摘 要

根据常裕铁矿的实际工程地质条件和开采技术条件，论文应用FLAC3D软件对厚矿体采用的阶段充填采矿法的采场结构参数和回采顺序进行优化研究，并分析地表沉降变形规律，为矿山安全生产提供科学理论依据。本文主要进行了以下工作：

1. 考虑采场宽度和回采顺序两个影响因素，保持阶段充填采矿法的采场长度和阶段高度不变，采场宽度分别取20m、30m，回采顺序分别采用隔二采一和隔三采一，设计四种优化方案。
2. 构建优化方案数值模型并进行数值模拟计算，分析每种方案位移大小和变化规律、主应力大小以及塑性区面积。得出：采场宽度为20m回采顺序为隔三采一的方案为最优方案。
3. 进一步对最优方案进行开采沉陷数值模拟计算，计算结果发现：在所有中段都开采充填后，地表出现沉陷区域，地面沉降最大值为17.50mm，地表水平位移最大值为5.52mm。计算倾斜变形、曲率变形、水平变形三个地表沉陷特性的评价指标。对比我国Ⅰ级保护建筑物破坏标准，三个值均远小于的限定值，所以地下开采不会对地表建筑造成破坏。

关键词：充填采矿法；采场结构参数；地表沉降；数值模拟；参数优化

Abstract

According to the engineering geological conditions and mining technology conditions of Changyu Iron Mine, FLAC3D software is used to simulate the optimization scheme of stage filling with mining method adopted in the thick ore body in different stope structure parameters and different excavate orders, and the deformation law of surface subsidence is analyzed to provide scientific theoretical basis for mining safely. This article has done the following work:

1) Considering the influence factors of stope width and excavate order, the stope length and stage height of the mining method are kept constant, and the stope width is identified to 20m and 30m respectively. What’s more, the mining order is taken with every two or every three. Finally, the four optimization are designed.

2) The numerical model of different schemes is established and the numerical simulation is carried out to analyze the displacement and variation of different schemes, the size of principal stress and the area of plastic zone. It is concluded that the stope width is 20m and the mining order of every two is the most optimal scheme.

3) As for the most optimal scheme, the numerical simulation of mining subsidence is carried out furtherly. The results show that the maximum settlement of ground subsidence is 17.50mm and the maximum horizontal displacement is 5.52mm after all the middle sections are excavated and filled. The evaluation indexes of three subsidence characteristics including inclination deformation, curvature deformation and horizontal deformation are calculated. Comparison of China's building damage standards, three values ​​are much smaller than the limit, so the underground mining will not cause damage to the surface construction.

Key Words: filling method; structural parameter of mining stope; surface subsidence; numerical simulation; parameter optimization

