千家坪釩礦采礦方法優(yōu)化研究

鄧 飛，胡龍飛，朱 明，劉建偉 ，喻圓圓，羅福友

(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

千家坪釩礦礦體屬于厚大的層狀礦體，傾角范圍為65°～86°，屬于急傾斜礦體。礦體沿東西走向長(zhǎng)約為2600m，礦體平均水平厚度為12.70m，平均品位V2O5為1.04%。礦體頂板巖石主要由白云巖組成。圍巖整體較穩(wěn)固，但礦體穩(wěn)固性較差。主要礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，無(wú)較大工程環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。礦山采用水平扇形深孔階段礦房法。由于該法尚處研究階段，所以在礦山正式投產(chǎn)前，進(jìn)一步完善采礦方法優(yōu)化試驗(yàn)研究，為千家坪釩礦安全高效的達(dá)產(chǎn)提供保障。

1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下采場(chǎng)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

由于礦體較規(guī)則，采場(chǎng)均沿走向布置，礦塊寬即為礦體厚度，因此影響采場(chǎng)穩(wěn)定性的主要因素[1]有四個(gè)，分為頂?shù)字穸?、間柱寬度、階段高度及礦塊長(zhǎng)度。本文對(duì)方案進(jìn)行正交設(shè)計(jì)，正交方案表中每列各水平重復(fù)數(shù)相同，每?jī)闪懈鞑煌乃酱钆涑霈F(xiàn)的次數(shù)相同[2]，見(jiàn)表1、表2。

表1 正交因素

模型的模擬范圍東西長(zhǎng)650m，南北寬300m，模擬開(kāi)挖模型中部845m及其上下3個(gè)中段。礦柱、采場(chǎng)及礦體網(wǎng)格精度取5m，采場(chǎng)附近上盤(pán)圍巖網(wǎng)格精度取10m，遠(yuǎn)離采場(chǎng)的上下盤(pán)巖體網(wǎng)格精度取20m，利用摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則來(lái)處理。限于篇幅，本文僅給出方案Ⅱ數(shù)值分析得出的圖片，分析對(duì)象主要為開(kāi)挖前后頂?shù)字㈨敯寮伴g柱的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布規(guī)律等內(nèi)容[3]。

表2 備選方案參數(shù)

1.1 應(yīng)力分布規(guī)律

由圖1、圖2可看出，礦體開(kāi)挖后采空區(qū)頂板及頂柱中央形成了等值應(yīng)力跡線(xiàn)拱，靠近頂板或頂柱中央為拉應(yīng)力，往上等值跡線(xiàn)拱徑遂漸變大，拉應(yīng)力減小，最終變?yōu)閴簯?yīng)力，越往上拱徑越大且壓應(yīng)力越大。

圖1 初始狀態(tài)下最大主應(yīng)力σ3云圖(X=325m)

圖2 方案Ⅱ礦體開(kāi)挖后最大主應(yīng)力σ3云圖(X=325m)

圖3 方案Ⅱ礦體開(kāi)挖后頂板最大拉應(yīng)力分布

圖4 方案Ⅱ礦體開(kāi)挖后間柱最大壓應(yīng)力分布

1) 根據(jù)采場(chǎng)失穩(wěn)機(jī)理，頂板所受的拉應(yīng)力是影響采場(chǎng)穩(wěn)定性的重要因素[4]。由計(jì)算結(jié)果可以看出，采場(chǎng)開(kāi)挖以后，巖體原有的平衡狀態(tài)遭到破壞，頂板暴露面中央的巖層拉應(yīng)力最大，上部中段頂板的最大拉應(yīng)力一般大于下部中段。

2) 對(duì)于間柱：各方案間柱應(yīng)力分布規(guī)律大致相似，最大壓應(yīng)力主要分布于間柱和上盤(pán)圍巖同底柱的接觸角點(diǎn)，間柱同上下盤(pán)接觸的地帶應(yīng)力大于間柱中間位置，底部中段間柱的應(yīng)力明顯大于上部中段間柱應(yīng)力。對(duì)于頂?shù)字和敯孱?lèi)似，空區(qū)上部頂柱形成了等值應(yīng)力跡線(xiàn)拱，靠近中央為拉應(yīng)力，愈往上拱徑愈大，拉應(yīng)力愈小，最終變?yōu)閴簯?yīng)力，各中段最大壓應(yīng)力一般出現(xiàn)在頂?shù)字g柱或頂?shù)装宕罱犹?。無(wú)論頂?shù)字艿降淖畲罄瓚?yīng)力還是壓應(yīng)力，都較頂板及間柱要大。

以上九種方案，不能直接將得出的頂?shù)字淖畲髩簯?yīng)力進(jìn)行兩兩對(duì)比。本文對(duì)其進(jìn)行正交極差分析，以確定其主要影響因素[5]。

