一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景石膏作為一種重要的非金屬礦產(chǎn)資源，在水泥緩凝劑、石膏建筑制品、模型制作、醫(yī)用食品添加劑、硫酸生產(chǎn)、紙張?zhí)盍?、油漆填料等眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。我國石膏礦產(chǎn)資源儲量豐富，已探明的各類石膏保有儲量約為704.3億噸，居世界首位，且分布廣泛，涵蓋23個省、市、自治區(qū)。然而，目前我國石膏礦山的開采方式存在諸多問題。在開采方式上，西部地區(qū)因石膏礦煤層厚、埋藏淺，多采用露天開采；而中東部地區(qū)的石膏礦由于埋藏較深，多為薄層礦，需進(jìn)行地下開采，開采難度較大。從開采技術(shù)來看，當(dāng)前我國石膏礦山以地下開采為主，并且普遍采用房柱采礦法。這種方法是將礦體劃分為礦房和礦柱，只采礦房，采空后留下永久礦柱支撐采空區(qū)，以防止上覆巖層垮塌。雖然在一些礦體與圍巖穩(wěn)固性好的礦山，如南京石膏礦，房柱法取得了成功應(yīng)用，但對于大多數(shù)石膏礦山而言，房柱法存在明顯弊端。我國許多石膏礦的礦體與圍巖并不穩(wěn)固，例如河北隆堯雙碑石膏礦區(qū)，礦石普氏堅固性系數(shù)f約為2左右，屬于軟弱巖石，頂板泥巖的f系數(shù)有的小于1，且石膏層內(nèi)泥質(zhì)軟弱夾層十分發(fā)育。在這種情況下，采用房柱法開采，礦柱穩(wěn)定性極差，難以承受上覆巖層的壓力。隨著開采活動的持續(xù)進(jìn)行，采空區(qū)不斷擴(kuò)大，地壓活動日益頻繁，導(dǎo)致采空區(qū)坍塌事故頻發(fā)。這些事故不僅造成了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失，還對周邊環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞，如地表塌陷下沉，毀壞農(nóng)田與房屋等。此外，房柱法的回采率普遍低下，僅能達(dá)到10%左右，這意味著大量的寶貴資源被浪費(fèi)，嚴(yán)重違背了資源節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展的理念。同時，由于石膏屬于廉價礦物，使用充填法處理房柱法產(chǎn)生的采空區(qū)，成本過高，企業(yè)難以承受；而采用隔離法處理采空區(qū)，又難以有效阻止大范圍采空區(qū)地壓活動對生產(chǎn)區(qū)人員與設(shè)備的威脅。相比之下，無底柱分段崩落法在金屬礦開采中已得到廣泛應(yīng)用，并且取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。該方法適用于礦體與下盤圍巖基本穩(wěn)定的急傾斜或極厚礦體開采，具有安全程度高、機(jī)械化及自動化程度高、生產(chǎn)能力大、勞動效率高、開采成本低等優(yōu)點(diǎn)。然而，在石膏礦產(chǎn)開采領(lǐng)域，無底柱分段崩落法尚無應(yīng)用先例。1.1.2研究意義本研究對無底柱分段崩落法開采石膏礦床力學(xué)原理進(jìn)行深入探究，具有重要的理論意義與實(shí)踐意義。從理論層面來看，當(dāng)前關(guān)于無底柱分段崩落法的研究主要集中在金屬礦開采領(lǐng)域，針對石膏礦這種特殊礦體的研究幾乎空白。通過對石膏礦采用無底柱分段崩落法開采的力學(xué)原理進(jìn)行研究，可以填補(bǔ)這一理論空白，進(jìn)一步完善采礦工程的理論體系，為不同類型礦體的開采提供更全面、更系統(tǒng)的理論支持，推動采礦學(xué)科的發(fā)展。在實(shí)踐方面，對于我國石膏礦山企業(yè)而言，采用無底柱分段崩落法開采具有諸多優(yōu)勢。首先，該方法能夠有效提高回采率，減少資源浪費(fèi)，使企業(yè)能夠更充分地利用有限的石膏資源，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。其次，無底柱分段崩落法的安全性較高，能顯著降低采空區(qū)坍塌等事故的發(fā)生概率，保障礦山作業(yè)人員的生命安全，減少因事故導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失和社會負(fù)面影響。再者，該方法有利于提高礦山的機(jī)械化和自動化程度，降低勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，提升企業(yè)的市場競爭力。此外，從宏觀角度看，研究無底柱分段崩落法在石膏礦開采中的應(yīng)用，有助于推動我國石膏礦開采行業(yè)的技術(shù)升級和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)石膏礦資源的合理開發(fā)與利用，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的建設(shè)目標(biāo)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀無底柱分段崩落法作為一種高效的采礦方法，在國內(nèi)外金屬礦開采領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已取得了顯著成果。早在20世紀(jì)中葉，國外就開始對無底柱分段崩落法進(jìn)行探索和實(shí)踐，瑞典、加拿大等國家在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。例如，瑞典的基律納鐵礦是世界上最早應(yīng)用無底柱分段崩落法的礦山之一，通過不斷的技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新，其開采效率和經(jīng)濟(jì)效益一直保持在較高水平。加拿大的一些礦山在無底柱分段崩落法的應(yīng)用中，注重對開采過程中地壓控制和礦石損失貧化的研究，采用先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)和優(yōu)化的開采工藝，有效地降低了礦石損失率和貧化率。在國內(nèi)，無底柱分段崩落法的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過多年的發(fā)展，該方法已成為我國地下金屬礦開采的主要方法之一，廣泛應(yīng)用于鐵礦、銅礦、鉬礦等多種金屬礦山。以梅山鐵礦為例，作為國內(nèi)較早采用無底柱分段崩落法的礦山，通過對采礦工藝和設(shè)備的不斷改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；⒏咝Щ_采。在2005年增刊《寶鋼技術(shù)》中，董振民、范慶霞、金闖等學(xué)者發(fā)表的《大間距無底柱分段崩落采礦法的研究和應(yīng)用》一文指出，梅山鐵礦通過對大間距無底柱分段崩落采礦法的研究和應(yīng)用，使我國無底柱分段崩落法在結(jié)構(gòu)參數(shù)、裝備、工藝技術(shù)上發(fā)生了重大變革，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。該方法在梅山鐵礦的成功應(yīng)用，為我國其他礦山提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)借鑒。然而，在石膏礦開采領(lǐng)域，相關(guān)研究主要集中在傳統(tǒng)的房柱法開采以及采空區(qū)處理等方面。陳慶發(fā)、吳仲雄、譚海文等在《緩傾薄層石膏礦床房柱法開采危險危害因素分析與安全對策》中對緩傾薄層石膏礦床房柱法開采過程中存在的危險危害因素進(jìn)行了分析，指出采空區(qū)坍塌是最重要的危險危害因素，礦體基本力學(xué)性質(zhì)和采礦方法是影響采空區(qū)坍塌的主要因素。張世雄、李青山、王金河等在《我國非金屬礦床房柱法開采的安全隱患與對策》中提到，我國非金屬層狀礦床普遍采用房柱法進(jìn)行地下開采，存在礦石回收率低和安全隱患嚴(yán)重等問題，多數(shù)礦山違反相關(guān)規(guī)定，遺留大量未處理的采空區(qū)，是近年來我國非金屬礦重大坍塌傷亡事故頻發(fā)的根本原因。目前，針對無底柱分段崩落法在石膏礦開采中的應(yīng)用研究近乎空白，僅有的相關(guān)研究也主要集中在對該方法的初步探索和可行性分析階段。在已有的研究中，對于石膏礦采用無底柱分段崩落法開采時的力學(xué)原理，包括礦體的受力特征、圍巖的穩(wěn)定性分析、地壓活動規(guī)律等方面，缺乏系統(tǒng)深入的研究。此外，在開采工藝參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備選型配套、礦石損失貧化控制等實(shí)際應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)方面，也缺乏足夠的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究將深入探究無底柱分段崩落法開采石膏礦床的力學(xué)原理，具體研究內(nèi)容如下：石膏礦床特性研究：對石膏礦床的地質(zhì)特征進(jìn)行詳細(xì)分析，包括礦體的形態(tài)、產(chǎn)狀、厚度變化、走向與傾向等，全面了解石膏礦的地質(zhì)背景。同時，深入研究礦石的物理力學(xué)性質(zhì)，如密度、硬度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等，通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，獲取準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)的力學(xué)原理分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，對石膏礦的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面進(jìn)行調(diào)查，分析其分布規(guī)律、產(chǎn)狀特征以及對礦體穩(wěn)定性的影響。無底柱分段崩落法開采力學(xué)原理分析：深入剖析在無底柱分段崩落法開采過程中，礦體的受力特征。隨著回采進(jìn)路的掘進(jìn)和礦石的崩落，分析礦體在不同開采階段所受到的地應(yīng)力、自重應(yīng)力以及采動應(yīng)力的變化情況，明確礦體內(nèi)部應(yīng)力的分布規(guī)律和演化過程。運(yùn)用巖石力學(xué)理論和方法，對圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析?？紤]圍巖的力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面特征以及開采擾動的影響，研究圍巖在開采過程中的變形、破壞機(jī)制，預(yù)測圍巖的破壞范圍和發(fā)展趨勢，為制定合理的支護(hù)措施提供理論依據(jù)。通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬等手段，研究地壓活動規(guī)律。