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程潮铁矿两种采矿方法并存下地表变形规律研究
2015-12-14
程潮铁矿拟采用充填法回收选厂下保安矿柱,同时在同阶段延续无底柱分段崩落法回采 其余矿体的方 法回收-500 m 水平以上的矿体。采用室内模型相似材料试验对该方法对选厂区域地表的影响情 况进行探究。结果 表明距离塌陷坑边缘20 ~150 m 范围的地表受到地下采矿活动影响较大,150 m 以上范围则基本 不受影响。并得到 了选厂区域地表沉降情况以及近地表区域岩体应变与塌陷坑距离的一般规律。采用该方案回收- 500 m 以上矿体对 保护选厂是可行的。
Series No. 474 ꢀ Decemberꢀ 2015 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山 METAL MINE 总第 474期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 12 期 程潮铁矿两种采矿方法并存下地表变形规律研究 裴明松ꢀ 许梦国ꢀ 王ꢀ 平ꢀ 商欢迪ꢀ 杜宇翔ꢀ 冯仁杰 ( 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北 武汉 430081) 摘ꢀ 要ꢀ 程潮铁矿拟采用充填法回收选厂下保安矿柱,同时在同阶段延续无底柱分段崩落法回采其余矿体的方 法回收ꢁ500 m 水平以上的矿体。 采用室内模型相似材料试验对该方法对选厂区域地表的影响情况进行探究。 结果 表明距离塌陷坑边缘 20 ~ 150 m 范围的地表受到地下采矿活动影响较大,150 m 以上范围则基本不受影响。 并得到 了选厂区域地表沉降情况以及近地表区域岩体应变与塌陷坑距离的一般规律。 采用该方案回收ꢁ500 m 以上矿体对 保护选厂是可行的。 关键词ꢀ 充填法ꢀ 崩落法ꢀ 地表变形ꢀ 相似模拟试验 + ꢀ 中图分类号ꢀ TD325 . 2ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2015)-12-148-05 ꢀ Study on Surface Deformation based on the Coexistence of Two methods in Chengchao Iron Mine Pei Mingsongꢀ Xu Mengguoꢀ Wang Pingꢀ Shang Huandiꢀ Du Yuxiangꢀ Feng Renjie ( Key Laboratory of Hubei Province for High-Efficient Use of Metallurgical Mineral Resources and Agglomeration,Wuhan 430081,China) Abstractꢀ Chenchao iron mine expects to stope the ore above ꢁ500 m using the method of recycling safety pillars under dressing-plant by filling method as continuing to use pillarless sublevel caving to stope other bodies in the similar stage. The similar simulation model experiment is carried out to explore the influence of methods above on the surface of dressing-plant ar- ea. The experimental results show that underground mining activities have a bigger influence on surface between the range of 20 m and 150m from the collapse pit edge,and almost have no impact on the distance more than 150m. The situation of surface subsidence of dressing-plant area and the general