基于FLAC3D的二步采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及工程應(yīng)用

劉志義 張麗春 趙國(guó)彥 任賀旭 盧宏建

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

基于FLAC3D的二步采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及工程應(yīng)用

劉志義1張麗春1趙國(guó)彥2任賀旭1盧宏建1

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

為了保證三山島金礦二步采場(chǎng)的生產(chǎn)能力和開(kāi)采安全性， 采用三維有限元方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的二步采場(chǎng)開(kāi)采穩(wěn)定性進(jìn)行分析，優(yōu)選安全合理的采場(chǎng)參數(shù)。通過(guò)計(jì)算和分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的二步采場(chǎng)在開(kāi)采過(guò)程中頂板和上盤(pán)圍巖的應(yīng)力、位移變化特征，得出不同參數(shù)的采場(chǎng)穩(wěn)定情況。結(jié)果表明：當(dāng)采場(chǎng)高度為12 m時(shí)，頂板和上盤(pán)圍巖的拉應(yīng)力和位移都較大，采場(chǎng)的穩(wěn)定性較差；當(dāng)采場(chǎng)寬度大于10 m時(shí)，頂板和上盤(pán)圍巖的拉應(yīng)力和位移的變化率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，采場(chǎng)穩(wěn)定性逐漸變差。因此，建議二步采場(chǎng)寬度為10 m，高度10 m。將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于工程實(shí)踐，表明該參數(shù)安全合理，保證了礦山安全高效開(kāi)采。

二步采場(chǎng) 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù) 有限元計(jì)算 工程應(yīng)用

隨著國(guó)家對(duì)礦產(chǎn)資源的不斷需求及采礦技術(shù)的提高和先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用，很多礦山逐漸向大規(guī)模開(kāi)采發(fā)展[1]。然而，大規(guī)模開(kāi)采的采場(chǎng)在開(kāi)采過(guò)程中暴露面積較大，加大了采場(chǎng)的危險(xiǎn)性，與提高采場(chǎng)生產(chǎn)能力相矛盾，即采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)采場(chǎng)的穩(wěn)定性有直接影響作用。因此，選擇合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)采場(chǎng)的生產(chǎn)能力和穩(wěn)定性都有很大的影響[2]。

三山島金礦是我國(guó)首個(gè)瀕海大型地下開(kāi)采礦山，礦體厚度變化較大，用盤(pán)區(qū)法回采一步礦房時(shí)生產(chǎn)能力較大，作業(yè)安全性較好。但回采二步礦房時(shí)，由于采場(chǎng)的應(yīng)力集中、礦巖受爆破振動(dòng)影響完整性遭受破壞、礦體強(qiáng)度的下降及兩側(cè)充填體強(qiáng)度低等使其穩(wěn)定性大幅下降，礦塊作業(yè)安全性下降，回采強(qiáng)度大幅下降，難以適應(yīng)公司對(duì)礦山增產(chǎn)擴(kuò)能的需要。同時(shí)，采用目前的盤(pán)區(qū)分層充填采礦法開(kāi)采時(shí)一次落礦量小，鏟運(yùn)機(jī)出礦效率低；爆落礦石與充填面接觸次數(shù)較多，加大了礦石的損失貧化；膠結(jié)層較多，使水泥的耗量加大，增加了充填成本；同時(shí)采場(chǎng)支護(hù)次數(shù)較多，加大了支護(hù)工作量，增加了礦石開(kāi)采成本，進(jìn)而影響礦山的經(jīng)濟(jì)效益。

因此，針對(duì)礦山二步采場(chǎng)礦石開(kāi)采過(guò)程中存在的以上問(wèn)題，結(jié)合國(guó)內(nèi)外開(kāi)采技術(shù)，改進(jìn)二步采場(chǎng)開(kāi)采方法，并對(duì)該二步采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)采用FLAC3D進(jìn)行優(yōu)化，提出合理的參數(shù)，并將該參數(shù)應(yīng)用到工程實(shí)際中，為礦山安全高效生產(chǎn)提供支撐。

