（岩土工程专业论文）金川二矿区深部采矿回采进路布置与回采顺序优化研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 金川镍矿区是我国三大资源综合利用基地之一，是国内最大的镍、 钴、铂等有色金属生产基地。金i l l - - 矿区的矿体赋存于岩体稳定性差的 高应力地层中，开采条件差。如何更为有效地维护二矿区下向进路胶结 充填采矿法充填体的稳定性，一直是矿山生产实践中需要解决的重要技 术难题。作者结合矿山重大技术攻关课题的研究任务，采用理论分析与 有限差分法相结合的方法，对充填体进路的应力分布，以及回采进路的 布置与回采顺序变化对充填体稳定性产生的影响等技术问题，进行了较 为系统地研究。得出的主要结论如下： ( 1 ) 根据二矿区的回采进路的结构参数，进行了下向进路承载层稳 定性研究分析，建立了下向进路充填体的两种力学模型“简支梁模 型”和“薄板结构模型”。进一步地，应用模型分析了回采胶结充填迸 路的应力分布规律。这对于假顶结构参数设计的实践，具有一定的理论 指导意义。 ( 2 ) 在地质条件，进路结构参数以及充填材料力学性质相同的情况 下，采用f l a c 3 0 数值分析软件，模拟分析了上下分层回采进路布置方式 的变化，对采场结构及充填体稳定性产生的影响。结果表明：与上下分 层进路相互平行布置的方式相比，采用上下分层进路垂直交错布置的方 式，更有利于改善充填体的应力分布状态，有利于控制充填体及围岩的 位移变形。 ( 3 ) 在进路布置方式的相同的情况下，分析了同一分层中不同的回 采顺序，对矿岩和充填体中的应力、位移及其塑性区分布等指标产生的 影响。结果表明：采用从中央至两翼的回采顺序，通过改善矿岩及充填 体中的应力分布状态，减小介质的位移及介质中塑性区的分布范围，有 利于维护采场结构与充填体的稳定。 得出的上述结论，对于提高二矿区采场结构与充填体的稳定性，减 少矿石的损失量，具有一定的工程应用价值。 关键词：下向胶结充填采矿，回采进路布置，回采顺序，稳定性，数值 分析 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 i nc h i n a ，j i n c h u a ng r o u pi so n eo ft h r e eb a s e so fm a n y s i d e du t i l i z i n g m i n e r a l s ，a n di ti st h el a r g e s tp r o v i d e ro f n i c k e la n dc o b a l t i t so r ed e p o s i ti s b u f f e di nt h ep o o rs t r a t aw i t hh i 【g hh o r i z o n t a lg r o u n dp r e s s u r e ( t e c t o n i c s t r e s s e s ) ，a n di t sm i n i n gs i t u a t i o ne x t r e m e l yb a d t h u s ，h o wt oe f f e c t i v e l y k e e pt h er e l a t i v es t r u c t u r e so fu n d e r h a n dc u t - a n d - f i l ld r i f ts t o p i n gs t a b l ei s o n eo f c r u c i a lt e c h n i c a lp r o b l e m st ob es o l v e di nt h em i n e s a c c o r d i n gt ot h e i n v e s t i g a t i o nc o n t e n t so fap r o j e c tf r o mn o 2m i n eo fj i n c h u a ng r o u p ，t h e s t r e s sd i s t r i b u t i o ni nf i l l e dm i n i n gd r i f tw a ss t u d i e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ， a n dt h ee f f e c to fl a y o u to fm i n i n gd r i f t si nt h eu p p e rs l i c ea n du n d e rs l i c e a n dm i n i n gs e q u e n c eo nt h es t a b i l i t yo fd r i f ts t o p ea n di t ss u r r o u n d i n g sw a s s t u d i e db yn u m e r i c a lm o d e l i n g ( f l a c 1 t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i s t h e s i sa r ea sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) b a s e do nt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fu n d e r h a n dm i n i n gd r i f ti nt h e m i n e ，t w om e c h a n i c a lm o d e l s ，t h a ti sb e a mm o d e la n dt h i n - s l a bm o d e l ，w e r e g i v e n ，a n dt h es t a b i l i t yo f b e a r i n gl a y e r ( p a r t i a la r t i f i c i a lw o oo f m i n i n gd r i f t w a ss t u d i e db yt h em o d e l s f u r t h e r , t h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni nf i l l e dd r i f tw a s o b t a i n e da c c o r d i n gt ot h em o d e l s ( 2 ) u n d e rt h es a m es i t u a t i o no fs t r a t a , t h es a m es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f d r i f ts t o p e ，a n dt h es a m em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff i l l i n gm e d i aa sw e l l ，t h e e f f e c to f t h ed i f f e r e n tl a y o u to f d r i f t si nt h eu p p e rs l i c ea n di nt h eu n d e rs l i c e o nt h es t a b i l i t yo fs t o p ea n di t ss u r r o u n d i n g sw a sn u m e r i c a l l ym o d e l e db y f l a c t h er e s u l t ss h o w e dt h a t i nc o m p a r i s o nw i t ht h ep a r a l l e ll a y o u to f d r i f t s i nw h i c ht h ed r i f t si nt h eu p p e rs l i c ea r ep a r a l l e lt ot h o s ei nt h eu n d e r s l i c e ，t h ep e r p e n d i c u l a rl a y o u to fd r i f t s ，i nw h i c ht h ed r i f t si nt h eu p p e r s l i c e a r ep e r p e n d i c u l a rt ot h o s ei nt h eu n d e rs l i c e ，w o r k e db e t t e r u n d e rt h e p e r p e n d i c u l a rl a y o u t , t h em a g n i t u d e o fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to fm o n i t o r e d p o i n t si nt h es u r r o u n d i n g so fs t o p ew a sl e s st h a nt h o s eu n d e rt h ep a r a l l e l l a y o u t ，r e s p e c t i v e l y ( 3 ) b yt h en u m e r i c a lm o d e l i n g 。i tw a sf o u n dt h a tc h a n g ei nm i n i n g s e q u e n c ei nas l i c er e s u l t e di nc o r r e s p o n d i n gc h a n g ei nt h er a n g eo fp l a s t i c z o n ea n dm a g n i t u d eo fd i s p l a c e m e n ti nt h es u r r o u n d i n g s c o m p a r e dw i t ht h e m i n i n gs e q u e n c ef r o mt w o e n d so fo r e b o d yt oi t sc e n t e r , t os o m ee x t e