1、 第 1 页 共 37 页 目目 录录 第一章 研究内容 1 1.1 主要研究内容 . 1 1.2 研究方法和技术路线 . 1 第二章 研究实施 3 2.1 矿山地质与开采现状 . 3 2.2 矿岩特性研究 . 6 2.3 顶板柔性加固数值模拟优选研究 20 第三章 研究结果 . 19 3.1 工程地质调查 19 3.2 矿岩特性研究. 19 3.3 顶板柔性加固数值模拟优选研究 . 20 总结 21 致谢 21 参考资料 21 第 2 页 共 37 页 第一章第一章 研究内容研究内容 1.1 1.1 主要研究内容主要研究内容 通过矿山开采现状和工程地质调查、 计算机模拟分析等研 究方法， 对
2、破碎矿体顶板岩体的稳固性进行综合评价， 提出满 足矿山安全开采的采场顶板的加固方式， 实现矿山安全开采的 目标。 1矿山开采现状调查 矿山开采现状分别对白姑、嘎科（南北）矿区生产各中段 进行矿山开采现状的调查，对调查的相关数据加以综合分析， 同时对采场顶板垮冒规律等方面进行统计分类。 2.矿岩特性研究 通过工程地质调查、 矿岩物理力学性能的测定和对矿山地 质勘探资料分析， 结合矿山生产现状等进行综合研究分析， 对 斗南锰矿戛科矿区和白姑矿区的矿岩特性研究， 获取戛科矿区 和白姑矿区矿岩的相关特性， 为矿岩分级提供技术依据和矿山 安全开采提供条件。 （1）工程地质调查 对戛科矿区和白姑矿区生产各
3、中段进行工程地质调查， 寻 找最优势的结构面、 节理间距等力学参数指标， 并对矿岩分级。 （2）矿岩物理力学性能测定 研究戛科矿区和白姑矿区几种主要矿岩体的力学性质， 即 第 3 页 共 37 页 在不同的应力作用下， 研究矿岩变形及强度特性， 为岩层稳定 性分析提供技术依据。 3采场顶板柔性加固数值模拟优选研究 建立矿区开采数值模型，模拟开采过程中空区周围的应 力、位移变化特性。 1.21.2 研究方法和技术路线研究方法和技术路线 1.2.1 1.2.1 研究方法研究方法 研究工作采用理论计算分析、 实验室试验、 现场调查与监 测及经验类比相结合的方法进行研究。 1.2.2 1.2.2 技术
4、路线技术路线 利用矿床勘探采取的岩芯资料和已有的勘探、 开拓和采准 巷道工程、采矿工程及采场，对戛科矿区和白姑矿区（重点是 矿体及围岩） 的工程地质进行调查和研究， 主要包括各种岩体 的分布特征、矿区地质构造、节理裂隙密度及分布规律、节理 裂隙充填物、 地下水补给来源及径流、 巷道围岩稳定性和采场 冒落情况等； 用实验室试验和不规则岩块的点荷载试验两种方 法， 对矿岩体的物理力学性质进行补充试验； 补充测定各种矿 岩体的渗透系数。 根据矿岩体工程地质特征和物理力学性质， 用多种方法评 价矿岩体的质量； 依据矿岩体工程地质特征及岩体质量， 对矿 岩体进行工程地质分区。 第 4 页 共 37 页
5、第二章第二章 研究实施研究实施 2.1 2.1 矿山地质与开采现状矿山地质与开采现状 2.1.12.1.1 矿山地质矿山地质 本区属浅中切割地形（切割深度 100-300m，最大达 530m） ， 海拔标高 1600-1900m， 最高 2031.6m， 矿区无大河流， 仅东部有一尼龙拱水库。其它山谷小溪均为季节性细流。 区内向斜位于斗南向斜中部边缘，为一轴向北 50东， 北翼平缓，南翼陡立；轴部为晚三叠乌格组，两翼为中三叠世 法郎组和个旧组。 矿区西起戛科、 东至尼龙拱， 东西长 7.5km， 南北宽 0.150.17km，面积 19km 2，全区分为 5 个矿段，其中 以戛科、白姑为主要矿
6、段，其矿石质量最好。 2.1.1.1 2.1.1.1 地层和岩性地层和岩性 矿区地层由三叠系个旧组、法郎组和乌格组构成，岩性简 单。个旧组由灰岩组成。 矿区主要有两个含锰矿层位，一是法郎组中上部，即“上 含矿段”中部之“白姑含主矿层亚段”，白姑矿段锰矿层赋存 于该层位中；另一层位是法郎组中下部，即“下含矿段”下部 的“戛科含主矿层亚段”，戛科、卡他、大凹子，咪喱克等矿 段矿层均属此层位。 白姑含主矿层亚段为一套以泥质粉砂岩为 主， 夹多层碎屑状灰岩及锰矿层的岩相组成； 该矿段地层厚度 变化不大，各矿层间一般为 10m 左右，以 F3为界，东西边岩 第 5 页 共 37 页 性明显不一致，东边灰
