通过室内岩石力学试验以及现场工程地质调查,确定了前常铜铁矿的工程岩体力学参数,并采用二维弹塑性有限元数值模拟方法,计算了前常铜铁矿由采矿引起的岩层移动,并得出其移动规律,圈定了岩层移动分级范围;同时,根据矿山技改实际要求,对技改采矿方案的结构参数、回采顺序以及回采高度等进行了比较计算,提出了优化的采场结构参数以及回采顺序和回采范围

尹贤刚

李庶林

李爱兵

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前常铜铁矿采矿回采方案及岩层移动研究*尹贤刚1, 2,李庶林1, 3,李爱兵1( 1.长沙矿山研究院, 湖南 长沙 410012; 2.四川大学 水利水电学院, 四川成都 610065; 3. 厦门大学 建筑与土木工程学院, 福建 厦门市 361005)摘 要: 通过室内岩石力学试验以及现场工程地质调查, 确定了前常铜铁矿的工程岩体力学参数,并采用二维弹塑性有限元数值模拟方法, 计算了前常铜铁矿由采矿引起的岩层移动, 并得出其移动规律, 圈定了岩层移动分级范围; 同时, 根据矿山技改实际要求,对技改采矿方案的结构参数、回采顺序以及回采高度等进行了比较计算,提出了优化的采场结构参数以及回采顺序和回采范围。关键词: 回采方案;岩层移动; 数值模拟; 采场结构参数中图分类号: TD325, TD853. 32+ 2 文献标识码: A文章编号: 1005- 2763( 2008) 06- 0013- 04S tudy on the S top ing Schem e and Rock M ovem en tin Q ianchang Copper- ironM ineYin X iangang1, 2, L i Shulin1, 3, L i A ib ing1( 1. Changsha Institute o fM ining Resea rch, Changsha, H unan410012, China; 2. Schoo l o fW ater Resource and H ydropow er,S ichuan Un iversity, Chengdu, Sichuan 610065, China;3. Schoo l o f A rch itectura l and C iv il Eng ineering, X iam enUn iv ers ity, X iam en, Fujian 361105, China)Abstrac t: The m echan ica l pa rame ters o f rock m asses in Q ianchang Copper- Iron M ine we re de term ined by indoor rock m echan ics test and eng ineering geo logy investig ation, and the rockm ovement causing bym in ingw as ca lcu la ted by adopting tw o dim ensions elastic- p lasticity fin ite e lem ent m e thod, resu lting inthe rules and g rading areas of ro ck m ovem ent. M eanwh ile, according to them ine s' requ irem ents o f techn ica l reform a tion, thestructura l param ete rs, stoping sequence and stop ing h igh wereca lcu la ted and com pared, and the optim ized stope