（采矿工程专业论文）露天坑下残矿回收安全控制技术研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 铜绿山矿i 号矿体下部残矿，位于南露天坑下，规模小，埋藏较深； 矿体上盘有一大断层将矿体与围岩隔开；下盘为大理岩，溶洞裂隙较发 育，透水性较强，矿山长期受民采影响。南露天坑闭坑时，北坑基建剥 离废石转入南坑回填，目前回填高度已达到8 0 m ，露天坑直接汇水面积 约4 5 8 1 0 4 m 2 ，积水有可能渗透到井下。矿山拟采用普通上向分层充填 采矿法回采i 号矿体下部残矿，为保证回采作业过程安全，本文主要从 以下几个方面进行了深入研究，并提出相应的安全控制技术措施： ( 1 ) 研究确定了残矿地段岩体力学参数。通过室内岩石力学试验和 岩体力学参数工程处理，得出符合工程实际的岩体力学参数。 ( 2 ) 研究确定了下部残矿由露天转入地下开采时露天坑底合理的境 界顶柱参数。运用f l a c 3 d 按不同境界顶柱参数进行开挖模拟，对比模 拟结果，综合考虑各方面因素，得出最优境界顶柱厚度为1 5 m ，采场最 优矿柱宽度为7 m 。 ( 3 ) 研究确定了回采过程中与断层破碎带间的隔离矿柱宽度。运用 f l a c 3 d 数值计算得出隔离矿柱的合理宽度为5 m 。 ( 4 ) 对残矿回采过程中的突水风险进行了评估并提出了控制措施。 采用层次分析和模糊评判方法综合运用于采场突水安全评估，提出应进 行采准巷道的超前探水等措施来减小突水事故的发生。 关键词：残矿回收，露天转地下，f l a c 3 d 中南大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h el o w e rr e s i d u a lo r ei n i 挣o r e b o d yo ft o n g l v s h a nm i n ew a ss m a l l s c a l ea n dd e e pb u r i e du n d e rt h es o u t ho p e np i t ag r e a tf a u l ts e p a r a t e dt h e o r e b o d yf r o ms u r r o u n d i n gr o c ko nt h eh a n g i n gw a l l t h ef o o t w a l lw a s m a r b l e ，w h o s ec a v ea n df i s s u r ew e r ew e l ld e v e l o p e da n ds t r o n gp e r m e a b i l i t y a n dm i n ew a s i m p a c t e db yt h ep r i v a t em i n i n gf o ral o n gt e r m a f t e rt h es o u t h o p e np i tw a sc l o s e d ，t h ei n f r a s t r u c t u r es t r i p p i n gw a s t er o c ko ft h en o r t hp i t b a c k f i l l e di n t ot h es o u t hp i t ，a n db a c k f i l lh a sr e a c h e dt h ep r e s e n th e i g h to f 8 0 mb yn o w , t h ed i r e c tc a t c h m e n ta r e ao fo p e np i tw a sa b o u t4 5 8 x1 0 4 m 2s o t h a tt h es e e p e rm i g h tp e n e t r a t ei n t ot h eu n d e r g r o u n d t h em i n i n ge n t e r p r i s e w o u l ds t o p et h e1 0 w e rr e s i d u a lo r ei n i 群o r e b o d yw i t ht h eo r d i n a r yu p w a r d f l a t c u t a n d - f i us t o p i n gm e t h o d t oe n s u r et h es a f e t yo fm i n i n go p e r a t i o n s p r o c e s s ，t h ef o l l o w i n ga s p e c t sw e r es t u d i e di nd e p t ha n dp r e s e n t e dt h e c o r r e s p o n d i n gt e c h n i c a lm e a s u r e sf o rs a f e t yc o n t r o l ： ( 1 ) s t u d y i n gt od e t e r m i n et h er o c km a s sm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f