7、岩增多，矿层变薄，质量变差；西边灰 岩减少，砂泥增多，矿层变厚，质量变好。在主矿层 V1以下 常有一些零星状小矿体，其厚度在 0.5m 以下，且不稳定。戛 科含主矿层亚段的含矿层由一套粉砂岩泥岩组成， 间夹砾碎 屑灰岩及锰矿石层，含矿地层比较薄(2025mL 南翼厚 40 50m，矿层层数少，仅 V1可采，北翼不仅矿层多，且矿层本身 结构复杂，夹石多。 2.1.1.2 2.1.1.2 矿体地质特征矿体地质特征 1矿层规模、形态、产状 白姑矿段的矿层自上而下有 8 个层位，主要呈层状、似层 状、透镜状赋存于 T2f5 2 亚段中，倾向南东，走向北东，倾角 149。 戛科矿段有八个矿层，呈层状。似
8、层状赋存于 T2f4 1 亚段 中，走向北东，倾向南东，北西，倾角 1865。 2矿石类型和物质成份 矿石自然类型可分为表生氧化锰矿石和原生灰质氧化锰 矿石两大类。 表生氧化锰以褐锰矿为主， 含少量软锰矿和偏锰 酸矿； 原生灰质氧化锰， 据其矿物组分分为灰质氧化锰矿石和 碳酸锰矿石两类；前者主要由褐锰矿、钙菱锰矿、含锰方解石 和褐锰矿、石英、粘土矿物组成，锰含量大于 20；后者主 要由钙菱锰矿、锰方解石、含锰方解石和褐锰矿、石英、粘土 矿物组成。 第 6 页 共 37 页 矿石一般见鲕状、豆状，微晶(变)粒状，碎屑状结构，且 块状，条带状及斑状构造。 2 2.1.1.1.3.1.3 矿区地质构
9、造矿区地质构造 矿区位于藏滇歹字型构造的左支，经历了印支运动以 来的多次地质构造运动，给矿区留下了以褶皱、断裂为主 的构造形迹。现分述之。 1褶皱构造 矿区为一走向北5070东的向斜构造，即斗南向 斜，向斜北翼倾角平缓，南翼陡立倒转，呈不对称状，向 斜西窄东宽，即西部扬起端收敛，东部倾状端撒开。 2断裂构造 矿区断裂构造发育中等，白姑比戛科筒单，主要有NNE、 NW、NWW和NS向四组，多为高角度正断层，少数为逆断层，断 距为7080m至100m。 2.1.1.42.1.1.4表生氧化带特征表生氧化带特征 矿区出露的岩层，经受了长期的地质作用和构造运动， 纵横交错的裂隙，断裂广泛发育，为物理风
10、化提供了良好的 条件，加上本区相对湿度大、温差大，更加剧了物理风化作 用；同时伴随着化学风化作用的进行，使得岩体形成力学性 能不良的风化夹层。 本区氧化带均匀分布在地表浅部， 呈被盖式风化， 氧化深 度受以下控制： 第 7 页 共 37 页 1.地形是首要因素， 山顶一般氧化深度较大， 河谷低洼处 氧化深度较小，一般仅 0.5-2m； 2.受潜水面控制，潜水面以上多氧化，以下多原生。 3.受断层构造控制，张性断裂附近，由于破裂带疏松，适 宜氧化。 2 2.1.1.5 .1.1.5 矿区水文地质矿区水文地质 矿区为一倾角伏向斜，呈南西高、北东低的中低山地形， 地面标高16001900m，最低侵蚀
11、基准面标高1500m。 矿区内无大的地表水体，仅有两条大沟，其中戛科大沟一 般溪水流量为1050L/s， 洪水期最大流量2545L/s， 旱季最小 流量1.29L/s；另一条称为米里克大沟，一般流量为100 400L/s，洪水期最大流量4193L/s，旱季干枯。 本区系温暖潮湿的亚热带气候区，气温-7.128.5，平 均13.5每年510月为雨季，年降雨量为911.51272.6mm， 降雨多集中在79月，占全年总降雨量的5059%。日最大降 雨量91.02mm。 区内断裂构造虽然发育， 但大多数产生在柔性的泥质岩石 中，其富水性弱，单位涌水量 0.00020.0065 L/s，渗透系 数 0
12、.00020.0235 m/d，呈现隔水性质。 戛科矿段地势高、坡度一般在 2435，大气降水易以 地表迳流形式排泄，渗入系数为 0.134，无外来地表水流。补 给条件差，且矿层基本在侵蚀基准面（1500m）以上，地形有 第 8 页 共 37 页 利于自然排水。 戛科矿段属水文地质条件简单类型； 白姑矿段 大部分矿层在侵蚀基准面以下， 虽然有个旧组岩溶裂隙水对矿 坑充水的影响， 但采取一定的安全开采措施， 通过法兰组地层 进入矿坑的水量是有限的。 白姑矿段水文地质条件属于中等偏 简单类型。 2.1.2 2.1.2 矿山开采现状矿山开采现状 斗南锰矿拥有戛科矿段（一工区）和白姑矿段（二工区） 两
13、个矿段，开采规模 3010 4t/a，其中嘎科矿段主要开采 V 1 矿层，主要为急倾斜矿体，生产规模 1810 4t/a。白姑矿段主 要开采有 V9、V8、V7a三层矿层，主要为缓倾斜矿体，生产规模 1210 4t/a。 2.1.3 2.1.3 小结小结 通过对斗南锰矿地质资料及现场勘查情况的分析研究， 基 本摸清了矿山两个矿区的工程地质、水文地质及开采现状情 况，为后续矿岩特性研究、顶板人工加固技术研究、爆破优化 及 减 震 技 术 研 究 提 供 了 依 据 和 创 造 了 条 件 。 第 9 页 共 37 页 2.2 2.2 矿岩特性研究矿岩特性研究 2.2.1 2.2.1 矿山物理力学