n d ，t h e 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t s t a b i l i t yo fs t o p ea n di t ss u r r o u n d i n g sw a si m p r o v e du n d e rt h es e q u e n c e f r o mt h ec e n t e ro f o r e b o d y t oi t st w oe n d s a b o v e d - m e n t i o n e dc o n c l u s i o n sa r eg o o df o rn o 2m i n et oa c h i e v ei t s s a f ea n de f f i c i e n tp r o d u c t i o no b j e c t i v e s k e yw o r d s ：u n d e r h a n dd r i f tc u t - a n d f i l ls t o p i n g ，l a y o u to f m i n i n gd r i 凰 i nu p p e rs l i c ea n du n d e rs l i c e ，m i n i n gs e q u e n c e ，s t a b i l i t y ，n u m e r i c a l a n a l y s i s i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志 对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：置翌日期：兰：2 年竺月兰日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储躲j 生导师躲氍坠魄2 z 钽月互旧 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 采矿业是一项古老的行业，为人类社会的发展作出了重要贡献。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。 2 l 世纪是现代科学技术高速发展和现代工业生产高速增长的时期，对矿产品资 源的开发利用规模和强度也是人类历史上从来没有的，各种有色，黑色金属，煤炭， 化工材料等得到了最大限度的开发利用，随着浅部资源的日益枯竭，世界各国已逐 步开始了深井开采。矿产资源是不可再生资源，可持续发展战略也日益为人类所重 视，在现代科学技术条件下，人们一方面将最大限度地开采矿产资源已满足当前社 会发展需要，另一方面又要最大限度的节约和利用矿产资源，以维持长期的可持续 发展战略目标。同时，矿产资源的大规模和高强度开采，对生态环境产生了严重的 负面影响，导致地表下沉、塌陷，排放的“三废”污染环境；随着开采深度的加深， 地压活动的加剧，甚至发生岩爆，严重影响了矿山生产的安全及正常生产。而充填 采矿技术在充分回收矿产资源，控制深井开采地压活动和改善环境保护方面具有明 显的优势且己取得显著的成效，因而引起了矿山界的普遍重视，充填采矿法在世界 各国得到了越来越广泛的应用，如加拿大充填采矿法的比例已经达到了4 0 以上， 我国地下矿山中4 5 的有色金属大中型矿山和3 7 的黄金矿山都采用充填法【l - 7 1 。 1 2 充填采矿对矿产资源开发的重要意义 开采金属矿山的空场法，崩落法，充填法虽然都得到了长足的发展，但是充填 采矿法，特别是胶结充填采矿法在最近三四十年中发展最快。因为它能最大限度地 回采各种复杂地质条件下的难采矿体和深部矿体，特别适合开采贵金属矿和铀矿。 采用充填采矿法能保证地表不塌陷，能大量处理固体废物，对环境保护严格的地区， 如名胜地区矿物的开采很适合。虽然充填采矿法在常规条件下存在工艺复杂，效率 较低和成本偏高等缺点，但是，如果因地制宜，方案选择合理，实际应用得当，科 学管理水平较高，人员素质较好。特别是与井下无轨自行采矿设备和高浓度采矿技 术相结合，仍能获得很高的劳动生产率和矿石回采率，创造良好的经济效益和社会 环境效益p “j 。 特别是胶结充填采矿法，胶结充填体强度及其支撑能力有利于加大回采水平间 中南大学硕士学位论文第一章绪论 距和采场空间，也有利于降低采矿成本。随着环境保护法规日趋严格，只有胶结充 填采矿才能最大程度的保护环境，因此备受国内外矿业青睐。胶结充填采矿技术的 出现和发展，给金属矿山，特别是有色金属矿、金矿、铀矿的开采带来了巨大的深 远的影响，使得坑内采矿的诸多复杂的技术难题从此找到了解决的途径，具体表现 在以下几方面： ( 1 ) 胶结充填采矿技术可以应用到水平矿体，缓倾斜矿体，急倾斜矿体，分枝复 合矿体等各种角度，各种复杂多变的矿体，特别是厚大矿体，将大幅度提高矿柱回 采率和出矿品位，因此可以最大限度地回收贵重金属和高品位矿石； ( 2 ) 采用胶结充填采矿技术可以有效地控制地压活动，缓解深部采矿时岩爆的威 胁； ( 3 ) 采用胶结充填采矿技术可以有效地阻止岩层发生大规模移动，实现水体下， 建筑物下采矿，同时保护了地表不遭破坏，维持原有的生态环境； ( 4 ) 采用胶结充填采矿技术可以对某些需要优先开采下部或底盘富矿的矿山实 现“采富保贫”而不会造成矿产资源的破坏和损失； ( 5 ) 胶结充填采矿技术能有效地隔离和窒息井内火灾，因而成为开采有自燃性硫 化矿床的有效手段1 1 厶1 6 1 。 