杜永亮，包東程

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紅嶺鉛鋅礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬與優(yōu)化*

杜永亮，包東程

(赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰市 025400)

為優(yōu)化紅嶺鉛鋅礦階段空場采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，選取采場長度、間柱寬度和頂柱厚度3個因素，每個因素取3個水平，用正交試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)了9個數(shù)值模擬方案。對每一個方案用Midas耦合Flac3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，揭示了用不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)開采過程中采場最大主應(yīng)力、z方向最大位移、間柱和頂柱塑性區(qū)貫通狀況等力學(xué)演化規(guī)律。研究結(jié)果表明，頂柱安全厚度隨采場長度增加而增高，最大主應(yīng)力位置發(fā)生在采場角點(diǎn)位置，最大位移位于采場頂板中央，若間柱發(fā)生破壞，上盤圍巖最大位移會向間柱方向移動，相鄰兩礦房塑性區(qū)有貫通的趨勢。綜合分析9個方案的數(shù)值模擬結(jié)果，考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性，采場長度50 m、間柱寬度10 m、頂柱厚度15 m為紅嶺鉛鋅礦最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

紅嶺鉛鋅礦；正交試驗(yàn)；數(shù)值模擬；采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

0 引 言

采礦方法是礦山生產(chǎn)安全開采的核心，而采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是采礦方法的關(guān)鍵技術(shù)，因此研究科學(xué)合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)對礦山安全高效生產(chǎn)意義重大。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了大量研究：如蘇先鋒等[1]采用彈塑性理論和ANSYS有限元軟件對某銅鐵礦二期工程的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究；仵鋒鋒[2]采用Flac對采場跨度進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化，得到某礦山最優(yōu)采場跨度為10 m；譚軍等[3]對凡口鉛鋅礦盤區(qū)機(jī)械化上向中深孔回采嗣后充填采礦法進(jìn)行采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值優(yōu)化分析；毛貴林[4]基于Midas/GTS對上向水平分層充填法結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；劉澤州等[5]采用數(shù)值模擬對采場永久礦柱寬度進(jìn)行了優(yōu)化研究；成涌等[6]對銅綠山盤區(qū)機(jī)械化上向中深孔高分層充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究；陳敏等[7]采用數(shù)值模擬對某石灰?guī)r礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究；葉樹學(xué)等[8]對某鋁土礦極限采場跨度進(jìn)行數(shù)值分析等。上述學(xué)者采用的研究手段主要為數(shù)值模擬方法，且取得了良好的效果，表明數(shù)值模擬方法研究和優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)具有一定的實(shí)用性。

為確定紅嶺鉛鋅礦階段空場采礦法最佳采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文采用正交試驗(yàn)原理和Midas-Flac3D耦合數(shù)值模擬方法，優(yōu)化得出了紅嶺鉛鋅礦階段空場嗣后充填采礦法采場合理結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保了紅嶺鉛鋅礦安全高效開采。

1 數(shù)值模擬計(jì)算方案

紅嶺鉛鋅礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市北部巴林左旗境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬烏蘭達(dá)壩蘇木管轄。礦區(qū)礦石平均地質(zhì)品位：鋅2.11%，鉛0.20%，銅0.06%，鐵20.83%。礦區(qū)全長5700 m，地表標(biāo)高+1200 m，礦體賦存于+630~+1110 m標(biāo)高，最大延深480 m，礦體總體走向北東59°，傾向北西，傾角60°~80°，平均傾角75°。礦體厚度較大，一般厚度為15~50 m，平均約30 m左右。鉛鋅礦石體重為3.5 t/m3，鐵礦石體重為3.7 t/m3，巖石體重為2.7 t/m3；硬度系數(shù)：鉛鋅礦石=8~ 12，鐵礦石=10~16，巖石=8~10；松散系數(shù)為1.5；自然安息角為39°。礦體和圍巖穩(wěn)固性好，節(jié)理裂隙發(fā)育程度較低，局部構(gòu)造破壞可致穩(wěn)固性較差。礦體品位分布均勻，礦巖邊界清晰。礦山目前采用的采礦方法為沿走向布置階段空場采礦法，中段高度為50 m，依據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)采場長度為40～60 m、間柱寬度為15～25 m、頂柱厚度為5～15 m，經(jīng)驗(yàn)法確定的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)造成采場穩(wěn)定性難以保障、采礦貧化損失難以控制等技術(shù)難題，因此有必要研究確定紅嶺鉛鋅礦合理采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，為礦山安全開采提供科學(xué)依據(jù)。

本文采用正交試驗(yàn)法對紅嶺礦區(qū)階段空場法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，取采場長度、間柱寬度和頂柱厚度3個因素，每個因素取3個水平，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)因素和各因素水平確定如表1，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬方案的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2所示。

表1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)因素水平表

表2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬正交試驗(yàn)方案

2 數(shù)值模擬模型與力學(xué)參數(shù)

根據(jù)紅嶺鉛鋅礦開采條件，用Midas-Flac3D耦合分析法，建立紅嶺鉛鋅礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬數(shù)值模型，如圖1所示。由于開挖影響范圍為開挖尺寸的3～5倍，確定模型尺寸為寬300 m，高300 m，長度依據(jù)采場長度相應(yīng)調(diào)整。

