硬巖礦床地下開采新進展 [自動保存的]

1、 硬巖礦床地下開采硬巖礦床地下開采*高等硬巖采礦學 主講：屈彪*高等硬巖采礦學4 硬巖礦床地下開采新進展硬巖礦床地下開采新進展理論研究和技術革新理論研究和技術革新理論研究技術革新傳統(tǒng)采礦方法的改進傳統(tǒng)采礦方法的改進空場采礦法崩落采礦法充填采礦法深部礦床開采深部礦床開采采礦方法威震監(jiān)測殘礦回采殘礦回采礦山信息化基礎安全信息化建設地下礦山智能化遠程地壓監(jiān)控技術地下礦山專門信息技術的應用地下信息技術的應用地下信息技術的應用礦山信息化基礎地下礦山智能化遠程地壓監(jiān)控技術地下礦山專門信息技術的應用*高等硬巖采礦學4.1.4.1.理論研究和技術革新理論研究和技術革新采礦方法變革的采礦方法變革的主要目標：主要

2、目標：n（1）把礦房、礦柱和采空區(qū)處理作為一個整體同時考慮，以實現(xiàn)有計劃、有步驟的全面回采，既減少了開采損失貧化，又消除了采空區(qū)隱患。n（2）改革采礦方法結構，實現(xiàn)強化開采，減輕繁重體力勞動，以提高勞動生產(chǎn)率，降低開采成本。n（3）更加重視安全和環(huán)保， 提出了無廢開采的理念，大量新技術引入到安全監(jiān)測和防護方面 n（4）自動化、信息化水平進一步提高，智能礦山，數(shù)字礦山成為發(fā)展方向。 *高等硬巖采礦學4.1.1 理論研究理論研究 目的目的：為硬巖礦山地下采礦方法的變革提 供一些有益的理論依據(jù)。內(nèi)容礦山地質力學計算機技術*高等硬巖采礦學4.1.1.1 4.1.1.1 礦山地質力學礦山地質力學 礦山地

3、質力學主要研究原始地應力的測量和應用。目前普遍采用的地應力測量方法有套孔應力解除法和水壓致裂法兩大類。而原始地應力主要包括自重應力和構造應力兩大類。 天然存在于原巖內(nèi)而與人為因素無關的應力場稱為原巖應力場，如圖4-1所示。 由地心引力引起的應力場稱為自重應力場，地殼中任一點的自重應力等于單位面積的上覆巖層的重量。*高等硬巖采礦學由于地質構造運動而引起的應力場稱為構造應力場。 圖4-1 巖體單元體所在 位置及其應力狀態(tài) 單元體上所受的垂直應力z等于單元體上覆巖層的重量一.自重應力*高等硬巖采礦學在均勻巖體內(nèi)，巖體的自重應力狀態(tài)為在均勻巖體內(nèi)，巖體的自重應力狀態(tài)為側壓系數(shù)取決于巖塊所處的力學狀態(tài)，

4、有以下2種假設： 1、金尼克假說：巖塊處于彈性狀態(tài)巖石的泊松比為0.20.3， 0.250.43。2、靜水應力狀態(tài)（海姆）假說：在埋藏較深條 件下，垂直壓應力相當大，巖石呈現(xiàn)明顯的塑性 1.0*高等硬巖采礦學二.構造應力 構造應力是由于地殼構造運動在巖體中引起的應力，巖體構造應力可以分為現(xiàn)代構造應力和地質構造殘余應力。前者是指正在經(jīng)受地質構造運動的作用，在地質構造發(fā)生過程中，巖體內(nèi)產(chǎn)生的應力。后者是指已經(jīng)結束的地質構造運動殘留于巖體內(nèi)部的應力。 *高等硬巖采礦學構造應力以水平力為主，具有明顯的區(qū)域性和方向性。有以下基本特點： 一般情況下地殼運動以水平運動為主，構造應力主要是水平應力；而且地殼總

5、的運動趨勢是相互擠壓，所以水平應力以壓應力占絕對優(yōu)勢。構造應力分布不均勻，在地質構造變化比較劇烈的地區(qū)，最大主應力的大小和方向往往有很大變化。*高等硬巖采礦學 巖體中的構造應力具有明顯的方向性，最大水平主應力和最小水平主應力之值一般相差較大。 構造應力在堅硬巖層中出現(xiàn)一般比較普遍，在軟巖中貯存構造應力很少。*高等硬巖采礦學三三. .原巖應力分布的基本規(guī)律原巖應力分布的基本規(guī)律 通過理論研究、地質調查和大量的地應力測量資料，原巖應力的分布的主要規(guī)律歸納如下：（1）實測垂直應力基本上等于上覆巖層重量。（2） 水平應力普遍大于垂直應力。（3）平均水平應力與垂直應力的比值隨深度增加 而減小。 （4）最

