ，钻i l 的直线偏斜度不超过o5 m ，平均凿岩速度可达 3 0 0 m d ；该矿8 5 的矿石采用t o r 0 2 5 0 0 e 电动铲运机装运，该机型的斗容达 1 0 m 3 ，装运能力达5 0 0 t h ，在运距为1 2 0 m 的情况下，每周的出矿能力可达到 5 0 0 0 0 t 。随着装备水平的提高，分段高度的不断增大，矿石的成本逐年下降，生 中南大学硕士学位论文第一章绪论 产能力大幅度提高。表1 2 是基律纳矿使用无底柱分段崩落采矿法采场结构参数 的演变情况。 表l - 2 基律纳矿结构参数的演变情况 瑞典l k a b 公司的另一个著名的铁矿马尔姆贝里耶( m a l m b e r g e t ) 矿的发展， 同样经历了结构参数由小变大的过程，目前该矿是世界上采用无底柱分段崩落法 分段最高的矿山，其分段高度达到3 2 m 。由于分段高度的增加，回采进路间距增 大，其采切工程量大幅度下降到2 0 m 万t ，一次崩矿量达到1 5 0 0 0 t ，极大地提 高了采矿生产能力。 3 我国无底柱分段崩落法的发展状况 二十世纪六十年代初我国首次从瑞典引进无底柱分段崩落法”，当时的结构 参数是分段高度l o m ，进路间距l o m ( 1 0 m l o m 结构) ，先后在酒钢镜铁山、大 庙、符山、梅山等矿山“”1 进行无底柱分段崩落采矿法的试验攻关并获得成功。 其后设计建设的许多地下铁矿均采用l o m l o m 结构的无底柱分段崩落法。 由于l o m l o m 结构，一次崩矿步距在1 5 m 1 8 m 左右，一次崩矿量在6 0 0 t 左右，但随着2 m 3 铲运机等较大型无轨设备的应用，一次性崩矿量偏小，限制了 出矿设备能力的发挥。为提高矿山生产能力，提高采矿强度，结构参数的优化就 变得迫切起来。为此，我国许多科研院所和高等学校及矿山企业先后做过大量的 研究工作。 ( 1 ) 1 9 7 8 年河北铜矿的2 4 矿体开展了高端壁放矿无底柱分段崩落法的研究。 其典型方案是：端壁高4 5 m ，出矿进路间距1 2 5 m 。由于凿岩设备能力的限制， 增设了凿岩分段，其分段高为l o 1 3 m ，采用三分段凿岩，同时爆破，最下一分 段出矿。试验结果表明，采用高端壁后使一次崩矿量增加到8 0 0 0 t 以上，充分发 挥了2 m 3 铲运机的设备效率，取得了较好的技术经济指标。 ( 2 ) 为解决无底柱分段崩落采矿法矿石贫化大，进路通风难的问题，浙江 的漓渚铁矿进行了双巷菱形高分段崩落采矿法的试验研究。试验矿块的尺寸规格 是5 0 m 5 0 m ，分段高度为2 4 m ，上分段为1 4 m ，下分段为l o m ，进距间距l o m ， 崩矿步距1 8 3 o m 。上分段为凿岩分段，下分段为凿岩及出矿分段，使用爆堆 通风。一次性崩矿量达到2 0 0 0 t 左右，采矿强度提高了2 5 ，矿石贫化率1 3 6 3 ， 回收率8 3 5 ，取得了良好的技术经济指标。 ( 3 ) 1 9 8 8 1 9 9 2 年镜铁山铁矿开始了我国真正意义上的高分段大参数研究， 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 分段高2 0 m ，进路问距2 0 m 和1 5 m 。试验采用s i m b a h 2 5 2 台车和a t l a sc o p c o1 2 3 8 全液压凿岩机凿岩，d z y 一2 0 0 型装药车装药，w a g n e r s t s e 3 8 m 3 电动铲运机出 矿。