文摘
在这项研究中,6号坑矿区东部的磷酸晋宁矿在中国拍摄为研究背景。为了降低充填成本,改进pillarless分段崩落法提出了方法。这种方法大大提高了矿石回收率增加复苏路线。此外,结合相似材料模拟实验和数值模拟(离散元素和环球不同元素代码)显示周围顶板岩石的变形和破坏规律和地表塌陷的特点。结果显示如下。(1)类似的仿真实验结果表明,上覆岩层的变形层起源于直接顶的采空区,逐步发展成深岩层的一部分。不规则加强屈服区形成的采空区。最大地表沉陷是磷矿体上方的,这对双方逐渐减少。随着采场推进,最大沉降的位置逐渐走向方向推进。(2)计算结果表明,上覆地层的位移是非线性的,并且它随屋顶高度增加而降低。 A support pressure concentration area was formed within a certain range of the stope roof. The numerical simulation results are basically consistent with the similar simulation experimental results.
1。介绍
磷酸盐rock-producing主要国家中,中国有丰富的磷矿资源但生产不足,仍需要进口一些磷酸盐岩石。建设和生产的主要原因是由倾斜的采矿方法和限制轻轻倾斜中厚矿体(1- - - - - -4]。目前,大多数矿山主要采用浅孔延伸的地下采矿方法,其次是pillarless分段崩落法和矿底部结构。然而,实践表明,延伸的地下采矿方法中厚矿体岩石钻探造成的一系列问题,矿石运输和屋顶管理(5- - - - - -8]。目前,许多有价值的研究一直在进行磷酸的灌装。丁等人分析了地表沉陷的机理和地面裂缝引起的块崩落和地下基于位移演化的规律,和表面显示明显的分割特征(9]。杜等人发现冒顶和地表沉陷的基本法律的过程中挖掘金属通过pillarless分段崩落法(10]。瑞提出pillarless分段崩落法方法需要一个覆盖层的形成与一定厚度达到屋顶压力管理(11]。任提出,它采用更节约pillarless分段崩落法在开放pit-to-underground矿业(12]。
上述方法不能有效验证实验结果或系统地解释失败采场的进化。磷酸与数值模拟技术的熟练应用,夏使用FLAC3D软件(连续三维快速拉格朗日分析)来模拟矿体的特殊性主要矿石的结构层和显示的进化规律地失败13]。王等人研究了支承压力的分布率基于应用FLAC3D数值模拟和建议保留用于保护煤炭安全支柱倾角可以提高煤炭利用率(14]。李等人使用pillarless分段崩落法方法来分析柱的运动和优化的重要性,指出基于PFC3D放矿步(颗粒流代码3 d)粒子流动结果(15]。
一般来说,这些方法并没有被用来系统地研究倾向的破坏和演化规律和轻轻倾斜中厚矿体。此外,他们不能考虑到经济效益,导致矿石回收的废物。因此,根据地质条件和采矿技术的6号坑在东部矿区晋宁磷酸矿的,我们提出一种改进的pillarless分段崩落法方法。这种方法减少了脊损失和提高了开采回采率。基于相似物理模型实验和通用离散单元代码(模拟)数值模拟位移的演变和上覆地层的失败。
2。类似的物理模型实验
2.1。工程背景
6号坑矿区东部的磷酸晋宁矿位于云南高原的腹地,中国。它属于金沙江系统和毗邻的南盘江流域南部。这个矿在南北方向的趋势,最高海拔2483.5米。该地区属于亚热带季风气候,最大的年降雨量为1172.1毫米。雨季主要集中在5月到10月,占年降水量的80%。没有在矿区地表水体除了小分散水库拦截山麓的流。矿区接近中间部分Wangjiawan向斜的西翼,这是一种单斜结构罢工近南北,向东下降。该地区地层发生罢工335 - 355°以北的Wangjiawan 40 - 50°的倾角和罢工350 - 10°Wangjiawan以南20 - 30°的倾角。在单斜结构面积相对简单,和二次折叠不充分发展(图1)。
2.2。相似准则和参数
