湘西金矿地下采矿方法安全性的数值模拟研究-矿业114网 
首页 >> 文献频道 >> 矿业论文 >> 正文
湘西金矿地下采矿方法安全性的数值模拟研究
2011-07-26
作者分别采用变形准则与强度准则, 并借助于快速拉格朗日分析, 对湖南湘西金矿充填料 矿二次回采采矿方法的安全性, 进行了全面的数值模拟研究。研究结果表明, 所设计的采矿方法是合理 的, 能确保回采作业的安全。
湘 西 金 矿 地 下 采 矿 方 法 安 全 性 的 数 值 模 拟 研 究 丁 德 馨 D. J. Reddish   中 南 工 学 院 方衡 阳 421001) (英 国 诺 丁 汉 大 学 ) ( 摘 要 作 者 分 别 采 用 变 形 准 则 与 强 度 准 则 , 并 借 助 于 快 速 拉 格 朗 日 分 析 , 对 湖 南 湘 西 金 矿 充 填 料 矿 二 次 回 采 采 矿 方 法 的 安 全 性 , 进 行 了 全 面 的 数 值 模 拟 研 究 。 研 究 结 果 表 明 , 所 设 计 的 采 矿 方 法 是 合 理 的 , 能 确 保 回 采 作 业 的 安 全 。 关 键 词 变 形 准 则 强 度 准 则 地 下 采 矿 方 法 快 速 拉 格 朗 日 分 析 NUMERICAL STUDIES OF THE SAFETY FOR THE UNDERGROUND MINING SYSTEM IN XIANGXI GOLD MINE Ding Dexin ( Central South Institute of Technology) D. J . Reddish ( University of Nottingham , England) Abstract : Numerical studies are conducted of the safety for the underground mining system in Xiangxi Gold Mine in Hunan Rrovince by incorporating the empirical deformation criterion and Mohr2Coulomb strength criteri2 on with Fast Lagrangian Analysis of Continua (FLAC) . The results show that the mining system can ensure the safety during the operation. Keywords : Deformation criterion , Strength criterion , Underground mining system , FLAC 1 前 言 湘 西 金 矿 沃 溪 矿 区 上 部 分 的 论 证 , 所 以 , 影 响 了 它 在 该 矿 的 推 广 应 用 。 1996 年 , 本 文 第 一 作 者 带 着 这 一 课 题 , 到 英 国 诺 丁 汉 大 学 , 与 本 文 第 二 作 者 进 行 合 作 研 究 。 在 那 里 , 作 者 借 助 于 快 速 拉 格 朗 日 分 析 , 对 该 采 矿 方 法 的 安 全 性 进 行 了 全 面 的 数 值 模 拟 研 究 , 充 分 论 证 了 其 安 全 性 。 从 而 , 为 该 采 矿 方 法 的 推 广 应 用 打 下 了 基 础 , 也 为 地 下 采 矿 方 法 的 安 全 性 评 价 提 供 了 新 的 思 路 。 2   模 拟 的 开 采 技 术 条 件 中 段 的 钨 矿 脉 , 已 于 1952 年 前 后 用 干 式 充 填 采 矿 法 进 行 了 回 采 。 由 于 当 时 主 要 回 收 钨 矿 石 , 因 而 , 将 含 金 石 英 网 脉 矿 石 作 为 充 填 料 充 入 了 采 空 区 , 且 其 顶 底 板 均 为 含 金 石 英 网 脉 矿 , 形 成 了 条 由 于 所 设 计 的 采 矿 方 法 已 在 244 矿 块 试 用 , 所 以 模 拟 的 开 采 技 术 条 件 即 为 244 矿 块 的 开 采 技 术 条 件 。 