r e s i d u a lo r ea r e a b yt h ei n d o o rr o c km e c h a n i c st e s t i n ga n de n g i n e e r i n g t r e a t m e n tm e t h o do f r o c km a s sm e c h a n i c a l p a r a m e t e r s ，m e c h a n i c a l p a r a m e t e r so fr o c km a s sw a so b t a i n e dw h i c hw a sa c c o r d a n c e w i t ht h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ( 2 ) w h e nt h el o w e rr e s i d u a lo r et u r n e do p e np i ti n t ou n d e r g r o u n d ， s t u d y i n gt od e t e r m i n et h er e a s o n a b l ep a r a m e t e ro fb o u n d a r yp i l l a ro nt h e o p e np i tb o t t o m m a k i n gu s eo ff l a c 3 dt os i m u l a t ee x c a v a t i o nf o rd i f f e r e n t b o u n d a r yp i l l a rp a r a m e t e r s ，t h e nc o n t r a s t i n g s i m u l a t i o nr e s u l t sa n d c o n s i d e r i n ga l lf a c t o r s ，f i n a l l yo b t a i n i n gt h eb e s tb o u n d a r yp i l l a rt h i c k n e s s w a s15 ma n dt h eb e s tp i l l a rw i d t hw a s7 m ( 3 ) s t u d y i n gt od e t e r m i n et h ew i d t ho fs e p a r a t i o nj a m bb e t w e e nt h e f r a c t u r e df a u l tz o n ei nt h em i n i n gp r o c e s s o b t a i n i n gt h er e a s o n a b l ew i d t ho f s e p a r a t i o nj a m bw a s5 mb yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no ff l a c 3 d ( 4 ) t oe v a l u a t et h er i s ko fw a t e ri n r u s ha n dp r e s e n tc o n t r o lm e a s u r e si nt h e p r o c e s so fr e c o v e r yo fr e s i d u a lo r e ，t h ea n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s sa n df u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nw e r ec o m b i n e dt oe v a l u a t et h es a f e t yo fs t o p e w a t e ri n r u s h i no r d e rt or e d u c et h eo c c u r r e n c eo fw a t e ri n r u s h p r e s e n t i n gt h e i i a d v a n c e dd e t e c to fw a t e ra n do t h e rm e a s u r e si nt h ep r e p a r a t i o nt u n n e l k e yw o r d s ：r e c o v e r yo fr e s i d u a lo r e ，f r o mo p e np i tt ou n d e r g r o u n dm i n e ， f l a c 3 d i i i 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百y 匕 1 1 问题的提出及研究目的和意义 1 1 1 问题的提出 我国矿产资源虽然丰富，但人均矿产资源占有量少，还存在着浪费严重、资 源利用的高投入低产出等问题。由于采选技术落后，矿产资源的采选回收率远低 于国际水平，开采贫化率又远高于国际水平【1 1 。 