基于矿体特征与采动地压响应的金属矿深部采矿设计方法

1.本发明涉及金属矿采矿设计技术领域，尤其涉及一种基于矿体特征与采动地压响应的金属矿深部采矿设计方法。


背景技术：

2.当前国际上金属矿山开采深度超过1000m的有160余座，其中开采深度超过3000m的有16座；根据我国自然资源部发布的《中国矿产资源报告（2020）》披露，截止至2020年，我国已探明的铁矿资源储量864.08亿t，黄金资源储量14131.06t，铅锌资源储量9572.2万t，铜资源储量10971.55万t，上述金属矿产资源中1000m以深资源占比25%以上。据估算当金属矿开采深度达到2000m，将在现资源储量的基础上有翻倍的金属矿产资源待开发。当前，我国有55座金属矿山开采深度超1000m，居世界第一位。未来10-20年，我国将有更多的金属矿山进入2000m深度开采。可见，深部采矿已经成为我国采矿业的重要组成。
3.深部采矿面临诸多瓶颈问题，深部采矿是处于高井深（1500m）、高地压（＞50mpa）、高地温（50℃）、高承水压力（＞9mpa）、强腐蚀条件下开采，深部矿体特征难探难测，深部采矿工程实践远超前于基础理论研究，深部采矿设计仍沿用浅部经验类比法，导致采动岩体结构失稳机理尚不清楚，时空差异性采动地压迁移规律尚未掌握，尚无成熟的深部采动地压防控技术与装备，使深部采掘活动普遍存在盲目性、低效性和安全性差，造成深部采场垮冒、巷道失稳，矿石损失贫化大、难掘难支难采，严重制约深部矿产资源的安全高效开采。因此，亟需突破现行基于“经验法”、“工程类比法”和依据“查手册”为主的采矿设计方法，充分考虑深部矿体特征与采动地压响应，开发一种基于矿体特征与采动地压响应的金属矿深部采矿设计方法。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对上述现有金属矿深部采矿设计方法存在的不足，提供一种基于矿体特征与采动地压响应的金属矿深部采矿设计方法，在充分探明矿床地质条件的基础上，从矿区三维可视化工程地质灾害模型的构建、采矿方法的选择、采场布置形式及结构参数确定、回采顺序优化和充填体强度和支护结构参数设计5个方面对采矿方法进行设计，保证采矿过程采动地压均衡及采掘工程稳定性，以达到安全高效采矿的目的。
5.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于矿体特征与采动地压响应的金属矿深部采矿设计方法，包括以下步骤：步骤1：通过工程勘探钻孔获取金属矿深部地质岩芯，对工程勘探钻孔获取的地质岩芯进行地质编录，探明矿床地质条件的同时记录rqd、节理组数、节理间距和节理粗糙度系数；所述矿床地质条件包括岩性、构造、矿体的规模、数量、产状、埋藏深度及分布的集中程度、矿石品位及价值和地下水分布；步骤2：通过工程勘探钻孔采用水压致裂法量测地应力；
步骤3：从地质岩芯中取样进行矿岩物理力学性质实验，获取矿岩体的物理力学参数；步骤4：基于地质岩芯编录结果、地应力和矿岩体的物理力学参数对金属矿深部矿岩进行岩体质量分级并进行岩体力学参数估算；步骤5：根据矿床地质条件和岩体质量分级结果，构建矿区三维可视化工程地质灾害模型；步骤6：根据矿床地质条件和矿区三维可视化工程地质灾害模型初步确定多个采矿方法，根据当前金属矿深部开采技术经济条件对初步确定的多个采矿方法进行比选，确定最优采矿方法；所述金属矿深部开采技术经济条件包括矿石损失贫化，采动地压条件，地表是否允许陷落，加工部门对矿石质量的技术要求，技术装备和材料供应以及采矿方法所要求的技术管理水平是否满足要求；步骤7：根据矿区三维可视化工程地质灾害模型，绘制矿床地质灾害平面图和勘探线剖面图，结合矿床地质条件、采矿方法选择结果布置开拓系统，并充分考虑地应力特征确定矿块的布置形式；所述的矿块布置形式要保证矿块长轴方向应与最大水平主应力保持一致；步骤8：根据岩体质量分级、采动地压和采场结构分析采场矿岩的稳定性，根据采场结构稳定性计算采场结构参数；所述的采场结构参数包括：采场尺寸、采场间柱和顶柱尺寸；步骤9：根据矿床地质灾害平面图、采矿方法及采场结构参数设计矿块的采切工程；步骤10：依据采动地压均衡和超前序次释压原理，设计优化矿山整体回采顺序；步骤11：在采场顶板及两帮布设微应变传感器及应用三维激光数字测量系统监测采场采动地压响应特征，根据采场地压响应特征设计充填体强度和支护结构参数。
6.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的基于矿体特征与采动地压响应的金属矿深部采矿设计方法，以采矿工艺为主线，以矿床地质、岩石力学、开采技术经济条件为基础，充分考虑岩体质量、采动地压对采矿方法设计的影响，保证采矿过程采动地压均衡及采掘工程稳定性，以达到安全高效采矿的目的。
附图说明
7.图1为本发明实施例提供的基于矿体特征与采动地压响应的金属矿深部采矿设计方法的流程图；图2为本发明实施例提供的采矿方法选择的流程图；图3为本发明实施例提供的矿块布置方式与地应力之间的关系示意图；图4为本发明实施例提供的工程勘探钻孔及获取的金属矿深部地质岩芯；图5为本发明实施例提供的矿区三维可视化工程地质灾害模型；图6为本发明实施例提供的地质灾害平面图和剖面图指导采掘工程布置示意图。
