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玉溪大红山铁矿Ⅲ# 、Ⅳ# 矿体北盘区采场地压控制研究
2019-02-18
介绍了研究地压活动规律对矿山地下开采的重要影响,通过应用3D-σ 软件对大红 山铁矿Ⅲ#、Ⅳ#矿体开采过程进行数值模拟计算研究,及对待采380 mNH1、NH2、NH3 盘区开采方 案及回采顺序进行研究, 发现现阶段Ⅲ#、Ⅳ# 矿体北盘区顶板及矿柱整体稳定性相对较好; 在380 mN2、N3、N4 盘区充填的基础上开采380 mNH1、NH2、NH3 盘区地压活动要小于不充填的 情况,但在不充填的前提下开采380 mNH1、NH2、NH3 盘区也能满足安全要求;从开采过程应力、 位移、安全率及塑性区的分布规律看,建议先采380 mNH2 盘区,最后开采380 mNH1、NH3 盘区。 从而建议...
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 # # 玉溪大红山铁矿Ⅲ 、Ⅳ 矿体北盘区 采场地压控制研究 1 1 2 2 杨八九 ꢀ 程ꢀ 涌 ꢀ 徐ꢀ 刚 ꢀ 段ꢀ 鑫 ( 1. 云南亚融矿业科技有限公司;2. 玉溪大红山矿业有限公司) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 介绍了研究地压活动规律对矿山地下开采的重要影响,通过应用 3D-σ 软件对大红 # # 山铁矿Ⅲ 、Ⅳ 矿体开采过程进行数值模拟计算研究,及对待采 380 mNH1、NH2、NH3 盘区开采方 # # 案及回采顺序进行研究, 发现现阶段 Ⅲ 、 Ⅳ 矿体北盘区顶板及矿柱整体稳定性相对较好; 在 380 mN2、N3、N4 盘区充填的基础上开采 380 mNH1、NH2、NH3 盘区地压活动要小于不充填的 情况,但在不充填的前提下开采 380 mNH1、NH2、NH3 盘区也能满足安全要求;从开采过程应力、 位移、安全率及塑性区的分布规律看,建议先采 380 mNH2 盘区,最后开采 380 mNH1、NH3 盘区。 从而建议在开采过程中对盘区顶板及矿柱进行地压监测,以便更好地指导矿上生产。 关键词ꢀ 地压活动ꢀ 开采顺序ꢀ 3D-σꢀ 数值模拟ꢀ 顶板及矿柱稳定性 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 018 1 ꢀ 概ꢀ 述 矿产资源的利用对于我国的经济发展、科技进 有限差分法、边界元法和离散单元法是较早出现的 数值模拟方法,也是目前在岩土工程地压分析中运 用较多的几种数值模拟方法。 其中,3D-σ 是目前岩 土工程界最广泛应用的数值模拟软件之一。 [ 1] 步以及社会和谐起着举足轻重的作用 。 国内规 模较大的矿山企业经过几十载的发展,如今几乎都 己转入地下开采阶段,其中部分矿山开采深度已超 过 1 000 m。 随着开采不断向深部延伸,开采条件变 得日益复杂,导致地下工程开挖诱发地压灾害的次 数不断的增多,发生的规模也在不断的扩大。 随着 我国浅部矿产资源的逐渐减少和枯竭,矿山开采深 度将越来越大,亟需解决深部开采过程中伴随的高 温、 地 压 显 现 相 关 灾 害 事 故 增 加 等 关 键 技 术 问 # # 本研究通过对该矿Ⅲ 、Ⅳ 矿体的 3D-σ 数值模 拟,就地压活动区的应力、位移、塑性区等状况进行 分析研究,并对待采 380 mNH1、NH2、NH3 盘区开 采方案及回采顺序进行了分析研究。 2 ꢀ 矿区概况及研究对象 大红山铁矿位于云南省玉溪市新平彝族、傣族 自治县嘠洒镇,紧靠哀牢山脉东侧的嘎洒江东岸。 