1、 硬岩矿床地下开采硬岩矿床地下开采*高等硬岩采矿学 主讲：屈彪*高等硬岩采矿学4 硬岩矿床地下开采新进展硬岩矿床地下开采新进展理论研究和技术革新理论研究和技术革新理论研究技术革新传统采矿方法的改进传统采矿方法的改进空场采矿法崩落采矿法充填采矿法深部矿床开采深部矿床开采采矿方法威震监测残矿回采残矿回采矿山信息化基础安全信息化建设地下矿山智能化远程地压监控技术地下矿山专门信息技术的应用地下信息技术的应用地下信息技术的应用矿山信息化基础地下矿山智能化远程地压监控技术地下矿山专门信息技术的应用*高等硬岩采矿学4.1.4.1.理论研究和技术革新理论研究和技术革新采矿方法变革的采矿方法变革的主要目标：主要
2、目标：n（1）把矿房、矿柱和采空区处理作为一个整体同时考虑，以实现有计划、有步骤的全面回采，既减少了开采损失贫化，又消除了采空区隐患。n（2）改革采矿方法结构，实现强化开采，减轻繁重体力劳动，以提高劳动生产率，降低开采成本。n（3）更加重视安全和环保，提出了无废开采的理念，大量新技术引入到安全监测和防护方面 n（4）自动化、信息化水平进一步提高，智能矿山，数字矿山成为发展方向。*高等硬岩采矿学4.1.1 理论研究理论研究 目的目的：为硬岩矿山地下采矿方法的变革提 供一些有益的理论依据。内容矿山地质力学计算机技术*高等硬岩采矿学4.1.1.1 4.1.1.1 矿山地质力学矿山地质力学 矿山地质力
3、学主要研究原始地应力的测量和应用。目前普遍采用的地应力测量方法有套孔应力解除法和水压致裂法两大类。而原始地应力主要包括自重应力和构造应力两大类。天然存在于原岩内而与人为因素无关的应力场称为原岩应力场，如图4-1所示。由地心引力引起的应力场称为自重应力场，地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量。*高等硬岩采矿学由于地质构造运动而引起的应力场称为构造应力场。图4-1 岩体单元体所在 位置及其应力状态 单元体上所受的垂直应力z等于单元体上覆岩层的重量一.自重应力*高等硬岩采矿学在均匀岩体内，岩体的自重应力状态为在均匀岩体内，岩体的自重应力状态为侧压系数取决于岩块所处的力学状态，有以下2种
4、假设：1、金尼克假说：岩块处于弹性状态岩石的泊松比为0.20.3，0.250.43。2、静水应力状态（海姆）假说：在埋藏较深条 件下，垂直压应力相当大，岩石呈现明显的塑性 1.0*高等硬岩采矿学二.构造应力 构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力，岩体构造应力可以分为现代构造应力和地质构造残余应力。前者是指正在经受地质构造运动的作用，在地质构造发生过程中，岩体内产生的应力。后者是指已经结束的地质构造运动残留于岩体内部的应力。*高等硬岩采矿学构造应力以水平力为主，具有明显的区域性和方向性。有以下基本特点：一般情况下地壳运动以水平运动为主，构造应力主要是水平应力；而且地壳总的运动趋势是相互挤
5、压，所以水平应力以压应力占绝对优势。构造应力分布不均匀，在地质构造变化比较剧烈的地区，最大主应力的大小和方向往往有很大变化。*高等硬岩采矿学 岩体中的构造应力具有明显的方向性，最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大。构造应力在坚硬岩层中出现一般比较普遍，在软岩中贮存构造应力很少。*高等硬岩采矿学三三.原岩应力分布的基本规律原岩应力分布的基本规律 通过理论研究、地质调查和大量的地应力测量资料，原岩应力的分布的主要规律归纳如下：（1）实测垂直应力基本上等于上覆岩层重量。（2）水平应力普遍大于垂直应力。（3）平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加 而减小。（4）最大水平主应力和最小水平主应力