具体实施方式
8.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，不用来限制本发明的范围。
9.本实施例某地下金属矿山为例，采用本发明的金属矿深部采矿设计方法对该金属矿进行采矿设计。
10.本实施例中，基于矿体特征与采动地压响应的金属矿深部采矿设计方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤1：通过工程勘探钻孔获取金属矿深部地质岩芯，对工程勘探钻孔获取的地质岩芯进行地质编录，探明矿床地质条件的同时记录rqd（rock quality designation，即岩石质量指标）、节理组数、节理间距和节理粗糙度系数；所述矿床地质条件包括岩性、构造、矿体的规模、数量、产状、埋藏深度及分布的集中程度、矿石品位及价值和地下水分布；本实施例中，针对该地下金属矿山通过工程勘探钻孔获取金属矿深部地质岩芯，如图2所示，对工程勘探钻孔获取的地质岩芯进行地质编录，探明矿体赋存深度-960m～-1400m，矿体倾向272
°
，倾角27
°
，厚度40m。根据矿体产状及厚度确定矿体为缓倾斜厚大矿体，同时记录每盒岩芯的rqd、节理组数、和节理粗糙度系数。矿石高品位主要集中在-1200m和-1400m中段，将其设为首采中段。
11.步骤2：利用工程勘探钻孔采用水压致裂法量测地应力，获得地应力大小如下:其中，为垂直应力，为最大水平主应力，为最小水平主应力，h为埋深，地应力以水平构造应力为主，最大主应力的走向为北西向。
12.步骤3：从地质岩芯中取样进行矿岩物理力学性质实验，获取矿岩体的物理力学参数；本实施例中，获取的-1200m至-1400m中段矿岩体的部分物理力学参数见下表1（由于钻孔数据库数据量太多，仅选取zk825~826两个钻孔数据，下面岩体质量分级也是基于这两个钻孔数据）；表1岩石力学实验参数统计表步骤4：基于地质岩芯编录结果（rqd、节理组数、节理间距和节理粗糙度系数）、地应力和矿岩体的物理力学参数对金属矿深部矿岩进行岩体质量分级并进行岩体力学参数估算；本实施例中，岩体质量分级结果见下表2，岩体力学参数估算结果见下表3；表2岩体地质力学（rmr）分级计算统计表
表3岩体力学参数估算步骤5：根据矿床地质条件和岩体质量分级结果，应用克里金插值法或距离幂反比法构建矿区三维可视化工程地质灾害模型；本实施例中，构建的矿区三维可视化工程地质灾害模型如附图3所示；步骤6：根据矿床地质条件和矿区三维可视化工程地质灾害模型初步确定多个具有生产能力大、贫损率低、安全性能高等优点的空场嗣后充填采矿法作为矿山的采矿方法，根据当前金属矿深部开采技术经济条件对初步确定的多个采矿方法进行比选，确定最优采矿方法；金属矿深部开采技术经济条件包括矿石损失贫化，采动地压条件，地表是否允许陷落，加工部门对矿石质量的技术要求，技术装备和材料供应以及采矿方法所要求的技术管理水平是否满足要求，选择采矿方法具体流程如图4所示；步骤7：根据矿区三维可视化工程地质灾害模型，绘制矿床地质灾害平面图和勘探线剖面图，结合矿床地质条件、采矿方法选择结果布置开拓系统，并充分考虑地应力特征（大小和方向）确定矿块的布置形式，如图5所示；本实施例中，根据矿区三维可视化工程地质灾害模型，以-1400m水平为例，绘制矿床地质灾害平面图和勘探线剖面图，结合矿床地质条件、采矿方法选择结果竖井和盲斜坡道联合开拓法，并充分考虑地应力特征（大小和方向）确定矿块的布置形式，采场长轴方向与最大主应力方向一致，如附图6所示；步骤8：根据岩体质量分级、采动地压和采场结构分析采场矿岩的稳定性，根据采场结构稳定性计算采场结构参数；采场结构参数包括：采场尺寸、采场间柱和顶柱尺寸；本实施例中，根据岩体质量分级、采动地压和采场结构结合估算的矿岩力学参数利用数值模拟的手段分析采场矿岩的稳定性，并对采场结构参数进行优化，根据采场结构稳定性计算采场结构参数；由于采用空场嗣后充填采矿法不留间柱和顶柱，经采场稳定性计算，矿块沿走向方向采场跨度取12.5m，高度20m，长度25m。
13.步骤9：根据矿床地质灾害平面图、采矿方法及采场结构参数设计矿块的采切工程；本实施例中，采场垂直矿体走向布置，各采场均从运输中段底板标高开始回采，盘
区斜坡道形成后，在垂直方向上每隔分段高度掘进脉外出矿巷，而后沿矿体下盘布置脉外分段平巷，在下盘脉外分段平巷每隔12.5m向矿体掘进分段联络巷；步骤10：依据采动地压均衡和超前序次释压原理，采用数值模拟手段分析回采过程中采动地压迁移规律及响应特征，设计优化矿山整体回采顺序；步骤11：在采场顶板及两帮布设微应变传感器及应用三维激光数字测量系统监测采场应变及位移变化情况，根据采场地压响应特征设计充填体强度和支护结构参数。
14.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。