随着社会建设的发展，我国资源需求与供应的矛盾日益突出，多数矿山经过 几十年的开采，也开始进入资源枯竭期。因此，加强矿山残矿资源的回收研究， 既是对正常开采的补充，也是对延长矿山的服务年限、提高矿山经济效益的一种 有效手段【2 1 。 铜绿山矿位于湖北省大冶市西南约3 公里，交通便利，是国有特大型企业大 冶有色公司下属的骨干矿山，以采选铜、铁、金、银为主要产品的资源开发型企 业，也是全国重点铜基地之一。该矿为一接触交代矿床，矿石品位高、储量大、 远景好，全矿区共有1 2 个矿体，其中主矿体4 个。铜绿山矿南露天坑开采对象 为i 、i i 号矿体，设计开采深度为1 8 5 m ，其中i i 号矿体已于上部采完，i 号矿 体大概实际开采至一1 8 7 m 。由于深部开采难度大，效率低，再加上汛期影响，南 露天坑开采已于2 0 0 5 年结束，即1 9 5 m 平台( 实际标高1 8 7 m ) 。 在南露天坑开采完毕后，仍留有部分挂边矿和下部残矿。挂边矿分布在北端 1 8 - 2 0 线间和南端l o 线附近的1 8 5 m 标高以上，下部残矿主要分布在1 0 - - 1 6 线1 8 5 - 3 0 5 m 标高间。现就挂边矿及残矿有关情况分述如下： ( 1 ) 北端挂边矿 由于在2 0 线附近8 8 m 平台建有一永久水仓，结合井下综合防治水方案，在 南露天坑闭坑后该水仓还继续使用，需要保护，其下部挂边矿不能回采，作为永 久损失。 ( 2 ) 南端挂边矿 i 号矿体南端1 0 线挂边矿为南露天坑运输公路的通过地段，在南露天坑结 束后可进行回采。由于矿量少( 约5 万吨) ，采矿工艺较简单，故不作详细研究。 ( 3 ) i 号矿体下部残矿 i 号矿体下部残矿赋存于1 0 - - - 1 6 线之间，走向长度1 l o m ，倾角6 0 0 , - - , 8 0 0 ， 矿体厚度5 , - - 一3 0 m ，矿体延深1 8 7 m - - - 4 2 5 m ，大部分赋存于2 7 5 m 以上，作为残 1 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 矿回采对象。 下面就i 号矿体下部残矿的基本情况介绍如下： 由于i 号矿体下部残矿规模较小，埋藏较深，坑底积水，露天方式开采技术 上难以实现。南露天坑2 0 0 5 年结束后，由于排土场和尾矿库容量不足，北坑基 建剥离废石和充填后剩余尾矿已转入南坑回填，同时也用于对露天转地下开采后 对露天高陡边坡的稳定性控制，目前回填高度已达8 0 m ，直接汇水面积约4 5 8 x 1 0 4 m 2 ，积水有可能渗透到井下。闭坑时，最终露天平台面积约有1 4 0 0 m 2 与开 采矿体紧密相连，采用双层钢筋胶结封底，由于封底过程受多种因素影响，质量 很难达到设计要求。资料显示，南坑露采炮孔底部已达1 9 7 m 标高，对下部残矿 的回采也有较大影响。 矿体围岩多为矽卡岩，稳固性较差，遇水膨胀软化，不可长期露置于潮湿空 气中。矿体上盘有一大断层将矿体与围岩隔开，断层最宽处达7 m ，断层充填物 不明，周围可能存在断层破碎带，且可能与南坑水体有直接水力联系，对矿体的 安全回采工作构成重大威胁。下盘为大理岩，溶洞裂隙比较发育，透水性较强。 同时，矿山长期受民采影响，在巷道掘进或采场矿石回采过程中，随时可能贯穿 民采空区，若空区含水含泥，则掌子面可能迅速被淹没，甚至出现淹井。因而， 水文地质条件比较复杂。 矿体下部较小，往上逐渐变大，呈倒锥形。矿体下盘边界总体倾向为东北向， 上盘边界较为陡峭。下盘矿体边界较为连续，平均倾角约为6 0 。；上盘矿体边 界不连续，可能有夹石隔开，平均倾角大约7 5 。矿体中间可能存在大块夹石 和小断层，矿岩稳固性较差。 针对其复杂水文地质条件，矿体上部即为露采南坑水体，对i 号矿体的回采 不宜采用大爆破的方式，只能采用浅眼崩矿方式回采。同时，矿岩及围岩都不稳 固，采场暴露面积不宜过大，而且出露的围岩不宜长时间暴露于空气之中，由此 应采用充填采矿法。矿山对该矿体的年产要求不是很高，因此，根据矿山多年的 采矿工艺技术及经验，拟采用普通上向分层充填法回采南露天坑下i 号矿体下部 残矿，分层高度3 m ，两采一充，控顶高度6 m 。 本文主要是从保证露天坑下残矿的安全回收、减小断层对残矿回收的影响及 减小采场突水对矿体回采的影响三个方面提出控制技术措施，以保证i 号矿体下 部残矿回采的安全进行。 ( 1 ) 由于i 号矿体下部残矿回采需要转入地下开采，为了保证地下回采的 安全进行，就必须在露天坑底留设境界顶柱。残矿的回采时，境界顶柱不仅可以 使开采矿量保持稳定，还可以保证通风系统正常运行。此外，考虑到矿岩及围岩 都不稳固，应尽量减小矿石顶板的暴露面积，同时也应缩短围岩和顶板的露置时 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 间，应尽快用充填料将采空区进行回填。经过初步计算，矿体下部较小的平面断 面面积约4 0 0 m 2 ，但随着标高不断升高，矿体平面断面面积逐渐变大。为减小顶 板暴露面积，考虑将矿体分成南北两部分来回采，在两部分之间留有一定厚度的 连续矿柱( 中间可掘进两个采场的联络道) 。