s' structure param eters, stop ing sequence and stop ing areas w ere suggested.K eyW ords: S top ing schem e, Rock m ovem ent, Num erical sim ulation, Structu ra l param eters of stope0 前 言前常铜铁矿床属燕山晚期接触交代型矿床,矿体形状为透镜状及似层状, 矿石自然类型主要为蛇纹石磁铁矿石、含铜磁铁矿石, 围岩主要为大理岩、矽卡岩和闪长玢岩,矿区内岩体节理发育且含有大量蒙脱石类矿物, 岩体遇水膨胀, 风化快、强度低。矿山采用竖井开拓,主要开拓中段有: - 120, - 150,- 180, - 210, - 220, - 240, - 300, - 330 m中段,其中 - 120 m为回风中段, 各生产分段采用井下斜井与各运输中段连通。采矿方法主要为房柱法, 矿柱间隔 4 m, 矿房宽度一般为 4 ~ 10 m, 最大为 15m, 护顶矿柱为 3~ 5 m,人工出矿。目前开采的矿体主要为 10号和 27号矿体,在开采过程中,存在以下几个问题:( 1) 矿体顶底板围岩的稳定性较差,矿石的稳定性比围岩的稳定性略好, 在开采过程中地压活动明显,顶板易于冒落,矽卡岩和闪长玢岩内的巷道变形破坏明显,支护困难;( 2) 目前采用房柱法开采, 矿石贫化、损失严重, 为提高采矿的回收率, 拟采用崩落法开采, 开采的岩层移动范围须研究确定;( 3) 27号矿体与其上部的 10号矿体重叠开采, 10号矿体上部约为 90m厚的第四系覆土层, 且在 - 50~ - 60 m夹有上更新统的流砂层, 27号矿体开采对 10号矿体的影响范围、- 150 m巷道的变形破坏情况、10号矿体开采对第四系覆土层的影响范围, 以及如何确定 10号矿体的采矿结构参数以确保第四系覆土层内的地下水不灌入井下,是矿山在开采过程中密切关注的首要问题;( 4) 原设计的最终开采标高为 - 120m, - 120m以上的矿体作为保安矿柱不回采, 需在研究岩层移动规律的基础上,确定出 10号矿体的回采上限。本研究采用工程地质调查、室内岩石力学试验、数值计算等手段,对以上的相关问题进行研究,提出切实可行的技术参数及地压控制方案,以便于指导ISSN 1005- 2763CN 43- 1215 /TD矿业研究与开发 第 28卷 第 6期M IN ING R & D, Vo.l 28, No. 62008年 12月Dec. 2008*收稿日期: 2008002018作者简介:尹贤刚 ( 1971- ) ,男,四川什邡人,博士研究生,高级工程师,主要从事采矿、岩石力学研究工作, Em ai:l y inxiangang@ 163. com。矿山采矿安全生产。1 岩体力学参数的确定1. 1 岩石力学实验经过现场调查分析, 考虑到矿山生产实际并且兼顾到有代表性的岩石种类,确定选取 4种矿岩石进行实验,分别为铁矿石、大理岩、闪长玢岩和矽卡岩,试验结果见表 1。值得注意的是, 通过劈裂法及单轴抗压强度所得到的粘结力和内摩擦角与采用三轴试验所得出的结论差异较大,故在计算中,除铁矿石外的其余 3种岩石的这两种参数必须参考有关资料进行折减。1. 2 工程地质调查根据前常铜铁矿的矿岩分布状态、地质构造与围岩蚀变等情况,结合其岩石的物理力学指标,将其矿岩分为以下 4组:闪长玢岩、矽卡岩、大理岩、铁矿石。各岩组节理调查部位分别选在前常铜铁矿的 -180m水平运输大巷、- 240m水平掘进巷、- 220m水平回风巷。表 1 单轴抗压强度、弹性模量和泊松比测试均值岩石种类抗拉强度(MPa)抗压强度 (M Pa)粘结力(MPa)内摩擦角 ( )泊松比弹性模量 ( GPa)铁矿石 4. 07 80. 85 8. 11 61. 16 0. 20 26. 96大理岩 4. 