主要技术参数是，孔径6 4 m m ，最大孔深3 0 m ，炮孔排距1 8 m ，设计每排炮 孔的崩矿量达到了2 5 0 0 3 0 0 0 t 。虽然该项目试验取得成功，但由于多种因素的 影响，试验成果未能在该矿及国内其它矿山推广应用。作为我国首次进行的真正 意义上的高分段大结构参数的优化研究，使我们获得了宝贵的经验和教训。 ( 4 ) 梅山铁矿在试验矿块取得成功的基础上，全面推广应用分段高度1 5 m ， 进路间距1 5 m 的结构参数。试验过程中先后采用了物理模拟，计算机仿真和工业 试验等科学手段，系统地开展了凿岩爆破参数、合理的崩矿步距和放出体工业试 验研究。采用s i m b a h 2 5 2 凿岩台车凿孔径7 8 m m 的中深孔，t o r o 一4 0 0 e 铲运机出 矿，使矿山生产能力大幅度提高。1 9 9 8 年完成新旧参数的过渡，当年实现了年 产2 5 0 万t 矿石的设计生产能力。使万t 采掘比下降5 0 ，达到4 0 m 万t ，矿石 回收率8 4 1 5 、矿石贫化率1 3 1 2 、全员生产率达到1 3 3 1 9 t ( 人年) 。1 9 9 9 年l o 月通过国家冶金局组织的鉴定，获得高度评价，充分说明加大结构参数将 获得巨大的经济效益。 纵观国内外无底柱分段崩落法采矿的发展历史不难看出“7 “1 ，几十年来为提 高此种采矿方法采场的生产能力、降低采切比，世界各国的工程师们努力的方向 是不断地利用科技进步将当代最先进的采掘设备应用到回采工艺当中，不断地加 大采场结构参数( 分段高度、进路间距、崩矿步距) 。实践证明，上述的路子是 正确的，值得我们学习借鉴。 1 22 废石覆盖层形成方法研究现状 1 理想条件下形成覆盖岩层的方法 ( 1 ) 矿体上部已用其它方法回采，并己处理了空区，后改用无底柱分段崩落 法开采。这时已自然形成了覆盖岩层。 ( 2 ) 上部用露天开采，之后转入地下开采时，则可以利用处理露天边坡或者 是剥离的废石形成覆盖岩层。 ( 3 ) 围岩不稳定的盲矿体，随着采空区的暴露面积逐渐增大，当采场顶板岩 层中的应力状态达到或者超过岩体的强度极限后，采空区的顶板岩层开始自然崩 落，形成自然崩落机制。这是形成覆盖层的各方法追求的最终目标。它具有覆盖 层的形成成本低，覆盖层厚度大，形成稳定和可靠的特点“。 2 崩落顶板围岩形成覆盖层机理研究 上述的理想条件并不容易实现，我国大部分使用无底柱分段崩落法的矿山， 都是从第一分段起，就用无底柱方法开采。这就需要强制崩落顶板围岩来形成覆 中南大学硕士学位论文第一章绪论 盖岩层。按形成覆盖岩层与回采工作先后不同，可分为集中放项、边回采边放顶 和先放顶后回采三种“”。 ( 1 ) 集中放顶形成覆盖岩层。这种方法是利用第一分段的采空区做补偿空间， 在放顶区侧部布置凿岩巷道，从中钻凿扇形深孔，当几条回采巷道回采完毕后， 爆破放顶深孔形成覆盖岩层。这种方法的放顶工作集中，放顶工艺简单，不需要 运出废石，也不需要切割。但由于需在暴露大面积岩层之后始能放顶，故放顶工 作的可靠性和安全性较差。 ( 2 ) 边回采边放顶形成覆盖岩层。在第一分段端部掘进放顶巷道，在其中钻 凿与回采炮孔排面大体相一致的扇形深孔，并与回采一样形成切割槽。以矿块作 为放顶单元，边回采边放顶，逐步形成覆盖岩层。这种方法工作安全可靠，但放 顶工艺复杂，回采和放顶必须严格配合。 ( 3 ) 先放顶后回采形成覆盖岩层。开采之前，在矿体顶板围岩中，掘进一层 或两层凿岩巷道，并在其中凿扇形炮孔( 最小抵抗线可比回采时大些) ，用崩落矿 石的方法崩落围岩，形成覆盖层。