14、性质矿山物理力学性质 为了进行采场顶板稳定性分类及回采落矿与支护形式和参 数的选取， 确定缓倾斜矿体多层矿体开采顺序和开采超前关系， 在云南省第五地质大队和前次采矿方法试验工作的基础上，针 对本矿山采矿工程需要和缓倾斜矿体多层矿体开采方法工艺研 究的目的，我们对斗南分矿白姑矿段部分矿岩分别补充进行了 点荷载试验、岩层间弱面的直剪试验。 （1）点荷载试验： 点荷载试验目的:是通过点荷载强度指标来估算矿岩的单 轴抗压和抗拉强度。 试验仪器:携带式点荷载仪 XD-2 型。其中包括加载系统、 量测岩石破坏系统和测量尺寸及加荷载之间距离系统三部分组 成。 取样与试验：样本采集于白姑矿段 1560m 水平
15、部分采场和 巷道中为随机进行，但具有代表性的新鲜试样，对不规则样本 要求采集上、下面大致平行的、尺寸长宽高约在 6075 50604050(mm)，按规定每组试样一般不少于 20 个，在自 然风干状态下，因此样品具有良好的代表性。在实验室内并按 照矿岩点荷载仪试验操作规程及步骤进行。 具体是将岩石试样夹置于上、下两个球端圆台状加荷器之 第 10 页 共 37 页 间，由人工手持加压杆缓慢进行液压方式对试样施加荷载，直 至试样受最大压力而破坏。同时读取样本荷载最大压力，有压 力表指针所达到的最大量程，并将破裂的试件拼合在一起，量 取上、下两点间的加荷点距离，用相关公式计算每个试样的抗 压强度，每
16、组试样去掉两个最大值和两个最小值，取其平均值 即确认是该组试样的抗压强度。 岩石试样在一对点荷载的作用下破坏，主要是由于其加荷 轴上的拉应力引起的；试样破坏面为张裂面，具有明显的拉断 特征；不同形状的试样在点荷载的作用下，其加荷轴附近的应 力状态基本相同。因此采用不规则试样进行点荷载试验，所得 得岩石无侧限抗压强度和抗拉强度是可信的。 试验计算点荷载强度的公式很多，本次试验采用： c=22Is（50） t=2.2Is（50） 根据实验数据，补充矿岩点荷载试验结果见表 2.1。 （2）岩层间弱面直剪试验：岩层间弱面直剪试验的目的是 确定矿岩破坏峰值（C、），以及残余内摩擦角（）的大 小。其试验结
17、果见表 2.2。 有关岩体稳固性等级与物理力学参数对照见表 2.3。矿区 岩石物理力学试验结果见表 2.4。 表表 2.12.1 补充矿岩点荷载补充矿岩点荷载试验结果试验结果 单位：单位：MPaMPa 第 11 页 共 37 页 岩石名称 样本个 数 Is（50） 单轴抗压 单轴抗拉 粉砂质泥 岩 45 2.070 45.54 4.55 泥质粉砂 岩 48 3.093 68.05 6.80 泥质灰岩 及疙瘩状 灰岩 40 3.725 81.95 8.20 灰岩 45 5.124 112.74 11.27 锰矿石 46 4.932 108.50 10.85 表表 2.2 2.2 岩层间弱面直剪试
18、验结果岩层间弱面直剪试验结果 矿岩名称 有效块 数 C(MPa ) 备注备注 粉砂质泥 岩 5 1.565 45 58 3234 样本在 干燥状 态下进 行试验 泥质粉砂 岩 6 0.867 41 15 3317 泥质灰岩 及疙瘩状 灰岩 3 0.222 59 53 1959 第 12 页 共 37 页 灰岩 7 2.367 61 20 3602 锰矿石 8 3.426 50 40 3202 表表 2.3 2.3 岩体稳固性等级与物理力学参数岩体稳固性等级与物理力学参数 对照表对照表 级 别 密度 (g/cm3) 抗剪强度 弹模 E(GPa) 泊松比 备注 () C(MPa) 2.65 60
19、2.1 33 0.2 *1 2.65 6050 2.1 1.5 3320 0.2 0.25 *2 2.65 2.45 5039 1.5 0.7 206 0.25 0.3 *3 2.45 2.25 3927 0.7 0.2 61.3 0.3 0.35 *4 2.25 27 0.2 1.3 0.35 *5 备注内容是指围岩自稳能力： *1：跨度20m，可长期稳定，偶有掉块，围岩无塌方； *2：跨度 1020m，可基本稳定，局部可掉块或小塌方;跨度 第 13 页 共 37 页 10m； *3： 跨度 1020m， 可稳定数日1 月， 可发生小至中塌方 （塌 方高3m 或 塌方体积 30m3）；跨度