矿区标高 600 ~ 1 850 m,属侵蚀剥蚀山地地形,切割 深,起伏大,网状沟谷发育,曼岗河、肥味河、老厂河 从矿区流过,汇合为浑龙河,在矿区西南约 9 km 处 注入戛洒江。 在曼岗河东岸,大红山铁矿范围内,包 [ 2-3] 题 。 尤其是需要解决深部岩体变形、岩体破坏特 性的变异以及由此引发的重大安全事故,如岩爆 [ 4-5] 。 深部矿床开采是矿业未来发展的必然趋势, 等 [ 6-7] 。 伴随着深 并己成为国际矿业的重要研究领域 部开采的负面效应就是矿山深部开采时发生的安全 # # 括浅部铁矿、深部铁矿、深部Ⅰ 含铁铜矿带及Ⅰ 含 铜铁矿 带、 哈 母 白 祖 铁 矿, 共 有 矿 石 量 55 395. [ 8-9] 。 近年来,随着电子计算 生产事故亦越来越严重 机技术和有限单元法等数值模拟方法在地压研究中 的快速发展,有力的推动了国际岩石力学基本性质 的研究。 将数值模拟方法运用于岩土工程地压分析 8 5 万 t,全铁品位 33. 41% 。 大红山铁矿于 2005 年 末期建成投产,设计生产规模为 450 万 t/ a,目前大 红山铁矿已按此设计进行分期、有序的基建与开采。 大红山铁矿矿床规模巨大,可分为浅部铁矿、深部铁 [ 10] 计算开始于上世纪 60 年代 ,其中,有限单元法、 # 矿、曼岗河北岸铁矿、哈姆白祖铁矿和Ⅰ 铁铜矿带 # 五个地段。 本次研究对象Ⅲ-Ⅳ 矿体北盘区于 2012 ꢀ ꢀ 杨八九(1980—),男,工程师,650093 云南省昆明市五华区学府 路 296 号。 年 12 月投产。 本矿段在深部主采区 400 万 t/ a 工 7 9 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 程的基础上,采用平巷开拓,斜坡道联结各回采分 段。 北盘区由 370 mN2、N3,380 mN2、N3、N4,380 mNH1、NH2、NH3 组成,共计 8 个盘区,整体开采顺 序由下往上,采矿方法为小分段空场嗣后废石加尾 砂充填法进行开采,矿块沿走向布置,矿块长 50 m, 其中矿房长 42 m,隔离矿柱视矿体厚度取 8 m,分段 高度 10 m。 现阶段 370 mN2、N3,380 mN2、N3、N4 盘区已开采完成,其中 370 mN2、N3,380 mN4 已采 用尾砂充填,380 mN2、N3 未充填(见图 1)。 # # 图 1ꢀ Ⅲ 、Ⅳ 矿体北盘区开采现状 # # ꢀ ꢀ Ⅲ 、Ⅳ 矿体北盘区采用小分段空场嗣后废石 380mN2、N3、N4 盘区开采后,矿岩体在开挖体周围 应力重新分布,380 mN2、N3、N4 盘区开采后顶板及 矿柱最大压应力为 38. 539 MPa(图 2、图 3),小于经 工 程 处 理 以 后 矿 体 及 变 钠 质 熔 岩 的 抗 压 强 度 (41. 8,41. 5 MPa),矿体开采后盘区顶板无拉应力 出现,此时采区顶板及矿柱稳定性较好;现状顶板及 矿柱安全率最小值分别为 1. 256,1. 292 ( 图 4、图 5),顶板及矿柱稳定性较好;塑性区的分布比应力、 位移和安全率等更能直观地反映出矿岩体开采后对 周围围岩稳定性的影响,从现状顶板及矿柱塑性区 分布(图 6、图 7 中深色区域) 来看,370 mN2、N3 盘 区充填后,充填体上部顶板几乎没有塑性区出现, 380 mN2、N3、N4 盘区顶板存在零星的塑性区,且没 有连片现象,说明顶板及矿柱局部存在破坏,但不影 响整体的稳定。 