24 99. 28 10. 23 66. 65 0. 18 69. 9闪长玢岩 13. 52 200. 25 26. 00 60. 85 0. 18 49. 14矽卡岩 2. 33 30. 76 4. 23 59. 22 0. 26 17. 53铁矿石(三轴 )- - 19. 88 33. 51 - -经调查发现, 总体上前常矿围岩与矿体的节理相当发育,节理的分布较为密集, 节理的密闭程度较高, 延伸不大, 特别是矽卡岩。在钻孔取岩芯的过程中, 大理岩与铁矿石可取出较为完整的岩芯,而在闪长玢岩与矽卡岩中钻取较为完整的岩芯困难, 进一步说明了其岩体的节理发育程度很高。现场调查统计的节理平均间距的结果见表 2, 从中可以看出, 大理岩、铁矿石的平均间距要大于闪长玢岩、矽卡岩的平均间距。表 2 前常铜铁矿各岩组的节理性质岩性 优势节理产状节理平均间距( m /条 )RQD由节理间距 现场钻探闪长玢岩 341  69 14  43 207  39 268  83 0. 031 17 -矽卡岩 193  33 297  57 331  50 224  45 0. 026 10 -大理岩 121  76 53  64 205  41 247  77 0. 091 73 63铁矿石 348  85 302  45 199  49 76  25 0. 0574 48 491. 3 岩体力学参数确定工程岩体因尺寸效应和不连续面的影响, 现场岩体的强度往往小于试验岩块的强度。除了在有条件进行必要的现场实测之外,一般情况下是以岩体质量分类为基础,对岩体强度进行估算,即根据岩块的力学参数、现场的节理面调查与分类结果,按一定的方式进行换算后得岩体的力学参数。GS I ( geolog ical strength index )方法是目前较流行的岩体力学参数确定方法,且已程序化。该方法是根据野外工程地质调查对工程岩体质量进行评分, 然后用 Hoek- B rown准则求解工程岩体强度。计算确定的岩体弹性模量、岩体粘聚力、岩体内摩擦角及 Hoek -Brow n强度准则的岩体强度参数 (见表 3) , 表中第四系表土的参数为参照相关类比资料确定的。表 3 前常铜铁矿的岩体力学参数岩组容重( t /m 3 )常数m i岩石抗压强度c (M Pa)弱化因子D常数m b常数s常数a粘结力c (MPa)内摩擦角 ( )岩体抗压强度 cm(MPa)岩体抗拉强度 c t(MPa)岩体弹模Em(M Pa)泊松比!闪长玢岩 2. 40 25 200. 08 0. 1 3. 816 0. 0032 0. 506 2. 19 40 51. 8 3. 0 9500 0. 18矽卡岩 2. 70 8 30. 76 0. 1 1. 364 0. 0023 0. 507 0. 75 36 4. 7 0. 8 4500 0. 26大理岩 2. 63 10 99. 28 0. 2 2. 303 0. 0122 0. 502 5. 8 33 21. 4 1. 8 18950 0. 18铁矿石 3. 54 10. 81 80. 85 0. 2 1. 962 0. 006 0. 504 4. 32 32 15. 5 1. 5 12100 0. 20第四系表土 1. 80 - - - - - - 0. 25 22 3. 0 0. 3 100 0. 302 采矿过程中岩体移动规律数值模拟2. 1 破坏准则节理岩体通用的 H oek- Brow n破坏准则为:!1 = !3 + !ci m b!3!ci+ sa14 矿 业 研 究 与 开 发 2008, 28( 6)式中: !1, !3 ∀ ∀ ∀ 分别为破坏时的最大和最小有效应力;!c i ∀ ∀ ∀ 原岩试样的单轴抗压强度;mb ∀ ∀ ∀ 对应岩体 Hoek- B rown破坏准则的常数;a, s∀ ∀ ∀ 常数,取决于岩体的性质。2. 