監(jiān)測地壓的變化情況，分析地壓與開采進(jìn)度、開采深度、礦體厚度等因素之間的關(guān)系，掌握地壓的時空分布特征，為地壓控制提供科學(xué)依據(jù)。開采過程影響因素分析：分析開采順序?qū)ΦV體穩(wěn)定性和地壓活動的影響。研究不同的開采順序，如從礦體的一端向另一端推進(jìn)、從礦體中部向兩端推進(jìn)等，對礦體受力狀態(tài)和圍巖穩(wěn)定性的影響差異，確定最優(yōu)的開采順序，以減小開采過程中的地壓影響，保證開采安全。研究結(jié)構(gòu)參數(shù)，如分段高度、進(jìn)路間距、崩礦步距等，對礦石損失貧化和開采效率的影響。通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，在保證開采安全的前提下，降低礦石損失貧化率，提高開采效率和經(jīng)濟(jì)效益。探討爆破參數(shù)，如炸藥單耗、炮孔布置、起爆方式等，對礦體破碎效果和圍巖穩(wěn)定性的影響。通過爆破試驗(yàn)和數(shù)值模擬，優(yōu)化爆破參數(shù)，實(shí)現(xiàn)礦體的合理破碎，減少爆破對圍巖的破壞，提高礦石的回采質(zhì)量。數(shù)值模擬研究：運(yùn)用數(shù)值模擬軟件，如FLAC3D、ANSYS等，建立石膏礦床無底柱分段崩落法開采的數(shù)值模型。模型中充分考慮礦體和圍巖的力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面特征、開采工藝等因素，確保模型的真實(shí)性和可靠性。通過數(shù)值模擬，對不同開采方案下的礦體受力、圍巖變形、地壓分布等進(jìn)行模擬分析，預(yù)測開采過程中可能出現(xiàn)的問題，為開采方案的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。對比不同方案的模擬結(jié)果，綜合考慮礦石損失貧化、開采效率、安全性等因素，確定最優(yōu)的開采方案，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。工程應(yīng)用實(shí)例分析：以邢周石膏礦等實(shí)際礦山為研究對象，對無底柱分段崩落法在石膏礦開采中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)分析。收集礦山的地質(zhì)資料、開采數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等，深入了解礦山的開采情況和存在的問題。對礦山在應(yīng)用無底柱分段崩落法過程中的工藝參數(shù)、設(shè)備選型、生產(chǎn)組織等進(jìn)行總結(jié)和評價，分析其成功經(jīng)驗(yàn)和不足之處，為其他石膏礦山的應(yīng)用提供參考。根據(jù)礦山的實(shí)際情況和存在的問題，結(jié)合理論研究和數(shù)值模擬結(jié)果，提出針對性的改進(jìn)措施和建議，進(jìn)一步優(yōu)化開采工藝，提高礦山的開采效率和經(jīng)濟(jì)效益。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法，確保研究的科學(xué)性和可靠性：文獻(xiàn)研究法：廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、研究報告、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，全面了解無底柱分段崩落法在金屬礦開采中的應(yīng)用現(xiàn)狀、研究成果以及石膏礦開采的相關(guān)技術(shù)和理論。對文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析，總結(jié)前人的研究經(jīng)驗(yàn)和不足，為本研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路，明確研究的重點(diǎn)和方向。現(xiàn)場調(diào)研法：深入石膏礦山現(xiàn)場，如邢周石膏礦等，進(jìn)行實(shí)地調(diào)研。與礦山技術(shù)人員、管理人員進(jìn)行交流，了解礦山的地質(zhì)條件、開采現(xiàn)狀、生產(chǎn)工藝、設(shè)備設(shè)施等情況。對礦山的開采現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)觀察，記錄開采過程中的實(shí)際操作和存在的問題。收集礦山的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等，為后續(xù)的研究提供真實(shí)可靠的第一手資料。室內(nèi)試驗(yàn)法：采集石膏礦和圍巖的巖樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。通過單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、彈性模量試驗(yàn)、泊松比試驗(yàn)等，獲取巖石的力學(xué)參數(shù)。進(jìn)行巖石的吸水性、膨脹性、崩解性等試驗(yàn)，研究巖石的物理性質(zhì)。通過節(jié)理裂隙統(tǒng)計分析試驗(yàn)，了解巖石結(jié)構(gòu)面的特征。這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)將為力學(xué)原理分析和數(shù)值模擬提供重要依據(jù)。數(shù)值模擬法：利用先進(jìn)的數(shù)值模擬軟件，如FLAC3D、ANSYS等，建立石膏礦床開采的數(shù)值模型。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)獲取的巖石力學(xué)參數(shù)和現(xiàn)場調(diào)研得到的地質(zhì)條件、開采工藝等信息，對模型進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)置和邊界條件定義。通過數(shù)值模擬，模擬開采過程中礦體和圍巖的力學(xué)響應(yīng)，分析不同開采方案下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等分布情況，預(yù)測開采過程中可能出現(xiàn)的問題，并提出相應(yīng)的解決方案。二、無底柱分段崩落法概述2.1定義與特點(diǎn)無底柱分段崩落法是一種地下采礦方法，主要應(yīng)用于金屬礦、煤炭等礦產(chǎn)資源的開采，在石膏礦開采領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價值。該方法將階段用分段回采巷道劃分為若干分段，由上向下逐個分段進(jìn)行回采，隨后由崩落圍巖充填采空區(qū)。其分段下部不設(shè)出礦的底部結(jié)構(gòu)，以小的崩礦步距爆破下來的礦石在崩落圍巖的覆蓋下直接由回采進(jìn)路端部放出，鑿巖、出礦共用同一巷道。這種采礦方法結(jié)構(gòu)簡單，為機(jī)械化采礦創(chuàng)造了有利條件。無底柱分段崩落法具有諸多顯著特點(diǎn)，在開采效率方面表現(xiàn)突出。該方法采用分段爆破的方式，將礦體分成多個段落逐段進(jìn)行崩落開采，使得礦石的回采能夠連續(xù)進(jìn)行，減少了開采過程中的停頓時間，提高了開采效率。與傳統(tǒng)的房柱法相比，房柱法在采礦過程中需要留下大量的礦柱來支撐采空區(qū)，導(dǎo)致開采工作不能連續(xù)進(jìn)行，而無底柱分段崩落法無需留設(shè)大量礦柱，大大提高了采礦效率。據(jù)相關(guān)研究表明，在金屬礦開采中，采用無底柱分段崩落法的礦山，其生產(chǎn)能力相較于采用其他方法的礦山有顯著提升，年礦石開采量可達(dá)到數(shù)百萬噸甚至更高。該方法具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。它能夠適應(yīng)不同形狀和規(guī)模的礦體，無論是急傾斜礦體還是極厚礦體，都能通過合理的參數(shù)設(shè)計和開采工藝進(jìn)行有效開采。對于礦體形態(tài)復(fù)雜、變化較大的情況，無底柱分段崩落法可以通過靈活調(diào)整分段高度、進(jìn)路間距等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對礦體的高效開采。在一些金屬礦山中，礦體的走向和傾角變化較大，采用無底柱分段崩落法通過優(yōu)化開采參數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜礦體的開采，保證了礦山的正常生產(chǎn)。安全性好也是該方法的一大特點(diǎn)。在回采過程中，隨著礦石的崩落，圍巖會自然或被強(qiáng)制崩落充填采空區(qū)，從而有效地控制了地壓，減少了采空區(qū)坍塌等事故的發(fā)生概率。同時，由于開采作業(yè)在崩落圍巖的覆蓋下進(jìn)行，作業(yè)人員在相對安全的環(huán)境中工作，降低了因頂板垮落等原因造成的傷亡風(fēng)險。與房柱法相比，房柱法采空區(qū)存在大量未處理的空間，地壓活動頻繁，容易引發(fā)頂板坍塌等事故，而無底柱分段崩落法通過及時充填采空區(qū)，大大提高了開采的安全性。無底柱分段崩落法還具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備成本較低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。該方法不需要開掘復(fù)雜的出礦底部結(jié)構(gòu)，減少了采準(zhǔn)工程量，降低了開采成本。同時，由于設(shè)備相對簡單，易于操作和維護(hù)，降低了設(shè)備故障率，提高了生產(chǎn)的可靠性。在一些小型金屬礦山中，由于資金和技術(shù)有限，采用無底柱分段崩落法，憑借其簡單的結(jié)構(gòu)和較低的設(shè)備成本，實(shí)現(xiàn)了高效、經(jīng)濟(jì)的開采。然而，無底柱分段崩落法也存在一些不足之處。在回采過程中，由于無法對出礦口周圍的巖石進(jìn)行有效剝離，使得出礦口周圍的礦石貧化較大，影響了礦石的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。該方法需要使用大量的機(jī)械設(shè)備，如鑿巖臺車、鏟運(yùn)機(jī)等，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，會對生產(chǎn)造成較大的影響。而且，由于需要人工進(jìn)行裝藥、爆破和運(yùn)輸?shù)炔僮?，工人的勞動?qiáng)度相對較高。2.2適用條件無底柱分段崩落法適用于圍巖和礦石均較穩(wěn)固的礦體開采。在這種條件下，圍巖能夠在礦石崩落和采空區(qū)形成后，保持自身的穩(wěn)定性，不會過早或過度地發(fā)生坍塌，從而為采礦作業(yè)提供相對安全的作業(yè)空間。礦石的穩(wěn)固性則確保在開采過程中，礦石能夠按照預(yù)期的方式崩落和放出，不會出現(xiàn)礦石過早破碎或垮塌，影響正常的采礦作業(yè)流程和礦石回收率。