rules between the strain of subsurface rock and the distance to collapse pit edge were obtained. So,it is feasible for making the dressing-plant protection and stoping the ore above ꢁ500 m by the method mentioned above. Keywordsꢀ Backfilling,Caving,Surface deformation,Similar simulation model experiment ꢀ ꢀ 崩落采矿法因生产效率高、生产成本低等优点而 形式———充填法回收保安矿柱,崩落法回采保安矿柱 以外的矿体,该开采方案既能够保证地表稳定性,使 塌陷坑不进一步扩大,同时使矿山年生产能力不发生 太大改变。 为了探究该方案对选厂及其周围构筑物 的影响情况,采用室内模型相似材料试验对选厂区域 地表变形规律进行了研究。 被地下铁矿山广泛采用,采用此法采出的铁矿占总量 [ 1] 的 85% 以上 。 同时,崩落法采矿也存在地表塌陷 严重,对周围环境影响大,征地困难等缺点。 但是由 于近年来铁矿石价格的不断下跌,矿山的经济效益得 [ 2] 不到保证 ,因此在环保要求日益严格的形势下,崩 落法矿山亟需一种既能高效回收矿石,又不对周围环 境造成巨大破坏的采矿模式回收矿石。 1ꢀ 相似理论 相似模拟试验是基于相似理论,利用事物或现象 程潮铁矿为我国典型的采用无底柱分段崩落法 的地下金属矿山,随着开采水平的下降,矿体逐渐西 移,选厂下保安矿柱的矿量逐渐增大。 若不对其进行 回收,矿山大量矿产资源将丢失。 为了确保地表稳定 性和矿山经济效益,该矿拟采用两种方法同时开采的 间存在 的 类 似 等 特 征 来 研 究 自 然 规 律 的 一 种 方 [ 3] 法 。 长期以来,模型试验一直是解决复杂工程课 题的重要手段, 在岩土工程研究中已得到广泛应 [ 4] 用 。 相似准则是进行相似模拟试验进行的前提。 线弹性模型的相似准则一般是根据弹性力学基本原 收稿日期ꢀ 2015-08-21 作者简介ꢀ 裴明松(1991—),男,硕士研究生。 通讯作者ꢀ 许梦国(1958—),男,教授,博士研究生导师。 · 148· ꢀ ꢀ ꢀ 裴明松等:程潮铁矿两种采矿方法并存下地表变形规律研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 12 期 理进行推导而获得的,由平衡、几何、物理及边界条件 表 1ꢀ 试验方案及步骤 [ 5] Table 1ꢀ Experimental scheme and steps 方程可以分别推出线弹性问题基本相似判据为 ìCσ = Cγ CL 开采方法 开采标高/ m 开采步骤 ꢁStep1 ꢁStep 2 分段标高/ m 1 ꢁ290 ~ ꢁ360 ꢁ360 ~ 412 Cu = CεCL 1 íCσ = CE Cε , (1) 1ꢁStep 3 1ꢁStep 4 ꢁ412 ~ ꢁ430 ꢁ430 ~ ꢁ447 ꢁ447 ~ ꢁ465 ꢁ465 ~ ꢁ482 ꢁ482 ~ ꢁ500 ꢁ377 ~ ꢁ395 ꢁ395 ~ ꢁ412 ꢁ412 ~ ꢁ430 ꢁ430 ~ ꢁ447 ꢁ447 ~ ꢁ465 ꢁ465 ~ ꢁ482 ꢁ482 ~ ꢁ500 充填法开采 ꢁ290 ~ ꢁ500 Cσ = CE = Cc = Cσt = Cσc 1 ꢁStep 5 îCf = Cφ = Cε = Cμ = 1 1ꢁStep 6 1 2 2 ꢁStep 7 ꢁStep 1 ꢁStep 2 式中, Cσ 为应力相似比, Cγ 为容重相似比, CL 为几 何相似比, Cu 为位移相似比, Cε 为应变相似比, CE 为弹性模量相似比, Cμ 为泊松比相似比, Cf 为摩擦 系数相似比, Cφ 为内摩擦角相似比, Cσt 为抗压强度 相似比, Cσc 为抗拉强度相似比。 2ꢁStep 3 2ꢁStep 4 无底柱分段 崩落法开采 ꢁ 377 ~ ꢁ500 2 ꢁStep 5 2ꢁStep 6 2ꢁStep 7 在实际中,相似模拟试验要全部满足上述关系式 十分困难,因此常常根据试验研究对象及其目标,选 取主要相似准则设计试验,以达到对物理现象的研 ꢀ ꢀ 注:阶段高度为 70 m,分段高度为 17. 