由于矿体在不断上采的过程中南北 向的宽度变化较小，只是东西向长度变化较大，留着东西向的矿柱可以保持南北 两采场的宽度不会随着矿体的不断上采而逐渐变宽( 即使有些地方变宽也可以通 过再增加一条矿柱来解决) ，仅仅在东西向上越来越长，而条带状的采场顶板相 对来说是比较稳固的，长度的加长对顶板的稳固不会产生太大影响。 ( 2 ) 由于矿体的北帮紧贴着一条大断层，为减小断层对矿体回采工作的影 响，应在矿体北帮留有一定厚度的隔离矿柱，使采场回采空间与断层破碎带间保 持一定的距离。 ( 3 ) 由于南露天坑内回填体中水量较多，且可能与上盘大断层有水力联系。 另外，矿体下盘大理岩溶洞裂隙发育，透水性强，矿山长期受民采影响等复杂地 质条件，将导致i 号矿体下部残矿回采过程中可能发生突水事故。因此，必须对 可能发生的突水事故进行风险评估并制定有针对性的安全控制技术措施后，方可 按设计进行回采。 1 1 2 研究的目的和意义 所谓残矿，就是正规开采时留下的边角矿体，以及难采矿体，形成原因复杂， 回采难度大【3 】。残矿具有规模小、形态多变、分布零散、矿岩稳固性遭到破坏、 赋存情况复杂、回采安全性差等特点。因此，在对残矿进行回采时，必须采取相 应的控制技术措施。 残矿回收是弥补我国矿产资源日益枯竭，延长矿山寿命，提高矿山经济效益 的有效途径。残矿回收的意义【4 】： ( 1 ) 在原有工程的基础上回收残矿，只需投入较少的工程量，采矿成本低， 提高了矿山的经济效益； ( 2 ) 回收残矿可以延长矿山寿命，还能提供一定的工作岗位，具有较好的 社会效益； ( 3 ) 回收残矿可以充分利用有限的资源； ( 4 ) 残矿的回收途径可以为资源枯竭型矿山企业提供借鉴，保证资源枯竭 型矿山企业的可持续发展。 本课题的研究目的是针对铜绿山矿回采i 号矿体下部残矿的复杂水文地质 条件，提出相应的安全控制技术措施，以保证残矿回采的安全进行，从而为矿山 带来经济效益和社会效益。 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 露天转地下境界顶柱的研究现状 露天转地下开采矿山通常是矿体延伸较深、覆盖层不厚，多为中厚或厚大的 急倾斜矿床。由于这类矿床采用露天开采后，具有投产快、初期建设投资少、贫 损指标优等优点，早期一般采用露天开采方式进行开采，但当露天开采不断延深 后，这些矿山逐步由露天开采向地下开采过渡，最终全面转向地下开采【5 6 】。 露天转地下开采的矿山，其露天坑底境界顶柱厚度的确定，对于金属矿山地 下开采安全生产极为重要。对于境界顶柱安全厚度的选取，大多数矿山都是参考 类似矿山的经验来确定的。在国内，对矿岩稳固的矿山，其厚度一般在1 0 m 左右， 有的也取回采矿房跨度的一半。如我国的凤凰山铁矿，境界项柱是7 - , 1 0 m ；金 岭铁矿铁山采区在过渡时期，采用了1 0 - 1 3 m 的境界顶柱；国外则认为，当矿岩 的普氏( f ) 系数介于5 - - - 1 2 之间时，顶柱的厚度必须等于或大于矿房的跨度，实 际矿房的顶柱厚度为1 0 - - - 一3 0 m 。如芬“- p y h a s a l m i 矿，境界顶柱留了2 0 m 厚；另外 苏联的一些矿山在露天转地下开采过渡时，境界顶柱厚度一般也是1 0 3 0 m r 7 1 。 理论上，境界顶柱是一个长方形的厚板，该板与周边的矿体相连接，并承受着自 重和露天矿山设备的重量【8 1 。顶柱厚度的理论计算，目前仍处在实验研究和完善 阶段，各国学者都提出了许多计算顶柱厚度的建议和经验公式。陈文林【9 】等运用 工程类比法和莫尔一库仑极限平衡解析方法对安全境界顶柱厚度进行了评价。随 着计算机技术的发展，数值模拟方法也被越来越多的学者应用于境界顶柱厚度的 计算。张永彬【1 0 1 等运用东北大学岩石破裂与失稳研究中心的r f p a 2 d 数值模拟系 统，对具有代表性的断面进行了分析计算，模拟了开挖过程中境界矿柱的变形和 破坏情况，为矿山设计提出的境界矿柱厚度进行了验证和补充，同时也为矿山设 计施工提供了依据和指导。姜谙男【l l 】等将遗传算法与三维数值模拟相结合，研究 了境界顶柱全局优化的进化数值模拟方法，并将该方法用于大杏山铁矿的露天转 地下境界顶柱的优化，工程运用表明所提出的井下境界顶柱优化方法是可行的。 许宏亮【1 2 】等应用f l a c 3 d 软件建立矿体的力学模型，模拟境界矿柱的受力及其塑 性区分布情况，研究境界顶柱、间柱厚度以及间柱之间的间隔距离对矿柱应力分 布以及塑性区的影响，从而确定境界矿柱的合理厚度及其他参数，为矿山露天转 地下生产顺利进行提供科学依据。 1 2 2 断层对地下工程影响的研究现状 断层导致地下工程出现失稳破坏的现象广泛存在于多种岩土工程实践中，严 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 重影响相关工程的稳定性，甚至造成巨大的财产损失和重大的人员伤亡。因此， 断层的存在导致地下工程的变形、破坏及稳定性等问题是岩土工程实践中迫切需 要解决的重要课题之一【1 3 】。 断层的存在，会使岩体的初始应力在断层附近发生应力集中，产生应力重分 布，在工程开挖的一定范围内，将会使岩体的初始应力场变得更为复杂。黄醒春 u 4 】等研究了复杂断层扰动下的初始应力场的变化，给出了断层附近应力集中的 特点以及主应力分布规律。苏生瑞【l5 】认为，无论是活动断层还是非活动断层均 对初始应力场有明显的影响，非活动断层在断层附近使初始应力的方位发生变 化，而活动断层在断层附近使初始应力大小和方位均发生变化。 