當(dāng)圍巖和礦石穩(wěn)固性不足時，可能會導(dǎo)致在開采過程中，圍巖提前垮塌，掩埋采場設(shè)備和人員，增加開采的安全風(fēng)險；同時，礦石的破碎和垮塌也可能導(dǎo)致礦石損失貧化增加，降低開采的經(jīng)濟(jì)效益。在石膏礦開采中，無底柱分段崩落法的應(yīng)用有著特殊的要求。石膏礦通常具有一些獨(dú)特的物理力學(xué)性質(zhì)，如強(qiáng)度相對較低、遇水易軟化等。這就要求在采用無底柱分段崩落法時，要充分考慮這些特性。對于強(qiáng)度較低的石膏礦石，在爆破參數(shù)的選擇上，需要更加謹(jǐn)慎，以避免因爆破過度而導(dǎo)致礦石過度破碎，影響后續(xù)的出礦和選礦作業(yè)。在邢周石膏礦的開采中，由于石膏礦的強(qiáng)度相對較低，在確定爆破參數(shù)時，通過多次現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對炸藥單耗、炮孔間距等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使得礦石在崩落時既能達(dá)到合適的破碎程度，又不會過度破碎。石膏礦遇水易軟化的特性，要求在開采過程中做好防水措施。要確保采場的排水系統(tǒng)暢通，避免積水對礦石和圍巖穩(wěn)定性的影響。在一些石膏礦山中，通過設(shè)置專門的排水巷道和排水設(shè)備，及時排除采場內(nèi)的積水，有效地保證了開采的安全和順利進(jìn)行。同時，由于石膏礦的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面可能較為發(fā)育，這會對礦體的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。因此，在開采前，需要對石膏礦的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和分析，了解其分布規(guī)律和特征，以便在開采過程中采取相應(yīng)的措施，如加強(qiáng)支護(hù)等，確保礦體的穩(wěn)定性。2.3發(fā)展歷程無底柱分段崩落法起源于20世紀(jì)初，當(dāng)時采礦技術(shù)相對落后，該方法在一些礦山開始初步應(yīng)用，但由于受到設(shè)備、工藝等條件的限制，應(yīng)用范圍較為有限。隨著時間的推移，采礦技術(shù)不斷取得新的突破和進(jìn)展，為無底柱分段崩落法的發(fā)展提供了有力的支撐。在20世紀(jì)中葉，鑿巖、爆破、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備的性能得到顯著提升，使得無底柱分段崩落法在開采效率和安全性方面有了較大的改善，逐漸在一些金屬礦山得到更廣泛的應(yīng)用。到了20世紀(jì)50-60年代，隨著地下采礦技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無底柱分段崩落法在國內(nèi)外都得到了快速的發(fā)展和推廣。在這一時期，許多國家的礦山開始采用該方法進(jìn)行開采，并且在實(shí)踐過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對采礦工藝和設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。以我國為例，在20世紀(jì)60年代開始引進(jìn)無底柱分段崩落法，并在一些鐵礦、銅礦等礦山進(jìn)行應(yīng)用。通過不斷地探索和實(shí)踐，逐漸掌握了該方法的關(guān)鍵技術(shù)，并且根據(jù)我國礦山的實(shí)際情況，對方法進(jìn)行了一些適應(yīng)性的改進(jìn)。在20世紀(jì)70年代，無底柱分段崩落法已經(jīng)成為一種成熟的采礦方法，在地下采礦中占據(jù)了重要的地位。在這一時期，該方法的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，不僅在金屬礦山中廣泛應(yīng)用，在一些煤炭等礦產(chǎn)資源的開采中也開始嘗試應(yīng)用。隨著對該方法研究的深入，其結(jié)構(gòu)參數(shù)、開采工藝等方面都得到了進(jìn)一步的優(yōu)化，使得開采效率和經(jīng)濟(jì)效益得到了顯著提高。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科技的飛速發(fā)展，無底柱分段崩落法迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。數(shù)字化、智能化技術(shù)逐漸應(yīng)用于采礦領(lǐng)域，為無底柱分段崩落法的發(fā)展注入了新的活力。通過建立礦山數(shù)字化模型，可以對開采過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和模擬分析，提前預(yù)測可能出現(xiàn)的問題，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行解決，從而提高開采的安全性和效率。智能化設(shè)備的應(yīng)用，如自動化鑿巖臺車、智能鏟運(yùn)機(jī)等，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，減少了人為因素對開采過程的影響。三、石膏礦床特性分析3.1石膏礦的形成與分布石膏礦的形成與地質(zhì)作用密切相關(guān)，主要在沉積、風(fēng)化和熱液等條件下形成。在沉積環(huán)境中，如海洋、湖泊等水域，當(dāng)水體中的硫酸鈣達(dá)到過飽和狀態(tài)時，便會發(fā)生沉淀結(jié)晶，形成石膏礦。在海盆和湖盆里，石膏由鹵水蒸發(fā)或硬石膏水化而成，常與硬石膏、石鹽等共生，呈層狀或透鏡體狀存在于石灰?guī)r、紅色頁巖、泥灰?guī)r、砂質(zhì)黏土巖層的層間。我國湖北應(yīng)城的石膏礦，就屬于湖相沉積型，其形成過程與湖泊的演化和鹵水的濃縮密切相關(guān)。在風(fēng)化作用下，早期形成的石膏、硬石膏礦床，受化學(xué)風(fēng)化后，在圍巖裂隙或洞穴里，會形成次生的裂隙充填型或溶洞型石膏礦床。硫化物礦床氧化帶的石膏，則主要是硫化物經(jīng)過氧化等一系列化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變而來。熱液條件下，也能形成石膏礦。含硫酸鈣的熱液在地下運(yùn)移過程中，遇到合適的物理化學(xué)條件，如溫度、壓力變化等，會發(fā)生冷卻結(jié)晶，從而形成石膏礦。熱液交代型硬石膏礦床，產(chǎn)于侏羅紀(jì)火山弧中，系熱液蝕變火山巖成礦，礦體與黃鐵礦礦體共生，存在于安山巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r中。從全球范圍來看，石膏礦分布廣泛，主要集中在中國、美國、加拿大、澳大利亞等國家。中國作為石膏礦資源儲量豐富的國家，已探明的各類石膏保有儲量約為704.3億噸，居世界首位，且分布涵蓋23個省、市、自治區(qū)。在國內(nèi)，山東省是石膏礦儲量最多的省份，約占全國總儲量的65%，主要石膏礦區(qū)包括棗莊底閣鎮(zhèn)。內(nèi)蒙古、青海、湖南等地也是重要的石膏產(chǎn)地，擁有大量石膏礦藏。從石膏類型分布看，硬石膏主要分布在內(nèi)蒙古、安徽、云南、湖南等地；泥質(zhì)石膏、硬石膏、碳酸鹽質(zhì)石膏等其他類型石膏儲量占19%，分布廣泛。優(yōu)質(zhì)石膏資源主要集中在湖北應(yīng)城、荊門，湖南衡山，廣東三水、四會，山東蒼山、棗莊以及山西平陸等地。在華北地區(qū)，分布石膏礦產(chǎn)地24處，共計保有石膏礦石儲量B+C+D級49億t，主要分布于山西與河北，山西省是中國石膏礦的主要產(chǎn)區(qū)之一，太原、靈石等大、中型礦已開采多年，河北邢臺、隆堯和內(nèi)蒙古杭錦等礦也已被開發(fā)利用。東北地區(qū)分布石膏礦產(chǎn)地6處，共計保有石膏礦石儲量B+C+D級2億t，分布于吉林通化至遼寧燈塔一帶，吉林江源大陽岔大型礦和通化東熱及遼寧燈塔榮官中型礦均已被利用。華東地區(qū)分布石膏礦產(chǎn)地26處，共計保有石膏礦石儲量B+C+D級397億t，山東和江蘇兩省都是中國石膏礦的主要產(chǎn)區(qū)之一，安徽省石膏礦產(chǎn)量也日益增長，山東泰安大汶口北西遙及平邑卡橋、江蘇南京周村及邳縣四戶董家、安徽定遠(yuǎn)5處大型礦已被開發(fā)利用。中南地區(qū)分布石膏礦產(chǎn)地48處，共計保有石膏礦石儲量B+C+D級52億t，主要分布于湖北、湖南及廣東，湖北、湖南兩省都是中國石膏礦的主要產(chǎn)區(qū)之一，廣東省石膏礦產(chǎn)量正在增長。3.2石膏礦床的地質(zhì)特征3.2.1礦體形態(tài)與規(guī)模以邢周石膏礦為例，該礦礦體賦存于中奧陶統(tǒng)峰峰組一段地層中，礦體形態(tài)較為規(guī)則，呈層狀產(chǎn)出。走向近東西，傾向北西，傾角約為15°-25°，屬于緩傾斜礦體。礦體厚度相對穩(wěn)定，平均厚度約為8m，局部地段受地質(zhì)構(gòu)造影響，厚度有所變化，最大厚度可達(dá)12m，最小厚度為6m。邢周石膏礦的礦體規(guī)模較大，沿走向長度可達(dá)數(shù)千米，在已勘探的范圍內(nèi)，礦體走向長度約為3500m。礦體的延伸深度也較大，目前已開采深度達(dá)到500m，仍未發(fā)現(xiàn)礦體尖滅現(xiàn)象，預(yù)計礦體在深部仍有較好的延伸。在華北地區(qū)的一些石膏礦中，礦體形態(tài)也具有一定的相似性。如河北隆堯雙碑石膏礦區(qū)，礦體同樣呈層狀產(chǎn)出，走向近南北，傾向西，傾角約為10°-20°。礦體厚度相對穩(wěn)定，平均厚度約為6m，在局部地段由于受到褶皺、斷層等地質(zhì)構(gòu)造的影響，礦體厚度變化較大，最大厚度可達(dá)10m，最小厚度為4m。該礦區(qū)礦體規(guī)模較大，沿走向長度可達(dá)2000m以上，延伸深度也在數(shù)百米。3.2.2礦石與圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)通過對邢周石膏礦的巖樣進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，得到了石膏礦石及圍巖的相關(guān)力學(xué)參數(shù)。石膏礦石的密度約為2.3g/cm3，硬度較低，摩氏硬度約為2，質(zhì)地較軟，容易被劃傷或磨損。在抗壓強(qiáng)度方面，單軸抗壓強(qiáng)度平均值為15MPa，三軸抗壓強(qiáng)度在圍壓為5MPa時，平均值為25MPa，這表明石膏礦石在受到一定圍壓時，抗壓能力有所增強(qiáng)?？估瓘?qiáng)度較低，平均值約為1MPa，這使得石膏礦石在受到拉伸力時，容易發(fā)生破壞。彈性模量約為3GPa，泊松比約為0.3，反映了石膏礦石在受力時的彈性變形和橫向變形特征。該礦的圍巖主要為石灰?guī)r和泥巖。石灰?guī)r的密度約為2.7g/cm3，摩氏硬度約為3-4，單軸抗壓強(qiáng)度平均值為50MPa，三軸抗壓強(qiáng)度在圍壓為5MPa時，平均值為70MPa，抗拉強(qiáng)度平均值約為5MPa，彈性模量約為10GPa，泊松比約為0.25。