5 m,1ꢁ Step1、2ꢁ Step1 同时 开采,1ꢁ Step2、2ꢁ Step2 同时开采,…,以此类推。 [ 6- 7] 。 本试验中选取 Cσ = Cγ CL 作为主要相似准 在综合考虑地质、采矿等因素后,选取沿走向地 究 3ꢀ 试验过程 3. 1ꢀ 相似比选取 则。 通过对多个不同相似比的分析比较,选定 CL = 2 2 ꢀ 试验方案设计 . 1ꢀ 模拟范围确定 600, Cγ = 1. 3,则由式(1)得 Cσ = 780。 模型试验的 地点选在武汉科技大学岩石力学实验室内,试验架全 部采用型钢材料制作,净断面长 2. 50 m、高 2. 30 m、 宽 0. 20 m。 考虑到试验模型具有强底低、易垮、易碎 的特点,模型的宽度选定为 0. 20 m,按照 600 的几何 相似比计算,试验需要的模型架长 1. 76 m、高 1. 36 m、宽 0. 20 m,实验室可以满足要求。 下矿体分布复杂、厚度适中、工程地质和采矿条件具 有代表性的剖面。 模拟开采范围为ꢁ290 ~ ꢁ500 m 选 厂下保安矿柱和ꢁ377 ~ ꢁ500 m 保安矿柱以外矿体, 因此确定的深度范围为+58 ~ ꢁ700 m,总深度为 758 m;选取模拟的宽度为 1 056 m;选取的剖面上盘主要 为大理岩、下盘主要为花岗岩。 最终的模型见图 1, 3 . 2ꢀ 相似材料的选取 # # 根据相似理论,试验中的模型由相似材料制作, 其中 1 ~ 4 为百分表监测点,CH1 ~ CH6 为应变片监 测点,同时在应变片上设置全站仪监测点辅助监测模 型沉降。 相似材料对模型相似试验的成功与否起决定性作 [ 5] 用 。 根据相似原理和程潮铁矿矿石和围岩的物理 力学参数,结合模型的应力相似比为 1 ∶ 780,可计算 [ 9-12] 关于 得到模型材料的物理力学参数,参考肖杰等 模型配比试验研究成果,选取河沙、重晶石粉、石膏、 铁矿粉为相似材料的原料,通过正交试验法设计出模 型材料可能的配比方案,在材料试验机上测试其物理 力学参数,选择满足要求的配比方案见表 2。 表 2ꢀ 选取的相似材料配比及力学参数 Table 2ꢀ Similar material proportion and mechnical parameters 图 1ꢀ 相似模拟典型剖面(单位:m) 原料质量分数 / % 密ꢀ 度 抗压强 3 (kg/ m ) 度/ kPa 岩ꢀ 性 / 河沙 重晶石粉 石膏 铁矿粉 Fig. 1ꢀ Typical section of simulation experiment 大理岩 花岗岩 87. 5 86 10 10 10 2. 5 4 2 130 1 960 3 406 65. 6 138. 2 127. 8 2 . 2ꢀ 试验方案确定 试验中对ꢁ290 ~ ꢁ500 m 矿体进行充填法开采过 铁矿体 71 4 15 程的模拟,同时模拟无底柱分段崩落法开采ꢁ377 ~ ꢁ 崩落散体 充填体 采用上下盘围岩配比制作的块度适当的碎块 采用矿体相似材料及尾矿配制而成 5 00 m 的矿体,具体的试验方案及步骤见表 1。 · 149· 总第 474 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 12 期 3 . 3ꢀ 模型制作 模拟开采区域无不良地质体,矿区构造应力远小 于自重应力,因此相似材料模型不考虑不良地质体的 影响,仅考虑相似材料模型的自重应力,自重应力场 完全由相似材料的重力施加。 根据模型的前后均无 约束等条件,制作出的模型处于平面应力状态。 相似模拟试验主要包括选取相似材料并进行其 配比试验,模型入模浇筑,监测点的布置,模拟开采过 图 2ꢀ 模型及观测系统 Fig. 2ꢀ Physical model and observing system [ 3] 程以及数据、图像的收集和处理 。 获得模型材料 的最佳配比以后,根据图 1 制作相似试验模型,按照 表 2 中相似比配制相似材料,加水搅拌均匀装入模型 架中,成型后及时拆除模板在常温下养护至模型完全 风干。 浇筑模型时应该保证模型的表面平整,严格按 照图 1 中岩石分类进行划分,同时应该防止混合料离 析。 在模型风干后装入模拟的崩落散体块,静止 1 ~ 监测选厂区域地表沉降,测点离塌陷坑距离分别为 375、250、133、33 mm。 用 BX2011C1 力学综合参数测 试仪监测选厂区域应变情况并辅以 NTSꢁ362RML 全 站仪测试应变片位置的沉降。 为了实现 2 种采矿方 法同时开采,模型中充填法采用上向水平分层充填 法,矿房宽度为 2. 