协同理念下岩金矿脉群连续回采顶板安全跨度研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.03.176

摘要/Abstract

摘要：

为高效安全地开采呈条带状赋存的矿脉群，基于协同开采理念，提出集群连续化采矿理念与上向水平分层充填连续采矿法，并通过理论计算、数值模拟和工程验证，研究回采中顶板安全跨度的合理取值范围。采用平板梁理论计算法、普氏压力拱法、厚跨比法、荷载传递交汇线法和结构力学梁理论法推导得出顶板安全跨度计算公式，并引入安全系数，计算得出不同安全系数下的顶板跨度。经协同均算法界定分析，确定集群连续采矿方法的顶板安全跨度范围为23.0~18.6 m。结合理论计算的顶板跨度数据，取安全系数为2.0时的顶板跨度，采用ANSYS进行实体建模，基于FLAC^3D进行数值模拟验证。模拟结果表明：最大主应力为2.84 MPa，最大位移为9.7 mm，矿房中央位置存在小范围剪切应力破坏；工程实例表明：当采场跨度为18 m时，采场顶板局部小范围存在岩块掉落情况，掉落岩块长度与顶板跨度之比为1.67%，数值模拟结果与工程实例情况接近。协同开采理念具有较强的耦合性与包容性，其耦合形成的新理念为多种复杂的矿体开采起到指导作用，能够较好地满足复杂矿体矿山开采要求。

关键词: 协同开采, 连续化采矿, 矿脉集群, 安全跨度, 数值模拟

Abstract:

In order to mine strip cluster veins efficiently and safely，based on the concept of collaborative mining，the concept of cluster continuous mining and the continuous horizontal layered filling continuous mining method were proposed.First and foremost，the theoretical calculation methods of slab beam，Platts pressure arch method，thick-span ratio method，load transfer intersection line method and structural mechanics beam theory method were used，and the safety factor was introduced to calculate the roof span under different safety factors.The roof safety problem of the continuous mining method is studied.Furthermore，through the analysis，the safe stoping span of cluster continuous mining method is ranged from 23.0 m to 18.6 m. When the safety factor was 2.0，the number of roof span was modeled by ANSYS and verified by Flac^3D. For one thing，the numerical simulation results show that the maximum principal stress is 2.84 MPa，and the maximum displacement is 9.7 mm.There is only a small shear stress failure in the middle chamber.For another，the engineering example shows that: when the stope span is 18 m （rounding 18.6 m），there is rock block falling in a small local area of the roof，and the ratio of the length of the falling block to the roof span is 1.67%.The numerical simulation and engineering example results are alike.Finally，the concept of collaborative mining has strong coupling and inclusiveness.Besides，the new concept plays a guiding role for mining complex ore bodies in China，which can better meet the mining requirements.

Key words: synergistic mining, continuous mining, vein cluster, safety span, numerical simulation

中图分类号:

TD853

聂兴信, 甘泉, 高建, 冯珊珊. 协同理念下岩金矿脉群连续回采顶板安全跨度研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(3): 337-344.

Xingxin NIE, Quan GAN, Jian GAO, Shanshan FENG. Research on Safety Roof Span in Continuous Mining of Gold Vein Group Under Synergistic Concept[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(3): 337-344.