20、510m 可稳定数月，可发生局部块体 移动及小至中塌方；跨度5m，围岩可基本稳定； *4：跨度5m，一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动、 小塌方，进而 发展为中至大塌方。埋深小时，以拱部松动为主，埋深大时， 有明显塑性流动和挤压破坏； 跨 度5m， 围岩可稳定数日至 1 月； *5：围岩无自稳能力； *小塌方是指塌方高3m 或塌方体积30m3； 中塌方是指塌 方高 36m 或 塌方体积 30100m3；大塌方是指塌方高6m 或塌方体积 100m3。 表表 2.4 2.4 矿区岩石物理力学试验结果矿区岩石物理力学试验结果 表表 岩石名称 试验类型 泥岩 粉砂 各种 灰岩 块状氧块状氧 化化
21、锰矿锰矿 备注备注 密度 p(g/cm 3) 2.57 2.63 2.72 3.1 饱水 第 14 页 共 37 页 软化系数 0.58 0.67 0.68 0.86 抗压强度 R （MPa） 31.14 51.92 73.87 80.6 饱水 变 形 弹模 E （10 3MPa） 34.09 20.5 81.2 258.9 风干 泊松比 u 0.14 0.45 0.28 0.266 抗拉强度 （MPa） 1.57 2.70 4.65 8.92 饱水 抗 剪 粘聚力 C(MPa) 3.53 13.10 12.06 7.64 饱水 内 摩 擦 角 （.） 30.33 38.17 42.17 44
22、.37 2.2.2 2.2.2 岩组划分岩组划分 斗南锰矿区出露的地层为三迭系上统鸟格组、 下统法郎组、 个旧组，根据岩性及岩石物理力学试验成果（表 2.1）划分为 六个岩组。 、松散岩组（）：为第四系（Q）冲洪积、残坡积层砂、 碎石、粘土及少量卵砾石等，主要分布于缓坡地带、冲沟旁、 地形低凹处，厚 020m，对采矿无影响。 、较软岩组（）：为法郎组第四段第四亚段（T2f4 4） 和法郎组第三段第一亚段（T2f3 1），薄层状泥岩夹粉砂质泥岩， 岩体质量差，岩石抗压强度 18.331.14Mpa，软化系数 0.58， 裂隙不发育，与采矿关系密切，稳定程度差。 第 15 页 共 37 页 、较硬
23、岩组（）：为 T3n、T2f4 6、T 2f5 1 粉砂岩、泥质粉 砂岩、粉砂质泥岩，岩层完整，岩体质量中等，岩石抗压强度 31.1451.92Mpa，软化系数 0.580.67。其中 T2f4 6 为上含矿 段顶板，与采矿关系密切，稳固性中等。 、较软坚硬岩组（）：为法郎组 T2f2、T2f3 2、T 2f4 1、 T2f4 2、T 2f4 3 粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、灰岩，夹锰矿 层及薄层泥岩。其中 T2f4 1 为矿区下含矿段矿层，质量较好，矿 石抗压强度 76.07Mpa，软化系数 0.86，松散系数 1.451.59， 安息角 37，稳固性较好。粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及疙瘩状
24、 灰岩岩体质量中等，但局部夹薄层泥岩，降低了岩体质量，岩 石抗压强度 18.3051.92Mpa，软化系数 0.580.67，岩体质 量差中等，与采矿关系密切，稳固程度中等。T2f2为泥岩夹 泥质粉砂岩、 灰岩， 岩体质量差较好， 岩石抗压强度 18.30 83.28Mpa，软化系数 0.580.85，稳定性差好，与采矿关系 不密切。 、较硬坚硬岩组（）：为法郎组 T2f5 2、T 2f5 3 泥质粉 砂岩、粉砂质泥岩、锰矿层及含锰灰岩，其中 T2f5 2 为矿区上含 矿段主矿层，质量较好，矿石抗压强度 60.39Mpa，软化系数 0.86，松散系数 1.451.59，安息角 37，稳固性较好
25、。粉砂 质泥岩、泥质粉砂岩岩体质量中等，抗压强度 31.14 51.92Mpa，软化系数 0.580.67，与采矿关系密切，稳固程度 中等。 第 16 页 共 37 页 、坚硬岩组（）：为个旧组（T2g）灰岩、白云岩，岩 体质量好，抗压强度 83.28Mpa，软化系数 0.85，稳固性好，与 采矿关系不密切。 2.2.3 2.2.3 矿层及顶、底板工程地质特征矿层及顶、底板工程地质特征 矿区锰矿层赋存于中三叠系法郎组中，为层理发育的以细 碎屑为主的沉积岩，其岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩，泥质粉 砂岩、粉砂岩及灰岩。由于区内断裂构造发育，岩石多受到破 坏。故影响矿床开采的工程地质条件主要因素为：矿