2 数值模拟及结果由于前常矿分布范围较大,结构形态变化大,本研究主要结合前常铜铁矿地下开采的实际情况进行二维弹塑性有限元数值模拟,模拟研究内容包括:( 1) 27号矿体开采对 10号矿体的影响, 10号矿体开采对上覆第四系的影响;( 2) 27号、10号矿体开采时顶板围岩随开采扰动的应力、位移变化, 从而确定前常矿采矿引起的岩层移动规律;( 3) 10号矿体的采场结构参数;( 4) 14号矿体开采的稳定性评价。有限元分析模拟时按自重应力场分析, 计算模型范围横向上分别以 E线和 9线为参考平面, 范围约 900m, 纵向上从地表 30 m到地下 - 400 m。在横向上边界面上所有节点在 X方向固定, 即滑动铰支座; 纵向上 - 400 m边界平面上所有节点在 X、Y方向上固定,即固定铰支座;地表为自由面, 采用 4节点等参单元进行分析。在进行分析时, 载荷按程序自动分级施加,解方程时用 Gaussian消除法求解,最大重复次数为 500次,累计误差为 0. 1。2. 2. 1 27号矿体开采对上部岩层的影响据前常矿的工程地质、矿体几何形态、采矿方法特点, 为完全模拟开采过程、围岩受采动的影响以及开采过程中采场的稳定性,以较具有代表性的 8- 2线、9线、9- 3线、D线、E线、E1线、F1线共 7个剖面为建模的基础资料。27号矿体前期使用房柱法,矿房宽 8 m,矿柱宽 4 m, 顶部留 3 ~ 5 m的矿石护顶。拟采用崩落法回采后, 不再预留矿柱和护顶。因此, 在建立模型时, 充分考虑到了这一实际情况,对各分析剖面分多个步进行模拟,例如对 9- 3线剖面的分析分为 8个模拟步骤进行,先用房柱法开采,留存矿体用崩落法开采。 9- 3线剖面 - 150 m水平的沉降位移随开挖模拟步骤的变化见图 1, - 150水平在采矿影响下的分级移动范围见图 2。在采用房柱法开采时的应力、位移值较小,应力集中的程度也不高, 开采扰动后在采场的顶底板产生应力松弛,甚至在顶板产生拉应力,在矿体的两侧图 1 9- 3线剖面模型 - 150 m水平的沉降位移随开挖模拟步骤的变化图 2 - 150水平移动范围部产生应力集中,矿体上部破坏区也相对较小,主要是在采场顶板上部约 20~ 30m范围内,不会发展到- 150m水平。采用崩落法后, 应力集中程度及位移都相应变化较快,特别是沿矿体走向方向,全部采用崩落法采矿完成后, - 150 m甚至第四系即 - 90m水平都有破坏区出现。因此, 建议矿方即使在后期采用崩落法采矿的情况下, 也应该适当留一些间柱, 以保护上部第四系、10号矿体以及 - 150m水平的工程。2. 2. 2 10号矿体采场结构参数及其开采对上部第四系岩层的影响为分析 10号矿体采场结构参数及其开采对第四系的影响,分别选取 9- 3线和 F1线两个较为典型的剖面进行计算分析, 每一个剖面设计了 4个方案, 见表 4。(下转第 51页 )15尹贤刚, 等: 前常铜铁矿采矿回采方案及岩层移动研究( 1) 该设备可以顺利切割井下锁具, 使顶板更容易实现自然垮落, 尤其是那些变形锁具或钢绞丝弯曲变形锁具,退锚机很难将其顺利退出,该设备的优势非常明显。( 2) 设备选用液压马达作为动力转换装置,液压马达比防爆电机要轻便、安全,更易于井下安全应用。3 结 论利用磨料水射流可以实现对煤矿井下危险环境中锚索锁具的安全切割, 本试验研究将为煤矿安全诱导放顶、尤其是上隅角位置顶板随采随落找到新的解决途径,对减少我国煤矿顶板事故和爆破放顶诱发瓦斯爆炸事故而造成的人员伤亡、财产损失及促进煤矿安全高效开采具有重要的实用价值。设备选用液压马达作为动力转换装置,轻便安全,更易于井下安全应用,在井下高瓦斯危险环境下具有广阔的应用前景。参考文献:[ 1] 彭建勋,金智新.大同矿区坚硬顶板与坚硬煤层条件下综放开采 [ J] . 煤炭科学技术, 2004, 32 ( 2) : 1~ 4.[ 2] 谢和平,王家臣,陈忠辉等.