由表3可看出階段高度對(duì)頂板底柱所受的最大拉應(yīng)力影響作用是最大的，然后依次是頂?shù)字穸龋g柱寬度，礦塊長(zhǎng)度。

1.2 位移分布分析

由位移分布圖(圖5～7)可看出，礦體開(kāi)挖后，空區(qū)頂?shù)装迨軕?yīng)力作用，均向空區(qū)移動(dòng)，造成頂板沉降，底板上鼓，在采空區(qū)周邊圍巖區(qū)域成位移等值線(xiàn)拱，離空區(qū)越近，拱徑越小，位移越大。對(duì)于頂板，出現(xiàn)最大沉降位移的區(qū)域一般位于整個(gè)采空區(qū)中部采場(chǎng)頂板中央。對(duì)于間柱，由靠近上盤(pán)圍巖側(cè)到靠近下盤(pán)圍巖側(cè)，位移值由負(fù)值逐漸向正值轉(zhuǎn)變，間柱受上下盤(pán)圍巖的共同作用向中部擠壓。對(duì)于頂?shù)字?，空區(qū)上部中央部分由于受拉應(yīng)力作用有一定的豎向沉降量，靠近底板處由于底板擠壓而有一定的上升位移。

表3 各因素對(duì)頂?shù)字畲髩簯?yīng)力影響的正交極差分析

圖5 方案Ⅱ礦體開(kāi)挖后間柱垂直位移分布

圖6 方案Ⅱ礦體開(kāi)挖后頂板垂直位移分布

圖7 方案Ⅱ礦體開(kāi)挖后頂?shù)字怪蔽灰品植?/p>

綜上，同一方案中頂板和間柱的最大垂直沉降量相近，變化趨勢(shì)基本相同，間柱及頂?shù)字捎诘装鍞D壓而產(chǎn)生的最大抬升量相近。各方案位移變化趨勢(shì)也基本相同，只頂?shù)字畲蟠怪背两盗窟@個(gè)指標(biāo)數(shù)值遠(yuǎn)大于其他指標(biāo)。

通過(guò)正交極差分析可知各因素對(duì)頂?shù)字畲蟠怪背两滴灰屏康挠绊懽饔么笮∫来螢椋旱V塊長(zhǎng)度、頂?shù)字穸取㈦A段高度及間柱寬度。

1.3 塑性區(qū)分布規(guī)律

從圖8來(lái)看，各方案頂板均沒(méi)有出現(xiàn)塑性變形。塑性區(qū)主要集中分布于頂?shù)字伴g柱上面，表明采場(chǎng)的可能失穩(wěn)部位主要是頂?shù)字伴g柱。通過(guò)觀測(cè)各方案礦柱的塑性區(qū)域可知，除方案Ⅲ頂?shù)字乃苄詤^(qū)上下貫通外，其余各方案的塑性區(qū)多呈零星狀小范圍出現(xiàn)。頂?shù)字霈F(xiàn)塑性區(qū)的地方明顯多于間柱，頂?shù)字撞克苄詤^(qū)多位于與底盤(pán)圍巖交接處，頂?shù)字喜克苄詤^(qū)多為于中央或者靠近上盤(pán)圍巖的地方。

圖8 方案Ⅱ礦體開(kāi)挖后礦柱塑性區(qū)域分布狀態(tài)

由表4可看出：礦房回采后，圍巖應(yīng)力得到釋放，采場(chǎng)頂板及頂柱中央都出現(xiàn)了不同程度的拉應(yīng)力，空區(qū)暴露面積越大，拉應(yīng)力越大。對(duì)于間柱，最大壓應(yīng)力主要分布于與上盤(pán)圍巖同底柱的接觸角點(diǎn)處，間柱同上下盤(pán)接觸的地帶應(yīng)力大于間柱中間位置，底部中段間柱的應(yīng)力明顯大于上部中段間柱應(yīng)力。礦房開(kāi)挖后，空區(qū)頂?shù)装迨軕?yīng)力作用，均向空區(qū)移動(dòng)，造成頂板沉降，底板上鼓，離空區(qū)越近，位移越大。

通過(guò)對(duì)表4正交極差分析可知，各因素對(duì)頂板底柱所受的最大壓應(yīng)力影響作用由大到小順序依次為階段高度、頂?shù)字穸取㈤g柱寬度、礦塊長(zhǎng)度；對(duì)頂?shù)字畲蟠怪背两滴灰屏康挠绊懽饔靡来螢榈V塊長(zhǎng)度、頂?shù)字穸?、階段高度、間柱寬度；對(duì)塑性區(qū)體積大小的影響作用依次為頂?shù)字穸?、礦塊長(zhǎng)度，階段高度，間柱寬度。據(jù)此，可看出頂?shù)字暮穸茸兓瘜?duì)采場(chǎng)關(guān)鍵部位的穩(wěn)定性影響作用較強(qiáng)，間柱寬度的影響作用較弱。