图/表 9

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参考文献 22

1	陈庆发.协同采矿方法的发展及类组归属[J].金属矿山，2018，47（10）：1-6.
	Chen Qingfa.Development and classification of collaborative mining methods[J].Metal Mine，2018，47（10）：1-6.
2	陈庆发，苏家红.协同开采及其技术体系[J].中南大学学报（自然科学版），2013，44（2）：732-736.
	Chen Qingfa，Su Jiahong.Synergetic mining and its technology system[J].Journal of Central South University（Science and Technology），2013，44（2）：732-736.
3	金家聪，陈庆发.协同采矿方法的创新思维与创新技法[J].黄金科学技术，2019，27（5）：712-721.
	Jin Jiacong，Chen Qingfa.Innovative mindsets and innovative techniques of synergetic mining methods[J].Gold Science and Technology，2019，27（5）：712-721.
4	罗业民，蒋文利，吴永强，等.垂直深孔阶段崩矿嗣后充填采矿法凿岩硐室结构研究[J].矿冶工程，2017，37（1）：29-30.
	Luo Yemin，Jiang Wenli，Wu Yongqiang，et al.Structure of drilling chamber for sublevel caving with vertical deep-hole plus cut-and fill mining method[J].Mining and Metallurgical Engineering，2017，37（1）：29-30.
5	李俊平，叶浩然，李宗利，等.二里河铅锌矿采场结构参数及巷道布置研究[J].地下空间与工程学报，2019，15（3）：902-910.
	Li Junping，Ye Haoran，Li Zhongli，et al.Study on stope structure parameters and roadway layout of Erlihe lead-zinc mine[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2019，15（3）：902-910.
6	胡建华，任启帆，黄仁东，等.地下矿山采场结构参数的核主成分分析法优化[J].矿冶工程，2018，38（2）：25-29，33.
	Hu Jianhua，Ren Qifan，Huang Rendong，et al.Optimization of structural parameters of stope in underground mine with kernel principal component analysis[J].Mining and Metallurgical Engineering，2018，38（2）：25-29，33.
7	邓红卫，杨懿全，邓畯仁，等.采空区下方高应力环境下深部矿体回采时序研究[J].黄金科学技术，2017，25（2）：62-69.
	Deng Hongwei，Yang Yiquan，Deng Junren，et al.Study on mining sequence of deep orebody under high stress environment below goaf[J].Gold Science and Technology，2017，25（2）：62-69.
8	白二虎，郭文兵，谭毅，等.浅埋厚煤层条带充填保水开采分析研究[J].地下空间与工程学报，2019，15（4）：1225-1231.
	Bai Erhu，Guo Wenbing，Tan Yi，et al.Analysis on strip-filling in water preserved mining under shallow buried thick coal seam[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2019，15（4）：1225-1231.
9	孙杨，罗黎明，邓红卫.金属矿山深部采场稳定性分析与结构参数优化[J].黄金科学技术，2017，25（1）：99-105.
	Sun Yang，Luo Liming，Deng Hongwei.Stability analysis and parameter optimization of stope in deep metal mines[J].Gold Science and Technology，2017，25（1）：99-105.
10	杨伟，刘长友，黄炳香，等.近距离煤层联合开采条件下工作面合理错距确定[J].采矿与安全工程学报，2012，29（1）：101-105.
	Yang Wei，Liu Changyou，Huang Bingxiang，et al.Determination on reasonable malposition of combined mining in close-distance coal seams[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2012，29（1）：101-105.
11	张敏思，朱万成，侯召松，等.空区顶板安全厚度和临界跨度确定的数值模拟[J].采矿与安全工程学报，2012，29（4）：543-548.
	Zhang Minsi，Zhu Wancheng，Hou Zhaosong，et al.Numerical simulation for determining the safe roof thickness and critical goaf span[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2012，29（4）：543-548.
12	张海波，宋卫东，付建新.大跨度空区顶板失稳临界参数及稳定性分析[J].采矿与安全工程学报，2014，31（1）：66-71.
	Zhang Haibo，Song Weidong，Fu Jianxin.Analysis of large-span goaf roof instability critical parameters and stability[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2014，31（1）：66-71.
13	马振乾，刘勇，刘勤志，等.巷道特厚泥质顶板失稳因素分析及控制技术[J].中国安全科学学报，2018，28（5）：147-152.
	Ma Zhenqian，Liu Yong，Liu Qinzhi，et al.Instability factors and control technology for roadway with extra thick mudstone roof[J].China Safety Science Journal，2018，28（5）：147-152.
14	韩进仕，杨鹏帅，何佳峰，等.大理石地下开采顶板合理厚度研究[J].中国矿业，2019，28（2）：101-106.
	Han Jinshi，Yang Pengshuai，He Jiafeng，et al.Study on reasonable thickness of roof for marble underground mining[J].China Mining Magazine，2019，28（2）：101-106.
15	张淑坤，王树达，王来贵，等.结构面局部弱化影响下巷道围岩稳定性研究[J].中国安全科学学报，2018，28（7）：116-121.
	Zhang Shukun，Wang Shuda，Wang Laigui，et al.Stability study of roadway surrounding rock under influence of local weakening of structural plane[J].China Safety Science Journal，2018，28（7）：116-121.
16	陈玉民，李夕兵.海底大型金属矿床安全高效开采技术[M].北京：冶金工业出版社，2013.
	Chen Yumin，Li Xibing.Safe and Efficient Mining Technology for Large Metal Deposits on the Sea Floor[M].Beijing：Metallurgical Industry Press，2013.
17	钱学森.一个科学新领域——开放的复杂巨系统及其方法论[J].上海理工大学学报，2011，33（6）：526-532.
	Qian Xuesen.A new field of science—An open complex giant system and its methodology[J].Journal of University of Shanghai for Science and Technology，2011，33（6）：526-532.
18	陈祖爱，唐雯，张冬丽.系统运行绩效评价研究[M].北京：科学出版社，2009.
	Chen Zu’ai，Tang Wen，Zhang Dongli.System Operation Performance Evaluation Research[M].Beijing：Science Press，2009.
19	聂兴信，甘泉，娄一博，等.基于协同开采理念的急倾斜薄矿脉群集群连续化回采工艺研究[J].金属矿山，2019,48（9）：28-33.
	Nie Xingxin，Gan Quan，Lou Yibo，et al.Study of cluster continuous mining method with steeply inclined thin ore groups based on synergistic mining theory[J].Metal Mine，2019,48（9）：28-33.
20	中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范:GB50021-2001[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.
	Ministry of Construction of the People’s Republic of China.Code for investigation of geotechnical engineering: GB50021-2001[S].Beijing: China Architecture & Building Press,2009.
21	中华人民共和国水利部.工程岩体分级标准:GB50 218-2014[S].北京:中国计划出版社,2014.
	Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China.Standard for engineering classification of rock mass：GB50218-2014[S].Beijing:China Planning Press, 2014.
22	《采矿设计手册》编辑委员会.采矿设计手册（井巷工程卷）[M].北京：中国建筑工业出版社，1989.
	Editorial Committee of Mining Design Handbook.Mining Design Handbook（Sinking and Driving Engineering）[M].Beijing：China Architecture & Building Press,1989.