坚硬厚煤层综放开采爆破破碎顶煤技术研究 [ J] .煤炭学报, 1999, 24( 4 ) : 350~ 354.[ 3] 薛胜雄.高压水射流技术工程 [M ] .安徽:合肥工业大学出版社, 2006.[ 4] 刘 浪,杨春敏,韩东太,等.煤矿井下危险环境磨料水射流切割技术探讨 [ J] .煤矿机械, 2003( 4) : 29~ 31.[ 5] 刘 浪,杨春敏,等.煤矿井下危险环境磨料水射流切割技术探讨 [ J] .煤矿机械, 2003( 4) : 29~ 31.[ 6] 李宝玉. 易燃易爆环境下安全切割装置的研制 [ J] . 流体机械, 2005, 33 ( 2) : 42~ 44.[ 7] 廖兴斌. 降低高压水射流设备噪音的措施初探 [ J] .矿业研究与开发, 2001, 21 ( 1) : 34~ 35.(上接第 15页 )表 4 10号矿体开采的方案剖面 方案# 方案∃ 方案% 方案&9- 3线4 m矿柱,8 m矿房4 m矿柱12 m矿房全部矿体崩落仅崩落到- 140水平F1线4 m矿柱,8 m矿房4 m矿柱12 m矿房全部矿体崩落仅崩落到- 140水平通过对计算结果的对比分析, 10号矿体若采用崩落法, 无论是全崩落还是仅崩落到 - 140 m水平,即方案%和方案&,第四系表土将出现破坏区,其中又以方案%对第四系的破坏最为严重。采用房柱法, 即方案 #和方案 ∃对第四系都不会形成破坏,其中以方案 #为最佳,对第四系的影响最小。但同时值得注意的是,部分矿体直接和第四系接触或者距离第四系相当近,在进行回采时一定要谨慎。2. 2. 3 14号矿体开采的稳定性评价为分析 14号矿体开采对上部岩体的影响, 选取14号矿体典型的 02线剖面进行计算分析, 分析模型按 4m矿柱 8m矿房模拟计算,顶部留 3~ 5m矿体护顶,分 8个步骤进行计算。通过对计算结果的分析可知, 最大沉降位移为0. 63 m, 最大主应力 13. 6 MPa, 最大拉应力 - 5. 1M Pa。从破坏区域来看,它对 - 150m水平有一定的影响, 但是对 - 90 m水平几乎没有影响, 也就是说14号矿体的开采对第四系表土层没有大的影响,特别是破坏后的岩体仍有一定的残余强度, 可以起到一定的稳定作用,所以说第四系是安全的,开采产生的破坏区域不会贯通到第四系。分析结果与现场实际的调查结果较一致, 通过现场调查同样发现, 14号矿体所有采空区均已经由上部自然垮落的岩体充满, 所遗留的也只是联络道入口处很小暴露面积的空区,上部岩体移动在空区充满后基本稳定。3 结 论采用弹塑性有限元方法对 27号、10号、14号矿体的岩层移动规律进行了研究,其结论为:( 1) 27号矿体若仍采用现有结构参数的房柱法开采,则对 - 150 m的影响较小,不会对生产造成大的危害;( 2) 10号矿体最好采用房柱法开采, 采场结构参数为矿柱宽 4 m、矿房宽 8m;( 3) 14号矿体开采后, 不会冒通到第四系覆土层。在开采顺序上, 前常矿开采时要先采矿体的深部, 后采矿体上部; 先采距水体远处的矿块, 后采近处的矿块;先采地质条件简单的矿块,后采复杂的矿块。具体来说,前常矿的 10号矿体应在其下部其他矿体已基本采完后进行开采,最好采用房柱法,且预留采场护顶,开采上限不要超过 - 120 m。参考文献:[ 1] 长沙矿山研究院.前常铜铁矿采矿岩层移动规律研究报告[R ] . 2006, 1.[ 2] 李爱兵,李庶林,等.柿竹园多金属矿开采地压研究 [ A] .第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集 [ C ] .北京:科学出版社, 2004.51聂百胜, 等: 前混合磨料水射流切割技术在诱导顶板垮落中的应用

前常铜铁矿采矿回采方案及岩层移动研究

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