表4 各方案塑性區(qū)體積

2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的的建立

本次的決策目標(biāo)是選取合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，由于各方案使用的采礦方法相同，故工藝的復(fù)雜程度，炸藥單耗，鑿巖功效等優(yōu)選采礦方法的指標(biāo)基本相同，故不作為優(yōu)選采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的評(píng)價(jià)參考指標(biāo)，只考慮8個(gè)影響因素[6]:①安全指標(biāo)：頂?shù)字畲髩簯?yīng)力、頂?shù)字畲蟠怪背两盗?、塑性區(qū)分布情況(安全系數(shù))；②技術(shù)指標(biāo)：采場(chǎng)生產(chǎn)能力、礦石損失率、采切比、對(duì)原有巷道的利用情況；③經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：采礦作業(yè)成本。

確定因素集{μ1，μ2，μ3，μ4，μ5，μ6，μ7，μ8}={頂?shù)字畲髩簯?yīng)力，頂?shù)字畲蟠怪背两盗浚踩禂?shù)，采場(chǎng)生產(chǎn)能力，礦石損失率，采切比，對(duì)探礦巷道的利用情況，采礦作業(yè)成本}。

根據(jù)前文分析，方案Ⅲ為不安全方案，故以其他8個(gè)方案為評(píng)價(jià)對(duì)象，即X={X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8}={方案Ⅰ，方案Ⅱ，方案Ⅲ，方案Ⅳ，方案Ⅴ，方案Ⅵ，方案Ⅶ，方案Ⅷ，方案Ⅸ}。

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定及評(píng)價(jià)指標(biāo)值的量化

2.2.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

把每一個(gè)具有向下隸屬關(guān)系的元素做為判斷矩陣的第一個(gè)元素置于左上角，隸屬于它的各個(gè)元素依次排列在其后的第一行和第一列。假設(shè)當(dāng)前層次上的因素為X1，X2，…，Xn，相關(guān)的上一層因素為Y，則針對(duì)因素Y，可對(duì)所有因素X1，X2，…，Xn進(jìn)行兩兩比較，對(duì)其重要性程度按1～9賦值[7]，如果比為由此得判斷矩陣X，按定義

表5 判斷矩陣標(biāo)度值及含義

矩陣的最大特征根λmax對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化后的向量w=(w1,w2,…wn)中的w1,w2,…wn即為該層元素X1，X2，…，Xn對(duì)于上一層次相應(yīng)元素Y的權(quán)值。

構(gòu)造判斷矩陣時(shí)，受分析者個(gè)人知識(shí)及主觀經(jīng)驗(yàn)的限制，難免出現(xiàn)一定的誤差，為使判斷大體上一致，判斷結(jié)果盡可能完全符合實(shí)際狀況，必須對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)[8]。檢驗(yàn)公式如下所示。

式中：CI為致性指標(biāo)；n為矩陣階數(shù)；CR為致性比例；RI為隨機(jī)一次性比例(取值見(jiàn)表6)。

當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣具有滿(mǎn)意的一致性，不需要調(diào)整。

依據(jù)上述方法，構(gòu)建目標(biāo)層對(duì)應(yīng)于一級(jí)指標(biāo)層(準(zhǔn)則層)的判斷矩陣(表7)，二級(jí)指標(biāo)層(子準(zhǔn)則層)對(duì)應(yīng)于一級(jí)指標(biāo)層(準(zhǔn)則層)的判斷矩陣(表8、表9)[9]。

表6 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)取值

表7 O-B 判斷矩陣

表8 B1-u 判斷矩陣

表9 B2-u判斷矩陣

表10 層次總排序表

由表10可得出組合權(quán)重向

W=(0.1465，0.0806，0.2662，0.0677，0.0701，0.0339，0.0240，0.3108)

對(duì)其進(jìn)行總排序一致性檢驗(yàn)

CI=0.0268×0.4934+0.0046×0.1958+0.0344×0.3108=0.0248

RI=0.58×0.4934+0.9×0.1958+0×0.3108=0.4624

CR=0.0248/0.4624=0.05<0.1，滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn)條件。

表11 定性指標(biāo)9級(jí)標(biāo)準(zhǔn)賦值

2.2.2 指標(biāo)值的確定

各方案對(duì)原探礦巷道的利用情況及頂?shù)字踩詢(xún)芍笜?biāo)采用9級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行賦值。對(duì)于其他定量指標(biāo)，則以實(shí)際值為準(zhǔn)。