26、层及其顶 底板岩性特征和断裂破碎带。 矿区锰矿层主要为致密块状和条带状灰质氧化锰矿和碳酸 盐锰矿组成，质坚性脆，节理裂隙发育，多由方解石脉充填。 戛科、白姑采区各矿层顶、底板岩性多为粉砂岩、泥质粉 砂岩、粉砂质泥岩、泥岩和碎屑状灰岩、含锰灰岩、砂质灰岩 等组成，V1矿层的底板为角砾状灰岩或疙瘩状灰岩。各种岩石 的坚固性不一，极限抗压强度循以下次序由大变小：锰矿石 各种灰岩粉砂岩泥岩。 白姑 20-22 勘探线之间，V7矿体直接顶板为一层 8.96m 厚 的泥质粉砂岩，灰-深灰色，底板为一层厚 11.13m 的泥质粉砂 岩，灰-深灰色。F3断层从鸟格直到个旧组，将白姑矿段横切为 东西两段，对矿层
27、有较大破坏。 在调查中发现，泥质岩石的风化程度远远大于灰岩。泥质 岩石易风化，湿解、失水破碎呈细碎块状，在地表易产生崩塌 第 17 页 共 37 页 和顺层滑坡。因此，泥岩地表风化带发育最深，一般 2137m。 而灰岩风化带较浅。 2.2.4 2.2.4 断裂带工程地质特征断裂带工程地质特征 由于构造的破坏，岩层节理裂隙很发育，从而降低了岩石 力学强度。所见节理裂隙主要有三组，其走向为：北西向、南 北向和北东向。另外，北东东向亦较发育。倾角一般 5088 度间，其中北西向为高角度节理。最大的 F3断层，也是白姑的 主断层，走向北 48西，北西端伸入个旧灰岩中，往南伸入向 斜轴部附近的鸟格组砂砾
28、岩中，地表长度 1920m，倾向南西， 倾角 83 0，落差一般 42m，最大 65m，为正断层。 根据几年的矿山采矿，坑道中所见断层破碎带，岩石极破 碎，多呈糜棱岩化，部分角砾由泥质胶结，断层泥因挤压多呈 鳞片状，可见镜面与擦痕，遇水后易湿解、膨胀、软化、崩解。 易出现坍塌、冒顶现象。冒顶高度一般为 0.53m 左右；一般 坑道走向斜交或平行断层走向时，则坍塌、冒顶较甚；而当坑 道走向与断层走向垂直时，仅呈现掉块或轻微坍塌。已掘进完 工的井巷均为锚喷支护。 综上所述，锰矿层顶、底板岩石结构较差，开采深部矿体 过程中易引起坍塌、冒顶。另外，采掘工程经过断裂带时会发 生坍塌，是掘进。回采过程中的
29、主要的工程地质不利因素。应 注意支护和加固。矿区工程地质条件中等。 2.2.5 2.2.5 断裂构造断裂构造 第 18 页 共 37 页 矿区内断裂构造发育中等， 白姑比戛科稍简单。 主要有NNE、 NW、 NWW 和 NS 向四组，多为高角度的正断层，少数为逆断层。 断距为 7080m 至 100m，区内已发现较大断层 42 条，其中戛 科矿段 30 条，白姑矿段 12 条。切割破坏矿体的断层有 22 条。 另外，矿区内小断层小褶皱也比较发育。断裂破碎带内的岩石 十分破碎，多呈糜棱岩化，部分角砾由泥质胶结，断层泥因挤 压多呈鳞片状，遇水易潮解、膨胀，软化，崩解靠近断层带 两盘构造裂隙发育。多
30、含脉状裂隙水，这不仅破坏了岩层的完 整性，还往往形成地下水活动的通道，降低了岩层的稳固性。 白姑矿段处于向斜北翼的东端，为一单斜构造，走向 70 东，倾向 SE-SSE，倾角（最大为 45分布于 18 线附近、最小 为 7分布 23 线附近）一般 25。 戛科矿段处于斗南向斜西南端，东端 48 线地层南北宽 1600m，西端仅 100m，北翼 4857A 线地层以 2030平缓角 度向南东倾斜，然而往深部近轴部（约 1710m 标高处）倾角为 4060，其南翼可达 5070，在 58A60 线之间，浅部还 出现直立与倒转。因此在地层在轴部附近破碎、零乱，以 V1为 例，在 48 线附近，向斜轴
31、标高为 1260m。 2.2.6 2.2.6 矿区顶底板岩层矿区顶底板岩层 矿层直接顶底板多由泥质岩、粉砂岩和灰岩组成，夹石由 泥岩与灰岩类组成。而夹石以含锰灰岩为主。戛科矿段顶底板 灰岩占 50.3%， 泥岩及粉砂泥质岩占 29.1%， 含锰灰岩占 15.7%， 第 19 页 共 37 页 而粉砂岩与泥质粉砂岩只占 4.9%；而白姑矿段顶底板则以粉砂 岩与泥质粉砂岩最多，占 50.4%，次为灰岩类占 26.1%，含锰灰 岩占 13.9%，泥岩及粉砂质泥岩仅占 9.6%。 2.2.72.2.7 小结小结 1.从矿山的地质资料和生产现状了解到，斗南分矿两个矿 段的矿岩特性，矿层埋藏于中三叠系法郎