考虑断层对地下工程的影响，学者们大多是对此进行了定性研究。薛之龙， 杨家卫对小湾水电站泻洪洞洞身主体与f 7 断层交错段结构建立有限元模型，利 用有限元分析程序a n s y s 对其进行了线弹性静力分析，对泄洪洞衬砌进行了定 性的应力评价。e p d l e t 等采用三维有限差分的方法，研究了遂洞穿越断层区域 时，断层区域的长度，开挖的长度以及初始地质条件对隧洞围岩的应力场，位移 场的影响。s e o k w o nj e o n 等人同时采用模型实验和以f l a c 2 d 进行数值分析， 来研究断层和软弱面以不同形式穿过隧洞时围岩的位移场，塑性区，围岩的破坏 模式，两种方法取得了较一致的结果【1 6 】。 1 2 3 突水预测方法及控制技术研究现状 矿井突水灾害是在采矿活动影响下的一种动力现象，承压水沿隔水层中的导 水通道涌入矿井。几十年来，国内外许多学者对矿井突水机理进行了一些探索， 取得了大量的研究成果。“突水系数 、“强渗通道 、“水岩应力 、“零位破坏与 原位张裂 、“关键层 、“下三带 等理论学说，都从各个方面揭示了突水发生的 机理和预测方法，对于矿井安全生产起到了积极的指导作用。 矿井突水的预测预报是近年来矿井突水灾害防治研究的一个重要方面，很多 学者致力于这方面的研究工作，取得了重大进展。姜谙男【1 7 】等将突水量看成是 非线性、高维数、有限样本的模式识别问题，提出煤层底板突水量预测的最小二 乘支持向量机方法，建立了符合期望风险最小化原则的预测模型，表达了最大突 水量等级与其影响因素之间的非线性关系。王希良【1 8 】等利用地震和地质雷达技 术实现软弱结构面的准确空间定位和岩体结构的精细探测，建立煤层底板突水预 测模型，提出底板突水评价指标体系；并采用先进工艺的注浆堵水技术，对高承 压水实施封堵，堵水效果1 0 0 ，为深部煤层高承压水层上安全开采提供了一套 较成功的预报和控制技术。魏掣1 9 】等采用灰色聚类评估方法，建立矿井突水预 测模型，进行矿井突水预测，并取得了满意的预测精度。孙晓光【2 0 】结合新安煤 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 矿实际条件，运用突水系数法、理论计算法、“下三带 法分别进行突水危险性 预测，通过建立b p 神经网络模型进行底板突水量预测。在此基础上提出了以加 强地质探测、优化工作面布置及底板注浆加固为主要方法的防治水措施。 1 3 主要研究内容和方法 ( 1 ) 确定岩体力学参数。首先通过室内岩石力学试验得出岩石力学参数， 然后对岩石力学参数进行工程处理，得出更符合工程实际的岩体力学参数。 ( 2 ) i 号矿体下部残矿由露天转入地下开采后，确定合理的露天坑底境界 顶柱厚度及矿柱尺寸大小。境界项柱参数的选取对残矿的安全回采和矿石的损失 贫化都具有重要影响，本文主要是通过运用f l a c 3 d 对不同的境界顶柱参数进 行开挖模拟，然后对比分析各方案的模拟结果，得出最优的境界顶柱参数。 ( 3 ) 确定合理的隔离矿柱宽度。为减小断层对矿体回采工作的影响，拟设 计在矿体与断层之间留有一定宽度的隔离矿柱。为了使预留隔离矿柱既安全可靠 又经济合理，本文将采用岩土工程中常用的数值计算软件f l a c 3 d 对隔离矿柱 的宽度进行数值模拟研究。 ( 4 ) 对残矿回采过程中采场突水进行风险评估并提出相应的安全控制技术 措施。采场突水的风险评估是一个涉及到水文地质、工程地质、开采条件、岩石 力学等诸多因素的复杂地质问题，为了更准确的预测采场突水的可能性，本文将 采用层次分析法与模糊数学的综合评判方法结合起来综合应用于采场突水的风 险评估。此外，根据风险评估结果，本文将主要从采准巷道的超前探水和矿石回 采范围内开挖专用的探水硐室等方面提出相应的突水事故控制措施。 6 中南大学硕士学位论文 第二章矿岩物理力学性质试验及其工程处理 第二章矿岩物理力学性质试验及其工程处理 2 1 矿岩物理力学性质试验 2 1 1 试验目的 岩体的性质及结构是影响或决定岩体稳定性的物质基础，包括物理性质和力 学性质。为了获得数值模拟计算中所需的基础数据，进行了矿岩物理力学性质实 验。 根据岩土工程的计算要求，对典型矿岩进行了物理力学性质试验。试验项目 包括岩石的密度测定、抗压强度试验、抗拉劈裂试验及抗剪强度试验。从而确定 岩石的密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角等参 数。 2 1 2 试验内容 为了解矿岩物理力学性质，以便为岩体的变形和位移及稳定性研究提供依 据，在现场选取具有代表性的矿岩，由中南大学力学测试中心对岩样进行标准试 件制作，并在实验室对试件进行了多项物理力学试验。 图2 1s h t 4 2 0 6 型试验机 7 中南大学硕士学位论文 第二章矿岩物理力学性质试验及其工程处理 本次实验使用了由上海新三思计量仪器制造有限公司生产的s h t 4 2 0 6 型微 机控制电液伺服万能试验机，如图2 - 1 所示，准确等级为1 级，最大荷载为 2 0 0 0 k n 。试验所用设备准确先进，符合国家岩石力学试验标准，试验过程正确， 试验数据真实可靠，其所测得的矿岩主要性能指标可真实地反映出所提供矿岩试 件的力学性能。 ( 1 ) 岩石密度测定 首先测量试样两端和中间三个断面互相垂直的两个直径或边长，计算平均 值；然后将试样置于烘箱中，在1 0 5 - 1 1 0 0 c 的温度下烘2 4 h ，取出后，即放入 干燥器内，冷却至室温后称重( 本试验要求量测准确至0 0 1 r a m ，称重准确至 0 0 1 9 ) 。 计算公式为： 砌= i m 鬲d ( 2 - 1 ) 式中： 岛岩石烘干密度，g e m 3 ； 掰d 试样烘干重量，g ； 么平均面积，c 1 1 1 2 ； 日平均高度，g i l l 。 ( 2 ) 岩石单轴压缩变形试验 岩石变形试验，是在纵向压力作用下测定试样的纵向和横向变形，据此计算 岩石的弹性模量和泊松比。 弹性模量是纵向单轴压缩应力与纵向应变之比。本次试验用单轴抗压强度的 5 0 作为应力和该应力下的纵向应变值进行计算而得出。泊松比是横向应变与纵 向应变之比。本次试验用单轴抗压强度的5 0 时的横向应变和纵向应变计算而得 之。 采用静态电阻应变测量方法。首先将加工好的试件测量出尺寸。然后按着试 验要求粘贴电阻应变片，每个试件横向与纵向各两片。布片方式为试件高度的 1 2 处对称粘贴，串联后接入y j 5 型电阻应变仪，应变片组桥采用半桥接法。接 好后调平电阻应变仪，然后开动压力机等间隔加载，在应变仪上读取岩石试件横、 纵应变，在破坏载荷范围内等间隔至少读取1 0 个应变值。 抗压强度吒计算公式如下： 旷三 ( 2 2 ) 8 中南大学硕士学位论文第二章矿岩物理力学性质试验及其工程处理 式中：轴向应力，m p a ； p 试件的破坏荷载，n ； 彳试件截面积，m 2 。 由试验可得到应力与纵向应变及横向应变关系曲线，而后按下列公式计算岩 石的平均弹性模量和平均泊松比： e ：o 1 5 0 ( 2 3 ) 6 1 5 0 式中：e 弹性模量，m p a ； q s o 相当于5 0 抗压强度的应力值，m p a ： 占1 5 0 应力为抗压强度5 0 时的应变值。 式中：s o 泊松比； ，。：血 ( 2 4 ) 6 1 5 0 6 d 5 0 应力为抗压强度5 0 时的横向应变值； 占1 5 0 应力为抗压强度5 0 时的纵向应变值。 计算值取弹性模量、泊松比和单轴抗压强度均取至小数点以后两位。 ( 3 ) 岩石抗拉强度试验 试样在纵向力作用下出现拉伸破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的 单轴抗拉强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。 劈裂法试验是测定岩石的单轴抗拉强度仃的方法之一。该法是在圆柱体试 样的直径方向上，施加相对的线形荷载，使之沿试样直径方向破坏的试验。通过 试件直径的两端，沿轴线方向划两条相互平行的加载基线，将两根垫条沿加载基 线固定在试件两端；将试样置于压力机承压板中心，调整有球形座的承压板，使 试样均匀受载，并使垫条与试件在同一加荷轴线上；以每秒0 5 - 1 0 m p a s 的加 载速度加荷，直到试样破坏为止，并记录最大破坏载荷及加荷过程中出现的现象。 按下式计算岩石的单轴抗拉强度： 吼= 2 p s j d h ( 2 5 ) 式中：q 岩石单轴抗拉强度，m p a ； 尸最大破坏载荷，l 澍； h 试件高度，m m ； d 试件厚度，1 t i m 。 计算值取至小数点以后两位。 ( 4 ) 岩石抗剪强度试验 岩石的抗剪强度是岩石对剪切破坏的极限抵抗能力。标准岩石试样在有正应 9 中南大学硕士学位论文第二章矿岩物理力学性质试验及其工程处理 力的条件下，剪切面受剪力作用而使试样剪断破坏时的剪力与剪断面积之比，称 为岩石试样的抗剪强度。 利用几个不同角度的抗剪夹具做试验，得出试样沿剪断面破坏的正应力和剪 应力之间的关系，以确定岩石抗剪强度曲线的一部分。 本实验采用倾斜压膜法测定岩石抗剪强度。首先测量试件边长。然后在每个 试件上标注剪切面和剪切面倾角。将立方体试件放在两个钢制的压模之间，而后 把夹有试件的压模放在压力机上加压。当施加载荷达到一定值时，试件沿预定剪 切面剪断，记录破坏载荷。调整剪切面倾角( 3 0 0 、4 5 0 、6 0 0 ) 便可以得到不同 倾角下每个岩石试件的剪切强度值。 根据下式计算试样所受的正应力和剪应力： p o r = 一s l n 口 a ( 2 6 ) p f = 一c o s 口 么 ( 2 - 7 ) 式中：o r 抗剪断面上平均正应力，m p a ； f 抗剪断面上平均剪应力，m p a ； 口抗剪夹具的角度( 剪力与竖直方向) ，度； p 式样破坏时的载荷，n ； 彳剪断面积，m m 2 。 根据以上公式计算可得到试件在不同剪切角度作用下的剪应力t 值和法向 应力o - 值。然后根据莫尔一库仑定律( f = c + o r t a n ) 作图，利用e x c e l 线性回 归求出岩块的粘结力c 和内摩擦角伊。 2 1 3 试验结果 表2 1 岩石物理力学性质参数表 1 0 中南大学硕士学位论文第二章矿岩物理力学性质试验及其工程处理 将室内岩石力学试验数据通过公式( 2 1 ) ( 2 7 ) 即可求得岩石力学的各 项参数，剔除奇异数据，将合理数据取平均，得到最终实验结果见表2 1 。 