6、一般比值相差较大。*高等硬岩采矿学4.1.1.2 4.1.1.2 计算机技术计算机技术 计算机技术主要表现在四个层面：计算机辅助设计，数值模拟，人工智能以及虚拟现实技术。在计算机应用上，对采场模拟的研究已经有了较好的突破性开端。如把地址统计学和计算机几何造型技术结合起来，把矿体的形态、空间位置及其品位分布和岩层类别及其大构造等资料，用来构造矿床模型和体质统计模型，所构成的二维或三维图形，显示在微机屏幕和打印在图纸上。然后再用CAD制图的方法在屏幕上布置开拓、采准和切割巷道及采场结构。如下图4-2所示：*高等硬岩采矿学 综采三维动画*高等硬岩采矿学4.1.2技术革新 为了实现前述地下开采和采矿方
7、法变革的奋斗目标，在正确的理论知识指导下，近50年来，开始了下面几项技术改革工作：（1）采矿设备型号缓慢增大，向灵活机动和高效方向发展，注重智能化、自动化水平的提高。在铲运机自动化方面，首先出现的是视觉范围内的遥控技术。操作人员通过视频监控器监控铲运机作业状态，或者通过铲运机上的摄像头和接收装置，铲运机由摄像头指导，操作人员只需在控制室内控制装卸工作。遥控铲运机 *高等硬岩采矿学（2）广泛采用锚杆和锚索加固采场周围，甚至矿体；（3）采用注浆理论和技术支护松软巷道；（4）由于充填材料管道机械化输送的成功，特别是砂 浆质量浓度达到75%以后，形成了一种高粘塑性 非牛顿流体，在管内不会发生沉淀和堵塞
8、，使高 浓度砂浆输送的水砂充填和胶结充填得到推广。（5）研究改造矿块中难以施工的结构，减少采准工作量，特别是回避开掘那些短而小的施工天井和平巷。（6）微震监测在采矿工业中的应用。MENU*高等硬岩采矿学4.2 传统采矿方法的改进传统采矿方法的改进硬岩地下采矿方法空场法充填法崩落法*高等硬岩采矿学4.2.1 4.2.1 空场采矿法空场采矿法 空场采矿法在回采过程中，将矿块划分为矿房和矿柱，第一步骤先采矿房，第二步骤再采矿柱。在回采矿房时，采场以敞空形式存在，仅依靠矿柱和围岩本身的强度来维护。矿房采完后，要及时回采矿柱和处理采空区。在一般情况下，回采矿柱和处理采空区同时进行；有时为了改善矿柱的回采
9、条件，用充填料将矿房充填后，再用其它采矿法回采矿柱。*高等硬岩采矿学Back1*高等硬岩采矿学适用条件：适用条件：矿石和围岩稳固，采空区在一定时间内，允许有较大的暴露面积。特点特点：将矿块划分成矿房和矿柱，先采矿房，后采矿柱 （或不采矿柱），两步骤回采。回采矿房时的采空区主要依靠矿石和围岩自身的稳固性和矿柱来维护。矿房回采后，有计划地回采矿柱和处理采空区。采矿方法：采矿方法：全面采矿法、房柱采矿法、留矿采矿法、分段矿房法和阶段矿房法*高等硬岩采矿学 空场法应用广泛的主要原因有二：一是一是我国大多数矿山矿石和围岩稳固或中等稳固，目前开采深度一般不太大；二是二是空场法具有许多优点成本低，生产能力大
10、，劳动生产率高，基建时间比较短，比较容易达产。但也存在一些缺点缺点，最主要的是留下大量的矿柱和采空区，需要进行第二步骤回采和处理；由于地压随开采深度的增加而加大，深部开采应用受到限制。由于这类采矿法具有许多优点，近年来有扩大使用范围的趋势。在围岩或矿石、围岩都不太稳固时，现在已开始采用长锚索、锚杆、注浆等矿岩加固技术，加固后可采用空场法开采；对于上覆岩层需要保护时，则采取嗣后充填。*高等硬岩采矿学4.2.2崩落采矿法崩落采矿法 崩落采矿法是以崩落围岩来实现地压管理的采矿方法，即随着崩落矿石，强制（或自然）崩落围岩充填采空区，以控制和管理地压。这是崩落法共有的基本特征。崩落采矿法中包括下列采矿方