(a)總體數(shù)值模型；(b)間柱和頂柱

通過巖石力學(xué)參數(shù)測試分析，得到礦山巖體力學(xué)參數(shù)如表3所示。礦區(qū)地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，水平最大主應(yīng)力隨埋深的增加而增大，隨深度呈現(xiàn)線性增長關(guān)系，不同深度最大水平主應(yīng)力的方位一致性較好，均為北東方向，最大主方向大致平行于礦體走向。垂直方向主應(yīng)力隨埋深的增加而增大，整體上大致呈線性增長趨勢。最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和垂直應(yīng)力與深度關(guān)系如下：

表3 紅嶺鉛鋅礦巖體力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果及最佳采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

對正交試驗(yàn)中9個方案進(jìn)行數(shù)值模擬，并記錄9個方案數(shù)值模擬結(jié)果中礦房開挖后采場最大主應(yīng)力、最大位移、間柱塑性區(qū)是否貫通及頂柱塑性區(qū)是否貫通4項(xiàng)指標(biāo)，各方案數(shù)值模擬結(jié)果如表4所示。

表4 各方案數(shù)值模擬結(jié)果

各方案數(shù)值模擬結(jié)果表明，方案3和方案5間柱塑性區(qū)和頂柱塑性區(qū)均未發(fā)生貫通破壞，表明采場長度40 m，間柱寬度15 m，頂柱厚度15 m和采場長度50 m，間柱寬度10 m，頂柱厚度15 m時，采場受力狀況較佳，可以保證回采的安全。

模擬結(jié)果中方案5間柱塑性區(qū)、頂柱塑性區(qū)、z方向位移及最大主應(yīng)力分布如圖2～圖5所示。

圖2 方案5間柱塑性區(qū)分布

圖3 方案5間柱塑性區(qū)分布

圖4 方案5位移云圖

圖5 方案5應(yīng)力云圖

從圖2和圖3可以看出，方案5間柱和頂柱塑性區(qū)呈零星分布，并未貫通，表明方案5采場結(jié)構(gòu)參數(shù)能保證回采安全。從圖4可以看出頂柱最大沉降發(fā)生在頂板中央位置，底部最大鼓起位置也在采場中央。從圖5可以看出采場邊角位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中，表明采場邊角位置易發(fā)生局部塑性破壞。

從表4可以看出，在礦房長度50m以下時，間柱寬度10m，頂柱厚度15m可保證礦房安全回采，在采場長度60m時，間柱寬度需15m才不發(fā)生塑性破壞，而頂柱厚度15m仍無法保證回采安全。在正交試驗(yàn)的9個方案中，方案3和方案5可以保證礦房回采安全，但方案5采場長度稍長，可以減少采切工程量，回采效率更高，經(jīng)濟(jì)性較好，故確定方案5為最優(yōu)方案，即采場長度確定為50m，間柱寬度確定為10m，頂柱厚度確定為15m。

4 結(jié) 論

(1) 針對紅嶺礦區(qū)階段空場采礦法，選取了采場長度，間柱寬度和頂柱厚度3個因素，每個因素取3個水平，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)了9個數(shù)值模擬方案，采用Midas耦合Flac3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，綜合分析了不同開采技術(shù)方案的采場最大主應(yīng)力和z方向最大位移演化規(guī)律，揭示了不同開采技術(shù)方案間柱和頂柱塑性區(qū)分布特征及貫通狀況。研究結(jié)果表明，頂柱安全厚度隨采場長度增加而增高，最大主應(yīng)力位置發(fā)生在礦房邊角位置，最大位移位置發(fā)生在采場頂板中央，間柱寬度過小，將導(dǎo)致間柱塑性區(qū)連通，相鄰兩礦房裂隙貫通，導(dǎo)致間柱破壞。

(2) 9個不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在礦房長度50m、間柱寬度10m、頂柱厚度15m時可保證礦房安全回采，在采場長度60m時，間柱寬度需15m才不發(fā)生塑性破壞。方案3和方案5可以保證礦房回采的安全，但方案5采場長度稍長，經(jīng)濟(jì)性較好，故方案5為最優(yōu)方案，即紅嶺鉛鋅礦階段空場采礦法最佳采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為：采場長度50m，間柱寬度10m，頂柱厚度15m。

[1] 蘇先鋒,陳順滿.某銅鐵礦二期工程采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].采礦技術(shù),2016,16(2):18?21.

[2] 仵鋒鋒.分段崩礦階段空場嗣后充填采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬研究[J].采礦技術(shù),2015,15(5):9?12.

[3] 譚 軍,史秀志,陳佳耀.基于數(shù)值分析的中深孔爆破采場結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].采礦技術(shù),2016,16(6):3?6.

[4] 毛貴林.基于MIDAS/GTS的上向水平分層充填法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].采礦技術(shù),2018,18(2):3?5.

[5] 劉澤洲,雷 明.基于數(shù)值模擬的采場永久礦柱寬度優(yōu)化研究[J].采礦技術(shù),2017,17(3):13?15.

[6] 成 涌,戴宏輝,周科禮,等.盤區(qū)機(jī)械化上向中深孔高分層充填法在銅綠山礦的應(yīng)用[J].采礦技術(shù),2015,15(6):3?4.

[7] 陳 敏,史秀志.某石灰?guī)r礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬研究[J].采礦技術(shù),2015(1):16?17.

[8] 葉樹學(xué),陶 磊,胡京濤.采場跨度優(yōu)化數(shù)值模擬研究[J].采礦技術(shù),2017,17(3):10?12.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51674288).

(2018?07?15)

杜永亮(1987—)，男，工程師，主要采礦技術(shù)研究，Email: 546172125@qq.com。