2 2 岩体力学参数的工程处理 2 2 1 处理方法概述 在岩体工程稳定性分析中，岩体力学参数的选取与实际是否相符，会对计算 结果产生重大影响，甚至可能出现不能接受的计算结果。按照试验地点划分，岩 体力学参数的测定方法分为现场大型原位试验和室内岩块试验两类。虽然前者确 定的岩体力学参数比后者更为按近工程实际，但是其工程浩大、费用高昂，受到 多种环境和技术条件限制。所以，一般工程上，多采用后者取得岩块力学参数以 应用于岩体工程1 2 。 由于岩体中节理弱面的存在，以及水、风化等外力的作用，使得岩体的力学 行为与岩石试块所表现的力学参数存在着差异。将岩石试块的力学参数应用于岩 体工程前，必须对参数进行工程处理，以使得岩体力学参数的工程处理分析结果 更接近于现场岩体的实际情况。因此，需要利用室内试验资料，采用多种工程处 理方法，得到符合工程实际的岩体力学参数【2 2 1 。 岩体在力场的作用下的性质包括两个方面：岩体的变形特征和强度特征。主 要的代表性力学参数包括岩体弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、岩体抗拉 强度、岩体抗压强度等。岩块的上述几项力学参数均可以通过室内岩石力学试验 获得，岩体力学参数可以用s i i a g h 法、k a l a m a r a s 法和h o e k - b r o w n 法等多种工程 处理方法对由室内岩石力学试验获得的岩块力学参数进行了工程处理求得。国内 外众多著名专家学者在岩体物理力学参数测定及其工程处理方面开展了研究。郭 启良【2 3 】采用了水压致裂技术进行了岩石抗劈裂强度和高水压透水率的测试。尹 贤刚【2 4 】采用先进的m t s 实验系统和声波测试系统，对岩石的单轴抗压强度、抗 拉强度、泊松比、弹性模量、内摩擦角、粘结力以及岩石声波速度进行了室内试 验研究。 2 2 2 岩体质量分类 岩体力学参数的经验法处理过程中，岩体质量分类起着重要的作用。岩体工 程主要的岩体质量分类系统有：r m r 系统、q 系统、h o e k b r o w n 系统等。1 9 7 3 年，b i e n i a w s k i 提出了包含了6 个参数的r m r 系统岩体分类法，这6 个参数分 别为完整岩石的单轴抗压强度、岩体质量指标、节理间距、节理粗糙度与张开状 中南大学硕士学位论文 第二章矿岩物理力学性质试验及其工程处理 况、地下水条件、节理方位，其评分标准见表2 2 ；1 9 7 4 年，b a r t o n 也提出了包 含了6 个参数的q 系统岩体分类法，这六个参数分别是r q d 岩体质量指标、节 表2 - 2 心服分类计算表 导洞段长1 0 m ，水量 无 1 2 5 无 2 5 ( l r a i n ) 地 裂隙水压力与最大 5下0 应力比值 一般条件完全干燥 分数 1 5 o 0 1 0 1 0 20 2 0 5 润 1 0 湿 7 滴 4 0 5 流 0 不连续结构面方向条件 很好 6 分数0 好 一2 中等 - 5 差 一1 0 很差 - 1 2 表2 - 3 岩体r m r 评分表 1 2 中南大学硕士学位论文第二章矿岩物理力学性质试验及其工程处理 理组数、节理粗糙度、节理变蚀程度、节理水、应力折减系数等；1 9 8 0 年，h o c k 和b r o w n 提出了h o c k b r o w n 系统，它是根据h o c k b r o w n 强度准则中的参数确 定岩体的分类的，见表2 - 4 2 5 。2 7 】。由于b a r t o n 的q 系统岩体分类法野外很难操作， 因此，本文只采用r m r 和h o c k b r o w n 两种分类系统对室内实验得出的岩石力 学参数进行经验折减法工程处理，且根据表2 2 可以得出岩体评分表见表2 3 。 表2 - 4 由岩石类型所决定的h o c k b r o w n 常量m i 【2 8 】 2 2 3 岩体强度参数的工程处理 工程上，利用h o c k b r o w n 强度准则计算岩体强度比较普遍，大量工程实践 表明利用该准则所计算出的数值与现场的实验结果比较接近。故可以采用 h o c k b r o w n 强度准则计算得到的岩体的抗压、抗拉强度。 h o e k b r o w n 法利用r m r 系统评分【2 9 1 ，其岩体强度公式为： 仃l = 0 3 + x m 仃。o 3 + s 2 ( 2 - 8 ) m ：m ；l r m r - 9 5 e x pi ( 2 9 ) 肛；i 下l 蟛叫， 耻佃c x p l 等产i 式中：q ，吧破坏时的最大主应力、最小主应力，m p a ； 以岩石单轴抗压强度，m p a ； 1 3 中南大学硕士学位论文第二章矿岩物理力学性质试验及其工程处理 ，墨为完整岩石的m ，s 值，m ，值如表2 - 4 所示，完整岩石墨= 1 ； m ，s 岩体力学参数的随机变量。 m ，s 值的大小取决于岩石的矿物成分、岩体中结构面的发育程度、几何形 态、地下水状况及充填物性质等。 根据野外岩体的地质特征和岩体的r m r 分类得分与岩体强度参数的关系， 就可以估算岩体弱化后的强度参数值。 当盯，= 0 时，可导出弱化后的岩体单轴抗压强度为f 3 0 】： 仃聊= s 吒 ( 2 1 1 ) 当吼= 0 ，可得弱化后的岩体单轴抗拉强度为【3 1 】： 仃槲：h k 一厮】( 2 - 1 2 ) 式中：以岩石单轴抗压强度，m p a 。 