1 3 采场围岩及充填体稳定性的控制因素 采场围岩及充填体的稳定性关系到矿山的安全生产，因此一直受到高度关注， 特别对于深井开采矿山和存在大跨度采场的矿山更是如此。因此这些矿山往往存在 重大的事故隐患，如可能诱发采场地压剧烈显现、大规模岩移、矿岩整体失稳、巷 道顶板突发性冒落以及岩爆、冲击地压等，这些都将是造成财产的巨大损失和人员 的重大伤亡。随着开采的不断延伸、采矿范围的扩大，地压增高，尤其高地应力矿 区的地应力增高，不仅使采场突变失稳的风险在增加，而且潜在的危害性也在增大。 因此进行地下采场稳定性评价与失稳风险预测预报，对提高地下采矿经济效益，确 保人身安全，最大限度地开采矿产资源具有积极意义。 地下矿体的采出，在岩体中形成空区，破坏了原来平衡的应力场。因此，应力 必然进行传递和调整，其传递和调整的结果，可能导致围岩应力场再次处于平衡状 态；另一种可能，由于采矿的影响，导致围岩强度降低和松动，致使围岩大范围破 坏，整体结构失稳。采场围岩的稳定性评价与失稳预测预报就是研究围岩内的应力 传递和调整过程以及最后所处的状态。 不同于地表结构工程，采矿工程是建立在经历了长期地质构造作用和演化的地 质体中，影响工程稳定性的因素不仅多，而且具有很大的不确定性。因此，探讨影 响地下采场稳定的主要因素以及基本规律，是进行采矿工程稳定性分析的前提【1 7 - 】。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 1 矿区工程地质条件 矿区工程地质条件是影响矿区围岩稳定性的内在因素。矿岩类型、物理力学性 质、结构面发育程度以及矿岩体的变形特性、流变特性，则在很大程度上控制矿岩 体的破坏杌理、失稳形式和稳定状态。认识和评价矿岩体的工程地质条件，准确、 可靠地预计矿岩体力学、变形参数，是进行采场围岩稳定性分析的基础。 ( 1 ) 矿、岩体物理力学性质 矿床的形成方式和演变过程决定了矿、岩的基本力学性质。矿岩体的物理力学 性质包括矿石和岩石的密度、容重、空隙率、膨胀型等。矿、岩石强度主要是指矿、 岩体的抗剪强度、抗拉和抗压强度。矿、岩石的变形特征通常基于节理发育程度、 节理面形态以及结构面力学性质，是含矿岩体变形破坏的控制性因素。因此，矿、 岩体的结构特性主要区别在于其内在的结构面类型、规模和性质不同所显现的矿、 岩体结构效应上的差异，在力学性质上主要表现为各向异性、非均质性和高度非线 性。 ( 2 ) 矿区结构面产状及发育程度 地质结构面的存在，不仅破坏了岩体的连续性，而且其结构面的产状使岩体强 度具有明显的结构效应。它不仅大大地降低了岩体的强度，增大了岩体的变形量， 而且还控制岩体的破坏机理和破坏形式。事实上，岩体的破坏大多沿着结构面或追 踪面理进行。所以，结构面是影响巷道工程破坏的重要因素之一。但结构面的规模， 如断层、节理、裂隙等在岩体工程变形破坏中引起的作用是有区别的，在稳定分析 时应予以注意。 1 3 2 矿体赋存环境 矿体赋存环境是指矿床所处的区域性构造应力，即原岩应力、地下水条件和地 温。对于深度大于1 0 0 0 m 的矿床，一定要考虑温度对围岩稳定性的影响。众多工程 的原岩应力测试表明，大部分矿区都存在着水平构造应力。也就是说，矿区的应力 场并不遵循海姆定律，即最大主应力不是垂直方向，而是水平或接近水平方向的。 众多的地下工程实践表明，水平构造应力是影响地下工程稳定性的最重要因素之一 因此，研究矿区构造应力大小与方向以及随深度和位置的变化规律，对于采场围岩 稳定性分析极为重要，是地下工程设计必须考虑的因素之一。 1 3 3 充填体强度确定 采用胶结充填采矿法的矿山，对胶结充填体的强度均有明确的要求。冶金矿山 安全规程规定：“下向胶结充填法充填用混凝土标号不得低于5 0 号，如加钢筋网， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 则不得低于4 0 号”；有色金属采矿设计规范规定：“下向分层充填法的分层假顶， 尤其是第一、二分层的假顶，必须充填完整坚实，充填体强度应为3 - 4 m p a ”。事实 上，由于各矿山工程地质条件、进路宽度、充填材料及工艺等因素的不同，各个矿 山对充填体强度的要求并不一致。如果充填体强度确定过高，耗费不必要的水泥； 确定的充填体强度过低，则难以进行生产，工作人员和设备的安全得不到保证。 合理确定充填体的强度，以确保生产安全、降低成本和充分回收矿产资源，是 使用充填采矿法的矿山研究的重要课题。随着充填采矿法的普遍应用，国内外许多 矿山在充填体强度设计方面积累了丰富的经验，在开采技术条件、采矿工艺和采用 的机械设备相同或类似的情况下，可以引用和借鉴。 ( 1 ) 国内外矿山经验 金川有色金属( 集团) 公司l o 矿区下向分层水平进路充填采矿法【1 9 1 ，采用一3 m m 棒磨砂胶结充填，砂浆质量浓度7 7 7 9 ，充填体强度r 2 s = 5 m p a ；金川有色金 属( 集团) 公司龙首矿下向分层进路( 六边形) 充填采矿法，采用钢筋网铺底的混凝土 胶结充填，充填体强度为r t = l ，5 m p a ，r 2 s = 4 m p a ；凡口铅锌矿机械化上向分层充填 采矿法1 2 0 l ，采用全尾砂胶结充填和一3 锄，棒磨砂胶结充填浇面( 浇面层厚度o 5 i r a ) ，尾砂胶结充填体强度1 5 2 m p a ；三山岛金矿上向分层点柱充填采矿法【2 l l ， 采用全尾砂胶结充填，充填体强度0 7 1 m p a ，浇面层厚度超过0 4 m ，浇面层充填 体强度1 5 2 m p a ；武山铜矿下向分层充填采矿法口2 】，采用全尾砂高水固化充填， 充填料浆浓度6 5 7 0 ，通常充填体强度l 2 m p a ，人工假顶充填体强度4 5 m p a ， 人工假顶高度l m ；焦家金矿机械化上向分层进路充填采矿法】，采用尾砂胶结充填， 充填体强度1 1 5 m p a ，浇面层厚度l i i l ，浇面层充填体强度2 5 3 m p a 。 德国普鲁萨格五金股份公司格隆德铅锌矿机械化下向分层充填采矿法，采用全 尾砂一重介质尾矿膏体充填，充填水泥消耗6 0 1 0 0 k g m 3 ，充填料含水率1 2 - 2 5 ， 充填体强度r 嚣- - 2 5 m p a ；俄罗斯奥尔洛夫铜镍矿下向分层充填采矿法，采用4 ：6 砂石尾砂胶结充填，充填水泥消耗2 0 0 k g m 3 ，充填体强度5 m p a ：瑞典波立登 公司加彭贝里铅锌矿下向分层充填采矿法，采用+ 4 4 1 t m 分级尾砂胶结充填，人工顶 柱充填水泥含量1 7 ，充填体强度大于3 m p a , 其它部分充填水泥含量9 ，充填体 强度1 5 2 m p a ；芬兰奥托昆普公司瓦马拉矿高浓度尾砂胶结充填，尾砂和水泥比 为1 0 ：1 ，充填体强度r 3 0 = 1 5 m p a ，在暴露面积2 0 0 0 m 2 的条件下充填体的自命高度 达到6 0 r n t z 4 1 。 ( 2 ) 充填体强度及其结构设计 充填体强度设计的一般原则是充填体的强度必须同时满足分层采矿作业循环时 间、进路采矿循环时间和机械化采矿生产作业对充填体强度的要求，即充填体强度 设计参数应取按上述三个步骤确定的充填体强度的最大值。 4 中寿大学硕士学位论文第一章绪论 充填体强度结构是指对不同部位( 范围) 的充填体依据充填体作用的不同而采用 不同的充填体强度设计，以达到在满足充填体强度要求的前提下降低充填成本的目 的。 上向进路充填采矿法充填体强度及其结构设计： 人工假底部分充填：人工假底的高度通常设计为一个分层的高度，但一般不 得小于3 m ，人工假底充填体在规定养护期内的强度应大于4 m p a , 并要求配置钢筋 网。 当进路回采顺序为连续开采时，浇面层厚度不小于o 5 m ，浇面层充填体在 规定养护期内的强度应大4 m p a ；进路高度其余部分充填体在规定养护期内的强度 应大于1 m p a 。 当进路回采顺序为分步骤间隔开采时，其一步回采进路浇面层厚度不小于 0 5 m ，浇面层充填体在规定养护期内的强度应大于4 m p a ，进路高度其余部分充填 体在规定养护期内的强度应大于i m p a ；其二步回采进路浇面层厚度o 5 1 o m ，浇面 层充填体在规定养护期内的强度应大于4 m p a ，进路高度其余部分充填可采用非胶 结充填料充填。 ， 下向进路充填采矿法充填体强度及其结构设计： 分层假顶部分充填：分层假顶高度应大于l i n ，充填体在规定养护期内的强度 应大于4 m p a , 并要求配置平面钢筋网和竖直方向钢筋。 分层其余部分充填：进路高度其余部分充填体在规定养护期内的强度应大于 1 m p 乳 ( 3 ) 充填体强度的确定方法 世界各地的采矿工作者进行了大量的研究工作口”8 】，以满足胶结充填实践的需 要。在确定胶结充填体强度中，所使用的方法主要有经验类比法、物理模拟法、弹 性力学和土力学分析法、数值分析法等，各方法均有其特点，但也有其不足之处。 经验类比法。 经验类比法，由于使用简便，到目前为止，仍被广泛采用。原因在于人们对于 充填体的性能与作用的认识不够深刻，而只能依据在实践中积累起来的经验，做出 设计决策。经验和教训无疑是很有价值的，但是由于各个矿山工程地质条件、矿体 和围岩的力学性质、地应力水平、开采强度、充填方式等均存在一定差异，由此所 确定的充填体强度往往与工程实际有一定的差距，因此所得充填体强度也就不会是 最合理的。 物理模拟方法 采用一定规模的物理模型，对欲确定矿山的开采条件、充填条件进行模拟，利 用相似模拟的结果加以放大，推及被模拟矿山开采时的胶结充填体强度。事实上， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 相似材料模拟的实质是在保证模型与原型初始状态和边界条件相似的情况下，通过 对模型进行模拟开挖，观察和观测模型在模拟开挖过程中矿岩的断裂破坏和岩体的 移动变形及应力、位移变化规律，由于监测仪器、相似材料配比、模型加载、边界 条件等各方面所存在的误差，必然带来最终结果的累积误差，这也是相似材料模拟 难以克服的一个致命弱点。因此，采用物理模拟的手段确定胶结充填体的强度，误 差比较大。 弹性力学和土力学分析方法 在弹性假设基础上，利用弹性力学分析手段，分析胶结充填体中的应力分布， 据此确定其所需强度，或者移植岩土力学中的有关分析方法，如面积承载理论等， 确定胶结充填体所需的强度。