泥巖的密度約為2.5g/cm3，摩氏硬度約為1-2，單軸抗壓強(qiáng)度平均值為10MPa，三軸抗壓強(qiáng)度在圍壓為5MPa時，平均值為18MPa，抗拉強(qiáng)度平均值約為0.8MPa，彈性模量約為2GPa，泊松比約為0.35。與其他地區(qū)的石膏礦相比，邢周石膏礦的礦石和圍巖物理力學(xué)性質(zhì)具有一定的代表性。在山東平邑盆地梁家崖礦段三號石膏礦，石膏礦石的密度、硬度、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)與邢周石膏礦的石膏礦石較為接近，這表明在相似的地質(zhì)條件下，石膏礦石的物理力學(xué)性質(zhì)具有一定的相似性。然而，由于不同地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、成礦條件等因素的差異，礦石和圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)也會存在一定的差異。在一些熱液型石膏礦中，由于其成礦過程受到熱液的影響，礦石的結(jié)晶程度和礦物組成可能與沉積型石膏礦不同，從而導(dǎo)致其物理力學(xué)性質(zhì)也有所不同。3.3我國石膏礦開采現(xiàn)狀目前，我國石膏礦開采以地下開采為主，露天開采為輔。西部地區(qū)由于石膏礦煤層厚、埋藏淺，適合露天開采；而中東部地區(qū)的石膏礦因埋藏較深，多為薄層礦，地下開采難度較大。在地下開采中，普遍采用房柱采礦法。房柱法是將礦體劃分為礦房和礦柱，先采礦房，采空后留下永久礦柱支撐采空區(qū)，防止上覆巖層垮塌。在礦體與圍巖穩(wěn)固性好的礦山，如南京石膏礦，房柱法取得了成功應(yīng)用。但對于大多數(shù)石膏礦山而言，房柱法存在諸多問題。我國許多石膏礦的礦體與圍巖并不穩(wěn)固，如河北隆堯雙碑石膏礦區(qū)，礦石普氏堅固性系數(shù)f約為2左右，屬于軟弱巖石，頂板泥巖的f系數(shù)有的小于1，且石膏層內(nèi)泥質(zhì)軟弱夾層十分發(fā)育。在這種情況下，采用房柱法開采，礦柱穩(wěn)定性極差，難以承受上覆巖層的壓力。隨著開采活動的持續(xù)進(jìn)行，采空區(qū)不斷擴(kuò)大，地壓活動日益頻繁，導(dǎo)致采空區(qū)坍塌事故頻發(fā)。這些事故不僅造成了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失，還對周邊環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞，如地表塌陷下沉，毀壞農(nóng)田與房屋等。房柱法的回采率普遍低下，僅能達(dá)到10%左右，這意味著大量的寶貴資源被浪費(fèi)，嚴(yán)重違背了資源節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展的理念。由于石膏屬于廉價礦物，使用充填法處理房柱法產(chǎn)生的采空區(qū)，成本過高，企業(yè)難以承受；而采用隔離法處理采空區(qū)，又難以有效阻止大范圍采空區(qū)地壓活動對生產(chǎn)區(qū)人員與設(shè)備的威脅。相比之下，無底柱分段崩落法在金屬礦開采中已得到廣泛應(yīng)用，并取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。該方法適用于礦體與下盤圍巖基本穩(wěn)定的急傾斜或極厚礦體開采，具有安全程度高、機(jī)械化及自動化程度高、生產(chǎn)能力大、勞動效率高、開采成本低等優(yōu)點(diǎn)。然而，在石膏礦產(chǎn)開采領(lǐng)域，無底柱分段崩落法尚無應(yīng)用先例。四、無底柱分段崩落法開采石膏礦床的力學(xué)原理4.1重力作用在無底柱分段崩落法開采石膏礦床的過程中，重力扮演著舉足輕重的角色，對礦石的崩落和運(yùn)搬產(chǎn)生著關(guān)鍵影響。當(dāng)?shù)V體被爆破后，礦石在重力的作用下，從礦體上脫離并向下崩落。重力為礦石的崩落提供了初始的動力，使得礦石能夠按照預(yù)定的方向和方式從礦體中分離出來。在邢周石膏礦的開采模擬中，通過數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立模型，當(dāng)對礦體進(jìn)行爆破后，模型中顯示礦石在重力作用下，沿著預(yù)定的崩落方向，迅速從礦體上崩落下來，形成了一定的崩落形態(tài)和塊度分布。在礦石運(yùn)搬階段，重力同樣發(fā)揮著重要作用。崩落下來的礦石在重力的作用下，沿著采場的傾斜面或溜井等通道，自然地向出礦口運(yùn)移。這大大減少了礦石運(yùn)搬過程中的能量消耗和設(shè)備投入，提高了運(yùn)搬效率。在實(shí)際生產(chǎn)中，合理設(shè)計采場的傾斜角度和溜井的位置，可以更好地利用重力，促進(jìn)礦石的順利運(yùn)搬。一些礦山通過優(yōu)化采場設(shè)計，使采場的傾斜角度與礦石的自然安息角相匹配，使得礦石能夠在重力作用下快速、順暢地運(yùn)移到出礦口，提高了出礦效率。分段高度和間距的設(shè)計對重力的利用有著顯著影響。分段高度過大，會導(dǎo)致礦石在崩落過程中受到的重力作用不均勻，容易出現(xiàn)大塊礦石堆積、崩落不順暢等問題，影響開采效率和礦石的質(zhì)量。同時，過大的分段高度還可能使礦石在崩落過程中受到較大的沖擊，導(dǎo)致礦石過度破碎，增加礦石的損失貧化。反之，分段高度過小，會增加采準(zhǔn)工程量和開采成本，降低生產(chǎn)效率。在邢周石膏礦的開采實(shí)踐中，通過對不同分段高度的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分段高度為15m時，礦石的崩落和運(yùn)搬效果較好，既能保證礦石的順利崩落和運(yùn)搬，又能控制開采成本。進(jìn)路間距的設(shè)計也至關(guān)重要。進(jìn)路間距過大，會導(dǎo)致礦石在崩落過程中無法充分利用重力作用，出現(xiàn)礦石堆積、運(yùn)搬困難等問題。進(jìn)路間距過小，會增加巷道的支護(hù)成本和維護(hù)難度，同時也會影響開采效率。在實(shí)際設(shè)計中，需要綜合考慮礦石的物理力學(xué)性質(zhì)、礦體的厚度、地應(yīng)力等因素，確定合理的進(jìn)路間距。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，在某石膏礦的開采中，確定了進(jìn)路間距為10m時，能夠較好地平衡開采成本和開采效率，充分利用重力作用，實(shí)現(xiàn)礦石的高效崩落和運(yùn)搬。4.2爆破力作用在無底柱分段崩落法開采石膏礦床的過程中，爆破力是促使礦石破碎和崩落的關(guān)鍵因素之一。爆破參數(shù)對礦石破碎效果有著顯著影響，不同的爆破參數(shù)設(shè)置會導(dǎo)致礦石破碎后的塊度分布、破碎均勻性等方面產(chǎn)生差異。炸藥單耗是一個重要的爆破參數(shù)，它指的是爆破單位體積礦石所消耗的炸藥量。在石膏礦開采中，炸藥單耗過大，會導(dǎo)致礦石過度破碎，產(chǎn)生大量的細(xì)粒礦石，這不僅會增加礦石的損失貧化，還會影響后續(xù)的出礦和選礦作業(yè)。大量的細(xì)粒礦石在出礦過程中容易堵塞出礦口，降低出礦效率；在選礦過程中，細(xì)粒礦石的分選難度較大，會影響選礦指標(biāo)。反之，炸藥單耗過小，礦石破碎效果不佳，會出現(xiàn)大塊礦石，同樣不利于后續(xù)的開采作業(yè)。大塊礦石在運(yùn)輸過程中可能會卡住運(yùn)輸設(shè)備，影響運(yùn)輸效率，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。在邢周石膏礦的開采試驗(yàn)中，通過設(shè)置不同的炸藥單耗進(jìn)行爆破試驗(yàn)。當(dāng)炸藥單耗為0.4kg/m3時，礦石破碎后大塊率較高，有部分礦石塊度超過了出礦設(shè)備的允許尺寸，導(dǎo)致出礦困難，礦石損失貧化率也較高，達(dá)到了15%。而當(dāng)炸藥單耗提高到0.6kg/m3時，礦石過度破碎，細(xì)粒礦石含量增加，雖然出礦相對順暢，但在選礦過程中，由于細(xì)粒礦石的存在，精礦品位降低，尾礦品位升高，礦石損失貧化率也達(dá)到了12%。經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終確定炸藥單耗為0.5kg/m3時，礦石破碎效果較好，塊度分布較為合理，既減少了大塊礦石的產(chǎn)生，又避免了礦石過度破碎，礦石損失貧化率降低到了8%。炮孔布置也是影響礦石破碎效果的重要因素。炮孔的間距、排距、角度等參數(shù)的設(shè)置，會直接影響炸藥爆炸能量在礦石中的分布，從而影響礦石的破碎效果。炮孔間距過大，炸藥爆炸能量無法充分作用于礦石，會導(dǎo)致礦石破碎不均勻，出現(xiàn)大塊礦石；炮孔間距過小，會造成炸藥能量浪費(fèi)，增加開采成本，同時也可能對圍巖造成過度破壞。在某石膏礦的開采中，采用了不同的炮孔布置方式進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)炮孔間距為1.2m，排距為1.0m時，礦石破碎不均勻，大塊礦石較多，影響了出礦效率和礦石質(zhì)量。而當(dāng)炮孔間距調(diào)整為1.0m，排距調(diào)整為0.8m時，礦石破碎效果得到明顯改善，破碎后的礦石塊度更加均勻，有利于后續(xù)的開采作業(yè)。起爆方式也對礦石破碎效果有著重要影響。常見的起爆方式有順序起爆、毫秒延期起爆等。順序起爆是按照一定的順序依次起爆各個炮孔，這種起爆方式操作簡單，但容易導(dǎo)致礦石破碎不均勻，產(chǎn)生較大的爆破震動。毫秒延期起爆則是利用毫秒延期雷管，使各個炮孔之間按照一定的時間間隔依次起爆。這種起爆方式可以使炸藥爆炸能量在礦石中依次傳遞，減少爆破震動，同時也能使礦石破碎更加均勻。在石膏礦開采中，采用毫秒延期起爆方式，通過合理設(shè)置延期時間，可以有效改善礦石的破碎效果。在某石膏礦的開采實(shí)踐中，采用毫秒延期起爆方式，將延期時間設(shè)置為25ms，與順序起爆相比，礦石破碎后的塊度更加均勻，大塊率降低了20%，同時爆破震動也明顯減小，對圍巖的破壞程度降低。根據(jù)石膏礦的特性選擇合適的爆破器材和參數(shù)至關(guān)重要。石膏礦的強(qiáng)度相對較低，遇水易軟化等特性，要求在選擇爆破器材和參數(shù)時，要充分考慮這些因素。在爆破器材的選擇上，應(yīng)選用低威力、低爆速的炸藥，以減少爆破對礦石和圍巖的破壞。乳化炸藥具有爆速較低、猛度較小、抗水性能好等優(yōu)點(diǎn)，適合在石膏礦開采中使用。在邢周石膏礦的開采中，選用了乳化炸藥，通過現(xiàn)場試驗(yàn)和應(yīng)用，取得了較好的爆破效果，有效減少了爆破對礦石和圍巖的破壞。在確定爆破參數(shù)時，還需要考慮石膏礦的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面的分布情況。節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面會影響炸藥爆炸能量的傳播和礦石的破碎效果。