加尾砂充填法进行开采,此过程周期较长,且随着主 # # 矿体开采深度的下降,Ⅲ 、Ⅳ 矿体将处于移动范围 # # 之内,如果到时再来回采Ⅲ 、Ⅳ 矿体安全隐患更 大,加之目前矿山生产任务较重,嗣后尾砂充填周期 # 较长,会造成生产脱节,出现采充不平衡,所以Ⅲ 、 # Ⅳ 矿体剩余盘区的开采及是否充填将非常紧迫,有 # # 必要对Ⅲ 、Ⅳ 矿体北盘区采场地压的活动规律进 行深入系统的研究,在此基础上确定 380 mN2、N3 未充填的前提下 380 mNH1、NH2、NH3 盘区是否可 以开采及合理的开采方式。 3 3 ꢀ 地压模拟分析 . 1ꢀ 计算参数 # Ⅲ -Ⅳ 矿体北盘区采用高浓度全尾砂膏体充填 为主,水砂、废石充填为辅的联合充填方案,不同灰 砂比的充填体 28 d 抗压强度 0. 486 ~ 2. 161 MPa,为 此,本项目在此基础上进行数值模拟研究,数值模拟 软件为 ,充填体抗压强度 0. 751 MPa。 矿岩体力学 参数引用了《 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公 司》“云南省大红山铁矿地下开采对露天开采危害 及控制技术研究之一(工程地质调查及地下采场围 岩稳定性数值模拟)”的力学参数工程处理结果。 3 . 2ꢀ 现状稳定性分析 本步骤模拟尾砂充填 370 mN2、N3 盘区并开采 80 mN2、N3、N4 盘区形成现状,并对现在盘区顶板 图 2ꢀ 北盘区现状顶板最大主应力分布(单位:MPa) 通过对应力、位移、安全率和塑性区分布的综合 分析,370 mN2、N3 盘区充填后开采 380 mN2、N3、 N4 盘区以后后顶板及矿柱整体稳定性相对较好,没 3 及矿柱稳定性进行分析。 从模拟结果可以看出,370 mN2、N3 盘区充填, 8 0 # # ꢀ 杨八九ꢀ 程ꢀ 涌等:玉溪大红山铁矿Ⅲ 、Ⅳ 矿体北盘区采场地压控制研究ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 ꢀ 3 . 3ꢀ 待采盘区开采方案及回采顺序研究 本步骤是在尾砂充填 370 mN2、N3 盘区并开采 80 mN2、 N3、 N4 盘 区 形 成 现 状 的 基 础 上 3 对 380 mNH1、NH2、NH3 盘区的回采方式及顺序进 行分析研究。 结合现场的实际情况及所需解决的问 题,本步骤共进行以下 4 个方案的模拟研究。 方案一:对 380 mN2、N3、N4 盘区进行充填,充 填完成后开采 380 mNH1、NH2、NH3 盘区。 方 案 二: 380 mN2、 N3、 N4 盘 区 不 充 填,380 mNH1、NH2、NH3 盘区同时开采。 方案 三: 380 mN2、 N3、 N4 盘 区 不 充 填, 先 采 380 mNH1、NH3 盘区,最后开采 NH2 盘区。 方案 四: 380 mN2、 N3、 N4 盘 区 不 充 填, 先 采 380 mNH2 盘区, 最 后 开 采 380 mNH1、 NH3 盘 区。 图 3ꢀ 北盘区现状矿柱最大主应力分布(单位:MPa) 图 4ꢀ 北盘区现状顶板安全率分布(单位:MPa) 图 5ꢀ 北盘区现状矿柱安全率分布(单位:MPa) 3 . 3. 1ꢀ 4 种方案顶板稳定性分析 1)应力分布模拟结果分析。 从应力分布模拟 ( 结果 ( 图 8 ~ 图 11 ) 看, 压 应 力 最 小 为 方 案 一 的 31. 725 MPa,最大为方案三的 37. 428 MPa,均没 有超 出 矿 体 及 变 钠 质 熔 岩 的 抗 压 强 度 ( 41. 8 ,41. 5 MPa);矿体开采后 4 个方案盘区顶板均无 拉应力出现,说明此时采区顶板稳定性较好,4 种开 采方案均能保证顶板稳定。 