这种放顶方法第一分段的回采就在覆盖岩下进 行，回采工作安全可靠，但放顶工程量大，而且要运出部分岩石。 上述三种放顶方法中，先放顶后回采，工作可靠，但放顶工程量大，并需要 运出废石；集中放顶，工作可靠性较差，但工作简单不需要运出废石；边回采边 放顶兼有前两者的优点。目前国内采用这种方法的矿山比较多。 3 形成覆盖层存在的问题 ( 1 ) 采用强制崩落顶板处理采空区常需掘进较多的处理巷道和深孔爆破工程 而导致顶板崩落工程量很大。采用顶板自然崩落法处理此类采空区时工艺简单、 采空区处理费用很少，但对顶板自然崩落规律尚未掌握，如何结合采矿工艺寻求 合理的避免采空区冒落危害的措施，是采空区处理研究工作中一项重要任务。 ( 2 ) 采空区危害主要是气浪危害，对顶板岩体冒落产生的气浪速度计算，目 前还没有一套完整的理论方法。 ( 3 ) 目前对冒落过程的监控越来越引起人们的重视，常用的方法是在采空区 顶板上的地表埋设测柱，用水准仪、经纬仪等仪器定期观测地表移位变化，但是 用这种方法人员安全问题没有得到很好地解决，当条件具备时应研究开发自动监 测系统。 强制崩落放顶与自然崩落处理空区，都需对由采矿引发的矿山地压做研究， 研究地压分布与显现规律，对采矿的各项工作做指导。曾经一些矿山生产中未作 过相关内容的研究，忽视地压规律的影响，导致强制放顶后达不到预期的理想， 有些矿山甚至引发了地压灾害。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 采场地压理论的发展现状 1 初期认识阶段 我国是世晃上采矿工业发展最早的国家，明代宋应星所著的天工开物中 曾提到：“或一井而下，炭纵横广有，则随其左右扩取，其上支板，以防 压崩耳。”说明我国在矿业发展初期人们就认识到矿山压力的危害并加以控制。 欧洲国家对矿山压力的认识大约始于十五世纪。“。 2 建立矿压假说阶段 十九世纪后期到二十世纪初，研究者们按照力学原理解释实践中出现的一些 矿山压力现象，并提出一些初步的矿山压力假说。其中影响较大的有“压力拱假 说”和普氏岩石坚固性系数f 的提出。目前仍被使用。 1 9 5 7 年”“苏联工程师认为：矿石最初是在平衡拱范围内崩落。当平衡拱内 的矿石崩落完后，矿体进入平衡状态。矿体平衡拱作用力与拱基反力平衡，崩落 停止。要继续发生崩落。或者是使拱基上移，或者是扩大拉底面积，而把自然平 衡拱暂时的平衡看成是静止的。 3 以连续介质力学为理论基础的研究阶段 随开矿体采深度增加和开采规模扩大，二十世纪三十年代到五十年代，研究 者们提出了把采掘空间周围直到地表的整个岩体视作连续的、各向同性的弹性 体，进行研究和建立矿压假说。其中影响较大的有太沙基公式、卡氏公式等1 。 在理论研究的同时，研究者们还增加了现场实测工作和室内光弹和相似材料 模拟矿压的研究。 4 矿山压力研究的发展阶段 二十世纪六十年代至今，一方面研究者们在现场实测的基础上，积极开展实 验室研究。研制了各种仪器、仪表和设备。在相似模拟方面，由平面发展到立体 模型研究。另一方面，理论研究上，又发展了考虑岩石真实性的各种矿压理论研 究，如断裂力学、块体力学、极限平衡理论的研究。提出了多种矿山压力假说。 并通过不断发展的各种力学理论检验这些假说。 近二十年来，弹塑性力学方法由于计算机技术的发展又被重视起来。岩石力 学实践中的许多问题都要处理更为复杂的几何形状。处理岩体的非均匀性和介质 的非线形本构性态等问题，都需要更为强有力的工具。一般说来，这些问题用常 规分析方法不易处理的。 