11、法：（1）单层崩落法；（2）分层崩落法；（3）分段崩落法；（4）阶段崩落法。前两种方法用浅孔落矿，一次崩矿量小，在矿石回采期间，工作空间需要支护，随着回采工作面的推进，崩落上面岩石以充填采后空间，这两种方法的工艺过程复杂，生产能力较低，但矿石损失贫化较小。后两种方法经常用深孔或中孔落矿，一次崩矿量大，生产能力较高，故有大量崩落法之称。上面岩石在崩落矿石同时崩落下来，并在崩落岩石覆盖下放出矿石，故矿石损失贫化较大。*高等硬岩采矿学1）单层崩落采矿法：相对分层而言，长壁式面长 3060m，短壁式面长1530m。优点：结构简单，矿石损失与贫化率小，通风 好,生产能力大，安全。缺点：顶板管理复杂，劳动
12、强度大（支护），坑木消耗大。适用：直接顶易冒落，30，厚度小于3m的层 状矿体*高等硬岩采矿学*高等硬岩采矿学2）有底柱分段崩落法：沿倾斜将矿块划分为分段，每分块下部设出矿结构（有底柱），阶段高5060m,分段1025m。优点：生产能力大（中深孔），通风好，使用广 （回采灵活）。缺点：结构复杂，采准量大，矿石损失与贫化率大 （损失时15%20%，贫化率20%30%）。适用：75，厚1520m，下盘围岩中稳以 上，无夹石层，矿石无自燃和结块性。*高等硬岩采矿学*高等硬岩采矿学3）无底柱分段崩落法：将矿块划分为分段，分段不设底部结构（无底柱）（巷道直接运走）阶段高度5070m，分段高度：1012m
13、。优点：结构简单，生产集中，能力大，安全好。缺点：独头巷通风差，矿石损失和贫化率大。适用：急倾斜厚矿体和缓倾斜、倾斜极厚矿体下 盘，下盘围岩中稳以上，矿石价值不高，围 岩含有品位。*高等硬岩采矿学*高等硬岩采矿学 阶段崩落法：不划分段，沿阶段全高落矿（分强制和自然崩落法），阶段高度5060m（倾角小取小值）底柱高度一般1214m。优点：采准量小，生产能力大，成本低。缺点：矿石损失贫化大，大块多。适用：急倾斜矿体厚度1520m，缓倾斜更大，矿 石下盘围岩中稳以上，矿石 价值不高，无自 燃，氧化，结块*高等硬岩采矿学*高等硬岩采矿学4.2.3 4.2.3 充填采矿法充填采矿法1）上向水平分层充填采
14、矿法：倾斜、急倾斜矿体，水力充填或胶结充填，走向布置长3060m，高5060m。优点：有利于作业和无轨运输，便于生产能力提高。缺点：系统复杂，劳动强度大，成本高，安全差。适用：倾斜、急倾斜矿石中等稳定以上，价值高，地表需要保护。*高等硬岩采矿学*高等硬岩采矿学2）下向分层充填采矿法：矿石不稳固时，为安全，建人工顶板，可采用水力或胶结充填，阶段高3050m，走向3050m。优点：支护条件好，地表变形小。缺点：成本高，生产能力小。适用：矿石不稳固或矿岩均不稳固，矿石价值高，品位富，地表需保护。*高等硬岩采矿学MENU*高等硬岩采矿学4.3 深部矿床开采深部矿床开采4.3.1 采矿方法 如图4-24
15、所示，冬瓜山铜矿采用了暂留隔离矿柱阶段空场嗣后充填采矿法，核心回采工艺技术为大盘区、大采场、大产能，视线里冬瓜山矿床安全高效大规模开采。该采矿方法的主要特点是：1）盘区沿走向布置，盘区之间暂留隔离矿柱。2）隔离矿柱长度为矿体宽度，约350420m宽为18米。3）盘区回采沿矿体走向推进。4）盘区内由背斜轴部向两翼推进，开采厚大矿体时采 用“隔3采1”回采方式；开采中厚矿体时，采用“隔 1采1”或“隔3采1”回采方式。*高等硬岩采矿学*高等硬岩采矿学4.3.2 4.3.2 微震监测微震监测 冬瓜山铜矿首采地段微地震监测系统，硬件由16个传感器、4个地震仪QS、1个地震仪转发器（QS-Rep）、1个