图 8ꢀ 方案一盘区顶板最大主应力分布(单位:MPa) 图 6ꢀ 北盘区现状顶板塑性区分布 图 7ꢀ 北盘区现状矿柱塑性区分布 图 9ꢀ 方案二盘区顶板最大主应力分布(单位:MPa) (2)安全率分布模拟结果分析。 从 4 种方案盘 区顶板安全率模拟结果来看(图 12 ~ 图 15),4 个方 案开采后顶板最小安全率分别为 1. 314,1. 202, 有出现大的地压显现,仅在局部存在塑性区,说明顶 板及矿柱会出现局部破坏,但不影响整体的稳定,这 与矿山现在的实际情况比较吻合。 8 1 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 1 . 235 ,1. 243,安全率最大的是方案一,其次为方案 8 2 # # ꢀ ꢀ 杨八九ꢀ 程ꢀ 涌等:玉溪大红山铁矿Ⅲ 、Ⅳ 矿体北盘区采场地压控制研究ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 图 10ꢀ 方案三盘区顶板最大主应力分布(单位:MPa) 图 14ꢀ 方案三盘区顶板安全率分布 图 11ꢀ 方案四盘区顶板最大主应力分布(单位:MPa) 图 15ꢀ 方案四盘区顶板安全率分布 四,之后是方案三,最小的是方案二,4 个开采方案 安全率都满足要求,但从整个开采过程来看,由于充 填体的存在,方案一开采后顶板安全率明显高于其 他 3 个方案;而方案三、方案四为分步骤开采,对围 岩的扰动相对较小,所以从安全率分布规律看,在 ( 3)塑性区分布模拟结果分析。 从 4 种回采方 案盘区顶板塑性区模拟结果(图 16 ~ 图 19)可以看 出,由于方案一对 380 mN2、N3、N4 盘区进行充填, 所以整体开采后 380 mN2、N3、N4 盘区顶板没有塑 性区出现,说明充填体对顶板变形起到了明显抑制 作用,方案二 ~ 方案四均在 380 mN2、N3、N4 盘区未 充填的基础上进行开采,所以 380 mN2、N3、N4 盘区 顶板存在零星的塑性区,没有出现连片现象,说明盘 区顶板局部可能会出现破坏,但整体相对比较稳定。 但从开采过程看,由于方案四开采扰动最小,对盘区 及矿柱的影响较小,所以在 380 mN2、N3、N4 盘区未 充填的前提下,建议采用方案四:先采 380 mNH2 盘 区,最后开采 380 mNH1、NH3 盘区的方式进行开 采。 3 80 mN2、N3、N4 盘区未充填的前提下,建议采用方 案四:先采 380 mNH2 盘区,最后开采 380 mNH1、 NH3 盘区的方式进行开采。 图 12ꢀ 方案一 盘区顶板安全率分布 图 16ꢀ 方案一盘区顶板塑性区分布 3 . 3. 2ꢀ 4 种方案矿柱稳定性分析 1)应力分布模拟结果分析。 从应力分布模拟 ( 结果(图 20 ~ 图 23)看,4 种方案开采后最大压应力 主要出现在矿体开挖后与上盘围岩接触及拐角处, 图 13ꢀ 方案二盘区顶板安全率分布 8 3 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 图 17ꢀ 方案二盘区顶板塑性区分布 图 22ꢀ 方案三盘区矿柱最大主应力分布(单位:MPa) 图 18ꢀ 方案三盘区顶板塑性区分布 图 23ꢀ 方案四盘区矿柱最大主应力分布(单位:MPa) ( 2)安全率分布模拟结果分析。 从 4 种方案盘 区顶板安全率模拟结果来看(图 24 ~ 图 27),4 个方 案开采 后 盘 区 矿 柱 最 小 安 全 率 分 别 为 1. 329, 1. 193,1. 221,1. 