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岩体名称	密度/(g·cm^-3)	弹性模量/GPa	泊松比	单轴抗拉强度/MPa	黏聚力/MPa	内摩擦角/（°）
晶屑凝灰岩（围岩）	2.70	3.41	0.25	1.38	0.75	27
蚀变凝灰岩（矿体）	2.72	3.41	0.25	1.38	0.75	27
充填体	1.80	0.40	0.28	0.20	0.30	25

安全系数n	协同均算计算结果/m	不同结果离散程度
1.4	26.1	9.76
1.5	24.5	9.00
1.6	23.0	8.34
1.7	21.7	7.76
1.8	20.5	7.25
1.9	19.5	6.79
2.0	18.6	6.38
2.1	17.7	6.02
2.2	17.0	5.68
2.3	16.3	5.38

[1]	于世波, 杨小聪, 原野, 王志修. 深部区域采矿时序的地压调控卸荷效应研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(3): 345-352.
[2]	寇永渊, 李光, 邹龙, 马凤山, 郭捷. 金川二矿区+1 000 m中段水平矿柱回采方法研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(3): 353-362.
[3]	黄锐,吴娥,吴林. 海拔高度对矿井巷道火灾烟气蔓延规律的影响研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(2): 293-300.
[4]	田龙,周智勇,陈建宏. 配备辅助通风的高温矿井采掘区温度分布数值模拟[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(1): 61-69.
[5]	张钦礼,蒋超余,高翔,刘斌. 大断面六角形进路采矿法结构参数优化研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(1): 42-50.
[6]	高远,陈庆发,蒋腾龙. 大新锰矿复杂空区群三维数值模型构建方法及胶结充填治理研究[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(6): 851-861.
[7]	谢也真,曹平,陈昊然. 滥泥坪铜矿三维地应力测量及巷道布置优化研究[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(6): 862-870.
[8]	田军, 刘建坡, 杨勇, 张长银. 进路充填法爆破扰动诱发充填体破坏规律研究[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(5): 687-695.
[9]	金家聪,陈庆发. 协同采矿方法的创新思维与创新技法[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(5): 712-721.
[10]	宋恩祥, 李强, 张静, 彭康. 蚀变带内矿体开采中人工假底的应用研究[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(5): 722-730.
[11]	杨仕教,王志会. 上覆公路浅埋采空区群稳定性数值模拟[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(4): 505-512.
[12]	梁瑞,俞瑞利,周文海,黄小彬,王建勇,熊征宇. 空气间隔装药爆破模型在矿房回采中的应用[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(3): 358-367.
[13]	秦世康,陈庆发,尹庭昌. 岩石与岩体冻融损伤内涵区别及研究进展[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(3): 385-397.
[14]	刘锋,王昭坤,马凤山,王波,王剑波,董春蕾. 矿山深部卸压技术研究现状及展望[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(3): 425-432.
[15]	王春,王成,熊祖强,程露萍,王怀彬. 动力扰动下深部出矿巷道围岩的变形特征[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(2): 232-240.