该 矿 块 矿 体 由 上 下 两 层 层 间 石 英 脉 及 夹 于 其 中 的 网 状 脉 组 成 。 上 面 的 层 间 石 英 脉 已 于 1952 年 前 后 用 干 式 充 填 采 矿 法 回 采 , 充 填 料 为 含 金 石 英 网 脉 矿 石 。 中 部 的 网 状 脉 及 下 部 的 层 间 石 英 脉 均 为 原 生 含 金 矿 脉 。 该 充 填 料 矿 体 的 产 状 与 围 岩 基 本 一 致 , 走 向 NW , 倾 向 NE , 倾 角 约 30安。 矿 体 平 均 埋 深 80m , 平 均 厚 度 4m , 其 中 充 填 层 厚 度 1m。 件 独 特 的 充 填 料 矿 体 。 已 经 探 明 , 这 类 矿 体 的 平 均 金 〔 1〕 品 位 达 4185g/ t , 这 类 矿 体 的 矿 量 达 18 万 t 。 为 了 回 收 这 部 分 金 矿 资 源 , 早 在 80 年 代 中 期 就 开 始 了 采 矿 方 法 方 面 的 研 究 。 由 于 采 区 已 经 历 了 早 期 开 采 扰 动 的 影 响 , 因 此 , 为 了 确 保 回 采 作 业 的 安 全 , 为 这 类 矿 体 设 计 了 回 采 前 采 用 长 锚 索 预 控 顶 , 回 采 时 采 用 锚 杆 、 金 属 网 和 喷 浆 护 顶 , 回 采 后 采 用 尾 砂 胶 结 充 填 采 空 区 的 空 场 采 矿 法 , 并 在 244 矿 块 试 用 了 这 种 采 矿 方 法 。 试 用 情 况 表 明 , 该 采 矿 方 法 具 有 较 好 的 安 3   模 拟 的 采 矿 方 法 〔 2〕 全 性 。 但 是 , 由 于 对 该 采 矿 方 法 的 安 全 性 缺 乏 充 整 个 矿 块 沿 矿 体 走 向 划 分 为 5 个 矿 房 , 矿 房 之 间 35 湘 西 金 矿 地 下 采 矿 方 法 安 全 性 的 数 值 模 拟 研 究 留 连 续 矿 柱 。 整 个 矿 块 按 图 1 所 示 ① ~ ⑤ 的 顺 序 进 行 顺 采 。 每 个 矿 房 要 完 成 回 采 空 区 充 填 后 , 才 能 开 始 下 一 个 矿 房 的 回 采 。 表 1 模 型 的 物 理 力 学 性 质 指 标 密 度 kg/ m3) 700 体 积 模 量 剪 切 模 量 内 聚 力 (Pa) 内 摩 擦 角 抗 拉 强 度 ( (Pa) (Pa) (安) (Pa) 5 4 作 10 9 8 5 2 1133 作 10 8 作 10 8 作 10 35 每 个 矿 房 均 分 两 个 分 层 进 行 回 采 , 且 先 回 采 上 部 的 充 填 料 矿 , 后 回 采 下 部 的 原 生 矿 。 回 采 作 业 开 始 前 , 先 在 上 、 下 分 层 中 掘 进 它 们 各 自 的 上 山 , 并 在 上 分 层 中 的 上 山 内 预 设 长 锚 索 , 对 采 场 顶 板 进 行 预 加 固 。 回 采 充 填 料 矿 时 , 逆 倾 斜 推 进 工 作 面 , 并 紧 跟 工 作 面 安 设 短 锚 杆 , 布 设 金 属 网 , 喷 射 水 泥 砂 浆 。 充 填 料 的 回 采 结 束 后 , 随 即 后 退 式 回 采 下 分 层 的 原 生 矿 体 。 矿 房 回 采 结 束 后 , 即 进 行 尾 砂 胶 结 充 填 。 用 梁 单 元 模 拟 金 属 网 和 喷 浆 的 作 用 。 模 型 中 支 护 、 回 采 以 及 充 填 的 顺 序 , 完 全 与 实 际 的 顺 序 一 致 。 其 中 模 拟 一 次 回 采 时 , 所 用 充 填 料 为 含 金 石 英 网 脉 矿 , 其 物 理 力 学 性 质 指 标 列 于 表 2 ; 模 拟 二 次 回 采 时 , 所 用 充 填 料 为 尾 砂 胶 结 充 填 料 , 其 物 理 力 学 性 质 列 于 表 3。 