6、大水平主應力和最小水平主應力一般比值相差較大。*高等硬巖采礦學4.1.1.2 4.1.1.2 計算機技術計算機技術 計算機技術主要表現(xiàn)在四個層面：計算機輔助設計，數(shù)值模擬，人工智能以及虛擬現(xiàn)實技術。 在計算機應用上，對采場模擬的研究已經(jīng)有了較好的突破性開端。如把地址統(tǒng)計學和計算機幾何造型技術結合起來，把礦體的形態(tài)、空間位置及其品位分布和巖層類別及其大構造等資料，用來構造礦床模型和體質統(tǒng)計模型，所構成的二維或三維圖形，顯示在微機屏幕和打印在圖紙上。然后再用CAD制圖的方法在屏幕上布置開拓、采準和切割巷道及采場結構。如下圖4-2所示：*高等硬巖采礦學 綜采三維動畫*高等硬巖采礦學4.1.2技術革新

7、 為了實現(xiàn)前述地下開采和采礦方法變革的奮斗目標，在正確的理論知識指導下，近50年來，開始了下面幾項技術改革工作： （1）采礦設備型號緩慢增大，向靈活機動和高效方向發(fā)展，注重智能化、自動化水平的提高。 在鏟運機自動化方面，首先出現(xiàn)的是視覺范圍內(nèi)的遙控技術。操作人員通過視頻監(jiān)控器監(jiān)控鏟運機作業(yè)狀態(tài)，或者通過鏟運機上的攝像頭和接收裝置，鏟運機由攝像頭指導，操作人員只需在控制室內(nèi)控制裝卸工作。 遙控鏟運機 *高等硬巖采礦學（2）廣泛采用錨桿和錨索加固采場周圍，甚至礦體；（3）采用注漿理論和技術支護松軟巷道；（4）由于充填材料管道機械化輸送的成功，特別是砂 漿質量濃度達到75%以后，形成了一種高粘塑性

8、非牛頓流體，在管內(nèi)不會發(fā)生沉淀和堵塞，使高 濃度砂漿輸送的水砂充填和膠結充填得到推廣。（5）研究改造礦塊中難以施工的結構，減少采準工作量，特別是回避開掘那些短而小的施工天井和平巷。（6）微震監(jiān)測在采礦工業(yè)中的應用。MENU*高等硬巖采礦學4.2 傳統(tǒng)采礦方法的改進傳統(tǒng)采礦方法的改進硬巖地下采礦方法空場法充填法崩落法*高等硬巖采礦學4.2.1 4.2.1 空場采礦法空場采礦法 空場采礦法在回采過程中，將礦塊劃分為礦房和礦柱，第一步驟先采礦房，第二步驟再采礦柱。在回采礦房時，采場以敞空形式存在，僅依靠礦柱和圍巖本身的強度來維護。礦房采完后，要及時回采礦柱和處理采空區(qū)。在一般情況下，回采礦柱和處理采

9、空區(qū)同時進行；有時為了改善礦柱的回采條件，用充填料將礦房充填后，再用其它采礦法回采礦柱。*高等硬巖采礦學Back1*高等硬巖采礦學適用條件：適用條件： 礦石和圍巖穩(wěn)固，采空區(qū)在一定時間內(nèi)，允許有較大的暴露面積。特點特點： 將礦塊劃分成礦房和礦柱，先采礦房，后采礦柱 （或不采礦柱），兩步驟回采?；夭傻V房時的采空區(qū)主要依靠礦石和圍巖自身的穩(wěn)固性和礦柱來維護。礦房回采后，有計劃地回采礦柱和處理采空區(qū)。采礦方法：采礦方法： 全面采礦法、房柱采礦法、留礦采礦法、分段礦房法和階段礦房法*高等硬巖采礦學 空場法應用廣泛的主要原因有二：一是一是我國大多數(shù)礦山礦石和圍巖穩(wěn)固或中等穩(wěn)固，目前開采深度一般不太大；二

