采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的數(shù)值模擬研究

葉加冕, 蔣京名, 王李管, 馮興隆

(1.昆明冶金高等專科學校冶金與礦業(yè)學院, 云南 昆明 650033;2.昆明理工大學國土資源工程學院, 云南 昆明 650093;3.長沙迪邁信息科技有限公司， 湖南 長沙 410083)

隨著國內(nèi)絕大多數(shù)地下金屬礦山淺部礦體的開采完畢，采礦地點的深部延深，開采規(guī)模的不斷擴大和開采難度的逐漸增加，經(jīng)驗類比法已不再適用。為了保證開采的安全，提高開采的效益和效率，必須進行定量計算和分析，通過定量的計算、分析、比較，確定合理的開采方法、采場結(jié)構(gòu)、開采順序等，從而實現(xiàn)采礦決策科學化和設(shè)計優(yōu)化。[1]近年發(fā)展的三維有限元數(shù)值模擬分析法結(jié)合計算機應用技術(shù)，在采場結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化方面，主要用于解決采場穩(wěn)定性問題，用于模擬采礦開挖過程中的圍巖應力及變形情況，解決采礦工程中的巖石力學問題，以便為設(shè)計和施工提供可靠的定量依據(jù)。[2]通過選取所要研究的采場結(jié)構(gòu)，并建立力學模型，對其進行數(shù)值模擬和計算，分析其在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的應力、應變、位移等特性，最終確定最優(yōu)的采礦方案。

1 塘子凹32-3#礦體地質(zhì)條件及開采技術(shù)條件

32-3#礦體屬于矽卡巖型錫銅多金屬硫化物礦床。地層主要為中三疊統(tǒng)個舊組中部碳酸鹽巖，由上到下劃分為：深灰色、灰色厚層狀白云巖和灰色中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖與石灰?guī)r互層，及灰色中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖與石灰?guī)r互層。并有四組斷裂相交。該礦體埋藏較深，距地表645.7m，允許陷落。礦體賦存標高為1829～1880m，礦體呈層狀、囊狀產(chǎn)出。礦體走向NE，長約120m，傾向NW，傾角為50～70°，總體由SW向NE側(cè)伏，側(cè)伏角20～30°，礦體水平厚度10～50m，南部較薄而平緩，北部厚大而陡傾。礦石類型主要為硫化礦，其次為矽卡巖硫化礦。32-3#礦體雖然賦存標高為1829～1880m，然而1850m以上已采用分段空場法進行回采，目前回采空區(qū)已冒落，且已形成面積達970m2的空區(qū)。

2 基于可視化平臺的采礦方案優(yōu)化與選擇

根據(jù)塘子凹32-3#礦體的開采技術(shù)條件，選擇經(jīng)濟合理、技術(shù)上可行的采礦方案，進行初步的采切工程設(shè)計；并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建詳細反映地質(zhì)條件的三維模型，為有限元分析軟件3D-σ的前處理模型。通過數(shù)值模擬和分析手段，對冒落空區(qū)之下的塘子凹32-3#礦體的安全開采問題進行研究，從而確定礦塊與其內(nèi)部所劃采場的合理回采順序，以及采場的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 采礦方案技術(shù)經(jīng)濟比較和選擇

根據(jù)32-3#礦體的開采技術(shù)條件，可以提出如下2種采礦方法的初選方案：①有底柱礦房空場、礦柱充填聯(lián)合采礦法；②有底柱礦房空場、礦柱崩落聯(lián)合采礦法。

對上述兩個方案進行技術(shù)經(jīng)濟指標比較可以得出，雖然表面上看方案二有底柱礦房空場，礦柱崩落法的原礦成本低，但相應的出礦品位也低，最終獲得的金屬量較少。而方案一的原礦成本相對高，但獲得的金屬量較多，最終獲得的產(chǎn)品銷售利潤總額比方案二的總額也多。綜合以上的分析，采礦方法，確定采用“方案一”。

2.2 礦塊和采場劃分

根據(jù)礦體形狀，將該礦體沿走向劃分為三個礦塊：“礦塊一”位于礦體的西邊，長約有20m，向西逐漸尖滅；“礦塊二”位于礦體中部、冒落空區(qū)下部，長68m，是該礦體的厚大部位；“礦塊三”位于礦體的東部，逐漸向東北部延伸，與北部32#礦體相連。由于“礦塊一”和“礦塊三”位于該礦體邊部且規(guī)模較小，故以厚大的“礦塊二”為主。