随着计算机技术的飞速发展，有限元作为一门计算科学在5 0 年代开始出现， 很快就在岩石力学和地下工程中得到应用。有了有限元这种计算工具，就可以用 弹塑性力学方法来研究地下工程。即把整个岩体视作弹性体( 或者视作弹塑性 中南大学硕士学位论文第一章绪论 体) ，把岩体内的孔洞当作一个弹性体内开孔的问题来解决，求出它的应力场或 位移场来进行分析”。 d f c o a t e s “”3 论述了开挖工程对崩落影响的平面应力类比分析。他认为崩 落可以由两种不同的应力引起。第一种是顶板中央的拉应力；第二种是拉底空间 顶部拐角处的压应力。崩落作用的第二个因索是顶板的形状。 l a p a n e k 。”的研究认为：如果水平应力s 。与垂直应力s 。之比大于1 2 ，则拉 底空间的顶底板应力集中区内不出现拉应力：如果s 。s ， 1 5 0 局部夹泥岩 代 叠 干海 上邮为炭质页岩、泥岩下部为k 薹砂岩 煤 统 予组 t 3 9 1 2 01 2 0 5 0 自i 石理o 四 p t d d 47 8 螭i 4 片岩 # p t d p o 9 8 嵌质5 英岩夹发质鹱岩 大头 早 组 p t d p 。 擞鹿由i i i 大理岩 2 9 0 p t 山l：百确 1 1 06 2 6 目榴= i 母岩 肥 p t d f块状白i 石丈岩史擞质扳岩 昧 j f 2 1 5 8 0 8 元 红 河 组 p t d f lu = l l = l _ 块状白i 石丈理岩下部古方柱石 百_ t i 矿1 百 1 6 03 7 5 81 9 矿。矿 铁 p t d h 3 铁；? 变钠质熔岩顶“产”号铁矿下部产”号 弦荔矿 f j 4 8 0 5 9 0 铁 l i f 组p t d h 2擘= 芏筹竺等镯8 0i 描绿泥角闲h 岩产l i i 号铜铁r 5 1 9 铁铜 _ _ 嵫 砾? ；蠢i ? 熔岩产“号铁”底部”火“角 8 1 8 p 曲i 甚壶茁- 臣l 冱羽8 1 2 ? 。：。l 3 2 08 8 0 5 9 1 铁 f 古 8 1 9蔓铁矿 p t 血l 8 5 患* 白i 石 8 岩，t 部含方i 石 k 鼠。池飘 8 0 0 群 i p t 血3 1 3 5产卡；i ；季，卒詈；吾嚣嘉；善，”岩 70 6靛、锕 岗 8 2 8铁 河p t d m 2 。嚣? ；i ：雾；：；：；嚣 2 0 0 代 m p t 曲1 。：；栽：i ：；? ：；：餮i 嚣? ” 2 3 06 5 0 俄、铜 p t d l = 1 f 秽 。、1 0 厂 p t d i、7 9 58 7 p t d p t d i 2 4 。? ：；? ；嚣i ：2 i ；：；嚣河 虬 p t d l l 层 1 90 0 盘 2 6 43 7 7 卜 - 底 a r d 2 二i 英、黑i 英眼球状混岩夹片岩六层 最 b 摩 l7 0 6 i h “ 3 9 4 群 组 a r a l a r d l 岩；曩? 眼球状、斑点斑块扶条痘状混合岩夹片 2 9 06 8 4 图2 - 2 综合地层柱状图 1 5 中南大学硕士学位论文 第二章工程背景 2 2 2 构造 东西向构造是矿区基底构造型式，主要由底巴都背斜、大红山向斜、肥味河 向斜、肥味河背斜及f 1 、f 2 等断层构成；盖层东西向构造有新化背斜、新平向 斜；南北向构造主要有哀牢山构造带。其主要特征是继承发展、叠加、复杂。 根据地层接触关系、岩性组合特征、变质程度和构造型式等，本区及以东地 区主要有四大构造层： 第一构造层：由哀牢山群组成，混合岩化强烈，线型褶皱发育，构造线呈北 西向，可能为晚太古代原地槽构造层。 