馬金亞，廖九波 ，王筱添

(1.湖南有色黃沙坪礦業(yè)有限公司， 湖南 郴州市 423000； 2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012； 3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

0 引言

地下金屬礦開采作為國家工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)，對于各行各業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)有著不可替代的重要作用。采礦行業(yè)是一個具有較大危險性的行業(yè)，存在的安全風(fēng)險點(diǎn)較多，在開展采礦作業(yè)時，需要將存在的安全風(fēng)險點(diǎn)排除，以獲得良好的作業(yè)環(huán)境。地下礦山采礦作業(yè)風(fēng)險來源影響最大的是采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)，礦體開采后，采場是否能維持穩(wěn)定是安全作業(yè)的關(guān)鍵性因素。因此選擇安全性最好、經(jīng)濟(jì)效益最大的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是決定礦山企業(yè)經(jīng)營好壞的根本。

礦房長度、間柱寬度、頂柱厚度和底部結(jié)構(gòu)等是地下礦山采場結(jié)構(gòu)的主要組成部分。針對上述采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，已經(jīng)有眾多的學(xué)者開展了相關(guān)的研究。胡建非等[1]建立了基于博弈論-改進(jìn)TOPSIS的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型；楊海彬等[2]對某金礦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序進(jìn)行了優(yōu)化研究；焦國芮 等[3]針對緩傾斜極薄礦體的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究；陳暉等[4]研究了“三軟”條件下某金礦采場的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)；郝益民等[5]以金山店鐵礦為工程背景，結(jié)合理論計算與數(shù)值模擬得出了既能保證采場穩(wěn)定，又能兼顧高效生產(chǎn)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)；張明天等[6]采用3D-σ有限元軟件對不同跨度頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，優(yōu)化了礦段的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)；龔原等[7]將熵權(quán)-理想點(diǎn)法評價模型引入采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究；周樂等[8]將充填體力學(xué)問題簡化為平面應(yīng)變問題,推導(dǎo)出充填體在一側(cè)暴露情況下的底部剪應(yīng)力表達(dá)式，提出一種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化方式；歐任澤等[9]為解決地下礦山安全隱患的問題，利用3D-σ有限元法對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究；孫國文等[10]對松湖鐵礦無底柱分段 崩落法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提升了礦石總回 采率。

為獲取合理可行的地下礦山采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用FLAC3D模擬軟件進(jìn)行模擬試驗(yàn)，對黃沙坪礦區(qū)鎢鉬厚大礦體采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 礦山概況

黃沙坪礦業(yè)主要回采鉛鋅礦石，探明的鉛鋅礦體厚度較薄，價值高。經(jīng)前期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比，選擇了上向水平分層廢石充填采礦法回采鉛鋅礦石。上向水平分層廢石充填采礦法回采鉛鋅礦石可有效提升礦石的回采率，降低礦石貧化率。但是該方法存在生產(chǎn)成本與管理費(fèi)用較高、生產(chǎn)效率較低等問題。

近年來，黃沙坪礦區(qū)深部的探礦發(fā)現(xiàn)了大量的鎢鉬礦石，以探明的W216-4礦體為例，其鎢鉬多金屬礦石量1 823 197 t，平均品位為WO3：0.35%，Mo：0.05%，Bi：0.06%，F(xiàn)e：19.92%，CaF2：27.61%， 傾角為70°～88°，平均厚度為63 m，礦區(qū)水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件和環(huán)境地質(zhì)條件均為中等類型。由此可知，探明的鎢鉬礦石賦存條件良好，礦體厚大、品位較高，綜合價值較高，資源儲量可靠，具備開發(fā)價值。黃沙坪礦區(qū)鎢鉬厚大礦體賦存條件好，可采用階段空場嗣后充填采礦法回采礦石。

針對上述問題，應(yīng)在目前的市場行情和開采技術(shù)條件下，通過采礦方法的研究和優(yōu)化，選擇合適的采礦方法，有效控制和降低生產(chǎn)成本，提高資源回收率，提高采礦效率，保障井下回采安全，保證企業(yè)的利潤?；诖?，本文對黃沙坪礦區(qū)厚大礦體采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究。

2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬

2.1 模擬計算方案

針對黃沙坪礦業(yè)的工程實(shí)際，進(jìn)行數(shù)值模擬分析。沿走向布置分段鑿巖階段空場嗣后充填法，主要針對礦房長度、礦柱寬度、頂柱厚度3個決定采場穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，頂柱留設(shè)在兩個采場之間，上部和下部采場采高均為80 m。

根據(jù)前述分析，沿走向布置選取礦房長度、間柱寬度、頂柱厚度作為正交試驗(yàn)的3個因素，每個因素4個水平；針對垂直走向布置選取一步驟礦房寬度、二步驟礦柱寬度、頂柱厚度作為正交試驗(yàn)的3個因素，每個因素4個水平，因素和水平選取見表1。