10、是二是空場法具有許多優(yōu)點成本低，生產(chǎn)能力大，勞動生產(chǎn)率高，基建時間比較短，比較容易達產(chǎn)。但也存在一些缺點缺點，最主要的是留下大量的礦柱和采空區(qū)，需要進行第二步驟回采和處理；由于地壓隨開采深度的增加而加大，深部開采應用受到限制。 由于這類采礦法具有許多優(yōu)點，近年來有擴大使用范圍的趨勢。在圍巖或礦石、圍巖都不太穩(wěn)固時，現(xiàn)在已開始采用長錨索、錨桿、注漿等礦巖加固技術，加固后可采用空場法開采；對于上覆巖層需要保護時，則采取嗣后充填。*高等硬巖采礦學4.2.2崩落采礦法崩落采礦法 崩落采礦法是以崩落圍巖來實現(xiàn)地壓管理的采礦方法，即隨著崩落礦石，強制（或自然）崩落圍巖充填采空區(qū)，以控制和管理地壓。這是崩落

11、法共有的基本特征。 崩落采礦法中包括下列采礦方法：（1）單層崩落法；（2）分層崩落法；（3）分段崩落法；（4）階段崩落法。 前兩種方法用淺孔落礦，一次崩礦量小，在礦石回采期間，工作空間需要支護，隨著回采工作面的推進，崩落上面巖石以充填采后空間，這兩種方法的工藝過程復雜，生產(chǎn)能力較低，但礦石損失貧化較小。 后兩種方法經(jīng)常用深孔或中孔落礦，一次崩礦量大，生產(chǎn)能力較高，故有大量崩落法之稱。上面巖石在崩落礦石同時崩落下來，并在崩落巖石覆蓋下放出礦石，故礦石損失貧化較大。 *高等硬巖采礦學1）單層崩落采礦法：相對分層而言，長壁式面長 3060m，短壁式面長1530m。優(yōu)點：結構簡單，礦石損失與貧化率小，

12、通風 好,生產(chǎn)能力大，安全。缺點：頂板管理復雜，勞動強度大（支護）， 坑木消耗大。適用：直接頂易冒落，30，厚度小于3m的層 狀礦體*高等硬巖采礦學*高等硬巖采礦學2）有底柱分段崩落法：沿傾斜將礦塊劃分為分段，每分塊下部設出礦結構（有底柱），階段高5060m,分段1025m。優(yōu)點：生產(chǎn)能力大（中深孔），通風好，使用廣 （回采靈活）。缺點：結構復雜，采準量大，礦石損失與貧化率大 （損失時15%20%，貧化率20%30%）。適用：75，厚1520m，下盤圍巖中穩(wěn)以 上，無夾石層，礦石無自燃和結塊性。*高等硬巖采礦學*高等硬巖采礦學3）無底柱分段崩落法：將礦塊劃分為分段，分段不設底部結構（無底柱）（

13、巷道直接運走）階段高度5070m，分段高度：1012m。優(yōu)點：結構簡單，生產(chǎn)集中，能力大，安全好。缺點：獨頭巷通風差，礦石損失和貧化率大。 適用：急傾斜厚礦體和緩傾斜、傾斜極厚礦體下 盤，下盤圍巖中穩(wěn)以上，礦石價值不高，圍 巖含有品位。*高等硬巖采礦學*高等硬巖采礦學 階段崩落法：不劃分段，沿階段全高落礦（分強制和自然崩落法），階段高度5060m（傾角小取小值）底柱高度一般1214m。優(yōu)點：采準量小，生產(chǎn)能力大，成本低。缺點：礦石損失貧化大，大塊多。適用：急傾斜礦體厚度1520m，緩傾斜更大，礦 石下盤圍巖中穩(wěn)以上，礦石 價值不高，無自 燃，氧化，結塊*高等硬巖采礦學*高等硬巖采礦學4.2.3

14、 4.2.3 充填采礦法充填采礦法1）上向水平分層充填采礦法：傾斜、急傾斜礦體，水力充填或膠結充填，走向布置長3060m，高5060m。優(yōu)點：有利于作業(yè)和無軌運輸，便于生產(chǎn)能力提高。缺點：系統(tǒng)復雜，勞動強度大，成本高，安全差。適用：傾斜、急傾斜礦石中等穩(wěn)定以上，價值高， 地表需要保護。*高等硬巖采礦學*高等硬巖采礦學2）下向分層充填采礦法：礦石不穩(wěn)固時，為安全，建人工頂板，可采用水力或膠結充填，階段高3050m，走向3050m。優(yōu)點：支護條件好，地表變形小。缺點：成本高，生產(chǎn)能力小。適用：礦石不穩(wěn)固或礦巖均不穩(wěn)固，礦石價值高，品位富，地表需保護。*高等硬巖采礦學MENU*高等硬巖采礦學4.3