转让的磷酸盐矿石从开放pit-to-underground采矿是一个复杂的工程系统涉及许多因素(16]。类似的模拟测试,我们主要考虑以下参数:磷酸盐岩层的厚度 ,各岩层的厚度 ,抗压强度 ,的抗拉强度 ,体积密度 ,的弹性模量 ,的时间 ,和泊松比 。方程是
以下5个类似的标准可以通过应用量纲分析方法:
因此,为了使模型与原型相似,它需要满足以下方程:
根据实验室条件,我们进行了严格的实验3.0米×0.30米×2.0米(长×宽×高)模型框架。表中给出的模型设计参数1。
2.3。类似的材料
在实验中,我们使用精美的河流砂骨料,碳酸钙和石膏胶凝材料,四硼酸钠(硼酸)作为缓凝剂(17- - - - - -21]。更大的结构面(断层)在实际的网站分别模拟通过添加各种添加剂(松香、木粉)。层模拟方法是屏幕云母粉和油介质层表面的层间间距器。详细的配比的步骤如下:(1)刷与机油测试模具(2)权衡砂、石膏和碳酸钙在一定比例,混合,并搅拌均匀(3)包含硼砂添加一定量的水,搅拌,倒入模具(4)干了四天之后,将完成试样(10厘米×5厘米×5厘米标准圆柱试样)在伺服压力试验机测量其单轴抗压强度(图2)
(一)
(b)
为了减少错误生成的材料配比过程中,我们采用了抗压强度的平均值的三个测试块材料的抗压强度比(数量22,23]。模型相似材料的配比的6号坑矿区东部表所示2。
2.4。物理模型制作过程
首先,我们机油适用于表面的模板。然后,我们重所需的砂,碳酸钙,石膏和把它们倒进搅拌机混合。我们添加了一定量的缓凝剂(硼砂)和水混合材料和混合均匀。准备的材料注入模型框架和平滑,用铲子压实。模板放在了一边,材料是倒了。这个过程重复了几次,直到设计高度的物理模型。干燥一周后,我们双方的模板,继续干样品两周,最后进行挖掘和观察实验。在生产过程中,我们使用云母粉分离层。实际的物理模型如图3。
3所示。方法
3.1。改善Pillarless分段崩落法方法
的pillarless分段崩落法主要适用于急倾斜矿体与一个中等或更大的厚度,以及斜轻轻地斜极厚矿体(24- - - - - -27]。为中等厚,轻轻斜磷酸盐矿石,这种方法会导致大量的矿石的损失。因此,我们提出一种改进的pillarless分段崩落法方法。这种方法是一种新的采矿方案的底部添加一个回收路线,大大降低了充填成本(图4(一))。我们的方法首先利用所提供的空间分段方法诱导周围顶板岩石的自然下降。挖的下盘围岩形成循环路线,采场的矿石剩余可以完全恢复。为了恢复岭渣和残墙底部,有必要建立一个复苏路线下的围岩残留。建立经济复苏路线的本质是用大量的流动特性增加回收率(图4 (b))。大部分的流动只发生在一定范围内高于排放口。这个范围的计算公式
(一)
(b)
(c)
在方程(4),体积流量范围的半径;是高度协调的价值;和是总体流动参数。
3.2。模拟地下采矿和位移监测
一种改进pillarless分段崩落法模拟地下矿山开采过程。如图4 (c),相邻的采矿方法之间的距离和经济复苏路线是11米(4.6厘米)。每次一个方法是先进的,表面和地面测量并记录后一个小时的时间间隔。在矿业的初始阶段,我们只挖出矿体的一部分。围岩坍塌后,围岩不限制双方将分散模型的外面。在这个时候,人工回填必须形成一个过重的负担。
4所示。结果
4.1。上覆地层的坍塌过程和理论分析
上覆地层的崩溃是首先顶板岩层的断裂,然后破碎的岩石块的不稳定,最后直接表面开裂和崩溃。这个过程主要分为以下几个阶段。(1)稳定阶段(第一第二路线):两条路径的矿体开采后,围岩是稳定的,没有下降的现象。(2)下降阶段(第三第四路线):在此阶段,整个屋顶逐渐弯曲和变形下降。第四个方法的挖掘后,裂缝出现在上覆地层中。约2小时后,屋顶部分坍塌的砾质石英砂岩(图5(一个))。(3)屈服阶段(第五第六路线):随着矿业的发展,屈服弓的宽度逐渐增加,渣落从拱顶,裂缝继续发展。最后第六复苏路线,整个砾质石英砂岩崩溃,和屋顶的拱顶拱显示床分离的现象,并产生更多的新裂缝(图5 (b))。