表 2 充 填 料 矿 的 物 理 力 学 性 质 指 标 密 度 kg/ m3) 600 体 积 模 量 剪 切 模 量 内 聚 力 内 摩 擦 角 抗 拉 强 度 ( (Pa) (Pa) (Pa) 5 6 作 10 (安) (Pa) 0 8 7 1 3133 作 10 7 作 10 38 表 3 尾 砂 胶 结 充 填 料 的 物 理 力 学 性 质 指 标 密 度 kg/ m3) 100 体 积 模 量 剪 切 模 量 内 聚 力 (Pa) 内 摩 擦 角 抗 拉 强 度 图 1 采 矿 方 法 示 意 图 ( (Pa) (Pa) (安) (Pa) 5 114 作 10 1 ——— 钢 筋 网 与 喷 浆 ; 2 ——— 锚 杆 ; 3 ——— 锚 索 ; 4 ——— 充 填 料 矿 ; 7 6 5 2 212 作 10 714 作 10 1 作 10 35 5 7 ——— 上 分 层 先 进 上 山 ; 6 ——— 下 分 层 先 进 上 山 ; ——— 崩 矿 炮 孔 ; 8 ——— 矿 柱 ; 9 ——— 胶 结 充 填 体 4 13   变 形 准 则 及 变 形 破 坏 的 判 断 就 采 场 而 论 , 应 对 采 场 顶 板 的 最 大 沉 降 及 采 场 两 4 数 值 计 算 模 型 11   快 速 拉 格 朗 日 分 析 简 介 快 速 拉 格 朗 日 分 析 , 是 目 前 世 界 上 最 先 进 的 一 种 〔 3〕 帮 的 最 大 侧 向 位 移 加 以 严 格 控 制 。 湘 西 金 矿 长 期 的 经 4 验 表 明 , 顶 板 的 允 许 沉 降 为 012m , 两 帮 的 允 许 侧 向 〔 4〕〔 5〕 。 位 移 为 011m 所 建 立 的 模 型 能 判 断 模 拟 位 移 是 否 已 超 过 相 应 的 允 许 位 移 。 14   强 度 准 则 及 安 全 系 数 的 计 算 数 值 模 拟 技 术 。 它 突 破 了 有 限 单 元 法 及 边 界 单 元 法 的 小 变 形 限 制 , 可 以 模 拟 岩 土 介 质 的 大 变 形 ; 同 时 , 它 又 突 破 了 离 散 单 元 法 很 难 考 虑 复 杂 本 构 关 系 的 限 制 , 可 以 模 拟 岩 土 介 质 的 非 线 性 变 形 。 4 模 型 采 用 莫 尔 - 库 仑 准 则 进 行 强 度 分 析 , 此 时 围 岩 的 安 全 系 数 用 下 式 计 算 : 快 速 拉 格 朗 日 分 析 的 基 本 原 理 类 同 于 离 散 单 元 法 , 即 在 求 解 过 程 中 , 它 采 用 了 离 散 单 元 法 的 动 态 松 弛 法 , 不 需 求 解 大 型 联 立 方 程 组 (刚 度 矩 阵 ) 。 同 时 , 它 能 象 有 限 单 元 法 那 样 , 可 以 求 解 由 多 种 材 料 模 式 与 边 界 条 件 构 成 的 非 规 则 区 域 的 连 续 问 题 。 2 (c方ctgφ +σ 1 +σ 3 ) 方sinφ 2 Fs = (1) (σ 1 -σ 3) 式 中σ 、σ ——— 分 别 为 任 意 单 元 的 最 大 主 应 力 与 最 1 3 在 模 拟 实 际 问 题 方 面 , 它 具 有 如 下 特 色 : 能 模 拟 岩 土 介 质 的 非 线 性 大 变 形 ; 能 模 拟 岩 体 沿 某 一 弱 面 产 生 的 滑 动 变 形 ; 能 模 拟 复 合 岩 土 介 质 的 性 态 ; 能 模 拟 开 挖 顺 序 ; 能 模 拟 多 个 开 挖 相 互 之 间 的 影 响 ; 能 模 拟 支 护 构 件 的 作 用 ; 能 模 拟 充 填 体 的 支 撑 作 用 。 小 主 应 力 ; c ——— 为 围 岩 的 内 聚 力 ; φ ——— 为 围 岩 的 内 摩 擦 角 。 5 模 拟 结 果 11   围 岩 变 形 状 态 的 模 拟 结 果 由 于 各 矿 房 的 回 采 顺 序 不 同 , 其 围 岩 变 形 的 剧 烈 5 4 12   模 型 简 介 所 建 模 型 为 一 平 面 应 变 模 型 , 单 元 总 数 为 100 作 程 度 亦 不 相 同 。 