第二构造层：由大红山群组成，中基性钠质火山岩十分发育，属优地槽建造， 产大红山式铁、铜矿，构造简单，构造线呈东西向，为早元古代产物。 第三构造层：位于本区东部，由昆阳群组成，变质浅，由干枚岩、板岩及白 云岩等组成。构造线呈近南北向，为地槽复理式建造，产东川式铜矿。 第四构造层：由中生界上三叠统、侏罗系等组成，系未变质的海陆交互相， 以陆相为主的砂、页岩建造。在继承基底构造之上，盖层构造线有东西向、近南 北向及北西向三组，系印支运动及燕山运动所成。 “大红山式”铁、铜矿赋存于第二构造层的不同层位中，说明该铁、铜矿床 是在地壳活动性较大，海底钠质火山喷发激烈的优地槽条件下形成的。不同类型 的矿床是地槽发展不同阶段和不同环境下的产物。 2 北西向及近南北向构造 北西向及近南北向构造系成矿后的晚期构造，是哀牢山构造带与红河深断裂 多次活动影响的结果，由一系列的正断层、逆断层及平移断层等组成。 2 2 3 岩浆活动 区内有哀牢山期、大红山期、晋宁期、加理东期及燕山期五个岩浆活动期， 岩浆活动频繁，具有多期、多旋回的特点，分布上受区域断裂控制。其中大红山 期海底喷发、侵入活动强烈，岩石种类复杂， 以钠质火山喷发岩浆溢流为主， 伴随小规模岩浆侵入。 2 2 4 变质作用和围岩蚀变 大红山群各类岩石都经受了浅中等程度的区域变质，从岩石结构构造看， 一般达到片岩、变粒岩的变质程度。属中度变质的绿帘石角闪岩相与长英浅粒 中南大学硕：l 学位论文 第二章工程背景 岩相。中性变钠质熔岩、火山碎屑岩及块状白云石大理岩、石英岩相当于变粒岩 ( 浅粒岩) 相；基性角闪变钠质熔岩、钠长角闪片岩及绿片岩等相当于钠长石 绿帘石角闪岩相。区域变质作用对铁矿物较明显的起到了重结晶作用，粒度变 粗，对铁矿起了富集作用。 各类岩石虽经多种变质作用的影响，变质蚀变现象较多，但指示矿体存在的 近矿围岩蚀变总的看来是不典型和不明显的。而反映成矿期次、阶段及温度梯度 变化的蚀变带，几乎没有表现。但矿区围岩蚀变是存在的，其中火山气液加富型 铁矿及后期钠化充填交代型铁矿比较明显。 主要蚀变作用及分期：岩浆晚期自变质阶段主要是钠化，时间早于区域变质； 火山气液期有硅化( 早期) 、绢云母化、电气石化；区域变质期主要是出现新生 矿物白云母、黑云母、角闪石、石榴石、方柱石及铁矿物的重结晶；晚期蚀变主 要受辉长辉绿岩侵入出现钠长石化、碳酸盐化、绿泥石化、黑云母化等。 2 3 主采区矿体特征及围岩特征 2 3 1 i i 矿体特征 主采区i il 矿体位于曼岗河南岸，分布于a 2 5 a 4 3 线间，南以f l 断层为界， 北至f 2 断层。东西平面长1 9 5 0 m ( 斜长2 0 6 0m ) ，南北宽4 0 0 6 0 0m ，平均厚 7 4m 。面积1 0 2 平方公里。埋深3 6 2 4 8 9 8 8 3 lm ，标高2 5 7 2 9 4 5m ；富矿储 量1 3 5 7 2 7 3 万t ，占表内储量的5 5 ；4 0 0m 标高以下的表内矿石储量占6 6 ， 为一埋藏较深的大型富铁矿体，i il 矿体的形态特征是东高西低、南北翘起、中 厚边薄、形似如船。 矿体产于红山组第一段( p f d h l ) 浅色变钠质熔岩中，矿体与围岩产状一致； 矿体顶板与红山组第二段( p t d h 2 ) 地层及i i i l 矿体呈整合接触，界线清楚；底板 多被辉长辉绿岩破坏，保存不全，局部侵入矿体，破坏矿体。 按i i 矿体( 组) 特征，将其划分为三段：东段、中段、西段。