表1 正交數(shù)值模擬試驗(yàn)因素和水平

2.2 巖石力學(xué)參數(shù)選取

黃沙坪礦區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)來源為取自黃沙坪礦區(qū)的巖體進(jìn)行的巖石力學(xué)參數(shù)特性室內(nèi)試驗(yàn)所得結(jié)果，巖石力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 綜合分析

各因素對采場穩(wěn)定性的影響見表3，分析結(jié)果中的數(shù)值越大代表采場越不穩(wěn)定。

表3 多指標(biāo)綜合直觀分析（無量綱）

從表3可以看出，礦房長度的極差最大，對采場的穩(wěn)定性影響最大，礦房長度越大采場越不穩(wěn)定；礦柱寬度和頂柱厚度對采場穩(wěn)定性影響的敏感性相近。隨著礦房長度的增大，采場的穩(wěn)定性逐漸降低；隨著礦柱寬度的增大，采場的穩(wěn)定性逐漸提高；頂柱厚度對采場穩(wěn)定性的影響非常小，且沒有明顯的規(guī)律。

3.2 間柱壓應(yīng)力分析

間柱壓應(yīng)力直觀分析見表4。

表4 間柱壓應(yīng)力分析

從表4可知，礦柱寬度的極差最大，說明礦房寬度對壓應(yīng)力的影響最大，并且隨礦柱寬度越大，間柱壓應(yīng)力越??；其次為礦房長度，礦房長度越大，間柱壓應(yīng)力越大；頂柱厚度對壓應(yīng)力大小的影響相對較小。在各采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合下，間柱壓應(yīng)力的變化范圍為21～24 MPa，并未產(chǎn)生過大的壓應(yīng)力。故所選取的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)組合均可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的要求。

3.3 頂板沉降位移分析

各方案礦房回采后的頂、底板豎向位移見表5。由表5可知，礦房長度的極差最大，說明礦房長度對頂板沉降變形的影響最大、最敏感；其次為礦柱寬度的影響；而頂柱厚度對頂板沉降變形的影響程度非常小。

表5 頂板沉降變形分析

根據(jù)以上分析認(rèn)為，礦房長度是對頂板沉降變形影響最大的因素，并且頂板沉降位移隨礦房寬度的增大而增大。因此，為確?；夭傻V石的穩(wěn)定性，不應(yīng)選取較大的礦房長度，但是礦房長度越大，采出的礦石量越多，故應(yīng)在采場穩(wěn)定性與采出礦石的控制下取臨界值。

3.4 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇

根據(jù)容許極限位移量判據(jù)可知，小于30 mm的位移對采場穩(wěn)定性基本不構(gòu)成影響。礦房長度為50 m時，采場頂板沉降位移非常接近30 mm，因此，兼顧采下礦石量與采場穩(wěn)定性的考慮，礦房長度應(yīng)選取50 m。

根據(jù)上述影響程度分析，頂板沉降隨礦柱寬度的增大而減小，礦柱寬度越大，礦石的損失率越大。因此，兼顧采場穩(wěn)定性與礦石回采率，礦柱寬度應(yīng)可同時滿足上述兩點(diǎn)要求。根據(jù)模擬結(jié)果，礦柱寬度在8～12 m范圍內(nèi)時，頂板沉降均小于30 mm，故選取8 m的間柱寬度可以滿足穩(wěn)定性的要求，同時間柱寬度取8 m，礦石的回采率也最大，故建議礦柱寬度為8 m。

頂柱厚度對間柱壓應(yīng)力的影響為先減小后增大，最優(yōu)頂板厚度為5 m。

4 結(jié)論

（1）針對某礦山鎢鉬厚大礦體采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬采場開采的穩(wěn)定性情況，得出了不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)基于數(shù)值模擬的試驗(yàn)結(jié)果。

（2）礦房長度與頂板沉降位移的關(guān)系為正相關(guān)；間柱寬度與頂板沉降位移的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，即間柱寬度越大，其頂板的沉降位移越小，采場越穩(wěn)定；頂柱厚度與頂板沉降位移的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，即頂柱厚度越大，其頂板的沉降位移越小，采場越穩(wěn)定。

（3）礦房寬度對間柱壓應(yīng)力的影響最大，并且隨礦柱寬度越大，間柱壓應(yīng)力越?。黄浯螢榈V房長度，礦房長度越大，間柱壓應(yīng)力越大；頂柱厚度對壓應(yīng)力大小的影響相對較小。

（3）根據(jù)正交數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果，對采場穩(wěn)定性綜合影響程度排序?yàn)椋旱V房長度＞間柱寬度＞頂柱厚度。

（4）根據(jù)正交數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果，確定了合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)：礦塊沿走向布置，礦塊長度為50 m、間柱寬度為8 m、頂柱厚度為5 m。