1 cm(实际 13 m),矿柱 1. 2 cm(实 际 7 m),矿房由左至右依次开采,保留矿柱。 无底柱 分段崩落回采巷道由左至右布置。 在各分段 2 种采 矿方法之间预留 3. 3 cm(实际 20 m)隔离矿柱防止 2 种方法相互影响。 按照表 1 中各步骤进行开后各步 骤开采完成后的模型如图 3 所示。 3 d 后使其达到平衡状态。 制作完成的模型及试验 中采用的测试系统如图 2 所示。 3 . 4ꢀ 矿体模拟开采过程 根据设计方案进行试验。 试验过程中,用百分表 图 3ꢀ 各步骤开采后的模型实物图 Fig. 3ꢀ Physical model diagrams after different mining steps 4 ꢀ 试验结果及分析 坑边缘 20 m 和 80 m 处。 在距离塌陷坑边缘 150 m # # 4 . 1ꢀ 选厂区域地表沉降分析 的 2 点处和 225 m 的 1 点处,地表的沉降量最大值 分别为 36 mm 和 6 mm。 表明在开采过程中,选厂区 域地表沉降量与其与塌陷坑的距离负相关。 在每个开采步骤结束后记录百分表读数,并根据 模型的几何相似比为 600,可以得到选厂区域的地表 实际沉降情况如图 4 所示。 # 对于 1 点而言,仅在步骤 7 后出现沉降,表明 ꢁ 482 m 以上开采活动对距离塌陷坑边缘 225 m 以上 由图 4 可以看到,采用充填法和无底柱分段崩落 法同时开采ꢁ500 m 水平以上的矿体时,选厂区域的 # 区域不产生影响。 对于 2 点而言,在步骤 6 后沉降 12 mm,并在步骤 7 后再次沉降 24 mm,表明ꢁ482 ~ ꢁ500 m # # 最大沉降量为 90 mm,分别为 3 和 4 点,即距离塌陷 · 150· ꢀ ꢀ ꢀ 裴明松等:程潮铁矿两种采矿方法并存下地表变形规律研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 12 期 的。 充填法可以很好地控制地表沉降,运用该方法回 收保安矿柱对于距离塌陷坑边缘 150 m 以上范围的 地表能够起到很好的保护作用。 但是在 20 ~ 150 m 范围内由于崩落散体施加于塌陷坑边坡上的重力作 用,使得该区域的沉降远大于 150 m 以外区域的沉 降。 此外,随着采深的不断增加,地表的沉降量有逐 渐增大的趋势。 4 . 2ꢀ 近地表区域应变情况分析 图 4ꢀ 各步骤开采后选厂区域地表沉降情况 Fig. 4ꢀ Surface subsidence of dressing plant area after different mining steps 应变仪记录各步骤开采过程中标号为 CH1 ~ CH6 应变片的应变,结果如图 6 所示。 BS—开采前各测点的沉降值 的开采活动对距离塌陷坑边缘 150 m 区域地表影响 较大,ꢁ465 m 以上开采活动则对该区域无影响。 对 # 于 3 点而言,在步骤 1 后沉降 6 mm,并在后续步骤中 依次沉降 12、18、18、18、18、6、12 mm,表明开采活动 初期对距离塌陷坑边缘 80 m 区域地表即产生影响, ꢁ 412 ~ ꢁ465 m 之间的开采活动则对该区域影响较 图 6ꢀ 各步骤开采近地表岩体应变情况 Fig. 6ꢀ Subsurface rock strain of dressing plant area after different mining steps # 大。 对于 4 点而言,在步骤 1 后沉降 6 mm,并在后续 步骤中依次沉降 18、18、24、6、12、6 mm,表明ꢁ395 ~ ꢁ 447 m 之间的开采活动则对该区域影响较大。 此外,全部步骤开采结束之后通过全站仪测得应 ○ ▼ ▲ ■ ● ◆ —CH1; —CH2; —CH3; —CH4; —CH5; —CH6 分析图 6 可知,首先,近地表区域的应变值基本 上为正值,表明在开采过程中近地表区域岩体的应变 以拉为主。 此外,应变值由 CH1 ~ CH6 有逐渐变大 的趋势,表明离塌陷坑越近的区域,其受到地下采矿 活动 影 响 越 大, 这 一 结 论 与 地 表 沉 降 趋 势 一 致。 CH1、CH2 位置的应变值很小,表明该区域岩体在开 采过程受到的扰动较小,较为稳定。 CH3、CH4 应变 值较小,在整个开采活动过程中变化幅度不大,表明 该区域岩体受到开采活动的影响但是影响作用不大。 