16、地下控制器、1个地表检测控制中心及与之相连的通讯电缆组成。检测信号从控制器通过光缆经副井传输到网络中心，信号转换后再传到监测控制中心。传感器采集的地震模拟信号通过QS转换为数字信号后传输到井下通信控制中心，再通过光缆传输到地表监测控制中心进行处理和分析。软件系统包括控制和管理微震监测系统运行的控制软件（RTS）；对采集的波形进行地震波波形分析、处理和参数计算，提供地震学分析平台的地震学处理软件（JMTS）；在三维窗口中显示对采集地震数据分析的各类图像，提供多种参数的时间序列曲线和图表，满足不同空间和时间范围地震活动研究需要的微震事件可视化解释软件（JDI）。地表控制中心可以监视系统运行状况，并
17、发出控制命令，一控制和管理监测系统的运行。系统有效监测范围为：600m*400m*220m,震源定位误差小于10m，系统灵敏度为里氏震级2.0。*高等硬岩采矿学*高等硬岩采矿学4.4 4.4 残矿回采残矿回采 残矿回采是在矿石价格升高时，为了提高资源回收率而开采以前正常开采时遗留下来的矿柱或边缘残矿。正常开采时留下矿柱或边缘残矿的主要原因有：（1）地表塌陷，保护地面建筑设施二留下来的保安矿柱；（2）初期勘探程度较低，不能为矿山设计与开采提供准确 依据的薄小矿脉；（3)因受低压活动影响，采场顶板不安全而停止作业留下的边角矿石；（4）留下的采场顶柱、底柱、间柱及临时性护顶矿层及支 护顶板的点柱，在
18、正常回采时没有及时回收的矿石。（5）浅部矿体民采损失、破坏的矿量。*高等硬岩采矿学残矿特点：残矿特点：矿量少、分布零散、赋存情况复杂、回采安全性差等，需要投入大量的人力物力，且回收成本高。赋存条件好的残留矿体可以采用常规的采矿方法，如有底柱分段崩落法、无底柱分段崩落法、空场法、充填法。大规模散体残矿是指一个较大范围的散体矿石，有比较稳定的品位，可以形成区域规模开采（见图4-25）。*高等硬岩采矿学*高等硬岩采矿学高峰矿开采大规模回收三体矿石的具体做法是：高峰矿开采大规模回收三体矿石的具体做法是：（1）在可回收区域上面构筑人工假顶，为下面矿石的回收创造安全的作业环境。（2）散体注浆固化，目的是为
19、了使可采区域与非可采区域形成比较明显的界线，尽可能地防止在回收矿石的过程中混入过多的废石。（3）采准切割工作。运输巷道布置在下盘围岩中，如果旧的溜井不能用，则需要在下盘岩石中布置放矿溜井。（4）回采工作。从下盘固结岩体中掘进人工假巷，在上盘铺设人工沿脉联络巷道作为注浆作为注浆点，同时控制回采边界。采用后退式放矿回收矿石，上一个阶段采完后，人工假顶自然下沉，保持与废石的接触，为下一个阶段的回收创造安全工作。MENU*高等硬岩采矿学4.5 4.5 地下信息技术的应用地下信息技术的应用 快速有效的获取矿山各方面的信息，实现信息之间的共享和交流，对各种信息进行综合分析、处理、利用，满足不同层次的信息需
20、求，成为矿山现代化发展水平的重要标志。掌握信息、运用信息技术、数字化技术和网络技术，是现有各种资源得到充分、合理、有效地利用，成为信息时矿山追求的主要目标。4.5.1 4.5.1 矿山信息化基础矿山信息化基础 矿山信息常常以多源异质的信息作为基础，这些信息中不进涉及到大量图纸、数据、文字、报表等属性信息，更为重要的是，它还与据有空间位置概念的地里空间、拓扑空间和工艺关联等密切相关，需要对各种信息进行表述、分析、处理和时序处理。矿床模型是反映矿床基本属性、存储多种地质信息，进行各种技术分析研究和矿山工程应用的数学模型。矿床模型是矿床空间分布属性的数字化描述，它是品位和矿量估算、境界设计、开采规划