32、组的一套层理发育的 以细碎屑为主的沉积岩中，矿区内构造较为发育，岩石受到不 同程度的破坏，造成岩石节理裂隙发育处，岩石力学强度明显 地降低。 2.断层破碎带中岩石极破碎，多呈摩棱岩化，部分角砾由 泥质胶结，断层泥因挤压多呈鳞片状，遇水后易湿解、膨胀、 软化，滑塌现象较多。钻孔在破碎带处的岩芯采取率很低，出 现孔壁坍塌埋钻现象。同时泥质岩石易风化、湿解、失水而破 碎。岩石抗压强度均低于 30MPa，是极不稳固的松散岩石类型。 3.矿体及顶底板一般呈中等稳固，局部地区有泥岩，易分 离，稳固性较差。整体上认为矿体构造较复杂，水文地质条件 属于中等偏简单，矿岩稳固性为一般。且对安全开采造成一定 影响。
33、矿山须在爆破、支护形式和回采进度等方面重视，采取 切实可行的措施，提高围岩强度。 第 20 页 共 37 页 2.3 2.3 顶板柔性加固数值模拟优选研究顶板柔性加固数值模拟优选研究 借助计算机技术的迅速发展，二十世纪五十年代以来， 有限元法、边界元法、有限差分元法和离散单元法等数值模 拟方法在岩土工程和采矿工程领域的研究和应用得到了极 大的发展。虽然数值模拟方法至今仍未达到十分完善的地 步，但毫无疑问，数值模拟方法为岩土工程和采矿工程的岩 石力学研究提供了强有力的工具。 2.3.1 2.3.1 FLACFLAC 3D3D 软件介绍软件介绍 在岩土工程中，涉及到很多岩土体与结构的相互作用， 由
34、于结构材料形式各异、性质各不相同，所以岩土体与结构 的相互作用一直都是岩土数值中的一大难题。作为岩土工程 专业程序，FLAC 和 FLAC 3D 提供了丰富而功能强大的结构单元 模型，结构单元包括梁单元、锚索（杆）单元、桩单元、壳 单元、土工格栅单元和初衬单元，这些单元为岩土工程和采 矿工程模拟支护研究提供了强有力的工具。 本研究采用对岩体介质材料有很好适应性的 FLAC 3D 三维 有限差分软件对围岩稳定性进行计算，并分析其稳定性，为 该矿的安全开采提供理论依据。FLAC 3D 分析软件具有强大的 各种非线性本构模型和数值计算模式，并且在某种程度上克 服了有限元和离散元不能统一的矛盾。它可以
35、模拟岩土或其 他材料的力学行为，基于显式差分法求解运动方程和动力方 第 21 页 共 37 页 程，将计算区域划分为若干个单元，单元之间用节点相连， 在一个节点施加荷载后该节点的运动方程可以写成时间步 长的有限差分形式，在某一微小时间步长内，作用于该点的 荷载只对相邻的若干节点产生影响，根据单元节点的速度变 化及时间步长，可求出单元之间的相对位移，从而求出单元 应变，然后再根据材料本构模型求解单元应力，随着时间步 长增加，这一过程将扩展到整个计算范围。程序通过计算单 元之间的不平衡力，将上一步得出的不平衡力重新分布到各 节点，再进行下一步的迭代，直至整个计算体系达到平衡状 态。 FLAC 3D
36、 软件采用拉格朗日算法，它将计算区域划分为若 干四面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线 性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑 性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形。这种算法 非常适合于模拟大变形问题。三维快速拉格朗日分析采用了 显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合 单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软 化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及 模拟施工过程等领域有以下几个独到的优点。 （1）对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散 法”。能够非常准确的模拟材料的塑性破坏和流动。由于无 须形成刚度矩阵，因此，基于较小