在“礦塊二”中部，沿走向布置一條長75m、寬5m的間柱，將該礦塊劃分為南北兩個部份，再沿垂直走向?qū)⒛媳眱刹糠职吹染嚅g隔劃分成礦柱和礦房。礦房頂部距冒落采空區(qū)預留5m作為頂柱，為防止開采中礦體上盤花崗巖混入采區(qū)，造成礦石貧化或發(fā)生冒落等安全威脅，在北部上盤預留2～3m的壁柱，在礦體底部留5～6m的底柱以布置出礦漏斗。

2.3 模擬方案

本次模擬計算共采用五種方案。各方案及其特點如表1所示。

表1 回采順序方案及其采場參數(shù)

2.3.1 三維有限元數(shù)值模擬的基本思路

為了研究采場連續(xù)回采的穩(wěn)定性，并確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序，必須采用數(shù)值模擬的方法，定量地計算和分析回采過程中，采場圍巖中的應力、位移和塑性區(qū)的分布狀況，確定它們隨每步回采的動態(tài)變化過程，從而對采場圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)做出判斷；通過多方案的計算和分析，比較不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同的回采順序和不同的支護條件下的圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)，就可以做出優(yōu)化的開采設(shè)計，確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、合理的開采順序和支護結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而在保證生產(chǎn)安全的前提下，最大限度地減少開采成本，提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益。[3]

2.3.2 計算模型

(1)模型選取

根據(jù)32-3#礦體的特點和采場布置形式，結(jié)合巖石力學相關(guān)理論，建立三維有限元模型，模型長×寬×高為 1550m×670m×957m，即沿礦體走向取1550m(模型中z方向)，垂直礦體走向取670m(x方向)，沿垂直方向取957m(y方向)。首先，對上述區(qū)域在Dimine軟件中建立三維模型，然后通過編制的Dimine to 3D Sigma接口程序，將其轉(zhuǎn)變?yōu)?D-σ模型，共計43671 個節(jié)點，9724個20節(jié)點三維等參元單元。單元網(wǎng)格劃分及礦體模型圖，分別見圖1和圖2所示。

圖1 三維有限元計算機模型網(wǎng)格剖分圖

(2)邊界約束

模型邊界采取位移約束。由于采動影響范圍有限，在離采場較遠處巖體位移值將很小，可將計算模型邊界處位移視為零。因此，計算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節(jié)點采用x、y、z三個方向約束，xy所在平面采用z方向約束，yz所在平面采用x方向約束。

(3)地應力設(shè)置

由于實驗采場距地表深度已有600多m，根據(jù)國內(nèi)外工程實測經(jīng)驗[4]可以認為，該采場圍巖中，地應力水平應力與垂直應力分量相差不大。本文以水平應力略大于垂直應力(λ=1.2，云錫研究設(shè)計院等建議采用λ=1～1.2)為地應力模擬的依據(jù)。

圖2 計算機模擬礦體形態(tài)及間柱位置圖(同一模型不同的側(cè)面)

(4)計算所采用的巖體理學參數(shù)

計算參數(shù)和計算模型, 是數(shù)值計算結(jié)果可靠性的關(guān)鍵。為了此次計算參數(shù)的合理選擇, 搜集了針對塘子凹礦區(qū)進行的多次巖石力學試驗研究工作的研究成果，見表2。在此基礎(chǔ)上, 確定了塘子凹區(qū)礦巖的力學參數(shù)。

表2 采選分公司32-3#礦體礦巖物理力學性質(zhì)試驗結(jié)果匯總

2.3.3 回采順序的確定

通過模擬與分析前三個方案的采場直接頂板最大主應力分布、底板最大主應力分布、充填礦柱和間柱的最大主應力分布，來確定該礦體最佳回采順序。采場開采結(jié)束后，采場內(nèi)的應力、位移計算結(jié)果見表3。

從表3和圖3～圖5可以看出，在應力分布狀態(tài)中，頂板最大主應力最為重要，因其對采場穩(wěn)定性的影響最大，充填礦柱、間柱應力也比較重要。從表3中所列的應力分布狀態(tài)來看，方案二最好。在圍巖位移狀態(tài)中，垂直位移，比水平位移重要，因為過量的垂直位移將導致頂板冒落和地表沉陷。因此，從位移狀態(tài)來看，方案二要優(yōu)于其它兩個方案。

經(jīng)過上述兩方面對三個方案的比較，可以得出：方案二優(yōu)于方案一和方案三，合理的開采順序為按一、二、三礦塊的順序由西向東順序回采。其中主礦塊(礦塊二)以間柱為界，將礦塊劃分為南北兩部分，從西向東交替回采位于間柱南北的2個礦房，先南后北回采，直至整個礦塊采完。