弹性力学和土力学分析方法是一种相对比较精确的方 法，但由于决定充填体强度的主要因素如充填体所受的载荷、采场( 或进路) 尺寸、 充填体形状、尺寸等受各种原因的影响伫耐，在实际生产中是一个服从某种分布的随 机变量，采用弹性力学和土力学的分析方法，一般取各因素的均值进行计算，计算 所得充填体强度乘以一定的安全系数，从而得到充填体的最终强度设计值。采用这 种计算方式，并没有考虑到各个参数的变异性对充填体强度的影响，仅用安全系数 来考虑包括参数变异在内的所有不利因素的影响，因此所得结果缺乏一定的科学依 据。 数值分析方法 采用有限元、有限差分法等数值分析法，对充填体围岩进行应力应变分析， 进而确定胶结充填体的强度要求。目前对岩体或充填体的变形破坏机理尚不十分清 楚，同时也很难准确把握矿岩或充填体的本构关系，因此，虽然数值模拟对各种岩 土工程问题的指导作用得到了岩土工程力学界的公认，但数值模拟很难达至0 比较准 确的定量计算水平。 1 3 4 采矿工程因素 金) j l - - 矿区采用下向进路胶结充填采矿法。这一采矿方法的特点之一是回采空 间暴露面积小。以二矿区一个机械化盘区为例，采场进路和分层道所形成的采空区 面积，仅占整个盘区面积的1 5 2 0 ，其余空间为矿体或充填体，并且每条进路或 分层道的宽度最大不超过6 m ( 按设计要求分层道宽度4 5 m ，迸路宽度5 m ) ，高度不 超过5 m ( 设计要求进路高度为4 m ) 。因此从采矿工程角度来说，整个回采区域没有 大的暴露空间，这也是水平矿柱不会形成突然失稳的一个重要因素【2 9 】。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 矿山充填体与围岩的作用机理分析 充填采场属于人工支护的范畴。类似于采用锚杆、喷射混凝土等人工措施支护 采场巷道，其目的在于维护采场围岩的自身强度和支护结构的承载能力，防止采场 或巷道围岩的整体失稳或局部垮冒刚。 隆一墨愁的 1 4 2 充填体与系统的共同作用 北京科技大学于学馥教授针对金川矿区所采用的充填材料与充填工艺，研究提 出充填体三种作用机理( 3 2 1 ： 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 应力转移与吸收 充填体进入空区，最初是不受力的，以后随着充填体强度的提高，具备了吸收 应力和转移应力的能力。从而也形成了地层“大家族”的成员，参与地层的自组织 系统和活动。 ( 2 ) 应力隔离机理 充填体对围岩稳定的应力隔离作用有两种情况：一种是隔离水平应力，另一种是 隔离垂直应力。 ( 3 ) 系统的共同作用 充填体充入地下采场后，由于充填体、围岩、地应力、开挖等共同作用，特别 是开挖系统的自组织机能，使围岩变形得到控制，围岩能量耗散速度得到了减缓， 矿山结构和围岩破坏的发展得到了控制，特别是无阻挡的自由破坏塌落也得到了控 制。 值得注意的是在这里提到了充填体的作用减缓了围岩能量耗散的速度，注意了 围岩系统的能量耗散的速度决定了系统稳定性的观点。 1 4 3 充填体的充填功能 南非在深井黄金矿山的开采中，大多采用了充填采矿法，并对充填机理进行了 相当的研究。h a d k i l s t e n 和t r s t a c e y 研究指出【3 3 1 ：充填在维护采场稳定的作用 方式是多种形式的，因此，支护机理不是靠充填体压缩所产生的作用来决定工作中 充填体的稳定效果。尽管任何一种支护机理的单独作用是极小的，但其积累起的作 用可期望大大的影响采场覆岩的稳定性。他们指出如下的支护机理： ( 1 ) 保持顶板围岩的完整性 将顶板围岩由于断层、节理和裂隙切割成结构体。由于采场形成的临空面，使 得某些结构体具有滑移或冒落的可能。这些潜在冒落的拱顶岩块称之为“拱顶石”。 充填体的最重要作用是在拱顶石和采场之间提供一种连接。充填将延缓且最终阻止 拱顶石移动的任何趋势，从而提高顶板围岩的自身承载能力。在不充填的状况下， 可能松动的拱顶石将从顶扳自由冒落，从而引起连锁的冒落和塌落而最终导致整个 采场失稳。而充填后充填料中的细料进入拱顶石周围的开口节理和裂隙，这有助于 保持拱顶石的稳定t 网。 ( 2 ) 减轻地震波的危害 充填将在地震条件下提供最有意义的连接功能。在没有充填物的情况下，岩爆 引起的压缩冲击波将在由顶板和底板表面提供的岩石与充填体界面处反射。反射时， 它们将产生拉力且趋于将孤立的顶板( 或底板) “切断”。但是，充填后与岩石接触的 充填料，使冲击波仅在岩石与充填体界面处部分反射。因此将降低“切断”作用， 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 此外充填体将阻止采场顶板处拱顶石的位移。在动态短时荷载条件下，还可望松软 充填体能起到硬质充填料的作用。 ( 3 ) 作为节理与裂隙中的填充物1 3 ”q 充填时，细料将进入上下盘围岩中的裂隙和节理中。此外，充填料与岩石之间 的接触将防止在工作面推进时岩层遭受曲率逆转期间节理中出现的任何原生细料跑 出，这将促进节理和裂隙的膨胀，从而限制拱顶石的松动，提高顶板围岩的稳定。 1 4 4 充填体的综合作用机理 上述对充填体的作用机理认识，基本上概括了当今国内外学者对充填体作用机 理的认识水平。