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大红山铁矿顶板岩层冒落特性研究与实践
2012-07-31
针对大红山铁矿的特定条件,采用地质调查、岩体力学现场及室内试验、现场监测和数值模拟等综合 手段,采用数值模拟并以定量与定性相结合的方式,对深部铁矿顶板岩层的冒落规律进行了研究,其实际顶板冒落 过程及地压监测结果验证了研究结果的可靠性。
中 国 采 选 技 术 十 年 回 顾 与 展 望 大红山铁矿顶板岩层冒落特性研究与实践 徐 ꢀ ( 炜 ꢀ 蔺 朝 晖 ꢀ 李 金 恩 昆 钢 集 团 大 红 山 铁 矿 ) 摘 ꢀ 要 ꢀ 针 对 大 红 山 铁 矿 的 特 定 条 件 , 采 用 地 质 调 查 、 岩 体 力 学 现 场 及 室 内 试 验 、 现 场 监 测 和 数 值 模 拟 等 综 合 手 段 , 采 用 数 值 模 拟 并 以 定 量 与 定 性 相 结 合 的 方 式 , 对 深 部 铁 矿 顶 板 岩 层 的 冒 落 规 律 进 行 了 研 究 , 其 实 际 顶 板 冒 落 过 程 及 地 压 监 测 结 果 验 证 了 研 究 结 果 的 可 靠 性 。 关 键 词 ꢀ 崩 落 开 采 ꢀ 冒 落 规 律 ꢀ 数 值 模 拟 ꢀ 定 性 分 析 ꢀ ꢀ 大 红 山 铁 矿 床 为 古 海 相 火 山 岩 型 铁 铜 矿 床 , 它 m, 该 模 型 顶 面 至 + 1 150 m, 三 维 计 算 模 型 及 网 格 划 分 图 见 图 1。 由 火 山 喷 发 - 沉 积 变 质 型 ( Ⅰ、 Ⅱ 、 Ⅲ号 铁 铜 矿 5 - 4 带 ) 、 受 变 质 的 火 山 喷 溢 熔 浆 型 ( Ⅱ - 3 矿 体 ) 、 受 变 质 模 型 - 2: 长 度 1 000 m, 宽 度 800 m, 高 度 520 m, 该 模 型 顶 面 至 + 720 m 标 高 , 该 计 算 是 模 拟 当 空 区 周 边 及 顶 板 岩 体 出 现 较 大 变 形 以 致 模 型 无 法 收 敛 情 况 下 采 场 及 顶 板 岩 体 的 变 形 状 况 。 三 维 计 算 模 型 示 意 图 见 图 2。 5 的 火 山 气 液 交 代 ( 充 填 ) 型 ( Ⅱ 矿 体 ) 及 岩 浆 期 后 热 1 液 钠 化 交 代 型 ( Ⅴ 、 Ⅱ 矿 体 ) 等 4 种 成 因 类 型 组 2 2 成 。 本 次 主 要 研 究 的 矿 体 以 F 断 层 为 界 分 为 深 部 2 铁 矿 及 浅 部 铁 矿 , 矿 山 规 划 拟 采 用 地 下 与 露 天 联 合 开 采 方 式 。 靠 近 地 表 的 浅 部 熔 岩 铁 矿 为 多 层 缓 倾 斜 厚 矿 体 , 设 计 拟 采 用 露 天 开 采 ; 深 部 矿 体 已 采 用 地 下 模 型 - 3: 长 度 1 200 m, 宽 度 1 120 m, 高 度 750 m, 该 模 型 顶 面 至 + 1 000 m, 该 计 算 是 模 型 - 1 的 补 充 模 型 , 主 要 模 拟 大 于 模 型 - 1 计 算 所 得 最 大 暴 露 WWW.K 方 式 开 采 , 地 下 开 采 部 分 设 计 采 用 不 留 矿 柱 的 无 底 Y114.CN 面 积 后 采 场 围 岩 力 学 反 映 , 三 维 计 算 模 型 剖 面 示 意 柱 分 段 崩 落 法 。 见 图 3。 矿 区 成 矿 地 质 条 件 较 好 , 矿 体 产 于 红 山 组 浅 色 变 钠 质 熔 岩 中 , 侵 入 岩 类 主 要 有 辉 长 辉 绿 岩 , 近 矿 围 岩 蚀 变 一 般 不 明 显 , 风 化 裂 隙 一 般 规 模 小 , 裂 隙 率 0 . 83 ~ 3. 15 条 / m。 矿 体 顶 底 板 围 岩 除 少 量 片 岩 和 接 触 带 部 位 的 蚀 变 辉 长 辉 绿 岩 稳 固 性 较 差 外 , 一 般 稳 固 性 好 。 