由式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 可以推出岩体内聚力为： e ，nra 3 o r n c o r 哪 !3)kz- 一 岩体的内摩擦角丸为： 九一留i 州o m e - - o r i n t ，j q _ 1 4 ) 由上面相关的岩体强度工程折减计算方法，可以求出弱化后的岩体强度参 数，结果见表2 5 。 表2 - 5 岩体强度参数的工程处理结果 2 2 4 岩体变形参数的工程处理 由于岩体中节理弱面的存在，使得岩体的弹性模量比岩石试块的弹性模量低 得多。在岩体力学参数的原位试验受到条件限制时，常有下述几种确定岩体弹性 模量的方法【2 1 】： ( 1 ) 根据室内岩块试验获得的弹性模量进行折减得出岩体弹性模量； 1 4 中南大学硕士学位论文第二章矿岩物理力学性质试验及其工程处理 ( 2 ) 利用岩石质量指标r q d 确定岩体弹性模量与岩石试块弹性模量的比 值，从而确定岩体的弹性模量： ( 3 ) 由声波测试方法获得； ( 4 ) 岩体变形常数的理论预计方法； ( 5 ) 根据c s i r 工程地质分类法确定岩体弹性模量。 其中z t b i e n i a w s k i 的工程地质分类法( c s i r ) 确定岩体的弹性模量，所考 虑的因素比较全面。此方法又分为两种处理方式： 其一，通过对大量的岩体工程总结并统计分析，z t b i e n i a w s k i 得出岩体弹 性模量e 。( g p a ) 与c s i r 计分值r m r 之间存在下述关系： 风= 2 r m r 一1 0 0 ( 2 1 5 ) 当l 蝴r 5 0 时，由s e r a f i m ，p e r e i r a 等提出另一种瓯与r m r 的关系【3 2 】： 尼 扭一1 0 玩= 1 0 4 0 ( 2 1 6 ) 故由c s i r 计分值r m r ，依式( 2 1 5 ) 或式( 2 1 6 ) 可求得岩体的弹性模量e 。 e l 趔 丑 嘲 j 罂5 龄 制 图2 - 2 c s i r 计分r m r 值 表2 - 6 岩体变形参数的工程处理结果 1 5 中南大学硕士学位论文 第二章矿岩物理力学性质试验及其工程处理 其二，c s i r 工程地质分类法的计分值r m r 与弹性模量比值e m 目( 风一 岩体的弹性模量；局岩石试块的弹性模量) 之间存在着如图2 - 2 所示的关系例。 因此，依照c s i r 工程地质分类法的岩体计分值r m r ，并考虑室内岩石试块的 弹性模量蜀，由图2 - 2 亦可获得岩体的弹性模量。通过计算，可以得到折减后岩 体变形的相关参数，结果见表2 - 6 。 2 3 本章小结 岩土工程分析前通常需要进行岩石物理力学性质试验，本章首先介绍了岩石 抗压、抗拉、剪切试验，并详细介绍各试验的原理。由于现场岩体是由结构面和 结构体构成的复杂体，使得岩体力学性质与岩石力学性质之间存在很大的差异， 因此，合理确定岩体工程的力学参数，是进行工程设计和稳定性分析工作的重中 之重。本文作者通过岩体工程主要的岩体质量分类系统，如r m r 系统、 h o e k b r o w n 系统等，对室内实验结果得到的岩石力学参数分别进行岩体强度参 数和变形参数的工程处理，得到更接近于实际岩体工程的力学参数，如岩体弹性 模量、岩体抗剪强度指标c 、值，抗拉强度和抗压强度等。岩体力学参数工程 处理结果见表2 7 。 表2 7 岩体力学参数工程处理结果汇总表 注：由于岩石与岩体的密度和泊松比没有太大的变化，所以本文没有对其进行工程处 1 6 中南大学硕士学位论文第三章露天转地下残矿回收境界顶柱参数研究 第三章露天转地下残矿回收境界顶柱参数研究 3 1 概述 铜绿山矿i 号矿体下部残矿埋藏较深，且为急倾斜矿体，因此，矿山拟采用 地下开采的方式回采该下部残矿。闭坑时，采用双层钢筋胶结封底，由于封底过 程受多种因素影响，质量很难达到设计要求。资料显示，南坑露采炮孔底部已达 1 9 7 m 标高，对下部残矿的回采也有较大影响。同时，露天开采结束后，北坑基 建剥离废石和充填后剩余尾矿已转入南坑回填，且回填高度已达到8 0 m 。基于i 号矿体下部残矿的现状，为保证残矿的安全回采，需要在露天坑底留设一定厚度 的境界顶柱，如图3 1 所示。考虑到矿岩及围岩都不稳固，应尽量减小矿房顶板 的暴露面积，拟在矿体中间留一定厚度的连续矿柱，如图3 2 所示。 图3 1 境界顶柱、矿柱示意图 h 一境界顶柱厚度；b 一矿柱宽度；b 一境界项柱跨度 图3 2 矿柱平面示意图 1 7 中南大学硕士学位论文第三章露天转地下残矿回收境界顶柱参数研究 对于不同矿山一般主要根据具体情况留不同的境界顶柱厚度，但是境界顶柱 留的过薄，易造成境界顶柱的突然垮塌，会对地下采空区产生强动力冲击，并且 境界矿柱塌落时，对采空区空气压缩，被压缩的空气从与采空区连通的巷道泄出 时具有很高的速度( 高达l o o m s 以上) ，形成破坏性很大的气浪，对井下设施及 人员有很大危害，甚至可使矿井报废。境界顶柱如果留的过厚又会造成矿产资源 的浪费，因为顶柱回采率低( 目前，在我国只有4 0 左右，甚至更少) ，贫化率 大【3 4