如果炮孔布置在節(jié)理、裂隙發(fā)育的區(qū)域，炸藥爆炸能量可能會沿著結(jié)構(gòu)面泄漏，導(dǎo)致礦石破碎效果不佳。因此，在布置炮孔時，應(yīng)盡量避開節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面，或者根據(jù)結(jié)構(gòu)面的分布情況，合理調(diào)整炮孔的位置、角度和間距，以充分利用結(jié)構(gòu)面的特性，提高礦石的破碎效果。通過對石膏礦的地質(zhì)勘查和結(jié)構(gòu)面分析，結(jié)合現(xiàn)場爆破試驗(yàn)和數(shù)值模擬，綜合考慮各種因素，確定合理的爆破器材和參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對石膏礦的高效、安全開采，降低礦石損失貧化率，提高開采經(jīng)濟(jì)效益。4.3礦石崩落與運(yùn)搬協(xié)同原理在無底柱分段崩落法開采石膏礦床的過程中，礦石崩落的均勻性對開采效率和出礦質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。如果礦石崩落不均勻，會導(dǎo)致采場內(nèi)礦石堆積情況各異，出現(xiàn)部分區(qū)域礦石堆積過厚，而部分區(qū)域礦石不足的現(xiàn)象。這不僅會影響后續(xù)的出礦作業(yè)，導(dǎo)致出礦效率低下，還可能使礦石在采場內(nèi)停留時間過長，增加礦石的損失貧化。在某石膏礦的開采試驗(yàn)中，由于爆破參數(shù)設(shè)置不合理，導(dǎo)致礦石崩落不均勻，部分區(qū)域礦石塊度較大，堆積在一起，難以順利運(yùn)出，使得出礦效率降低了30%，同時礦石損失貧化率也增加了10%。崩落與運(yùn)搬的協(xié)同配合對于提高開采效率起著關(guān)鍵作用。當(dāng)?shù)V石崩落時，需要及時、有效地將其運(yùn)搬出去，以保證采場的正常作業(yè)空間和后續(xù)的崩落作業(yè)。如果運(yùn)搬不及時，崩落的礦石會在采場內(nèi)堆積，阻礙后續(xù)的崩落，導(dǎo)致開采進(jìn)度受阻。在邢周石膏礦的開采實(shí)踐中，通過合理安排崩落和運(yùn)搬的時間和順序，實(shí)現(xiàn)了兩者的協(xié)同作業(yè)。在礦石崩落前，提前準(zhǔn)備好運(yùn)搬設(shè)備和通道，確保礦石崩落后能夠迅速被運(yùn)走。同時，根據(jù)礦石的崩落速度和量，合理調(diào)整運(yùn)搬設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，提高運(yùn)搬效率。通過這種協(xié)同作業(yè)方式，該礦的開采效率提高了25%，礦石損失貧化率降低了8%。為了實(shí)現(xiàn)崩落與運(yùn)搬的協(xié)同，需要從多個方面進(jìn)行優(yōu)化。在設(shè)備選型上，要根據(jù)礦石的性質(zhì)、開采規(guī)模和采場條件等因素，選擇合適的運(yùn)搬設(shè)備，如鏟運(yùn)機(jī)、輸送機(jī)等。鏟運(yùn)機(jī)具有靈活、機(jī)動性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于小型采場或礦石運(yùn)距較短的情況；輸送機(jī)則具有運(yùn)輸量大、連續(xù)運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢，適用于大型采場或礦石運(yùn)距較長的情況。在邢周石膏礦的開采中，根據(jù)采場的實(shí)際情況，在采場的不同區(qū)域分別選用了鏟運(yùn)機(jī)和輸送機(jī)進(jìn)行礦石運(yùn)搬。在采場的出礦口附近，使用鏟運(yùn)機(jī)將礦石裝載到運(yùn)輸車輛上，然后通過運(yùn)輸車輛將礦石運(yùn)送到輸送機(jī)上，再由輸送機(jī)將礦石輸送到地面。通過這種設(shè)備選型和搭配，實(shí)現(xiàn)了礦石的高效運(yùn)搬。在工藝流程設(shè)計上，要合理規(guī)劃礦石的崩落順序和運(yùn)搬路線，減少礦石在采場內(nèi)的停留時間和運(yùn)輸距離。通過優(yōu)化爆破參數(shù)，使礦石崩落的塊度和堆積形態(tài)有利于運(yùn)搬。在爆破設(shè)計中，根據(jù)礦石的物理力學(xué)性質(zhì)和采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理調(diào)整炸藥單耗、炮孔間距等參數(shù)，使礦石崩落后的塊度適中，便于鏟運(yùn)機(jī)和輸送機(jī)的裝載和運(yùn)輸。在某石膏礦的開采中，通過優(yōu)化爆破參數(shù)，使礦石崩落后的平均塊度降低了20%，提高了鏟運(yùn)機(jī)的裝載效率，同時減少了輸送機(jī)的堵塞現(xiàn)象，提高了運(yùn)搬效率。通過建立有效的監(jiān)測和控制系統(tǒng)，實(shí)時掌握礦石崩落和運(yùn)搬的情況，及時調(diào)整作業(yè)參數(shù)，確保兩者的協(xié)同作業(yè)。在采場內(nèi)安裝傳感器，實(shí)時監(jiān)測礦石的崩落量、堆積高度和運(yùn)搬設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)。通過數(shù)據(jù)分析和處理，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整。在某石膏礦的開采中，通過建立監(jiān)測和控制系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某區(qū)域礦石崩落量過大，可能導(dǎo)致運(yùn)搬困難時，及時調(diào)整爆破參數(shù)，減少該區(qū)域的礦石崩落量，同時增加運(yùn)搬設(shè)備的投入，確保礦石能夠及時運(yùn)出，保證了開采作業(yè)的順利進(jìn)行。五、影響無底柱分段崩落法開采石膏礦床力學(xué)的因素5.1礦體與圍巖特性礦體的形狀、大小、傾角等特征對無底柱分段崩落法開采過程中的力學(xué)響應(yīng)有著顯著影響。在形狀方面，規(guī)則的礦體形狀，如層狀礦體，在開采過程中，應(yīng)力分布相對較為均勻，有利于礦石的均勻崩落和運(yùn)搬。在邢周石膏礦中，礦體呈層狀產(chǎn)出，在開采時，通過合理設(shè)計爆破參數(shù)和開采順序，能夠?qū)崿F(xiàn)礦石的較為均勻的崩落，減少了因礦體形狀不規(guī)則導(dǎo)致的應(yīng)力集中和礦石崩落不均勻的問題。相比之下，形狀復(fù)雜的礦體，如透鏡狀、脈狀礦體等，其開采過程中的應(yīng)力分布復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致礦石崩落不規(guī)律，增加開采難度和礦石損失貧化。在一些金屬礦的開采中，遇到透鏡狀礦體時，由于礦體形狀的變化，在開采過程中，部分區(qū)域的應(yīng)力集中明顯，使得礦石過早破碎或垮塌，影響了正常的開采作業(yè)。礦體的大小對開采力學(xué)也有重要影響。較大規(guī)模的礦體，在開采時，能夠形成較大的開采空間，有利于大型設(shè)備的運(yùn)用，提高開采效率。同時，大規(guī)模礦體的承載能力相對較強(qiáng)，在開采過程中，地壓的變化相對較為穩(wěn)定。在某大型石膏礦，礦體規(guī)模較大，采用無底柱分段崩落法開采時，能夠使用大型的鑿巖臺車和鏟運(yùn)機(jī)等設(shè)備，提高了開采效率。由于礦體規(guī)模大，地壓的變化相對緩慢，為開采作業(yè)提供了相對穩(wěn)定的環(huán)境。而較小規(guī)模的礦體，開采空間有限，設(shè)備的選擇和操作受到限制，開采效率較低。同時，小礦體的承載能力相對較弱，在開采過程中，地壓的變化對其影響較大，容易出現(xiàn)礦體失穩(wěn)等問題。在一些小型石膏礦，由于礦體規(guī)模較小，只能使用小型的開采設(shè)備，開采效率較低。而且在開采過程中，地壓的微小變化都可能導(dǎo)致礦體的失穩(wěn)，增加了開采的安全風(fēng)險。礦體的傾角對礦石的崩落和運(yùn)搬方式有著決定性作用。急傾斜礦體，礦石在重力作用下，能夠自然地沿礦體傾斜方向崩落和運(yùn)搬，有利于提高開采效率。在某急傾斜石膏礦體的開采中，礦石在爆破后，能夠迅速地沿礦體傾斜方向崩落，通過溜井等設(shè)施，能夠快速地將礦石運(yùn)出采場，提高了開采效率。緩傾斜礦體，礦石的崩落和運(yùn)搬相對困難，需要采取一些輔助措施，如增加爆破力、優(yōu)化運(yùn)搬設(shè)備等，以確保礦石的順利開采。在邢周石膏礦，礦體傾角約為15°-25°，屬于緩傾斜礦體。在開采時，通過增加炸藥單耗，提高爆破力，使礦石能夠充分破碎和崩落。同時，選用合適的鏟運(yùn)機(jī)和輸送機(jī)等設(shè)備，優(yōu)化運(yùn)搬路線，確保了礦石的有效運(yùn)搬。圍巖的穩(wěn)定性是影響無底柱分段崩落法開采的關(guān)鍵因素之一。穩(wěn)定的圍巖能夠?yàn)殚_采作業(yè)提供安全的環(huán)境，保證開采過程的順利進(jìn)行。在開采過程中，圍巖能夠承受地壓的作用，不會發(fā)生垮塌等事故，從而保護(hù)了采場設(shè)備和人員的安全。在一些圍巖穩(wěn)定性好的石膏礦中，采用無底柱分段崩落法開采時，無需進(jìn)行大規(guī)模的支護(hù)，降低了開采成本。而不穩(wěn)定的圍巖，在開采過程中，容易發(fā)生垮塌、片幫等現(xiàn)象，增加了開采的安全風(fēng)險，影響開采進(jìn)度和礦石質(zhì)量。在圍巖不穩(wěn)定的情況下，需要采取加強(qiáng)支護(hù)等措施，這不僅增加了開采成本，還可能影響開采效率。在某石膏礦，由于圍巖穩(wěn)定性較差，在開采過程中，頻繁發(fā)生圍巖垮塌現(xiàn)象，導(dǎo)致開采作業(yè)多次中斷。為了保證開采安全，不得不加強(qiáng)支護(hù)，增加了大量的支護(hù)材料和人工成本，同時也降低了開采效率。圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，如抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等，對其穩(wěn)定性有著重要影響。抗壓強(qiáng)度高的圍巖，能夠承受較大的地壓，不易發(fā)生壓潰破壞；抗拉強(qiáng)度高的圍巖，能夠抵抗拉伸力的作用，減少裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展；彈性模量較大的圍巖，在受力時的變形較小，能夠保持較好的穩(wěn)定性。在選擇開采方法和確定支護(hù)措施時，需要充分考慮圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)。對于抗壓強(qiáng)度較低的圍巖，在開采過程中，需要加強(qiáng)支護(hù)，采用高強(qiáng)度的支護(hù)材料，以提高圍巖的承載能力。5.2開采工藝參數(shù)5.2.1分段高度與間距在無底柱分段崩落法開采石膏礦床中，分段高度與間距的選擇對開采效果有著重要影響。通過對邢周石膏礦的研究，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)，深入探討了不同分段高度和間距下的開采情況。