(4)表面开裂和崩溃阶段:随着矿业的进步,层分离现象的拱形屋顶加剧。第八采矿方法是完成时,裂缝发展速度加快,紧张关节出现在双方的模型(图6),裂纹长度逐渐向下延伸。最后,两者之间的围岩压力关节作为一个整体,导致表面开裂和结算。在随后的开挖过程中,裂纹长度进一步增加时,将出现一个新的张力裂缝外的初始裂纹,与地表沉陷值逐渐增加。然而,由于低岭矿体的存在,地表沉降是缓慢而有明显的过程。当脊是通过挖掘出土的复苏路线,覆盖层与矿业下跌,甚至是铁矿石开采之前,上覆围岩坍塌更快,范围扩大,表面进一步减弱。
(一)
(b)
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(d)
4.2。分析相似物理模拟实验的结果
在矿业的早期阶段,上覆岩层进行了少量的运动(图7(一))。在推进到六楼采矿方法,以及分离和裂缝的发展,上面的石英砂岩开始下降(图7 (b))。十级采矿方法被发掘时,屈服区屋面板的消耗,最终,旧的屋顶和地面破裂消退(图7 (c))。在整个破产过程中,上覆岩层首次在采空区围岩的破坏,然后发展到深岩层的一部分,形成一个不规则采空区上方走屈服区(图7 (d))。此外,上覆地层裂缝继续发展,有明显的分层崩溃区(图6)。
4.3。覆层和地面运动定律
根据岩石位移监测结果(数据8(一个)- - - - - -8 (d)),上覆岩层的下沉改变了工作面动态的发展。沉降范围逐渐扩大沿工作面方向。随着采矿方法的进步,降低分离的上覆地层裂缝逐渐关闭。随着工作面先进,也分离裂缝扩展向前和向上。在充分挖掘,上方的上覆岩层岭沉入脊的位置,下沉速度变得非常缓慢或停止。因此,较低的曲线屋顶层周围的岩石是波浪,和近矿体的屋顶,大曲线的高峰和低谷之间的差别(图8(一个))。地表沉降曲线如图8 (d)。最大地表沉陷发生磷矿体的正上方,和最大沉降位移逐渐移动的方向发展。
(一)
(b)
(c)
(d)
4.4。在采场围岩的应力变化规律
如数据所示9(一个)- - - - - -9 (c)采矿方法的进步,上覆地层压力不断改变。岩石的应力集中区域影响工作面前方约50米,和峰值应力出现在工作面前20米。挖掘和回收道路的过程中,采场上覆地层的压力也不断改变和更复杂的(数字9 (d)- - - - - -9 (f))。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
5。讨论
5.1。大小和边界条件的数值模拟模型
在采矿工程领域,模拟数值模拟技术已应用于静态和动态的分析深入挖掘地下洞穴(28- - - - - -30.]。这种技术可以准确地分析骨折和滑移引起的围岩的破坏洞穴。根据地质条件和力学参数的6号坑矿区东部的云南晋宁磷酸矿的磷酸基,磷酸盐岩的厚度在离散单元模型被设置为13.31。的X方向是罢工的方向,和部分的工作面推进长度是720米。的Y方向的平均埋深250米。这个模型模拟了总共10层,每一层的厚度根据实际的厚度(包括模拟X和Y方向考虑100米边界有影响力的区域)。因为我是一个露天矿山(磷酸近浅埋层),在这个模拟地层不能省略。模型是720×250(长×高)(图10)。
计算模型的边界条件如下:(1)横向边界约束对左和右边界的计算模型(水平位移边界为零)(2)底部边界的计算模型是固定的(底部边界的水平和垂直位移为零)(3)计算模型的顶部是自由边界
5.2。材料本构模型和失效准则
在我们的研究中,采用理想弹塑性本构模型的岩体和岩石材料的基本标准故障服从莫尔-库仑关系(31日,32]。因此,相对应的线性公式失效面剪切破坏
在方程(5), ; 最大主应力;是最小主应力;内摩擦角;和的凝聚力。
如果 ,发生剪切屈服。当法向应力拉伸应力,莫尔-库仑准则失去现实意义。为简单起见,然而,屈服面延伸至的地方等于它的抗拉强度和抗拉强度 。最小主应力不能超过抗拉强度:
如果 ,紧张的发生。抗拉强度的值不能超过对应于莫尔-库仑关系的上限。最大值确定使用以下公式:
我们确定每层的物理力学参数在模型中基于测试结果。每一层的物理力学参数表3。
5.3。上覆岩层的破坏过程
在采矿过程中,为了体现运动的演变和岩石的变形层,采用分步开挖(33- - - - - -38]。我们先进的工作表面一定距离来执行一个操作。当二级采矿方法是先进的,上覆地层(图基本上保持不变(11日))。六楼采矿方法是继续时,砾质石英砂岩开始失败的负载下上覆地层和自身重量(图11 (b))。继续进步,岩层的垂直变形增加,造成拉伸断裂和破碎的岩层(图11 (c))。当seventeenth-level采矿方法是先进的,破碎的岩石块掉进了采空区,形成一个梯形崩溃区(图11 (d))。的过程中推进first-tenth复苏路线,变形持续增加和旧的顶部白云岩裂缝(数据12(一个)- - - - - -12 (c))。sixteenth-level复苏路线结束后,表面开始崩溃,和上覆岩层的屋顶是最严重受损(39,40]。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
5.4。上覆地层的位移
如图13早期阶段的采矿、上部岩层影响较小的矿业、垂直位移很小。工作面先进,上覆岩层的面积影响矿业持续增加,和沉降值逐渐增加。后上方的上覆岩层岭沉入脊的位置,下沉速度非常缓慢或停止,所以屋顶的曲线较低的层的围岩是波浪。上覆地层之间的距离越短,矿体的屋顶,越大曲线的波峰和波谷之间的区别。是磷酸盐岩层越近,更广泛的影响范围和下沉值就越大。
(一)
(b)
(c)
5.5。变化规律的支承压力在采场上覆地层
结果显示使用模拟采矿方法(数据挖掘(14日)- - - - - -14 (d)),支持先进工作面压力逐渐稳定,峰值出现在20米。受影响的区域开采工作面前方分为三个部分:(1)严重影响的地区矿业(在20米);(2)影响地区的矿业(60米)内;和(3)地区受矿业(超过60米)的影响。复苏的开挖路线的仿真结果表明,该压力在工作面前增加,它不断改变,变得更加复杂和复苏的发展路线(数字14 (e)- - - - - -14 (h))。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
数值模拟结果基本上是一样的相似模拟实验结果。这主要表现为(1)工作面覆岩的变形和破坏开始直接从采空区的屋顶。然后,他们逐渐向深岩层和崩溃。采矿方法的不断进步和经济复苏路线,不规则梯形崩溃区最后形成在采空区上方的屋顶。(2)上覆地层的位移都随着屋顶的高度的增加而减少。(3)采场上覆地层压力的不断改变。随着工作面先进,工作面附近的上覆岩层压力增加。
6。结论
在这项研究中屋顶周围岩石的变形和破坏法律和地表沉陷的特点,系统地研究。得出了以下的结论:(1)基于现有的地下采矿方法和晋宁磷酸矿的实际情况,提出了一种改进pillarless分段崩落法提出了方法。它大大提高矿石回收率,降低充填成本。(2)相似模拟实验结果表明,覆岩的变形和破坏的开始直接从采空区的屋顶,然后逐渐发展成深覆岩的一部分,形成一个不规则的梯形崩溃区采空区上方。最大地表沉陷是位于采空区上方,和最大沉降的位置逐渐在采场的前进方向移动。(3)数值模拟结果表明,上覆地层的运动是非线性的。上覆地层的沉降位移随采场顶板高度增大而减小。支承压力集中区域形成采场顶板的一定范围内。数值模拟结果基本上是一样的相似模拟实验结果。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
作者的贡献
概念化和软件是由Xiaoshuang李;方法和形式分析是由Qihang李;最初的草案是由Weijun田;和审查和编辑由耿Jiabo道。
确认
作者承认提供的支持中国的国家自然科学基金(41702327和41702327号),中国博士后科学基金会(没有。2019 m650144),国家重点实验室,为金属矿山安全与健康(不。zdsys2019 - 005)。