37、内存空间就能够求解大范 第 22 页 共 37 页 围的三维问题。这种方法比有限元法中通常采用的“散集成 法”更为准确、合理。 （2）即使模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方 程，这使得 FLAC 3D 在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上 的障碍。 （3）采用了一个“显式解”方案。因此，“显式解” 方案对非线性的应力应变关系的求解所花费的时间，几乎 与线性本构关系相同，而隐式求解方案将会花费较长的时间 求解非线性问题。而且，它没有必要存储刚度矩阵，这就意 味着，采用中等容量的内存可以求解多单元结构；模拟大变 形问题几乎并不比小变形问题多消耗更多的计算时间，因为 没有任何刚度矩阵要被修改。
38、2.3.2 2.3.2 建立模型建立模型 由于 FLAC 3D 软件在模型建立以及单元网格划分等前处理 问题上却存在不足，造成了其建模的不便性，特别是对于受 采动影响下地质结构复杂的矿山工程建模及划分网格非常 不便。 ANSYS 作为广泛应用的有限元软件，充分综合了 CAD， CAE，CAM 等图像处理工具，是建立复杂计算模型有效而又 方便快捷的平台。ANSYS 可以自上而下直接建立实体模型， 还可通过自下而上依次生成点、线、面和体，从而建立实体 模型。强大的布尔运算工具可以实现实体之间加、减、分类、 第 23 页 共 37 页 搭接、粘接和分割等复杂运算，大大提高了建立复杂地质体 三维模型的
39、效率。对于实体模型的网格划分，ANSYS 提供了 功能强大的控制工具，如单元大小和形状的控制、网格的划 分类型(自由和映射)以及网格的清除和细化；此外，还可对 实体模型图直接划分网格；最后，输出各单元节点坐标及单 元信息 NODE. DAT 和 ELE. DAT 文件。根据对 FLAC 3D 与 ANSYS 单元数据关系的分析，利用 Visual Basic 语言编写的 FLAC 3D- ANSYS 接口程序包，来解决复杂工程地质体的建模难 题。 计算模型上部边界取至地表，其余各边界取 35 倍的 采场尺寸，详见图 2.12.2。 图 2.1 计算模型 第 24 页 共 37 页 图 2.2
40、计算模型（局部放大） 2.3.3 2.3.3 矿岩力学实验及弱化处理矿岩力学实验及弱化处理 在云南省第五地质队工作基础上，针对工程需要，进行 了岩石力学补充实验，分别完成了室内岩石强度及变形特征 实验、现场点荷载实验及层间弱面直剪实验。 考虑到岩体与岩石的差别，工程岩体是由一系列结构面 及被结构面切割成的结构体所组成的复杂介质，与岩石有较 大差别。故将岩石力学试验获得的力学参数直接应用于岩体 工程计算是不妥的。 数值计算时一般应结合工程地质调查，进行工程弱化折 减，才能获取比较接近岩体工程实际的强度指标。结合斗南 锰矿的矿岩节理、裂隙发育程度折减后的矿岩物理力学参数 见表 2.5。 表 2.5
41、 矿岩物理力学性质 矿岩名 比重 弹性模泊内聚摩擦抗拉强 抗压强 第 25 页 共 37 页 称 /t.m -1 量 /GPa 松 比 力 /MPa 角 / 0 度 /MPa 度 /MPa 锰矿石 3.10 78.3 0.2 7 3.43 30.1 3.92 80.6 泥质粉 砂岩 2.61 25.5 0.3 5 0.86 7 27.3 1.65 32.27 粉砂质 泥岩 2.62 22.8 0.3 8 1.57 29.1 1.55 28.87 泥灰岩 2.72 43.2 0.2 9 0.22 32 2.71 64.46 灰岩 2.72 47.7 0.2 7 2.37 35 3.1 83.28
42、 2.3.4 2.3.4 稳定性判据稳定性判据 采场稳定性问题是一个复杂的非线性力学问题，通常伴 随着变形非均匀性、非连续性和大位移等特点，影响采场稳 定的因素众多，关系错综复杂，找出一个普遍适用的定量失 稳判据是困难的。然而采用不同的失稳判据得到的稳定安全 度一般是相同的，目前大多数判据是以围岩强度、采场围岩 容许极限位移量以及塑性区的是否相互贯通等形式给出。 采场围岩容许极限位移量是指保证采场不产生有害松 动和保证地表不产生有害下沉量的条件下，自采场开挖起到 变形稳定为止，顶底板的最大容许下沉量（或底鼓量），也 第 26 页 共 37 页 有用采场壁面间水平位移总量的最大容许值表示的。在采
43、场 开挖的过程中，若发现量测到的位移总量超过容许极限值， 或者根据己测位移加以预测的围岩稳定时的位移将超过极 限值，则意味着围岩位移超限，支护系统必须加强，否则有 失稳的危险。对高地应力和完整的硬岩，失稳时的围岩变形 量往往较小， 而对于软弱围岩和膨胀性围岩， 数据往往较大， 目前围岩极限位移量一般通过理论分析、数值计算、现场量 测和室内试验来确定。 就一般条件下的地下工程开挖而言，根据矿山地下采场 大跨度开挖不进行加固或临时加固条件下的实践经验，大跨 度采场岩体变形与稳定特征具备如下基本特征： 30mm 以下的位移对岩体稳定基本不构成影响； 3060mm 量级的位移，岩体可以保持稳定性； 6