當(dāng)分段高度為10m時，采準(zhǔn)工程量相對較大，因?yàn)樾枰嗟姆侄蜗锏纴磉M(jìn)行開采作業(yè)。由于分段高度較低，礦石的崩落高度有限，在崩落過程中，礦石受到的重力作用相對較小，導(dǎo)致礦石的破碎程度和塊度分布不太理想。在現(xiàn)場試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)這種情況下，礦石的大塊率較高，不利于后續(xù)的出礦和運(yùn)輸作業(yè)。而且，較小的分段高度會使得開采過程中的通風(fēng)和排水難度增加，因?yàn)橥L(fēng)和排水通道需要在更多的分段巷道中布置。隨著分段高度增加到15m，采準(zhǔn)工程量有所減少，這是因?yàn)闇p少了分段巷道的數(shù)量，降低了開采成本。在這個分段高度下，礦石的崩落高度適中，重力作用能夠得到較好的發(fā)揮，使得礦石的破碎程度和塊度分布更加合理。在數(shù)值模擬中，觀察到礦石在崩落過程中，能夠較為均勻地破碎，大塊率明顯降低，有利于提高出礦效率和礦石質(zhì)量。15m的分段高度也使得通風(fēng)和排水系統(tǒng)的布置更加合理，能夠有效地保證開采作業(yè)的順利進(jìn)行。當(dāng)分段高度進(jìn)一步增加到20m時，雖然采準(zhǔn)工程量進(jìn)一步減少，但是礦石的破碎效果卻受到了影響。由于分段高度過大，礦石在崩落過程中受到的沖擊較大，容易導(dǎo)致礦石過度破碎，產(chǎn)生大量的細(xì)粒礦石。在實(shí)際開采中，發(fā)現(xiàn)這種情況下，細(xì)粒礦石的含量增加，不僅會影響出礦效率，還會增加礦石的損失貧化。過大的分段高度還會對圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，增加了開采的安全風(fēng)險。進(jìn)路間距對開采效果也有著顯著的影響。當(dāng)進(jìn)路間距為8m時，礦石的回收率相對較高，因?yàn)檩^小的進(jìn)路間距能夠使礦石得到更充分的回收。但是，較小的進(jìn)路間距會導(dǎo)致巷道的支護(hù)成本增加，因?yàn)樾枰嗟闹ёo(hù)材料和設(shè)備來保證巷道的穩(wěn)定性。而且，較小的進(jìn)路間距會使得開采過程中的通風(fēng)和運(yùn)輸難度增加，因?yàn)橥L(fēng)和運(yùn)輸通道的空間相對較小。當(dāng)進(jìn)路間距增加到10m時，巷道的支護(hù)成本有所降低，因?yàn)闇p少了支護(hù)材料和設(shè)備的使用量。在這個進(jìn)路間距下，通風(fēng)和運(yùn)輸條件得到了改善，通風(fēng)和運(yùn)輸通道的空間更加寬敞，有利于提高通風(fēng)和運(yùn)輸效率。10m的進(jìn)路間距也能夠保證礦石的回收率在一個合理的范圍內(nèi)，不會因?yàn)檫M(jìn)路間距過大而導(dǎo)致礦石損失增加。當(dāng)進(jìn)路間距增大到12m時，雖然支護(hù)成本進(jìn)一步降低，但是礦石的回收率卻明顯下降。由于進(jìn)路間距過大，部分礦石無法得到有效的回收，導(dǎo)致礦石損失增加。在現(xiàn)場試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)這種情況下，采場中的殘留礦石較多，不僅浪費(fèi)了資源，還會對后續(xù)的開采作業(yè)產(chǎn)生影響。綜合考慮開采成本、礦石回收率、安全性等因素，在邢周石膏礦的開采中，確定分段高度為15m，進(jìn)路間距為10m時，能夠取得較好的開采效果。在這個參數(shù)組合下，采準(zhǔn)工程量適中，礦石的破碎效果和塊度分布合理，有利于提高出礦效率和礦石質(zhì)量。巷道的支護(hù)成本和通風(fēng)運(yùn)輸條件也能夠得到較好的平衡，能夠保證開采作業(yè)的安全、高效進(jìn)行。5.2.2炮孔布置與爆破參數(shù)炮孔布置方式對礦石崩落效果有著重要影響。在無底柱分段崩落法開采石膏礦床中，常見的炮孔布置方式有扇形布置和平行布置。在邢周石膏礦的開采試驗(yàn)中，分別采用了這兩種布置方式進(jìn)行對比研究。當(dāng)采用扇形布置時，炮孔從一個中心向四周呈扇形分布。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠充分利用炸藥的能量，使礦石在崩落時形成一個較為集中的破碎區(qū)域，有利于提高礦石的破碎效果。在實(shí)際爆破中，發(fā)現(xiàn)扇形布置的炮孔能夠使炸藥的能量更均勻地作用于礦石，減少了大塊礦石的產(chǎn)生，提高了礦石的破碎均勻性。由于炮孔呈扇形分布，在相同的開采面積下，扇形布置的炮孔數(shù)量相對較少，能夠減少鉆孔工作量和時間，提高開采效率。然而，扇形布置也存在一些缺點(diǎn)。由于炮孔的角度和深度不同，在鉆孔過程中，對鉆孔設(shè)備的要求較高，操作難度較大。如果鉆孔精度不夠，容易導(dǎo)致炮孔的角度和深度出現(xiàn)偏差，影響爆破效果。在邢周石膏礦的開采中，就曾因?yàn)殂@孔精度問題，導(dǎo)致部分炮孔的角度偏差較大，使得爆破后的礦石塊度不均勻，影響了出礦效率。當(dāng)采用平行布置時，炮孔相互平行排列。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是鉆孔操作相對簡單，容易保證鉆孔的精度。在實(shí)際操作中，平行布置的炮孔更容易控制鉆孔的角度和深度，能夠減少因鉆孔誤差導(dǎo)致的爆破效果不佳的問題。平行布置的炮孔在布置和設(shè)計上相對簡單，便于施工人員理解和操作。平行布置也有其不足之處。在相同的開采面積下，平行布置的炮孔數(shù)量相對較多，這會增加鉆孔工作量和時間，降低開采效率。而且，由于炮孔平行排列，炸藥的能量分布相對不夠集中，在爆破時，礦石的破碎效果可能不如扇形布置，容易產(chǎn)生較多的大塊礦石。在邢周石膏礦的開采中，根據(jù)礦石的特性和開采要求，最終選擇了扇形布置方式。通過合理調(diào)整炮孔的參數(shù)，如邊孔角、最小抵抗線等，有效地提高了礦石的破碎效果和開采效率。在確定邊孔角時，經(jīng)過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)邊孔角為50°時，能夠在保證礦石破碎效果的同時，減少對圍巖的破壞。爆破參數(shù)的選擇對開采安全也有著重要影響。炸藥單耗是一個關(guān)鍵的爆破參數(shù)，它直接影響著礦石的破碎程度和爆破震動的大小。在邢周石膏礦的開采中，通過多次現(xiàn)場試驗(yàn)，確定了合適的炸藥單耗。當(dāng)炸藥單耗過高時，礦石會過度破碎，產(chǎn)生大量的細(xì)粒礦石，這不僅會增加礦石的損失貧化，還會導(dǎo)致爆破震動過大，對圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在實(shí)際開采中，發(fā)現(xiàn)炸藥單耗過高時，爆破后的細(xì)粒礦石容易堵塞出礦口，影響出礦效率。而且，過大的爆破震動會使圍巖產(chǎn)生裂縫，增加了圍巖垮塌的風(fēng)險。當(dāng)炸藥單耗過低時，礦石的破碎效果不佳，會出現(xiàn)大塊礦石，同樣不利于開采作業(yè)。大塊礦石在運(yùn)輸過程中容易卡住運(yùn)輸設(shè)備，影響運(yùn)輸效率，甚至可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。在邢周石膏礦的開采中，通過試驗(yàn)確定了炸藥單耗為0.5kg/m3時，能夠在保證礦石破碎效果的前提下，控制爆破震動的大小，確保開采安全。起爆方式也對開采安全有著重要影響。常見的起爆方式有順序起爆和毫秒延期起爆。順序起爆是按照一定的順序依次起爆各個炮孔，這種起爆方式操作簡單，但容易導(dǎo)致爆破震動過大，對圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。在邢周石膏礦的開采中，采用順序起爆時，發(fā)現(xiàn)爆破震動較大，使得圍巖出現(xiàn)了一些裂縫，增加了開采的安全風(fēng)險。毫秒延期起爆則是利用毫秒延期雷管，使各個炮孔之間按照一定的時間間隔依次起爆。這種起爆方式可以使炸藥爆炸能量在礦石中依次傳遞，減少爆破震動，同時也能使礦石破碎更加均勻。在邢周石膏礦的開采中，采用毫秒延期起爆方式，將延期時間設(shè)置為25ms，有效地減少了爆破震動，提高了開采的安全性。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，采用毫秒延期起爆后，爆破震動的峰值明顯降低，對圍巖的破壞程度也大大減小。5.3地質(zhì)構(gòu)造斷層、節(jié)理、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造對無底柱分段崩落法開采石膏礦床過程中的地壓分布和礦石崩落有著顯著影響。在邢周石膏礦的開采過程中，通過地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)內(nèi)存在多條斷層。這些斷層的存在改變了礦體和圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)。由于斷層的錯動，使得斷層附近的巖體完整性遭到破壞，巖石的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致地壓集中現(xiàn)象明顯。在斷層附近開采時，地壓明顯增大，容易引發(fā)巷道變形、坍塌等問題。在某回采進(jìn)路靠近斷層的區(qū)域，巷道頂板出現(xiàn)了明顯的下沉和裂縫，嚴(yán)重影響了開采的安全和進(jìn)度。斷層還會影響礦石的崩落形態(tài)和規(guī)律。在斷層發(fā)育的區(qū)域，礦石的崩落往往不規(guī)則，容易出現(xiàn)大塊礦石堆積和局部崩落不暢的情況。這是因?yàn)閿鄬悠茐牧说V體的連續(xù)性，使得炸藥爆炸能量在傳播過程中發(fā)生改變，導(dǎo)致礦石破碎不均勻。在邢周石膏礦的開采中，當(dāng)回采進(jìn)路遇到斷層時，礦石的大塊率明顯增加，出礦效率降低了30%。節(jié)理作為巖石中的弱面，對礦體的穩(wěn)定性和礦石崩落也有著重要影響。在邢周石膏礦的礦區(qū)，節(jié)理較為發(fā)育，尤其是在一些礦體與圍巖的接觸部位。節(jié)理的存在降低了巖體的強(qiáng)度和完整性，使得巖體在受力時更容易發(fā)生破壞。在開采過程中，節(jié)理會引導(dǎo)地壓的傳播方向，導(dǎo)致地壓在節(jié)理密集區(qū)域集中。在某分段的開采中，由于節(jié)理的影響，地壓在節(jié)理密集區(qū)域集中，使得該區(qū)域的圍巖出現(xiàn)了片幫現(xiàn)象，威脅到了作業(yè)人員的安全。節(jié)理還會影響礦石的崩落效果。在節(jié)理發(fā)育的礦體中，炸藥爆炸能量更容易沿著節(jié)理面?zhèn)鞑?，?dǎo)致礦石沿著節(jié)理面破碎。這雖然在一定程度上有利于礦石的破碎，但也可能導(dǎo)致礦石過度破碎，增加礦石的損失貧化。在邢周石膏礦的開采中，通過對節(jié)理發(fā)育區(qū)域的爆破試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)炸藥單耗過高時，礦石會沿著節(jié)理面過度破碎，細(xì)粒礦石含量增加，礦石損失貧化率上升了8%。