对这些观点进行总结，其作用可划分为三个方面 3 7 - 3 s l ： ( 1 ) 充填体力学作用机理 充填体充入采场，改变了采场帮壁的应力状态，使其单轴或双轴应力状态变为 双轴或三轴应力状态，其围岩的强度得到很大提高，从而增强了围岩的自支撑能力。 因此，就此观点来说，充填体不仅起到支撑作用，更重要的是提高了围岩的强度和 承载能力。 ( 2 ) 充填体结构作用机理 通常岩体中的断层、节理裂隙将岩体切割成一系列结构体。这些结构体的组成 方式决定了结构体的稳定状况。当地下开挖，破坏了岩体原始的结构体系，使其本 来能够维持平衡和承受载荷的“几何不变体系”变成了几何可变体。因此，导致围 岩的连锁破坏，也就是围岩的渐迸破坏。当充填体充入到采场中，尽管充填体的强 度低和承载时变形大，但是它可以起到维护原岩体的结构作用，使围岩能够维持稳 定和承受载荷。这就是说，充填体在一定的条件下，具有维持围岩的结构作用，可 以避免围岩结构系统的突变失稳。 ( 3 ) 充填体让压作用机理 由于充填体交形远比原岩体大，因此，充填体能够在维护围岩系统结构体系的 情况下，缓慢让压，使其围岩地压能够得到一定的释放( 从能量的角度来看，是限制 能量释放的速度) ；同时，充填体施压于围岩，对围岩起到一种柔性支护的作用。 综上所述，一般条件下，采场充填体的支护效果取决于两个方面：一是围岩与充 填体所构成的组合结构的形式；二是充填体与围岩的力学与变形特性之比。对于不 同的矿体组合形态、围岩体结构类型以及采矿顺序，这两方面将起到不同的作用。 因此，充填体作用机理的研究应针对具体矿山的实际情况，并借鉴前人的工程经验 十分必要。 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ，5 论文研究的内容目的和意义 1 5 1 本文研究的目的 从发展的眼光看，随着社会与经济发展需求的日益增长和矿山工程技术体系的 进步和完善，资源开采不断地在向深部发展。然而用浅部开采条件下的地质作用特 征和矿压显现规律来推断深部开采地质状况，无疑远远不够且蕴含着极大的风险。 因此，对深部高应力条件下的资源开采与地下工程进行三维的、系统的多元研究， 以揭示其中的一系列基本科学问题，构筑我国在深部高应力条件下资源开采的相关 的基础理论和地下工程技术体系，显得尤为重要1 3 。 另一方面讲，作为发展中国家，我国正处于国民经济高速持续发展时期，依靠 国外的能源保障和矿产资源的持续供应是不可想象的。因此，深部资源的开发和利 用不仅是必然的世界性的发展趋势，而且将成为2 1 世纪我国最经济、最有效的能源 和矿产资源保障措施【4 “3 1 。随着国民经济建设对各种金属需求量的增加，金属矿产 浅部资源越采越少，对深部矿体进行开采已摆到日程上来，而我国在深部开采技术 和经验还是一片空白。因此，进行深部矿体开拓的研究，以深部开采的矿山为实例， 针对其具体情况，对其生产各个环节，开展深入的研究，以取得配套的经验，为其 他矿山所借鉴 4 4 1 ；同时，国外对深部开采中存在的各种问题和现象进行了较系统的 研究，己具备了较规范的手段，合理可行的标准及多种指导理论，并有多年的生产 实践经验，应当引进和借鉴国外这些成功的经验及相应的设备。 从小的角度讲，二矿区作为中国镍钴生产基地金川集团有限公司的主力矿 山，深部矿体开拓工程关系到二矿区长期的持续稳产高产，也关系到集团公司今后 发展的大事。同时，金川矿区工程地质条件的复杂性已为大家所公认 4 5 1 ，处于高地 应力区，埋藏深，岩体破碎，开采条件极差如何更为有效地解决下向进路胶结充 填采矿法充填体的稳定性维护，以及整个回采区域的地压控制问题，虽然许多学者 专家在不同的时期采用多种方法对金川矿区的稳定性进行了研究 4 6 4 9 ) ，但仍然一直 是金川镍矿需要解决的重要技术难题。因此，深入研究深部开采问题，确定合理的 进路布置方式与回采顺序，有效控制开采地压，对于安全高效开发利用矿产资源， 具有很现实的意义。 1 5 2 本文研究的内容及意义 本文紧密结合金) t 1 二- 矿区工程实例，探索复杂开采条件下，上下分层回采进路 的布置方式、回采推进顺序等因素，对采场结构稳定性产生影响的规律。论文的主 要研究内容如下： 1 0 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 根据二矿区的回采迸路的结构参数，进行下向进路承载层稳定性研究分析， 建立下向进路的两种力学模型“简支梁模型”和“薄板结构模型”。采用弹性力 学解析法，分析其应力分布规律。并分别采用两种模型对二矿区的回采进路受力大 小进行研究。 ( 2 ) 在地质条件，进路结构参数及充填材料力学性质相同的情况下，采用f l a p 数值分析软件，模拟分析上下分层不同的进路布置方式，对采场结构和充填体稳定 性的不同影响。 ( 3 ) 在进路布置方式的相同的情况下，分析不同的回采顺序对矿岩和充填体中的 应力、位移及其塑性区分布等指标产生的影响，以此来寻求最佳的回采方式。 通过本文的研究，旨在深入认识影响下向进路胶结充填采矿法充填体稳定性的 各个因素及其内在联系，通过优化进路布置方式与优化回采顺序等技术措旌，保持 开采系统的稳定性，使回采区域的应力、应变分布趋于均匀化，避免因开采应力过 于集中、采动位移过大等因素诱发矿井下灾害的发生，以保证生产过程的安全，实 现安全高效的开采目标。 