為將頂?shù)字陌踩赃M(jìn)行更好的描述，根據(jù)數(shù)值分析得出的塑性區(qū)變形情況，制定了表12。

表12 頂?shù)字踩远ㄐ悦枋黾岸繕?biāo)度

表13 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2.3 構(gòu)建隸屬度矩陣

上表中不同指標(biāo)的單位不同，不具可比性，為此需對(duì)其進(jìn)行無(wú)量綱化，以[0，1]之間的數(shù)值表示各指標(biāo)值[10]。對(duì)收益性指標(biāo)，以式(1)作為其隸屬度函數(shù)，對(duì)消耗性指標(biāo)，以公式(2)作為其隸屬度函數(shù)。

(1)

(2)

式中：rij為j方案i指標(biāo)的評(píng)判；ximin為i指標(biāo)的下限值；ximax為i指標(biāo)的上限值；d為極差,d=(Ximax-Xmin)/(1-0.1)。

由上可得隸屬度矩陣

R=

2.2.4 優(yōu)選方案

以上計(jì)算得出的權(quán)重及隸屬度矩陣得綜合評(píng)判向量

B=W·R=(0.5291，0.6665，0.6454，0.5970，0.4105，0.5895，0.5033，0.3694)。

據(jù)上，可得八種方案的優(yōu)劣次序?yàn)椋悍桨涪颉桨涪簟桨涪酢桨涪鳌桨涪瘛桨涪桨涪觥桨涪?。最終得出了最佳方案為方案Ⅱ，其具體參數(shù)為間柱寬6m、頂?shù)字?0m、階段高50m、礦塊長(zhǎng)50m。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用正交試驗(yàn)理論，構(gòu)建了千家坪釩礦九種采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合方案，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬，掌握了各方案的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布規(guī)律。經(jīng)正交極差分析發(fā)現(xiàn)，頂?shù)字暮穸茸兓瘜?duì)采場(chǎng)關(guān)鍵部位的穩(wěn)定性影響作用較強(qiáng)，而間柱寬度的影響作用較弱?；谝陨戏治觯⒘嗽摰V采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合評(píng)判模型，分析得出了對(duì)本礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有影響作用的重要指標(biāo)，通過(guò)層次分析法獲得了各指標(biāo)權(quán)值，并對(duì)各可行方案進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，最終得出采場(chǎng)穩(wěn)定最優(yōu)方案：間柱寬10m，頂?shù)字?m，階段高50m，礦塊長(zhǎng)50m。

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二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存鎖定15處目標(biāo)靶區(qū)

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水環(huán)地調(diào)中心《重點(diǎn)地區(qū)二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存適宜性與選址調(diào)查評(píng)價(jià)》項(xiàng)目組日前全面完成2013年度工作任務(wù)，在四川盆地和鄂爾多斯盆地共初選出15處目標(biāo)靶區(qū)。

該項(xiàng)目2013年度共完成了1∶10萬(wàn)遙感解譯6000km2，1∶10萬(wàn)綜合地質(zhì)調(diào)查3000km，可控源音頻大地電磁測(cè)深300點(diǎn)，建立了目標(biāo)靶區(qū)級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法，探索了場(chǎng)地選址調(diào)查評(píng)價(jià)方法，總結(jié)了低孔低滲克拉通型盆地潛力與適宜性評(píng)價(jià)流程。

該項(xiàng)目確定了四川盆地的川中平緩褶皺帶、鄂爾多斯盆地的天環(huán)凹陷和伊陜斜坡為適宜儲(chǔ)存二氧化碳區(qū)塊。針對(duì)重慶碳源區(qū)在川中地區(qū)初選出了目標(biāo)靶區(qū)3處，靶區(qū)均為平緩背斜構(gòu)造，斷層不發(fā)育，斷距多小于50m，封堵性較好。儲(chǔ)集層系主要集中在須家河組須2、須4、須6段的水下分流河道、河口壩垂向疊置的巨厚砂體儲(chǔ)層中以及雷口坡組1段、嘉陵江組2段巖溶斜坡帶的碳酸鹽巖孔隙-裂縫性?xún)?chǔ)層中。針對(duì)寧東、榆林、慶陽(yáng)、延安、鄂爾多斯工業(yè)區(qū)的碳源初選出了目標(biāo)靶區(qū)12處，靶區(qū)均為巖性圈閉構(gòu)造，面積400～16000km2。儲(chǔ)集層系主要分布在奧陶系古巖溶系統(tǒng)的碳酸鹽巖儲(chǔ)層以及二疊系山西組砂巖、石盒子組砂巖以及三疊系的延長(zhǎng)組砂巖中。