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2研究现状 2

1.2.1充填采矿法的研究现状 2

1.2.2采场结构参数及回采顺序优化的研究现状 3

1.2.3矿区开采地表沉降数值模拟的研究现状 5

1.3研究内容 6

1.4技术方案 7

1.5本章小结 8

第2章 矿区地质条件和工程地质条件 9

2.1矿区的地质情况 9

2.1.1地层及含矿层位 9

2.1.2矿区构造特征 10

2.1.3矿区水文地质条件 11

2.2矿床的地质特征 12

2.2.1矿体赋存条件 12

2.2.2矿石的特征 12

2.3本章小结 13

第3章 常裕铁矿开采方案 14

3.1矿床开采技术条件 14

3.2采矿方法选择 14

3.3采矿方法构成要素 15

3.4本章小结 15

第4章 采场结构参数及回采顺序优化 17

4.1概述 17

4.2 FLAC3D软件介绍 17

4.2.1 FLAC3D软件简介 17

4.2.2 FLAC3D基本原理 17

4.2.3 FLAC3D数值模拟流程 18

4.3数值模拟计算方案介绍 19

4.4建模过程 19

4.4.1数值模拟基本假设 20

4.4.2模型边界条件 20

4.4.3初始地应力的生成与计算 21

4.5开挖过程模拟 22

4.6计算结果分析 22

4.6.1位移分析 22

4.6.2 应力分析 24

4.6.3塑性区分析 26

4.7本章小结 28

第5章 充填体上方地表沉降分析 29

5.1沉降位移模拟结果 29

5.2地表变形特征分析 31

5.3本章小结 35

第6章 结论与展望 37

6.1结论 37

6.2展望 37

参考文献 39

致 谢 41

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

我国经济、文化、科技建设和社会发展离不开矿产资源，发展的同时更需要注意保护环境。目前，世界范围内矿产资源急速减少，并且人们环保意识的不断强化，在地下矿山开采尤其是深部矿体开采时，充填采矿法的使用和研究越来越广泛。一方面充填采矿法能很好的解决地下矿产资源开采深度加大后维护矿山安全和采场稳定性的难题。另一方面其还可以提高矿石回收率并加强环境保护，为发展矿山绿色开采提供了一个崭新的重要的方向。常裕铁矿区内的矿床大部分为厚矿体或极厚矿体，也存在一定的中厚和薄矿体，矿区的第四系岩层工程地质条件属于中等水平，但是第四系的地层厚度相对较大，并且岩性繁多，矿区内的褶皱和断裂都经历了多次叠加作用，使岩体整体稳定性受到很大程度的破坏。另外矿区开采错动界线内有东风井、灰厂及变电站等建筑物和耕地及河流，地下采矿不能对地面建筑物造成破坏及影响地表耕作，所以在生产过程中应注意观察周围岩体的稳定性以及地表的变形。根据常裕铁矿矿床的地质地形条件和矿体的开采的工程地质条件等实际情况，为了有效的控制地压，保持矿山生产过程中围岩和地表的稳定性，防止矿床开采引起地表变形塌陷危害建筑物，并使尾矿和废石得到很好的利用，截断地下开采与上部第四系的水力联系，提高采出矿石品位，设计认为常裕铁矿适合采用阶段充填采矿法。

开采过程中采用爆破的方式对岩体进行切割、破碎，为了避免围岩及地表变形过大或坍塌，采用充填的方式处理采空区进行地压控制。此过程先破坏了原始地应力的平衡，采用充填技术实现岩体的二次平衡，开采结构极为复杂，工程所处的环境也极为复杂，岩体在受力情况下的变形、屈服、破坏和破坏后的力学效应等现象也极为复杂，此时采用解析方法难以满足岩石力学的求解问题，由此数值模拟应运而生。本文基于常裕铁矿地质资料及技术经济条件，主要考虑采场结构参数与回采顺序两个影响因素，不改变阶段充填法的采场长度和阶段高度，选取不同的采场宽度和回采顺序，提出多种优化方案。应用数值模拟软件对每种方案的施工过程进行模拟仿真，分析矿床开采的过程采场的应力、位移特点和塑性区域的分布的情况，以此来选择技术可行并且对采场稳定性影响最小的矿床回采顺序以及采场结构参数，确定最优方案，使矿山地表的沉降位移最小。然后对地表沉降位移和水平位移进行分析，并计算倾斜变形、曲率变形、水平变形这三个参数进一步研究地表沉降程度，地表变形对建筑物是否造成倾斜破坏，最可能造成破坏的位置。根据以上研究可以确定建筑物在矿区内合理的布局，并建立结构保护措施，开采过程实行一定的支护手段，以减小开采沉降的有害影响，为开展下阶段的工作提供参考意见，使矿山生产安全得到保障，避免不必要的损失。

1.2 研究现状

1.2.1 充填采矿法的研究现状

近年来，矿山生产的工艺技术水平和各方面的理论研究都得到了十分迅猛的发展，充填采矿技术更是日益发展，充填材料性能不断加强、充填技术水平不断提高、充填设备功能不断更新。充填采矿法在深部开采、地表保护、防止塌陷、保护环境、减缓岩爆发生、维护采场的稳定性、复杂地质条件开采、大量处理固体废物，提高自然回收率等方面发挥巨大作用，因此关于充填采矿法的研究越来越深入，使用越来越广泛。