中段( a 3 4 7 a 3 9 7 线) 为矿体主体部位，长6 0 0m ，宽5 0 0m ，平均厚大于1 0 0m ，矿体厚大 富集，矿化连续，表外矿及夹层极少；东段( a 39 ，线以东) 出现夹层，使矿体分 为2 3 个分层，厚度明显变小；西段( a 3 4 线以西) ，矿体分枝为多层，夹层增 多，厚度变化较大。 根据矿体产状形态、空间位置及矿体结构复杂程度、厚度、品位和便于叙述 及今后使用上的方便，综合考虑，将此段矿体细分为三个矿段，即大红山向斜南 翼陡倾斜矿体矿段( 简称：南翼矿段) 、向斜北翼矿段( 简称：北翼矿段) 和向 中南大学硕士学位论文第二章工程背景 斜中部平缓富厚矿体矿段( 简称：中部矿段) 。 2 3 2 围岩特征 近矿围岩由于受硅化、绢云母化、矿化等作用的影响而强烈蚀变，原岩特征 极不明显，难予辨认。下部主要为硅化赤铁变钠质熔岩，上部则多由绢云母化磁 铁变钠质熔岩组成，一般含铁均较高，前者系微细及尘点状赤铁矿浸染于粒状紧 密镶嵌微细粒状石英集合体中，后者则为半自形微细粒磁铁矿浸染于白云母( 绢 云母) 片理和微细粒石英、钠长石颗粒间，且常由稀疏浸染至稠密浸染而变成表 外矿石或贫矿石，与贫铁矿体逐渐过渡。亦常见白云片岩直接构成矿体的顶底板 或夹层，其含铁甚低，与矿体呈明显接触关系，由此可见，矿体含矿围岩对矿石 的加工利用仅具一定的贫化作用，而不影响矿石的性质。 2 4 矿床开采技术条件 2 4 1 水文地质条件 含矿层红山组第一组( p t d h l ) 和上覆红山组第二组( p t d h 2 ) 以浅色变钠质 熔岩为主，裂隙虽发育，多被后期脉石矿物充填或再生胶结，张开含水裂隙较少， 属裂隙型极弱透水或隔水层。而其下伏的曼岗河组第四段( p t d m 4 ) 虽以大理岩 为主，但其化学成分m g o + c a o 含量低，而s i 0 2 + a 1 2 0 3 含量高，不利于岩溶发 育，也属裂隙型极弱含水或隔水层。且未见大的充水构造，矿体埋深达5 0 0 m 8 0 0m ，虽处于侵蚀基准面以下，但与地表水和含水层缺乏水力联系，没有充足 的补给源和通道，已开拓的大量矿坑都较干燥。水文地质条件属简单类型。 2 4 2 工程地质条件 据力学试验，变钠质熔岩( 夹石) 的单轴抗压强度在5 9 m p a 1 2 0 m p a ，属坚 硬岩类：铁矿石单轴抗压强度在3 6 m p a 1 0 2 m p a ，属半坚硬岩类。岩芯r q d 值 较高，岩( 矿) 石裂隙虽发育，多被后期脉石矿物充填或再生胶结。已开拓的大 量坑道很少需要支护，岩体属局部稳定地段。但矿区位于复杂的区域构造复合部 位，岩层由沉积岩、火山岩及变质岩构成，存在沉积问断、火成构造及次生等多 种结构面，又处于地震活动区。因此，工程地质条件整体中等。开采时应注意适 当防范冒顶、岩爆等灾害发生。 誉譬高等i 高l = l 曼e 。 ii 三jl 。；l 叠l 2 昌器昌羔虽昌 毛占告晶器薹；占 墨翠草莹旱n 兰兰茧 刍吉南圭毛尉占轰击 2 昌n 霜昌兽h 瓮昌i 6go6 古6 ogo6 c 。n l o 劓一吲_ _ h 一一h 一一 卜o o n00哥099h 呻_ 【 吲。甘。甘卜 o n o _ 【0 0 n卜甘寸寸 b 卷晤括晤嚣姐 每恤如蝌趣撩 。h每晤举h捂晤举 一一 每恤举挺l b举撩一一 b 塔撵。h h h b 枢举挺1 a ib 征举挺 昶葵峰嚣烈昶竣峰善制 非港业器球非蝾鞋昶蝾齄业齄弧止暇越昶止m菲昶近寒酝越浆止g援昶剐k悄皿非 弧尉k 悼悄皿 擦b 举 非与昶 世 昶昶剐k 日乱= 一 h 0 罡 鹾蟮赠 r 姆嚣 瑙霞蟮醛鞋 娅妥妊 ， 藩郇娶捂昶 皿辱， 受弓燃爱出辖臣晕 魁酾娶埝 旱彳鲁堰霉扑r斟葵崦奄心啦 。