44、0150mm 量级的位移，岩体存在潜在稳定问题； 150mm 属于大变形/位移问题，岩体存在破坏现象，大 规模破坏也可能产生。 岩体在发生破坏前的稳定条件下到底具体可以承受多 大的容许极限位移量是不可能准确回答的，受所处地质条 件、随道埋深、断面形状尺寸及初期支护性状等多种因素的 影响。实际应用中，往往结合工程实际经验和工程施工进展 情况使用。 2.3.5 2.3.5 锚索锚索锚网联合加固锚网联合加固 第 27 页 共 37 页 采场顶板现采取锚杆加固，受到回采空间限制的因素， 锚杆长度选型有 1.2m、1.5m 和 1.8m 三种。由于锚杆长度过 短，且顶板岩层层理比较明显，锚杆不足以将层状
45、岩层组合 起来，更难以将其悬吊在上部稳固岩层中，起不到稳固顶板 岩层的作用。 鉴于锚索具有锚固深度大、施加预应力大且施工受回采 空间要求较小等优点，提出采取预应力锚索锚网联合加 固的方案。锚网将锚固范围内的岩层组合成为一个整体，而 锚索所起的作用是将锚网形成的整体组合梁悬吊起来，阻止 组合梁与上覆岩层的离层，从而阻止顶板的跨冒。 2.3.5.1 2.3.5.1 芝护理论芝护理论 与围岩岩体相比较，支护材料本身能够提供的承载能力 非常有限，因此，围岩在某个截面上的承载能力主要取决于 围岩材料本身的性质，如这个截面承受的应力或应变超过自 身承载能力的极限，围岩在这个截面上必然发生破坏。加固 的作用
46、，主要是改变应力场和位移场的分布，使围岩逐渐趋 向三维应力状态，并提供承载能力较强的高强度抗力点，使 各截面的承载能力可充分发挥。 2.3.5.2 2.3.5.2 加固参数加固参数 预应力锚索加固参数包括预应力，索体直径、强度、长 度、间距、排距等。 （1）锚索直径。考虑到锚索索体直径与钻孔直径的差 第 28 页 共 37 页 值控制在 610mm 之内有利于锚索锚固效果的发挥。由于矿 山采用 MQT-85/1.8 型气动锚杆钻机钻孔，最佳钻孔直径为 2532mm，结合表 2.6 选取直径 15.2mm 锚索索体。 （2)锚索预应力。根据目前矿山采用的锚索规格及张拉 设备，锚索预应力一般应为其
47、拉断载荷的 40%60%。选取 15.2mm 锚索索体，在施工中，采用张拉千斤顶对锚索进行张 拉，使其预紧力至少应达到 70kN。 表 2.6 不同锚索的预应力值 结构 公称直径 /mm 拉断载荷 /kN 预应力/kN 17 结构 15.2 260 100150 17.8 353 150200 19.0 406 160240 21.6 490 200300 119 结 构 18 408 160240 20 510 200300 22 607 250350 （3）锚索长度。采取锚索加固时，锚索应锚固在围岩 内部相对较稳定的岩层中，发挥深部围岩的承载能力，同时 提高预应力承载结构的稳定性。同时，锚
48、索长度应与锚索预 应力相匹配，锚索越长，施加的预应力应越大。实践证明， 高预应力的短锚索支护效果比低预应力的长锚索支护效果 第 29 页 共 37 页 好。根据目前锚索预应力水平，锚索不宜过长。结合斗南锰 矿顶板厚度，锚索长度宜在 4.55.5m 范围之间。 （4）锚索排间距 锚索加固密度太大，不仅增加了支护成本，而且影响加 固速度。 应当在保证加固效果与安全条件下， 降低加固密度。 此外，锚索加固密度与预应力大小、长度及强度相匹配，斗 南锰矿锚索排间距宜取 0.81.2m 之间。 （5）锚网 待砂浆凝固后，把相邻两排锚索的耳环用钢丝绳扎成矩 形状或者三角形状，将顶板连接成一个整体。 3.3.6 3.3.6 小结小结 （1）采用 FLAC3D 软件对顶板加固方案和加固参数进行 数值模拟计算，作为岩土工程专业程序，FLAC3D 提供了丰富 而功能强大的结构单元模型，这些单元为岩土工程和采矿工 程模拟支护研究提供了强有力的工具。 （2）考虑到 FLAC3D 软件在模型建立以及单元网格划分 等前处理问题上存在不足，研究借住 ANSYS 有限元软件建立 复杂地质体三维模型和划分网格，利用 Visual Basic 语言 编写的 FLAC3D- ANSYS 接口程序包，将建立的模型导入 FLAC3D 中进行分析计算。 （3）考虑到