岩 石 多 属 坚 硬 、 半 坚 硬 岩 类 , 矿 石 多 属 半 坚 硬 类 型 。 1 ꢀ 开 采 规 划 矿 山 规 划 拟 采 用 地 下 - 露 天 联 合 开 采 方 式 , 地 表 的 浅 部 熔 岩 铁 矿 采 用 露 天 方 式 开 采 , 深 部 铁 矿 采 用 高 分 段 、 大 间 距 的 无 底 柱 分 段 崩 落 法 开 采 , 这 样 在 空 间 上 将 会 形 成 由 浅 部 、 深 部 、 露 天 、 地 下 、 多 矿 段 、 多 区 段 立 体 联 合 开 采 的 局 面 。 图 1ꢀ 三 维 计 算 模 型 -1 及 网 格 划 分 2 . 2ꢀ 力 学 参 数 与 屈 服 准 则 力 学 试 验 表 明 , 当 载 荷 达 到 屈 服 极 限 后 , 岩 体 在 塑 性 流 动 过 程 中 , 随 着 变 形 的 继 续 仍 会 保 持 一 定 的 残 余 强 度 。 因 此 , 本 计 算 中 的 岩 体 采 用 理 想 弹 塑 性 本 构 模 型 , 莫 尔 库 仑 ( MohrCoulomb) 屈 服 准 则 描 述 , 即 2 ꢀ 深 部 矿 体 开 采 围 岩 体 稳 定 性 数 值 模 拟 2 . 1ꢀ 计 算 模 型 根 据 矿 体 赋 存 环 境 与 矿 脉 的 埋 藏 深 度 , 参 考 地 质 剖 面 图 A33 线 、 A36 线 、 A38 线 、 A39 线 及 Ⅱ系 列 地 质 纵 剖 面 图 , 最 终 确 定 以 下 3 个 模 型 。 徐 ꢀ县 。炜 ( 1971— ) , 男 , 总 经 理 助 理 , 高 级 工 程 师 , 653405 云 南 省 新 平 模 型 - 1: 长 度 1 140 m, 宽 度 1 000 m, 高 度 880 · 149· 中 国 采 选 技 术 十 年 回 顾 与 展 望 图 3ꢀ 三 维 计 算 模 型 -3 剖 面 示 意 式 中 , σ1 、 σ 分 别 是 最 大 和 最 小 主 应 力 , c、  分 别 是 3 粘 结 力 和 摩 擦 角 。 f 是 破 坏 判 断 系 数 , 当 f ≥0 时 , s s 材 料 将 发 生 剪 切 破 坏 。 当 f < 0 时 , 材 料 处 于 弹 性 s 变 形 阶 段 。 在 通 常 应 力 状 态 下 , 可 根 据 抗 拉 强 度 准 则 判 断 岩 体 是 否 产 生 拉 破 坏 。 图 2ꢀ 三 维 计 算 模 型 -2 示 意 fs = ( σ1 - σ3 ) - 2ccos - ( σ1 + σ3 ) sin , ( 1) 表 1ꢀ 矿 岩 体 物 理 力 学 参 数 矿 岩 名 称 白 云 石 大 理 岩 变 钠 质 熔 岩 辉 长 辉 绿 岩 磁 铁 富 矿 弹 性 摸 量 / GPa 容 重 / ( g/ cm3 ) 极 限 抗 拉 强 度 / MPa 凝 聚 力 / MPa 内 摩 擦 角 / ( °) 体 积 模 量 / GPa 剪 切 模 量 / GPa 岩 体 泊 松 比 / μm 20. 08 20. 68 17. 94 20. 46 2. 81 2. 86 2. 80 3. 60 1. 21 0. 87 0. 57 1. 30 1. 78 1. 88 1. 42 1. 84 38. 2 37. 2 36. 8 37. 8 13. 38 13. 78 11. 96 13. 64 8. 03 8. 25 7. 16 8. 17 0. 250 5 0. 252 3 0. 252 1 0. 251 3 2 . 3ꢀ 模 拟 结 果 及 分 析 冒 落 前 期 垮 塌 集 中 , 规 模 较 大 , 采 空 场 东 西 向 围 岩 及 综 合 分 析 模 拟 结 果 , 可 得 到 不 同 暴 露 面 积 下 采 顶 板 垮 塌 较 大 ; 后 期 垮 塌 分 散 , 规 模 较 小 , 东 西 向 垮 场 围 岩 有 关 参 数 见 表 W 2。 