计 算 机 模 拟 图 形 显 示 了 诸 矿 房 各 单 元 位 移 矢 量 的 大 小 及 方 向 (图 形 略 ) , 其 中 变 形 最 剧 烈 者 数 4 号 矿 房 围 岩 , 围 岩 最 大 位 移 达 11172cm。 但 结 果 表 明 围 岩 的 位 移 仍 在 容 许 范 围 以 内 。 512 围 岩 受 载 状 态 的 模 拟 结 果 1 50。 模 型 的 刚 度 参 数 与 强 度 参 数 通 过 位 移 反 分 析 获 4〕 。 围 岩 的 抗 拉 强 度 通 过 室 内 测 试 获 得 。 所 有 这 〔 得 些 参 数 列 于 表 1。 模 型 中 采 用 锚 杆 单 元 模 拟 锚 索 与 锚 杆 的 作 用 , 采 3 6 中 国 矿 业 1999 年 第 8 卷 第 2 期 各 矿 房 围 岩 的 受 载 状 态 用 (1) 式 定 义 的 单 元 安 全 系 数 来 描 述 , 计 算 机 模 拟 结 果 为 一 系 列 安 全 系 数 的 充 填 图 (图 形 略 ) 。 围 岩 受 载 最 不 利 的 矿 房 亦 为 4 号 矿 房 , 其 受 载 状 态 示 于 图 2。 失 稳 。 6   结 论 通 过 对 湘 西 金 矿 充 填 料 矿 二 次 回 采 采 矿 方 法 的 安 全 性 进 行 数 值 模 拟 研 究 , 得 到 了 如 下 结 论 : 1) 各 矿 房 顶 板 及 矿 柱 的 变 形 均 在 允 许 范 围 以 内 , 即 从 变 形 准 则 角 度 考 查 , 它 们 是 安 全 的 ; 2) 各 矿 房 围 岩 的 承 载 亦 在 允 许 范 围 以 内 , 即 从 强 度 准 则 观 点 来 衡 量 , 各 矿 房 的 围 岩 是 安 全 的 ; 3) 地 下 采 矿 方 法 的 安 全 性 评 价 , 要 从 变 形 及 强 ( ( ( 度 两 方 面 来 进 行 , 忽 略 其 中 任 何 一 方 面 都 是 不 全 面 的 , 也 是 不 可 取 的 。 参 考 文 献 〔 1〕 罗 录 锦 , 湘 西 金 矿 沃 溪 矿 区 矿 床 地 质 及 244 矿 块 地 质 , 湘 西 金 , 19861 矿 〔 2〕 丁 德 馨 等 , 湘 西 金 矿 极 不 稳 固 顶 板 稳 定 性 控 制 研 究 , 《 衡 阳 工 学 院 学 报 》 , Vol. 8 , No. 1 , 1994. 〔 〔 3〕 P. Cundall. FLAC Basics. Itasca Consulting Group Inc. , 1993. 4〕 杨 立 根 等 , 湘 西 金 矿 沃 溪 坑 口 316 试 验 采 场 安 全 监 测 及 顶 板 稳 定 性 分 析 , 长 沙 矿 山 研 究 院 , 19841 图 2 4 号 矿 房 围 岩 的 受 载 状 态 〔 5〕 包 东 曙 等 , 湘 西 金 矿 老 采 区 充 填 料 矿 二 次 回 采 采 场 安 全 监 测 1 长 沙 矿 山 研 究 院 119861 每 个 单 元 尺 寸 : 1m 作 1m 最 小 安 全 系 数 : 110 图 2 中 所 示 矿 房 左 帮 即 为 3 号 矿 房 与 4 号 矿 房 之 间 的 连 续 矿 柱 。 图 示 模 拟 结 果 表 明 , 该 矿 柱 已 达 临 界 状 态 , 矿 房 右 帮 局 部 亦 达 这 种 状 态 。 虽 然 如 此 , 但 由 于 这 些 部 位 的 岩 体 均 处 于 二 向 受 压 状 态 , 且 随 着 矿 房 被 充 填 , 它 们 又 转 而 处 于 三 向 受 压 状 态 , 故 不 会 发 生 ( 收 稿 日 期 1998 年 10 月 22 日 ) 〔 作 者 简 介 〕 丁 德 馨 硕 士 中 南 工 学 院 资 源 开 发 工 程 系 主 任 副 教 授 1990~ 1992 年 在 澳 大 利 亚 新 南 威 尔 大 学 1996~ 1997 年 在 英 国 诺 丁 汉 大 学 访 问 研 究 工 作 题 头 照 片 丁 德 馨
  • 中矿传媒与您共建矿业文档分享平台下载改文章所需积分:  5
  • 现在注册会员立即赠送 10 积分


皖公网安备 34050402000107号