摘要
受资源条件影响,多数矿山露天开采进入深部后转向地下开采,国内正在或即将要露天转地下开采的矿山较多,目前,人们对露天转地下开采次生应力场对岩体力学场的影响机理和复合扰动下的岩体移动规律和稳定性的研究还不够,露天转地下开采技术研究工作已滞后生产的需求。因此,针对这类矿山开展全面系统的研究,寻找露天转地下开采的合理方法和途径,将是我国采矿工作者今后一段时间工作的重点之一。本文围绕露天转地下开采的岩体稳定性和岩层及地表的移动变形规律,以永平铜矿露天转地下开采为工程背景,从全新的视角对工程岩体质量分级,巷道围岩爆破损伤控制,岩层移动角的预测,境界顶柱厚度和采场结构参数优化以及复合开采体系的应力场、位移场变化规律等方面开展了深入研究。
应用Fisher判别理论,选取单轴抗压强度(Rc)、岩体声波纵波速度(VP)、体积节理数(Jv)、节理面粗糙度系数(Jr)、节理面风化变异系数(Ja)、透水性系数(Wk)6个参数作为岩体质量分级判别指标,利用实际监测数据作为样本,建立了岩体质量分级的FDA (Fisher Discriminant Analysis)分析模型,并将该方法应用到永平铜矿露天边坡岩体质量分级。结果表明,FDA分析模型判别指标选择全面合理,回判估计的误判率很低、判别精度高、分类性能良好,有效降低了人为因素的影响,是岩体质量等级分类的一种有效方法,可在实际工程中推广应用。
基于爆炸应力波和爆生气体综合作用理论,考虑了炸药性能、岩石条件、原岩应力和光爆层损伤影响,提出了一个考虑因素全面、适用性广、爆破效果好的光面爆破参数理论计算公式。实例证实,该方法有效改善了爆破效果,减小和控制巷道围岩爆破损伤,为提高巷道的稳定性能提供了一个积极的、主动的、有效的措施,可在岩体工程中推广应用。
通过分析粗糙集和神经网络的基本原理和特点,将粗糙集和神经网络有机地结合起来,取长补短,建立了粗糙集-人工神经网络预测模型。根据34组实测岩层移动样本数据,利用所建立的粗糙集-人工神经网络预测模型,构建了稳定可靠的粗糙集-BP神经网络岩层移动角预测模型,并用于永平铜矿露天转地下开采岩层移动角的预测。粗糙集-人工神经网络岩层移动角预测模型的建立,为各种条件地下开采岩层移动角的预测提供了一个全新可靠的途径。
在岩体质量分级获得岩体参数的基础上,通过MIDAS、SURPAC和CAD等软件建立了如实反映实体模型的数值计算模型,采用FALC3D有限差分计算软件,对永平铜矿露天转地下开采的境界顶柱和采场结构参数作为一个有机整体进行研究,根据12种参数方案模拟开采过程中岩体应力场、位移场、剪应变增量和塑性区的变化规律,提出最优的境界顶柱厚度为50m,采场宽度为18m,为实现矿山安全高效生产提供参考。
在12种参数方案分析的基础上,重点研究了最优方案的岩体移动规律和稳定性,采用数值方法计算初步设计方案岩层移动角,并与经验法和粗糙集-神经网络法结果进行比较。研究表明,露天转地下开采是一个复合动态变化系统,其应力场在一定范围内相互叠加,相互作用明显,并提出将边坡岩体按应力分成三个区段的概念；位移均指向采空区,随开挖面的增大而增大,顶柱以中间位置位移最大,边坡岩体以坡脚处位移最大；最佳方案生产安全,资源回收率高,矿山初步设计方案安全性能非常高,但开采效率低,资源浪费严重。
本文研究结果能很好地适用于其它露天转地下开采工程,有利于露天转地下开采工艺的推广使用,对于其它岩体工程也有重要的参考价值。
Most of the deep open-pits mines have been turned to underground mines because of the limited resource conditions. Many domestic open-pits mines are being or will be transferred to underground mines. At present, the study on the mechanical response by the secondary stress field, and the movement rules, the stability of rock masses under composite disturbance are inadequate. Technical research of open-pit to underground mining is lagging behind production requirements. Therefore, it is important to carry out comprehensive and systematic studies to identify reasonable methods for open-pit to underground mining.
Open-pit to underground mining of Yongping Copper Mine was selected as the engineering background for in-depth studies in this paper. These studies mainly included from a new perspective on engineering rock mass quality classification, blasting damage control in tunnels, rock movement angle prediction, realm stope roof pillar thickness and structural parameters optimization as well as the combined mining system, stress field, displacement field variation, etc.
6 parameters, uniaxial compressive strength (Re), rock acoustic wave velocity (Vp), number of joints volume (Jv), joint roughness coefficient (Jr), joint surface weathering of the coefficient of variation (Ja), permeable coefficient (Wk) were selected as the classification discriminant criterion for rock mass quality by applying Fisher discriminant theory. In-site monitoring data were used to establish FDA (Fisher Discriminant Analysis) analysis model of rock mass quality classification, and this model was applied to the Yongping Copper Mine open-pit for slope rock mass quality classification. It shows that, the FDA discriminant analysis model is comprehensive and reasonable; and it has low false rate for estimation of regressing sentence, high distinguishing precision, good classification performance. The established FDA discriminant analysis model can effectively reduce the influence of human factors; it is an effective rock mass classification method which can be widely applied in practical engineering.
Based on the combined interaction theory of stress wave and detonation explosive gas, a good theoretical calculation formula which is comprehensive, and has wide applicability, good blasting effect for smooth blasting parameters was proposed by considering the explosive properties, rock conditions, original rock stress and optical burst layer damage effect. An application example affirms that this method can effectively improve the blast effect, reduce and control the tunnel rock blasting damage, provide a positive, active and effective measure for roadway stability, and can be widely applied in rock engineering.
The combined rough set and neural network prediction model was established by analyzing the characteristics and basic principles of rough sets and neural network.
According to measured 34 groups of strata movement data, the established prediction model was used to construct a stable and reliable rough set-BP neural network strata movement angle prediction model which was applied in Yongping Copper Mine open pit to underground mining for strata movement angle forecasting. The establishment of rough sets-artificial neural network prediction model provides a new and reliable way for strata movement angle prediction.
Based on selected parameters according to rock mass quality classification, a numerical model to reflect the real model was established through MIDAS, SURPAC, and CAD. Yongping Copper Mine,an open pit to underground mines,the realm of the top columns and structural parameters of stopes are studied by using FALC3D. Rock stress field, displacement field, shear strain increment and the plastic zone changes were simulated according to the 12 parameters scheme. It shows that the best top column thickness is 50 meters, and the best stope width is 18 meters. This provides good reference for safe and efficient production.
It focused on the optimal parameter scheme for rock mass movement and stability simulation based on 12 parameters scheme analyzing. The numerically simulated strata movement angles were compared with experimental and rough set-neural network calculated ones. It shows that the open-pit to underground mines is a complex dynamic system. The stress field superimposed with each other within a certain range, and it has obvious interaction. It was proposed that the slope rock could be divided into three sections according to the stress distribution. Displacements are all moving mined-out area, and the maximum displacement of top column locates in the middle; maximum displacement of rock slope locates in the bottom as the advancing of surface excavation. The optimal scheme has the advantage of good production safety and high resource recovery rate.
The results of this paper can also be well applied to other open-pit to underground mining projects, and it may provide an important reference for other rock engineering.
引文
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