WW.KY 塌 1 逐 渐 1 变 小 4 , 冒 落 . 向 C 顶 板 集 N 中 , 冒 落 逐 渐 呈 拱 形 状 表 2ꢀ 不 同 暴 露 面 积 下 有 关 参 数 的 模 拟 结 果 态 。 以 上 实 际 顶 板 垮 冒 过 程 、 垮 冒 高 度 、 垮 冒 局 势 以 及 垮 冒 废 石 充 填 空 场 后 对 围 岩 体 变 形 的 控 制 作 用 均 与 前 面 基 于 数 值 模 拟 和 特 定 工 程 地 质 条 件 的 综 合 分 析 结 果 一 致 。 2 暴 露 面 积 / m 序 号 + 790 m 剖 面 10 000 13 000 35. 67 0. 592 5. 83 16 000 35. 77 0. 770 6. 01 20 000 37. 78 0. 825 10. 75 1 2 3 最 大 主 应 力 / MPa 最 大 拉 应 力 / MPa 最 大 位 移 / cm 30. 64 0. 587 5. 36 4 ꢀ 结 ꢀ 论 ( 1) 在 单 采 场 且 空 区 高 度 不 超 过 80 m 的 条 件 2 ꢀ ꢀ 由 以 上 图 表 可 见 , 当 顶 板 暴 露 面 积 为 10 000 m 2 与 13 000 m 时 , 最 大 拉 应 力 分 别 为 0. 587 MPa 和 下 , 空 场 顶 板 最 大 安 全 暴 露 面 积 为 2 700 ~ 3 000 2 0 . 592 MPa , 但 仍 小 于 矿 体 及 顶 底 板 岩 体 的 极 限 抗 m 。 当 采 场 ( 空 区 ) 宽 度 ( 较 短 边 ) 在 80 m 以 内 时 , 2 拉 强 度 ; 当 顶 板 暴 露 面 积 为 16 000 m 时 , 最 大 拉 应 取 大 值 ; 否 则 取 小 值 为 宜 。 力 达 到 0. 77 MPa, 且 在 顶 板 两 侧 45°左 右 约 有 15 ~ ( 2) 根 据 矿 体 赋 存 状 况 以 及 初 步 设 计 确 定 的 开 采 顺 序 与 开 采 方 案 , 自 然 崩 落 的 最 小 暴 露 面 积 为 40 000 m2 左 右 ; 对 中 Ⅰ、 中 Ⅱ采 区 可 取 大 点 , 对 主 采 2 5 m 宽 区 域 呈 现 剪 切 状 态 ; 当 顶 板 暴 露 面 积 为 2 2 0 000 m 时 , 最 大 拉 应 力 为 0. 825 MPa, 也 接 近 矿 2 体 围 岩 的 极 限 抗 拉 强 度 0. 87 MPa, 在 采 场 爆 破 等 开 区 不 宜 超 过 40 000 m 。 采 扰 动 下 岩 体 具 备 自 然 崩 落 的 条 件 。 ( 3) 对 空 区 顶 板 以 上 120 m 高 度 内 岩 体 进 行 强 制 崩 落 , 这 样 既 确 保 了 覆 盖 岩 层 的 厚 度 , 同 时 也 可 保 证 采 场 内 有 70 m 以 上 的 废 石 充 填 高 度 , 从 而 极 为 有 效 地 改 善 了 围 岩 的 受 力 状 态 与 应 力 分 布 状 态 , 最 终 可 有 效 地 减 少 地 下 开 采 对 露 天 开 采 的 不 利 影 响 。 3 ꢀ 现 场 监 测 目 前 主 采 区 空 场 高 度 约 110 m, 根 据 声 发 射 及 微 震 监 测 网 点 的 监 测 结 果 以 及 之 前 + 920 m、 + 850 m 开 采 井 巷 坍 塌 情 况 , 目 前 确 定 顶 板 岩 体 已 冒 落 至 + 1 030 m 标 高 , 形 成 了 垂 直 高 度 为 530 m 的 垮 塌 区 。 通 过 顶 板 岩 体 垮 落 过 程 及 监 测 数 据 可 知 , 顶 板 ( 下 转 第 152 页 ) · 150·


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