15、深部礦床開采深部礦床開采4.3.1 采礦方法 如圖4-24所示，冬瓜山銅礦采用了暫留隔離礦柱階段空場嗣后充填采礦法，核心回采工藝技術為大盤區(qū)、大采場、大產(chǎn)能，視線里冬瓜山礦床安全高效大規(guī)模開采。該采礦方法的主要特點是： 1）盤區(qū)沿走向布置，盤區(qū)之間暫留隔離礦柱。 2）隔離礦柱長度為礦體寬度，約350420m寬為18米。 3）盤區(qū)回采沿礦體走向推進。 4）盤區(qū)內(nèi)由背斜軸部向兩翼推進，開采厚大礦體時采 用“隔3采1”回采方式；開采中厚礦體時，采用“隔 1采1”或“隔3采1”回采方式。*高等硬巖采礦學*高等硬巖采礦學4.3.2 4.3.2 微震監(jiān)測微震監(jiān)測 冬瓜山銅礦首采地段微地震監(jiān)測系統(tǒng)，硬件由1

16、6個傳感器、4個地震儀QS、1個地震儀轉發(fā)器（QS-Rep）、1個地下控制器、1個地表檢測控制中心及與之相連的通訊電纜組成。檢測信號從控制器通過光纜經(jīng)副井傳輸?shù)骄W(wǎng)絡中心，信號轉換后再傳到監(jiān)測控制中心。傳感器采集的地震模擬信號通過QS轉換為數(shù)字信號后傳輸?shù)骄峦ㄐ趴刂浦行?，再通過光纜傳輸?shù)降乇肀O(jiān)測控制中心進行處理和分析。 軟件系統(tǒng)包括控制和管理微震監(jiān)測系統(tǒng)運行的控制軟件（RTS）；對采集的波形進行地震波波形分析、處理和參數(shù)計算，提供地震學分析平臺的地震學處理軟件（JMTS）；在三維窗口中顯示對采集地震數(shù)據(jù)分析的各類圖像，提供多種參數(shù)的時間序列曲線和圖表，滿足不同空間和時間范圍地震活動研究需要的微

17、震事件可視化解釋軟件（JDI）。 地表控制中心可以監(jiān)視系統(tǒng)運行狀況，并發(fā)出控制命令，一控制和管理監(jiān)測系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)有效監(jiān)測范圍為：600m*400m*220m,震源定位誤差小于10m，系統(tǒng)靈敏度為里氏震級2.0。*高等硬巖采礦學*高等硬巖采礦學4.4 4.4 殘礦回采殘礦回采 殘礦回采是在礦石價格升高時，為了提高資源回收率而開采以前正常開采時遺留下來的礦柱或邊緣殘礦。正常開采時留下礦柱或邊緣殘礦的主要原因有：（1）地表塌陷，保護地面建筑設施二留下來的保安礦柱；（2）初期勘探程度較低，不能為礦山設計與開采提供準確 依據(jù)的薄小礦脈；（3) 因受低壓活動影響，采場頂板不安全而停止作業(yè)留下的邊角礦石

18、；（4）留下的采場頂柱、底柱、間柱及臨時性護頂?shù)V層及支 護頂板的點柱，在正?；夭蓵r沒有及時回收的礦石。（5）淺部礦體民采損失、破壞的礦量。*高等硬巖采礦學殘礦特點：殘礦特點： 礦量少、分布零散、賦存情況復雜、回采安全性差等，需要投入大量的人力物力，且回收成本高。 賦存條件好的殘留礦體可以采用常規(guī)的采礦方法，如有底柱分段崩落法、無底柱分段崩落法、空場法、充填法。 大規(guī)模散體殘礦是指一個較大范圍的散體礦石，有比較穩(wěn)定的品位，可以形成區(qū)域規(guī)模開采（見圖4-25）。*高等硬巖采礦學*高等硬巖采礦學高峰礦開采大規(guī)模回收三體礦石的具體做法是：高峰礦開采大規(guī)?；厥杖w礦石的具體做法是：（1）在可回收區(qū)域上面