226,方案一最大,方案四、方案三次 之,方案二最小,4 个开采方案安全率都满足要求, 但从整个开采过程来看,由于充填体的存在,方案一 开采后矿柱安全率明显高于其他 3 个方案;而方案 三、方案四为分步骤开采,对围岩的扰动相对较小, 安全率要大于整体开采的情况,所以从安全率分布 规律看,在 380 mN2、N3、N4 盘区未充填的前提下, 建议采用方案四:先采 380 mNH2 盘区,最后开采 图 19ꢀ 方案四盘区顶板塑性区分布 压应力最小为方案一的 29. 847 MPa,最大为方案三 的 39. 647 MPa,均没有超出工程处理后矿体的抗压 强度 41. 8 MPa;说明此时矿柱稳定性较好,所以从 应力分布情况来看,4 种开采方案均能保证矿柱稳 定。 3 80 mNH1、NH3 盘区的方式进行开采。 图 20ꢀ 方案一盘区矿柱最大主应力分布(单位:MPa) 图 24ꢀ 方案一盘区矿柱安全率分布 ( 3)塑性区分布模拟结果分析。 从 4 种回采方 案盘区顶板塑性区模拟结果(图 28 ~ 图 31)可以看 出,由于方案一对 380 mN2、N3、N4 盘区进行充填, 所以整体开采后整个北盘区矿柱塑性区较少,方案 二在 380 mN2、N3、N4盘区未充填的前提下整体同 图 21ꢀ 方案二盘区矿柱最大主应力分布(单位:MPa) 8 4 # # ꢀ ꢀ 杨八九ꢀ 程ꢀ 涌等:玉溪大红山铁矿Ⅲ 、Ⅳ 矿体北盘区采场地压控制研究ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 图 29ꢀ 方案二盘区矿柱塑性区分布 图 25ꢀ 方案二盘区矿柱安全率分布 图 30ꢀ 方案三盘区矿柱塑性区分布 图 26ꢀ 方案三盘区矿柱安全率分布 图 31ꢀ 方案四盘区矿柱塑性区分布 方面都说明:由于大红山铁矿北盘区矿岩体稳定性 较好,在 380 mN2、N3、N4 盘区未充填的前提下,可 以开采 380 mNH1、NH2、NH3 盘区;从开采过程应 力、位移、安全率及塑性区的分布规律看,建议采用 方案四:先采 380 mNH2 盘区,最后开采 380 mNH1、 图 27ꢀ 方案四盘区矿柱安全率分布 NH3 盘区的方式进行开采。 时开 采, 扰 动 相 对 较 大, 380 mN2、 N3、 N4 盘 区 与 380 mNH1、NH2、NH3 盘区之间矿柱底部塑性区 相对比较集中,说明此时矿柱承受的压力较大,方案 四由于扰动最小,对盘区间矿柱的影响也较小,所以 在 380 mN2、N3、N4 盘区未充填的前提下,建议采用 方案四:先采 380 mNH2 盘区,最后开采 380 mNH1、 NH3 盘区的方式进行开采。 4 ꢀ 结ꢀ 论 ( # # 1)通过对大红山铁矿Ⅲ 、Ⅳ 矿体北盘区现状 # # 盘区顶板及矿柱稳定性的分析,认为现阶段Ⅲ 、Ⅳ 矿体北盘区顶板及矿柱整体稳定性相对较好,没有 出现大的地压显现,仅在局部存在塑性区,说明顶板 及矿柱会出现局部破坏,但不影响整体的稳定。 这 与矿山现在的实际情况比较吻合。 ( 2) 通过模拟分析,课题组认为在 380 mN2、 N3、N4 盘区充填的基础上开采 380 mNH1、NH2、 NH3 盘区地压活动要小于不充填的情况,但在不充 填的前提下开采 380 mNH1、NH2、NH3 盘区也能满 足安全要求。 ( 3)从开采过程应力、位移、安全率及塑性区的 图 28ꢀ 方案一盘区矿柱塑性区分布 分布规律看,建议先采 380 mNH2 盘区,最后开采 380 mNH1、NH3 盘区。 综合以上对不同开采方式 4 个方案的模拟分 析,从盘区顶板、矿柱应力、位移、安全率、塑性区等 (4)建议在开采过程中对盘区( 下转第86页) 8 5
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