褶皺構(gòu)造改變了礦體的形態(tài)和產(chǎn)狀，進(jìn)而影響地壓分布和礦石崩落。在邢周石膏礦的礦區(qū)，存在一些小型褶皺構(gòu)造。褶皺的軸部和翼部的應(yīng)力狀態(tài)與正常礦體部位不同，在軸部，由于巖層的彎曲變形，會產(chǎn)生拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的集中；在翼部，應(yīng)力分布也會發(fā)生變化。在褶皺軸部開采時，地壓明顯增大，對巷道的支護(hù)要求更高。在某褶皺軸部的開采區(qū)域，巷道的支護(hù)難度明顯增加，需要采用更加強(qiáng)勁的支護(hù)結(jié)構(gòu)和材料，以保證巷道的穩(wěn)定性。褶皺還會影響礦石的崩落方式。由于礦體在褶皺部位的產(chǎn)狀發(fā)生變化，礦石在崩落時的運(yùn)動軌跡和方向也會改變。在褶皺翼部，礦石的崩落方向可能會與正常礦體部位不同，需要根據(jù)褶皺的形態(tài)和產(chǎn)狀，合理調(diào)整爆破參數(shù)和開采順序，以確保礦石的順利崩落和運(yùn)搬。在邢周石膏礦的開采中，針對褶皺翼部的開采，通過調(diào)整炮孔的角度和起爆順序，使得礦石能夠按照預(yù)定的方向崩落，提高了開采效率。六、無底柱分段崩落法開采石膏礦床的數(shù)值模擬分析6.1數(shù)值模擬軟件介紹在無底柱分段崩落法開采石膏礦床的研究中，F(xiàn)LAC3D（FastLagrangianAnalysisofContinuain3Dimensions）軟件是一種極為常用且功能強(qiáng)大的數(shù)值模擬工具。它由美國Itasca公司開發(fā)，采用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠高度準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動，在采礦工程領(lǐng)域展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢。從模擬能力來看，F(xiàn)LAC3D支持對非均勻、非線性以及材料本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜的巖體進(jìn)行模擬。在石膏礦床開采中，礦體和圍巖的力學(xué)性質(zhì)往往呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性特征，且存在多種節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致材料本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜。FLAC3D能夠充分考慮這些因素，通過合理設(shè)置模型參數(shù)，準(zhǔn)確地模擬礦體和圍巖在開采過程中的力學(xué)響應(yīng)，為研究開采過程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及破壞機(jī)制提供了有力支持。該軟件可進(jìn)行大規(guī)模計算，大大提高了計算效率。在處理大規(guī)模的采礦工程問題時，如整個石膏礦區(qū)的開采模擬，需要處理大量的計算數(shù)據(jù)。FLAC3D憑借其高效的算法和強(qiáng)大的計算能力，能夠在相對較短的時間內(nèi)完成復(fù)雜模型的計算，滿足研究和工程實(shí)踐的時間要求。在實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)LAC3D提供了靈活的前后處理接口，這使得用戶能夠方便地對模型進(jìn)行可視化操作。在建立石膏礦床開采的數(shù)值模型時，用戶可以通過前處理接口，根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)條件和開采工藝，精確地構(gòu)建模型的幾何形狀、劃分網(wǎng)格，并設(shè)置各種材料參數(shù)和邊界條件。在計算完成后，通過后處理接口，用戶可以直觀地查看計算結(jié)果，如應(yīng)力云圖、位移矢量圖等，將抽象的計算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的圖形，便于對開采過程中的力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行分析和理解。FLAC3D還支持多種邊界條件和加載條件的設(shè)置，使其能夠更貼近實(shí)際情況。在石膏礦床開采過程中，礦體和圍巖受到多種因素的作用，如地應(yīng)力、重力、爆破力等。FLAC3D可以根據(jù)實(shí)際情況，準(zhǔn)確地設(shè)置這些邊界條件和加載條件，模擬出真實(shí)的開采環(huán)境，從而為研究開采過程中的力學(xué)行為提供更可靠的依據(jù)。在某金屬礦的開采研究中，利用FLAC3D對不同開采方案進(jìn)行模擬分析。通過設(shè)置合理的邊界條件和加載條件，模擬了礦體在開采過程中的應(yīng)力、應(yīng)變變化情況。根據(jù)模擬結(jié)果，優(yōu)化了開采方案，有效降低了開采成本，提高了開采效率。在石膏礦開采的相關(guān)研究中，F(xiàn)LAC3D同樣發(fā)揮了重要作用。通過建立數(shù)值模型，模擬了無底柱分段崩落法開采石膏礦床的過程，分析了不同開采參數(shù)下礦體和圍巖的穩(wěn)定性，為開采方案的優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。除了FLAC3D，ANSYS也是一款在采礦工程中應(yīng)用廣泛的數(shù)值模擬軟件。ANSYS軟件擁有強(qiáng)大的多物理場耦合分析能力，能夠綜合考慮結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱學(xué)、流體力學(xué)等多種物理場的相互作用。在采礦工程中，礦石的開采過程往往伴隨著溫度變化、地下水流動等多種物理現(xiàn)象，ANSYS能夠?qū)⑦@些因素納入分析，全面地模擬開采過程。ANSYS具備豐富的單元庫和材料模型，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)和材料特性。在石膏礦床開采中，無論是礦體的復(fù)雜形狀，還是圍巖的多樣力學(xué)性質(zhì)，ANSYS都能通過選擇合適的單元類型和材料模型，準(zhǔn)確地進(jìn)行模擬。其在網(wǎng)格劃分方面具有高度的靈活性和自動化程度，能夠根據(jù)模型的幾何形狀和分析要求，生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，提高計算精度和效率。在某大型石膏礦的開采模擬中，利用ANSYS對采場的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過合理劃分網(wǎng)格，準(zhǔn)確模擬了采場在不同開采階段的應(yīng)力分布情況，為采場的支護(hù)設(shè)計提供了重要參考。6.2模型建立6.2.1模型參數(shù)確定依據(jù)邢周石膏礦的地質(zhì)條件，包括礦體的賦存狀態(tài)、厚度、傾角以及圍巖的特性等，精確確定模型的材料參數(shù)。在礦體和圍巖的力學(xué)性質(zhì)方面，通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，獲取了準(zhǔn)確的物理力學(xué)參數(shù)。石膏礦石的密度設(shè)定為2.3g/cm3，抗壓強(qiáng)度為15MPa，抗拉強(qiáng)度為1MPa，彈性模量為3GPa，泊松比為0.3；圍巖主要為石灰?guī)r和泥巖，石灰?guī)r的密度為2.7g/cm3，抗壓強(qiáng)度為50MPa，抗拉強(qiáng)度為5MPa，彈性模量為10GPa，泊松比為0.25；泥巖的密度為2.5g/cm3，抗壓強(qiáng)度為10MPa，抗拉強(qiáng)度為0.8MPa，彈性模量為2GPa，泊松比為0.35。在邊界條件的設(shè)定上，考慮到實(shí)際開采情況，模型的底部邊界采用固定約束，限制其在x、y、z三個方向的位移，以模擬巖體底部與深部巖體的連接狀態(tài)，確保模型在底部的穩(wěn)定性。模型的四周邊界采用水平約束，限制x和y方向的位移，同時允許z方向的位移，以反映巖體在水平方向受到周圍巖體的約束，而在垂直方向可因開采活動產(chǎn)生變形的實(shí)際情況。在頂部邊界，施加與上覆巖層自重相對應(yīng)的均布荷載，根據(jù)上覆巖層的厚度和平均密度，計算得出頂部邊界的均布荷載大小，以模擬上覆巖層對開采區(qū)域的壓力作用。6.2.2模型構(gòu)建與驗(yàn)證利用FLAC3D軟件強(qiáng)大的建模功能，根據(jù)確定的模型參數(shù)，構(gòu)建了精確的石膏礦床無底柱分段崩落法開采的三維數(shù)值模型。在模型構(gòu)建過程中，詳細(xì)考慮了礦體的形狀、大小、傾角以及圍巖的分布情況，確保模型能夠真實(shí)地反映邢周石膏礦的實(shí)際地質(zhì)條件。對模型進(jìn)行了合理的網(wǎng)格劃分，在礦體和圍巖的關(guān)鍵區(qū)域，如回采進(jìn)路周圍、礦體與圍巖的接觸部位等，采用了較細(xì)的網(wǎng)格劃分，以提高計算精度，準(zhǔn)確捕捉這些區(qū)域在開采過程中的力學(xué)響應(yīng)變化；而在對計算結(jié)果影響較小的區(qū)域，則采用相對較粗的網(wǎng)格劃分，以減少計算量，提高計算效率。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，將數(shù)值模擬結(jié)果與邢周石膏礦的實(shí)際工程數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)對比。在位移方面，對比了模型計算得到的巷道圍巖位移與現(xiàn)場實(shí)測的巷道圍巖位移數(shù)據(jù)。通過在現(xiàn)場巷道中布置位移監(jiān)測點(diǎn)，定期測量巷道圍巖的位移變化，并將這些實(shí)測數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。在某回采進(jìn)路的監(jiān)測中，現(xiàn)場實(shí)測的巷道頂板位移在開采過程中逐漸增大，最終穩(wěn)定在15mm左右；而模型計算得到的該回采進(jìn)路巷道頂板位移在相同開采條件下，最終穩(wěn)定在13mm左右，兩者的誤差在可接受范圍內(nèi)。在應(yīng)力方面，對比了模型計算得到的礦體和圍巖應(yīng)力分布與現(xiàn)場通過應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備測量得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)。在礦體內(nèi)部和圍巖的不同位置布置應(yīng)力傳感器，實(shí)時監(jiān)測應(yīng)力變化。