CH5、CH6 应变值相对较大,在开采活动中变化幅度 较大,并有一定的波动,表明地下采矿活动很大程度 上影响了该区域的近地表范围岩体。 变片 CH1 ~ CH6 处(即近地表区域岩体)沉降分别为 2、18、42、60、78、78 mm。 对比百分表测得的地表沉 1 降与全站仪测得的近地表岩体沉降情况与其距塌陷 坑的距离可得图 5。 5 ꢀ 结ꢀ 论 图 5ꢀ 选厂区域地表与近地表沉降情况 与其距离塌陷坑边缘的距离对比 ( 1)采用充填法回收保安矿柱,同时在相同阶段 用无底柱分段崩落法回采保安矿柱以外的矿体可以 很好地控制选厂区域地表的沉降,特别是距离塌陷坑 边缘 150 m 以上的区域基本不会受到地下采矿活动 的影响,同时距离塌陷坑 20 m 以上范围内地表的沉 降值不大,可以保证塌陷坑范围不发生变化。 Fig. 5ꢀ Comparison of surface and subsurface subsidence of dressing plant area with the distance from collapse pit edge 图 5 表明,选厂区域近地表岩体的沉降值普遍小 于地表的沉降值,说明采矿活动引起的沉降与埋深有 关。 但是近地表岩体和地表的沉降情况与塌陷坑边 缘的距离的关系十分相似,沉降值与该距离负相关。 说明全站仪辅助监测起到了较好的作用。 (2)采用上述 2 种方法同时开采,距离塌陷坑边 缘越远,其受到地下采矿活动的影响也越小,选厂区 域近地表范围内岩体的应变情况也遵循这一规律。 (3)试验中充填体的接顶率以及充填体的密实 度较高,一定程度上减少了地表的沉降。 在实际生产 上述分析结果表明,采用充填法回收保安矿柱, 同时在相同阶段用无底柱分段崩落法回采保安矿柱 以外的矿体对于开采ꢁ500 m 水平以上的矿体是有利 · 151· 总第 474 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 12 期 Li Bin,Xu Mengguo,Wang Mingxu,et al. Similarity simulation study 中应该适当提高充填接顶率以及充填体的密实度。 of block ores generation in pillarless sublevel caving [ J]. Metal 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 Mine,2013(2):1-6. [ [ 7]ꢀ 马ꢀ 俊,许梦国,王ꢀ 平,等. 无底柱分段崩落法塌陷区回填体 移动规律研究[J]. 金属矿山,2011(8):37-40. Ma Jun,Xu Mengguo,Wang Ping,et al. Study on the movement laws of subsided backfilling body with pillarless sublevel caving[J]. Met- al Mine,2011(8):37-40. [ 1]ꢀ 梅甫定,王如坤,夏ꢀ 鸿. 崩落法和充填法联合开采在金山店铁 矿的应用研究[J]. 金属矿山,2013(10):21-24. Mei Fudin, Wang Rukun, Xia Hong. Application study of caving method and filling method combined ming in jinshandian iron mine [ J]. Metal Mine,2013(10):21-24. 2]ꢀ 全球铁矿石产能过剩恐持续更久[J]. 中国远洋航务,2015(5): 6. 8]ꢀ 李鸿昌. 矿山压力的相似模拟试验[M]. 徐州:中国矿业大学出 版社,1988. [ [ [ [ 1 Li Hongchang. Similar Simulation Experiment on Mine Ground Pres- sure [ M ]. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press,1988. The redundancy of global iron ore production may last[J]. Maritime China,2015(5):16. 3]ꢀ 顾大钊. 相似材料和相似模型[M]. 徐州:中国矿业大学出版社. 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