19、構筑人工假頂，為下面礦石的回收創(chuàng)造安全的作業(yè)環(huán)境。（2）散體注漿固化，目的是為了使可采區(qū)域與非可采區(qū)域形成比較明顯的界線，盡可能地防止在回收礦石的過程中混入過多的廢石。（3）采準切割工作。運輸巷道布置在下盤圍巖中，如果舊的溜井不能用，則需要在下盤巖石中布置放礦溜井。（4）回采工作。從下盤固結巖體中掘進人工假巷，在上盤鋪設人工沿脈聯(lián)絡巷道作為注漿作為注漿點，同時控制回采邊界。采用后退式放礦回收礦石，上一個階段采完后，人工假頂自然下沉，保持與廢石的接觸，為下一個階段的回收創(chuàng)造安全工作。 MENU*高等硬巖采礦學4.5 4.5 地下信息技術的應用地下信息技術的應用 快速有效的獲取礦山各方面的信息，實

20、現(xiàn)信息之間的共享和交流，對各種信息進行綜合分析、處理、利用，滿足不同層次的信息需求，成為礦山現(xiàn)代化發(fā)展水平的重要標志。掌握信息、運用信息技術、數(shù)字化技術和網(wǎng)絡技術，是現(xiàn)有各種資源得到充分、合理、有效地利用，成為信息時礦山追求的主要目標。 4.5.1 4.5.1 礦山信息化基礎礦山信息化基礎 礦山信息常常以多源異質的信息作為基礎，這些信息中不進涉及到大量圖紙、數(shù)據(jù)、文字、報表等屬性信息，更為重要的是，它還與據(jù)有空間位置概念的地里空間、拓撲空間和工藝關聯(lián)等密切相關，需要對各種信息進行表述、分析、處理和時序處理。 礦床模型是反映礦床基本屬性、存儲多種地質信息，進行各種技術分析研究和礦山工程應用的數(shù)學

21、模型。礦床模型是礦床空間分布屬性的數(shù)字化描述，它是品位和礦量估算、境界設計、開采規(guī)劃、質量控制、經(jīng)濟評估等各項工作的基礎。*高等硬巖采礦學4.5.2 4.5.2 地下礦山智能化地下礦山智能化 智能化礦山就是根據(jù)礦山歷史信息、開采現(xiàn)場信息和市場信息實時控制，達到最優(yōu)經(jīng)濟生產(chǎn)的自動化、高技術的露天礦和地下礦。智能化的礦山的基本要素有如下5種： （1）全礦信息與數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)； （2）高速雙向全礦通訊與信息系統(tǒng)網(wǎng)絡； （3）計算機化信息管理、礦山計劃、控制和維修系統(tǒng)； （4）與礦山信息網(wǎng)絡聯(lián)網(wǎng)的自動和遙控的機械設備； （5）與公共網(wǎng)絡聯(lián)網(wǎng)的通訊和監(jiān)測系統(tǒng)。 *高等硬巖采礦學4.5.3 遠程低壓監(jiān)控技術

22、遠程低壓監(jiān)控技術 隨著地下開采深度的不斷增加，地壓活動將越來越嚴重，對地壓的控制也越來越重要。由于采礦環(huán)境下的地質條件非常復雜，目前的巖體力學理論還不能完全解決采礦所帶來的地壓問題，其分析結果也往往與現(xiàn)場實際情況相差甚遠。 因此，地壓活動的現(xiàn)場監(jiān)測顯得尤為重要。目前應用的遠程地壓監(jiān)控自動化系統(tǒng)由兩部分構成，即傳感器與自動化系統(tǒng)。地壓監(jiān)測的主要對象為采場的應力變化與圍巖變形 *高等硬巖采礦學4.5.5 4.5.5 地下礦山專門信息技術的應用地下礦山專門信息技術的應用地下礦山專門信息技術的應用主要有如下5項： （1）構建三維地表及礦體模型； （2）開拓系統(tǒng)設計優(yōu)化； （3）采礦方法模擬； （4）爆破及炮孔優(yōu)化設計； （5）綜合集成技術。 *高等硬巖采礦學*高等硬巖采礦學水壓致裂法水壓致裂法 應力解除法是通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定測量深度處加液壓將孔壁壓裂，測定壓裂過程中的各特征點壓力及開裂方位，以計算測點附近巖體中初始應力大小和方向。16:13:29高等硬巖采礦學*高等硬巖采礦學測試步驟測試步驟 （1）打鉆孔到準備測量應力的部位，并將鉆孔中待加壓段用封隔器密封起來，鉆孔直徑與所用的