表3 開采結(jié)束后的采場應力、位移結(jié)果

2.3.4 采場合理結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

在確定了該礦體最佳的回采順序后，現(xiàn)在將針對最佳順序，通過調(diào)整采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，制定新的模擬方案(即方案二、方案四、方案五)，進行進一步模擬，以確定合理采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。由于步驟較多，只對關(guān)鍵步驟進行比較。即：選擇“礦塊二”開采初期(第7步開采——南部第一個礦房開采)、中期(第10步——北部第一個礦房開采)與末期(第13步——北部最后一個礦房開采)三個階段，對三種方案的直接頂板、底板與充填礦柱，從應力、位移分布等兩個方面進行比較，并確定最佳合理參數(shù)。

(1)第7步開采后的結(jié)果比較與分析

第7步開采后的應力、位移值見表4、圖6、圖7。

表4 第七步開采后的應力、位移值

圖3 方案一開采末期頂板最大主應力分布

圖4 方案二開采末期頂板最大主應力分布

圖5 方案三開采末期頂板最大主應力分布

圖6 第7步開挖后間柱的最大主應力分布圖

圖7 第7步開挖后礦柱的最大主應力分布圖

從圖6、圖7中可以看出，三個方案應力等值線圖的形式大致相似，都是在邊角部位產(chǎn)生了應力集中。但由于南部一個礦房的開采，礦柱和間柱上的應力發(fā)生了轉(zhuǎn)移，使得間柱產(chǎn)生了拉伸破壞。從表4中可以得出，方案二的礦柱和間柱的最大壓應力、最大拉應力都小于其它兩個方案。綜合間柱、礦柱的垂直方向位移來看，方案二要優(yōu)于其它兩個方案。

(2)第10步開采后的結(jié)果比較與分析

第10步開采后的應力、位移值見表5。

表5 第十步開采后的應力、位移值

第10步開采后，礦房的最大主應力分布來看，最大主應力等值線基本相似，都在相同的部位產(chǎn)生了拉應力。從表5中應力結(jié)果來看，方案二明顯優(yōu)于方案四和方案五。從礦房直接頂板的垂直方向最大位移分布來看，在“礦塊一”和開挖礦房的中部，都產(chǎn)生了較大的位移。三種方案相差不是很大，方案二稍好一些。

從表5可以看出，由礦柱和間柱內(nèi)的最大壓應力來看，方案二優(yōu)于方案四和方案五；但從位移方面看，方案四較好。從總體上的分析來看，雖然在某部位的某一方面，方案二略差于其他方案，但在大部分方面，方案二還是占優(yōu)的。

(3)第13步開采后的結(jié)果比較與分析

第13步開采后的應力、位移值見表6。

表6 第13步開采后的應力、位移值

第13步開采后，方案二和方案四產(chǎn)生的最大壓應力區(qū)域一致，都在北部最后一個礦房的邊部；方案五則產(chǎn)生在北部第2個礦房直接頂板的中部。頂板產(chǎn)生拉應力的地方相似。從表6中拉應力來看，方案五要好，但從壓應力集中情況和最大值可以看出，方案二要好于方案四跟方案五。另外，從直接頂板最大位移和充填礦柱、間柱最大位移值，也可以得出方案二優(yōu)于其他兩個方案。

綜合第7、10、13步開采后的應力和位移分布情況來看，方案二明顯要優(yōu)于其它兩個方案。

3 結(jié)論

依據(jù)三維有限元模擬結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

(1)采用三維有限元對不同回采順序進行模擬，經(jīng)過礦體關(guān)鍵部位的比較，論證了合理的開采順序為由西向東順序回采，其中主礦塊(礦塊二)以間柱為界，將礦塊劃分為南北兩部分，由西向東先回采南部礦房，然后由西向東回采北部礦房。

(2)通過三維有限元的模擬及CAD計算，得出了采場直接頂板的極限暴露面積大約在800m2左右。

(3)通過對不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行三維有限元模擬，經(jīng)過礦房關(guān)鍵部位和礦柱及間柱的位移、應力分布等方面的比較，論證了5m礦柱和12m礦房是較優(yōu)的方案，是合理可行的。

(4)通過上述研究，確定了云錫塘子凹32-3#礦體的最優(yōu)合理回采方案，為采礦方法的詳細施工方案設(shè)計及后期開采過程管理，奠定了堅實的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

[1] 盧雯雯.銅綠山礦深部礦場采場結(jié)構(gòu)方案及其優(yōu)化研究[D].武漢科技大學碩士學位論文，2008，5.

[2] Daniel R.Stewart.Design and Cperation of caving and sublevel stoping Mines[M].New York:Society of Mining Engineers of the AIME，1981.

[3] 高文翔. 緩傾斜中厚氧化礦采礦回采順序與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[D]. 昆明理工大學工程碩士研究生學位論文，2002，4.

[4] 于學馥,鄭穎人,劉懷恒,等. 地下工程圍巖穩(wěn)定分析[M ]. 北京:煤炭工業(yè)出版社, 1983.