21、、质量控制、经济评估等各项工作的基础。*高等硬岩采矿学4.5.2 4.5.2 地下矿山智能化地下矿山智能化 智能化矿山就是根据矿山历史信息、开采现场信息和市场信息实时控制，达到最优经济生产的自动化、高技术的露天矿和地下矿。智能化的矿山的基本要素有如下5种：（1）全矿信息与数据收集系统；（2）高速双向全矿通讯与信息系统网络；（3）计算机化信息管理、矿山计划、控制和维修系统；（4）与矿山信息网络联网的自动和遥控的机械设备；（5）与公共网络联网的通讯和监测系统。*高等硬岩采矿学4.5.3 远程低压监控技术远程低压监控技术 随着地下开采深度的不断增加，地压活动将越来越严重，对地压的控制也越来越重要。由
22、于采矿环境下的地质条件非常复杂，目前的岩体力学理论还不能完全解决采矿所带来的地压问题，其分析结果也往往与现场实际情况相差甚远。因此，地压活动的现场监测显得尤为重要。目前应用的远程地压监控自动化系统由两部分构成，即传感器与自动化系统。地压监测的主要对象为采场的应力变化与围岩变形 *高等硬岩采矿学4.5.5 4.5.5 地下矿山专门信息技术的应用地下矿山专门信息技术的应用地下矿山专门信息技术的应用主要有如下5项：（1）构建三维地表及矿体模型；（2）开拓系统设计优化；（3）采矿方法模拟；（4）爆破及炮孔优化设计；（5）综合集成技术。*高等硬岩采矿学*高等硬岩采矿学水压致裂法水压致裂法 应力解除法是通
23、过液压泵向钻孔内拟定测量深度处加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，以计算测点附近岩体中初始应力大小和方向。2:58:51高等硬岩采矿学*高等硬岩采矿学测试步骤测试步骤 （1）打钻孔到准备测量应力的部位，并将钻孔中待加压段用封隔器密封起来，钻孔直径与所用的封隔器的的直径一直，封隔器的直径有38mm,51mm,76mm,91mm,110mm,130mm等。（2）向两个封隔器的隔离段注射高压水，不断增加水压，至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力Pi （3）停止增压，关闭高压泵，压力迅速下降，裂隙停止扩展，并趋于闭合，当压力降到使裂隙处于临界闭合状态，此时的应力记为Ps。*高等硬岩采
24、矿学Back1套孔应力解除法套孔应力解除法 地下岩体在初始应力作用下已产生了变形。设地下岩体内有一边长为x，y，z的单元体，若将他与原岩体分离分离，相当于解除单元体上的外力，则单元体的尺寸分别增大增大到xx，y y，z z，或者说恢复到受初始应力前的尺寸，则恢复应变分别为：x x/x，y y/y，z z/z如果通过测试得到z、y和x，又已知岩体的弹性模量E和泊松比，根据胡克定律可算出解除前的初始应力。*高等硬岩采矿学*高等硬岩采矿学*高等硬岩采矿学Back1锚锚 杆杆*高等硬岩采矿学Back锚锚 索索*高等硬岩采矿学*高等硬岩采矿学Back品品 位位 矿石品位指单位体积或单位重量矿石中有用组分或有用矿物的含量。一般以重量百分比表示（如铁、铜、铅、锌等矿），有的用克/吨表示（如金、银等矿），有的用克/立方米表示（如砂金矿等），有的用克/升表示（如碘、溴等化工原料矿产）。矿产品位是衡量矿床经济价值的主要指标*高等硬岩采矿学Back数数 字字 矿矿 山山 “数字矿山”是以数字化、信息化、虚拟化、智能化、集成化为基础，由计算机管理的管控一体化系统，综合考虑生产、经营、管理、环境、资源、安全和效益等因素，使企业整体协调优化，在保障企业可持续发展的前提下，达到提高企业效益、市场竞争力和适应力的目的。其最终目标是实现矿山企业综合自动化和全面信息化。*高等硬岩采矿学Back1
