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水体下安全开采采矿方法选择及其参数优化

作　者: 胡海波
导　师: 宋嘉栋
学　校: 长沙矿山研究院
专　业: 采矿工程
关键词: 水体下安全开采导水裂隙带护顶矿柱 Midas GTS Flac 3d 正交实验法参数优化
分类号: TD823.83
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

河北矾山磷矿西区2线以西425m水平以上矿体赋存于第四系Q2含水层下,是典型的水体下资源。水体下资源开采的关键是采取合理的开采顺序、充填采矿法、留设合理的保安矿柱与地压管理及监测,控制矿床开采产生的岩层和地表连续的变形、移动和非连续破坏来保护上覆的含水岩层以及预警地压安全事故。本文针对水体下矿体开采技术条件,综合采用现场调查、理论分析、数值模拟等手段,进行了该区矿体安全开采关键技术的系统分析和深入的研究。首先,调查、研究国内外开采水体下矿山的发展历史,以及水体下开采的主要关键技术。结合矾山磷矿具体的开采技术条件,分析研究该矿山的安全开采技术难点为护顶矿柱厚度、选择采矿方法保护护顶矿柱及采场结构参数的研究,并采用理论分析和数值模拟的方法解决以上难点。第二,在对矾山水体下矿体工程地质环境调查研究基础上,分析了矿床赋存的条件和矿区地层分布、地质构造、并重点研究了区域水文地质以及矿床水文地质条件。测出了矿区主要矿岩体的密度、内聚力、内摩擦角、单轴抗压强度和抗拉强度等物理力学参数。第三,分析了影响导水裂隙带高度分布的主要因素,以确定合理的安全开采技术方案。第四,计算导水裂隙带的高度。利用Midas简单、快捷的建模优点进行数值建模。再采用计算方法更为合理,计算能力更强、适合大变形的Flac 3d程序进行力学模型的计算,分析采用点柱式上向水平分层充填法对矿体顶板的应力、位移分布的影响情况,计算出导水裂隙带的高度；利用经验公式计算导水裂隙带的高度,并与数值模拟计算的结果进行比较,分析导水裂隙带以及护顶矿柱的最终结果。第五,根据国内外水体下开采成功经验以及矾山磷矿开采技术条件,初选出充填采矿方法,并进行经济技术比较分析、选择出最优的点柱式上向水平分层与进路联合充填采矿法。最后,利用代数概率与统计学中的正交实验法设计实验方案,Midas GTS和Flac 3d进行各方案的力学建模及计算分析优化采场结构参数。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-10
第一章绪论  10-18
  1.1 研究背景、目的及意义  10-11
  1.2 水体下矿床开采国内外研究现状  11-16
  1.3 研究内容及思路  16-18
    1.3.1 研究内容  16-17
    1.3.2 研究思路  17-18
第二章矾山磷矿水体下资源概况  18-27
  2.1 矿山自然位置与地理状况  18
  2.2 开采技术条件分析研究  18-27
    2.2.1 矿床工程地质  18-19
    2.2.2 矿床赋存特征  19-21
    2.2.3 矿区构造  21
    2.2.4 水文地质条件  21-25
    2.2.5 矿山现有工程与开采现状  25-26
    2.2.6 本章小结  26-27
第三章西区护顶矿柱合理安全厚度的研究  27-43
  3.1 导水裂隙带理论研究现状  27-30
  3.2 影响导水裂隙带的因素  30-35
    3.2.1 上覆岩层物理力学性质的影响  30-32
    3.2.2 采高的影响  32
    3.2.3 矿体倾角的影响  32-33
    3.2.4 回采速度的影响  33-34
    3.2.5 开采深度的影响  34-35
  3.3 上覆岩石破坏的数值模拟  35-41
    3.3.1 计算参数设置及初始条件  35-36
    3.3.2 Midas GTS计算模型的建立  36-38
    3.3.3 上覆岩石破坏区的判据  38-39
    3.3.4 Flac 3d有限差分法计算结果  39-40
    3.3.5 上覆岩石破坏及导水裂隙带高度分析  40-41
  3.4 经验公式法计算导水裂隙带高度  41-42
  3.5 本章小结  42-43
第四章采矿方法方案研究  43-63
  4.1 采矿方法选择要求  43
  4.2 采矿方法初选  43-44
  4.3 各采矿方法的回采工艺  44-54
    4.3.1 上向水平分层充填采矿法  44-47
    4.3.2 上向水平进路充填采矿法  47-50
    4.3.3 点柱上向水平分层与进路联合充填采矿法  50-54
  4.4 各个采矿方法方案技术经济比较  54-62
    4.4.1 技术分析比较  54-56
    4.4.2 经济分析比较  56-60
    4.4.3 综合分析比较  60-62
  4.5 本章小结  62-63
第五章采场结构参数优化  63-81
  5.1 点柱上向水平分层充填采矿法采场结构参数优化  63
  5.2 顶板应力分布的弹性力学解  63-66
  5.3 点柱载荷及强度的计算  66-67
  5.4 正交实验与数值模拟优化采场结构参数  67-80
    5.4.1 正交实验计算方案  67-68
    5.4.2 正交实验设计步骤  68
    5.4.3 统计分析  68-73
    5.4.4 Midas GTS有限元程序建立力学模型  73-77
    5.4.5 Flac 3d有限差分原理力学计算结果  77-80
  5.5 本章小结  80-81
第六章推荐的采矿方法方案  81-94
  6.1 开采技术条件及推荐采矿方法概述  81
  6.2 Ⅱ矿体采用点柱上向分层充填采矿法方案  81-83
    6.2.1 采场结构参数及采准工程布置  81
    6.2.2 回采工艺  81-82
    6.2.3 采场充填  82-83
  6.3 Ⅲ矿体采用上向进路充填采矿法方案  83-85
  6.4 采矿、充填作业循环表  85
  6.5 采矿生产能力论证  85-86
  6.6 采矿方法试验  86-88
  6.7 本章小结  88-94
第七章结论  94-96
参考文献  96-100
致谢  100-101
攻读学位期间的主要研究成果  101

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