在礦體的某一開采區(qū)域，現(xiàn)場實(shí)測的最大主應(yīng)力為10MPa，模型計算得到的該區(qū)域最大主應(yīng)力為11MPa，兩者的相對誤差較小，表明模型能夠較好地模擬礦體和圍巖在開采過程中的應(yīng)力分布情況。通過位移和應(yīng)力等多方面的對比分析，驗(yàn)證了所構(gòu)建模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的開采方案優(yōu)化和力學(xué)分析提供了可靠的基礎(chǔ)。6.3模擬結(jié)果分析通過對模擬結(jié)果的分析，深入了解了無底柱分段崩落法開采石膏礦床過程中的力學(xué)響應(yīng)。在應(yīng)力分布方面，隨著開采的進(jìn)行，礦體內(nèi)部的應(yīng)力分布發(fā)生了顯著變化。在開采初期，礦體主要承受自重應(yīng)力和地壓，應(yīng)力分布相對較為均勻。隨著回采進(jìn)路的掘進(jìn)和礦石的崩落，采空區(qū)逐漸形成，采空區(qū)周圍的礦體應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。在回采進(jìn)路的端部和頂部，應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)2.5以上，這表明這些區(qū)域的應(yīng)力水平遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，容易發(fā)生破壞。在邢周石膏礦的模擬中，通過應(yīng)力云圖可以清晰地看到，在采空區(qū)的上盤和下盤，應(yīng)力集中現(xiàn)象也較為突出。上盤的應(yīng)力集中主要是由于上覆巖層的壓力作用，而下盤的應(yīng)力集中則與采空區(qū)的形成和礦體的移動有關(guān)。在開采過程中，需要特別關(guān)注這些應(yīng)力集中區(qū)域，采取相應(yīng)的支護(hù)措施，以保證開采的安全。在位移方面，模擬結(jié)果顯示，隨著開采的推進(jìn)，礦體和圍巖的位移逐漸增大。在采空區(qū)周圍，圍巖的位移尤為明顯，主要表現(xiàn)為向采空區(qū)方向的移動。在回采進(jìn)路的頂板和兩幫，圍巖的位移量較大，最大位移可達(dá)200mm。在邢周石膏礦的開采中，通過對位移數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)位移的大小和分布與開采順序、分段高度等因素密切相關(guān)。合理的開采順序和分段高度可以有效地控制位移的發(fā)展，減少圍巖的變形和破壞。塑性區(qū)的分布也是模擬結(jié)果分析的重要內(nèi)容。在開采過程中，由于應(yīng)力的作用，礦體和圍巖中的部分區(qū)域會進(jìn)入塑性狀態(tài)，形成塑性區(qū)。塑性區(qū)的存在會降低巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，增加開采的安全風(fēng)險。模擬結(jié)果表明，塑性區(qū)主要分布在采空區(qū)周圍、回采進(jìn)路的端部和頂部等應(yīng)力集中區(qū)域。在邢周石膏礦的模擬中，塑性區(qū)的范圍隨著開采的進(jìn)行逐漸擴(kuò)大，當(dāng)塑性區(qū)貫通時，可能會導(dǎo)致圍巖的失穩(wěn)和垮塌。通過對不同開采方案的模擬結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)開采順序?qū)ΦV體穩(wěn)定性和地壓活動有著重要影響。從礦體的一端向另一端推進(jìn)的開采順序，地壓活動相對較為平穩(wěn)，但在開采后期，由于采空區(qū)的不斷擴(kuò)大，地壓可能會突然增大，對開采安全造成威脅。從礦體中部向兩端推進(jìn)的開采順序，地壓活動相對較為復(fù)雜，在開采初期，地壓集中在礦體中部，隨著開采的進(jìn)行，地壓逐漸向兩端轉(zhuǎn)移。在邢周石膏礦的開采中，根據(jù)模擬結(jié)果，選擇了從礦體中部向兩端推進(jìn)的開采順序，并通過合理調(diào)整開采速度和支護(hù)措施，有效地控制了地壓活動，保證了開采的安全。結(jié)構(gòu)參數(shù)對礦石損失貧化和開采效率也有著顯著影響。分段高度過大，會導(dǎo)致礦石的破碎效果不佳，大塊率增加，從而增加礦石的損失貧化。進(jìn)路間距過大，會導(dǎo)致部分礦石無法得到有效的回收，同樣會增加礦石的損失貧化。在邢周石膏礦的開采中，通過對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的模擬分析，確定了分段高度為15m，進(jìn)路間距為10m的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，在保證開采安全的前提下，有效地降低了礦石損失貧化率，提高了開采效率。七、無底柱分段崩落法在石膏礦床開采中的應(yīng)用實(shí)例7.1邢周石膏礦項(xiàng)目概況邢周石膏礦位于河北隆堯雙碑石膏礦區(qū)的中部，地理位置獨(dú)特，交通便利，周邊基礎(chǔ)設(shè)施較為完善，為礦山的開采和運(yùn)營提供了一定的便利條件。該礦以雪花石膏和普通石膏為主，平均品位80％以上，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值。礦體賦存于中奧陶統(tǒng)峰峰組一段地層中，賦存條件較為特殊。礦體呈層狀產(chǎn)出，走向近東西，傾向北西，傾角約為15°-25°，屬于緩傾斜礦體。礦體厚度相對穩(wěn)定，平均厚度約為58.72m，局部地段受地質(zhì)構(gòu)造影響，厚度有所變化，最大厚度可達(dá)68.22m，最小厚度為9.94m。這種礦體形態(tài)和規(guī)模在石膏礦床中具有一定的代表性，對研究無底柱分段崩落法在緩傾斜極厚礦體中的應(yīng)用具有重要意義。從礦區(qū)地質(zhì)條件來看，礦層及其頂?shù)装宥酁槟囝悗r層，遇水后很快會崩解和泥化，強(qiáng)度和穩(wěn)固性較差。上部覆蓋有約70m厚的第四系松散沉積物，工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜。第四系粘土層和亞粘土層分布于各含水層之間，厚度不等，一般5-30m，透水性弱，可視為隔水層。下第三系石膏礦層及其頂板泥巖，致密不透水；各礦層底板泥巖，厚度10-80m，巖性致密，構(gòu)成不同程度的良好隔水層，為簡單水文地質(zhì)類型。對石膏礦石進(jìn)行采樣試驗(yàn)，結(jié)果顯示其抗壓強(qiáng)度平均為23.3MPa，接近半堅固巖石；礦石遇水后強(qiáng)度變化不大，軟化系數(shù)0.81-1，強(qiáng)度相對較高。然而，礦層頂?shù)装宓哪鄮r除具有強(qiáng)度低的特性外，遇水后很快崩解和泥化，表現(xiàn)為粘性土的特征。這些地質(zhì)條件對開采方法的選擇和開采過程中的穩(wěn)定性控制提出了較高的要求。7.2無底柱分段崩落法的應(yīng)用方案在邢周石膏礦的開采中，采用無底柱分段崩落法時，對礦塊進(jìn)行了合理劃分。根據(jù)礦體的厚度、傾角以及開采設(shè)備的性能等因素，將礦塊沿走向劃分為若干個分段，每個分段的長度為50m。在垂直方向上，分段高度確定為15m，這樣的分段高度既能保證礦石的有效崩落和運(yùn)搬，又能控制開采成本和安全風(fēng)險。在一288水平和一301水平的礦塊中，分別按照上述參數(shù)進(jìn)行了分段劃分，為后續(xù)的開采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)路布置采用了在分段聯(lián)絡(luò)巷道位于礦體下盤，每隔10m掘進(jìn)一條回采進(jìn)路的方式，上下分段的回采進(jìn)路呈菱形布置。這種布置方式能夠使礦石的崩落和運(yùn)搬更加順暢，提高開采效率。在一288水平的分段中，共布置了10條回采進(jìn)路，按照菱形布置，有效地保證了礦石的回收和開采的安全性。在爆破設(shè)計方面，根據(jù)石膏礦的物理力學(xué)性質(zhì)和礦體的賦存條件，選擇了合適的爆破參數(shù)。炸藥單耗確定為0.5kg/m3，這個炸藥單耗能夠在保證礦石破碎效果的前提下，減少對圍巖的破壞，降低礦石損失貧化率。炮孔布置采用扇形布置，邊孔角為50°，最小抵抗線為1.0m。這種炮孔布置方式能夠使炸藥的能量更均勻地作用于礦石，提高礦石的破碎均勻性。起爆方式采用毫秒延期起爆，延期時間為25ms。通過這種起爆方式，減少了爆破震動，使礦石破碎更加均勻，提高了開采的安全性。在實(shí)際爆破作業(yè)中，嚴(yán)格按照設(shè)計的爆破參數(shù)進(jìn)行操作，確保了爆破效果和開采安全。在開采過程中，采用從礦體中部向兩端推進(jìn)的開采順序。這種開采順序能夠使地壓活動相對較為平穩(wěn)，便于控制。在一288水平的開采中，先從礦體中部的回采進(jìn)路開始進(jìn)行爆破和出礦作業(yè)，隨著開采的推進(jìn)，逐漸向兩端的回采進(jìn)路擴(kuò)展，有效地控制了地壓活動，保證了開采的順利進(jìn)行。7.3應(yīng)用效果分析在回采率方面，應(yīng)用無底柱分段崩落法后，邢周石膏礦的回采率得到了顯著提高。傳統(tǒng)房柱法開采時，由于需要留下大量礦柱支撐采空區(qū)，回采率僅能達(dá)到10%左右。而采用無底柱分段崩落法后，通過合理的礦塊劃分、進(jìn)路布置和開采順序，減少了礦石的損失，回采率提高到了70%以上。在一288水平和一301水平的礦塊開采中，通過對開采過程的嚴(yán)格控制和參數(shù)優(yōu)化，實(shí)際回采率達(dá)到了72%，相比傳統(tǒng)房柱法，回采率提高了62個百分點(diǎn)，有效地減少了資源浪費(fèi)，提高了資源利用率。在貧化率方面，雖然無底柱分段崩落法在出礦過程中，由于崩落圍巖的混入，會導(dǎo)致一定程度的貧化，但通過合理的爆破參數(shù)設(shè)計和出礦管理，貧化率得到了有效控制。在應(yīng)用該方法之前，房柱法開采由于采空區(qū)管理不善等原因，貧化率較高。而在邢周石膏礦采用無底柱分段崩落法后，通過精確控制爆破參數(shù)，使礦石的破碎效果更加均勻，減少了大塊礦石和細(xì)粒礦石的產(chǎn)生，降低了崩落圍巖的混入概率。同時，在出礦過程中，采用科學(xué)的放礦制度，嚴(yán)格控制放礦量和放礦順序，避免了過度放礦導(dǎo)致的貧化增加。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計，貧化率控制在了15%以內(nèi)，相比應(yīng)用前有了明顯降低，保證了礦石的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。從安全生產(chǎn)角度來看，無底柱分段崩落法在邢周石膏礦的應(yīng)用顯著提升了開采的安全性。傳統(tǒng)房柱法開采時，隨著采空區(qū)的不斷擴(kuò)大，地壓活動日益頻繁，采空區(qū)坍塌事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的生命安全。在2003年11月10日晚9時左右，河北隆堯縣邢隆石膏礦采用房柱法開采發(fā)生采空區(qū)塌陷事故，地表塌陷面積估算約6萬㎡，導(dǎo)致5人被埋；2005年11月6日19時4