忑搽国鞴弧扑r尉s琅长 嵝型卅r酗彝玳捂nn 中南大学硕士学位论文 第二章工程背景 2 5 采矿方法的选择与比较 昆明有色冶金设计研究院经多次论证，确定在大红山铁矿采用分段崩落法。 根据该矿4 0 0 万t a 的产量要求、矿体的具体赋存情况、该采矿方法在国内外向 高分段发展的趋势等，提出大结构参数的机械化无底柱分段崩落法方案。并对有 底柱分段崩落法与无底柱分段崩落法作了必要的比较工作。 比较的主要指标见表2 2 。 表2 - 2 采矿方法主要技术经济指标表 通过上述采矿方法主要技术经济指标表的比较可以看出无底柱分段崩落法 采切比、废石比稍大一些，但是通过调整分段高度和进路间距等参数后无底柱分 段崩落法采切比、废石比就不大了，并且无底柱分段崩落法有基建采切工程量少、 投资低、废石混入率低、出矿品位较高等优点，使无底柱分段崩落法的综合经济 效益更好。 2 0 中南大学硕= i 二学位论文第三章采空区嗣岩地压分布规律研究 3 1 概述 第三章采空区围岩地压分布规律研究 众所周知，当地下原岩体在没有开掘采准巷道、采场和硐室之前，岩体间相 互挤压，相互联系，相互制约，处于一种相对稳定的自然平衡状态。岩体中一经 开掘硐室，就破坏了原岩的自然平衡状态，使围岩内的应力重新分布。如果围岩 内的应力在重新分布的过程中发生应力集中或产生拉应力，就会导致围岩向没有 约束的空间运动。当某处所产生的拉应力达到或者超过围岩的强度，该处的岩体 就要破坏，这一般表现为各种形式的明显可见的空区倒塌，顶底柱或间柱垮落， 巷道下沉、冒顶、错动等采区的地压现象。 3 11 采场地压的特点 采场地压是指地下开采过程中，原岩对采场或采空区围岩及矿柱所施加的载 荷。这是由于地下矿体采出后所形成的采掘空间破坏了原岩的自然平衡状态，引 起岩体应力重新分布，引起采场围岩变形、移动或破坏等一系列地压现象。这些 地压现象的发生和发展过程称为采场地压显现。显然，严重的采场地压显现不仅 会恶化采场条件，影响采矿生产，甚至还会危及安全。 采场地压主要研究地下开采过程中采场地压分布及其显现规律。在此基础 上，一方面要根据矿山的具体条件，寻求控制围岩与矿柱稳定及大规模剧烈地压 显现的措施，以便将采场地压显现的强度、出现的时间和规律控制在不危害生产 及安全的允许范围内：另一方面还要尽可能地利用地压的分布和转移规律为采矿 服务，提高采矿效率，降低成本，减少矿石的损失与贫化，从而高指标地开采地 下资源。 采场地压的特点如下”1 ： 1 暴露空间大采场空间的跨度、高度比巷道大，故暴露面积大，采动影 响范围也大，因而，采场地压显现激烈，波及的范围广。同时，采场地压显现在 很大程度上受岩体及矿体中的层理、节理、断层等岩体结构特性及地质构造因素 的影响与控制。 2 复杂性采场空间的形态比规则巷道复杂得多，且其周围还布置有各种 巷道和硐室以及其他采场，因而，采场地压的分布、转移、显现不仅与某一采场 的形状、跨度、高度及埋藏深度密切相关，还与全采区或全矿区的采准工程及采 中南大学硕士学位论文 第三章采空区围岩地雎分布规律研究 场分布状况、回采方法、支护形式、空区处理等密切相关。因此，采场地压控制 必须综合考虑各种因素。 3 多变性矿体的开采、矿块的回采总是分阶段、分步骤进行的，各种采 掘空间不仅形成的时间先后不一，存留时间的长短或废弃时间的先后也不一致， 这就使采场围岩及矿柱中的应力分布在开采过程中多次发生变化，采场地压显现 的范围、强度也将因此而不断改变。所以，回采顺序、采矿强度、回采周期及采 空区处理