中南大学硕士学位论文第二章金川而二矿区地质赋存条件及矿岩力学特性 第二章金i l l - - 矿区地质赋存条件及矿岩力学特征 2 1 矿区地层概况 金川矿床共有四个矿区，从东向西分别为、i i 、i 、i 矿区。其中i i 矿区最 大，已探明储量占整个矿床的7 5 ，其它三个矿床以贫矿为主。 金川镍矿床赋存于中朝敌台阿拉善地块匿南边缘龙首山隆起的超镁铁岩侵入岩 石中。南邻早古生代北祁连褶皱带，以龙首山南侧深断裂与祁连山地槽的走廊过渡 带毗邻：北依晚古生代准格尔褶皱带，以龙首山北侧深断裂( f i ) 与阿拉善隆起区 内部的潮水断陷相接。 金川矿区位于甘肃省河西走廊中部，龙首山北麓，巴丹吉林沙漠南缘的金昌市， 矿区地势起伏变化大，海拔1 5 0 0 1 9 0 0 m 。矿区主要出露地层为下元古界自家咀子 组的蛇纹石化白云质大理岩、黑云母片麻岩及云母石英岩和条痕混合岩等深变质岩， 构成了金川镍矿床的基底，地层总走向n 3 5 。w ，倾向s w ，倾角4 0 。7 0 。第四系 古河床砾石层及近代洪积层分布于北麓、山问盆地及古河道阶地之上，缺失其它各 个时代的地层。 金川矿区广泛出露下元古界古老深变质岩系，被称为“龙首山群”的经历高级 变质的复杂错动杂岩为矿区岩系主体。“龙首山群”构造成了金川含矿超基性岩体的 围岩。主要为混合岩、大理岩、片麻岩及片岩等。岩石走向北5 0 。7 0 。，倾角4 5 。 以上，岩系构造形态为层闻挤压和褶皱发育的单斜层状构造。岩系中有多种不同时 期和规模的岩浆岩侵入，如肉红色花岗岩、超基性岩体，以及斜长角闪岩、白岗岩、 细晶岩、花岗闪长斑岩、辉岩和煌斑岩等岩脉。金川矿区地层构造见图2 - 1 1 6 0 l 。 图2 - i 金川矿区地质构造概况 i 一岩组代号；f f ”一断层及编号；q w 一第四系；一一矿区编号 中南大学硕士学位论文第二章金川而二矿区地质赋存条件及矿岩力学特性 二矿区地层简单，主要有第四系和前震旦系自家咀子组。含矿超基性岩体沿断 裂与围岩成5 。1 0 0 角度侵入于白家咀子组第一段蛇纹大理岩和第二段条痕均 质混合岩之间。前震旦系分布方向为北西西南东东，在矿区出露总厚度1 4 6 5 m 。 岩性自下面上共分为五层，分别为花岗片麻岩、黑云母片麻岩夹石英云母片麻岩、 白云质大理岩、肉红色花岗片麻岩和黑色黑云母片麻岩；其中大理岩和片麻岩直接 成为超基性岩体( 容矿岩石) 的围岩。地层走向北西3 0 0 。3 1 0 。，倾向南西，倾角为 5 0 。8 0o 。 2 1 ，1 复杂的地质构造特征 金川铜镍矿区主体构造为倾向南西的单斜构造，层间褶曲发育，常形成紧闭的 小背斜和小向斜砸。 金川铜镍矿区成矿前断裂主要有f l ，超基性岩体即沿f l 断裂侵位而形成。成矿 期断裂发育程度较差，规模一般较小，且基本未破坏超基性岩体。成矿后断裂按性 质有冲断层和平推断层，其中平推断层规模很小，仅有几米位移，对矿体无破坏作 用。 f l 断裂位于矿区北部，走向北西2 9 5 。3 l o 。，倾向南西，倾角6 0 。左右，延长 2 0 0 k m ，构成龙首山和北部潮水沉降带的分界线。为一宽为数十到百余米的破碎带， 破碎带中的次级断裂和岩浆活动极为发育，围岩混合岩化、蛇纹石化等变质蚀变现 象也较普遍，晚期构造活动明显，表现在前震旦系逆覆于第四系上4 8 0 余米该断层 为压扭性断裂，目前仍在活动。8 5 0 m 中段开采工程设计范围所属的二矿区位于f 1 6 i 和f 2 3 断层之间。 f 1 6 1 断裂破碎带位于龙首矿区和二矿区之间，走向近东西，倾向南，倾角7 0 。 左右，长7 0 0m 。断层破碎带宽2 3 m ，由大理岩、混合岩、碎屑岩组成，穿过岩 体部分由超基性岩碎块组成。该断裂将矿体错断，分隔为龙首矿区和矿区。 f 2 3 断裂位于5 6 行附近，为二矿区南部边界，走向近北东6 5 。7 0 。，倾向南东， 倾角7 0 。8 0 。将岩体破坏但无大的位移，为压性断裂。 f 1 7 位于3 8 4 2 行，为张扭性断层。该断层走向北东4 5 。，倾向南东，倾角 7 3 。8 l0 t 长1 8 0 0 m ，横切超基性岩体及围岩，断层带宽2 6 m ，水平断距1 3 0 2 6 0 m ，垂直断距9 0 1 5 0 m 。 f 3 9 断裂位于1 6 行，为扭性断裂构造，走向北西，倾向南西，倾角7 0 。左右。 破碎带宽l 3 m 。 中南大学硕士学位论文 第二章金i t l 而二矿区地质赋存条件及矿岩力学特性 另外，由于后期构造变动、岩体形成时的边缘冷却或热液活动，在岩体边缘或 内部形成构造破碎带、片岩带，其规模不大，一般一至数米，长数十米，部分大于 百米。片岩带分布方向和岩体走向一致，在岩体边缘特别发育。边缘片岩带常常构 成矿体底板，对开采不利。含矿超基性岩体内节理可分三组：第一组走向n w 2 8 5 。 3 1 5 。，与本区构造线方向一致。第二组走向n e l 0 。4 00 9 与区内横断层方向一致。 第三组走向n w 3 3 5 。3 4 5 o9 和岩体内较大脉岩方向一致。 2 1 2 岩浆岩 金川铜镍矿区出露的火成岩主要有吕梁期的伟晶质花岗岩、自云岩及正长岩， 加里东期有花岗斑岩、超基性岩体及各类脉岩。从酸性到超基性、从深成岩至派生 脉岩均有产出，其中与成矿