海底金矿上部矿体开采上限及点柱截面尺寸优化研究

摘要

三山岛金矿是目前世界上唯一在采的大型海下黄金矿山，矿山冠柱能隔绝海水，消除水害的威胁，挤身于上下盘围岩限制着水平位移，对矿山开采的稳定性有重要作用，冠柱的高度则成了矿山开采方案中重要的参数，设置的过高浪费资源，设置过低易造成矿山安全隐患。本文以三山岛金矿新立矿区为工程背景，运用理论计算和数值模拟对矿山开采上限的确定及点柱截面尺寸的优化进行了研究，主要研究内容及其结论为：
　　（1）基于矿山工程地质、深部地应力、矿山采矿工艺及两种顶板的典型模型，建立了冠柱（顶板）—点柱体系的力学模型，利用能量法推导出不同截尺寸点柱支撑下的冠柱开采上限的计算公式，计算出点柱截面尺寸分别为2m×2m、4m×4m、6m×6m的冠柱开采上限，再通过比较以上三种开采方案的开采量，优选出最佳的开采方案，即点柱截面为4m×4m，冠柱预留高度为40.66m。
　　（2）采用外接三维地质软件Gocad建立高仿真模型，导入到Flac3d中进行数值计算，通过对模拟结果的位移、应力及塑性区几个方面进行稳定性分析，分别得出冠柱在三种点柱截面尺寸支撑下的预留高度；利用Flac3d读取开采单元数的方法来比较这三个方案的开采量的大小，优选出最佳的开采方案，即点柱截面尺寸4m×4m，冠柱预留高度为40.66m；并将数值模拟计算结果与理论计算结果相互验证。
　　（3）通过对新立矿区全局进行数值模拟计算，分析出安全系数较低的区域，根据优选的开采方案及全局数值模拟分析结果，制定了矿山开采安全监测及预警方案，重点对稳定性较低及关系矿山安全重要区域进行监测，为矿山设计监测及预警方案做参考。

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 急倾斜矿体(煤层)开采的研究现状

1.2.2 矿体点柱法开采稳定性的研究现状

1.2.3 顶板-柱体系稳定性的研究现状

1.3 主要研究内容与技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 矿山开采上限及点柱截面尺寸优化力学解

2.1 三山岛滨海矿山开采概况

2.1.1 矿区地质概况

2.1.2 矿区深部地应力场

2.1.3 矿体采矿工艺概况

2.2 矿山开采沉陷概述

2.3 点柱的稳定性及变形能理论

2.3.1 点柱稳定性分析

2.3.2点柱的弹性变形能的计算

2.4 顶板的破坏机理及力学模型理论

2.4.1 顶板力学模型简介

2.4.2 顶板简支梁力学模型

2.4.3 顶板固支梁力学模型

2.5 顶板的弹性变形能

2.6 基于弹性变形能开采限值及点柱截面尺寸优化的力学解

2.7 本章小结

3 急倾斜上部矿体开采限值的数值模拟

3.1 计算模型的建立及参数的选取

3.2 初始应力场的生成及开采方案

3.3 倾斜矿体回采上限值的确定及点柱截面尺寸优化的分析

3.3.1 矿体开采位移分析

3.3.2 矿体开采塑性区分析

3.3.3 矿体开采应力分析

3.3.4 开采上限值及点柱截面尺寸的确定

3.4 理论计算结果与数值模拟结果对比

3.5 新立矿山全局稳定性分析

3.5.1 模拟计算的基本信息

3.4.2 全局稳定性分析

3.5本章小结

4 矿山开采安全监测及预警方案设计

4.1安全监测目的

4.2 安全监控量测内容

4.3 安全监控量测方法及实施方案

4.3.1 区域工程地质调查及编录

4.3.2 采场上覆岩体岩层移动动态监测

4.3.3 采场上覆岩体岩层移动的岩体内部多点位移量测

4.3.4 矿柱内部应力监测

4.3.5 构造带变形监测

4.3.6 不良地段巷道内空收敛量测

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间主要科研成果