1 工程概況

三山島金礦床[3-5]是最早發(fā)現(xiàn)的破碎帶蝕變巖型特大型金礦床，即焦家式金礦床。礦石主要為含金黃鐵絹英巖及含金絹英巖化碎裂巖，自然類(lèi)型為原生礦石。礦體主要賦存在黃鐵絹英巖化碎裂巖和黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖等蝕變巖內(nèi)，裂隙不發(fā)育，巖石一般較完整。下盤(pán)為礦體，F(xiàn)1斷層面上斷層泥一般厚5～10 cm，靠近F1斷層的巖石破碎，節(jié)理、裂理較發(fā)育，工程揭露后易坍塌。礦巖穩(wěn)固性系數(shù)f≥6，屬半堅(jiān)硬巖石。西山礦區(qū)553#盤(pán)區(qū)采場(chǎng)礦體厚60～70 m，傾角40°左右。

根據(jù)礦體的開(kāi)采技術(shù)條件，結(jié)合礦山對(duì)采場(chǎng)生產(chǎn)能力的要求，就二步采場(chǎng)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用預(yù)控頂中深孔上向鑿巖分段充填采礦法進(jìn)行開(kāi)采。該方法通過(guò)在二步采場(chǎng)底部的鑿巖巷道到達(dá)上盤(pán)，采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的中深孔鑿巖設(shè)備DL330-5進(jìn)行鑿巖，同時(shí)在采場(chǎng)的頂部掘進(jìn)切割巷道，對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)支護(hù)，待支護(hù)完成后，使用改性粒狀銨油炸藥、非電毫秒差導(dǎo)爆管、復(fù)式起爆系統(tǒng)起爆進(jìn)行崩礦，每次爆破2～4排，后退式開(kāi)采。

2 有限元模擬方案及模型

2.1 計(jì)算模型的建立

根據(jù)三山島金礦西山礦區(qū)553#盤(pán)區(qū)礦體的開(kāi)采情況，礦體劃分為礦房礦柱，礦房采用上向分層充填法開(kāi)采，采場(chǎng)采用水泥尾砂膠結(jié)充填，灰砂比1∶8，分層內(nèi)充填澆面灰砂比1∶4～1∶6，厚0.3～0.5 m。礦柱采用預(yù)控頂中深孔上向鑿巖分段充填采礦法開(kāi)采，采用灰砂比1∶20或非膠結(jié)尾砂充填。因此，模型分為5個(gè)部分，分別是上盤(pán)巖體、下盤(pán)巖體、采場(chǎng)頂板、采場(chǎng)礦體及采場(chǎng)底板，如圖1所示。模型中，x方向?yàn)榈V體走向，y方向?yàn)榈V體水平厚度方向即采場(chǎng)開(kāi)挖方向，z方向?yàn)榈V體豎直方向。

圖1 計(jì)算模型

2.2 有限元數(shù)值模擬計(jì)算方案

根據(jù)國(guó)內(nèi)外礦山開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)可知，一般二步采場(chǎng)的寬度為8～12 m，采高根據(jù)設(shè)備的鑿巖能力一般為10～15 m。由于三山島金礦西山礦區(qū)礦體上盤(pán)為F1斷裂構(gòu)造，巖體較為破碎，且結(jié)合礦山現(xiàn)有的設(shè)備二步采場(chǎng)參數(shù)范圍為寬8～12 m，高10～12 m。因此，本模型根據(jù)礦柱的不同寬度和高度對(duì)采場(chǎng)的頂板和上盤(pán)圍巖的應(yīng)力、位移進(jìn)行分析計(jì)算，優(yōu)選出二步采場(chǎng)合理的開(kāi)采結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算方案如表1所示。

表1 計(jì)算方案

Table 1 Calculation scheme

m

2.3 模型計(jì)算力學(xué)參數(shù)

通過(guò)對(duì)三山島金礦西山礦區(qū)巖體工程地質(zhì)調(diào)查、礦體取樣測(cè)試及充填體強(qiáng)度試驗(yàn)，有限元計(jì)算中選取的材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖體和充填體力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

研究表明，二步采場(chǎng)頂板主要有2種破壞形式[6]：一是在上部荷載作用較大，頂板巖層由于變形過(guò)大而導(dǎo)致的基礎(chǔ)本身的垮塌破壞；二是開(kāi)挖過(guò)程中頂板巖層出現(xiàn)了超過(guò)巖體極限抗拉強(qiáng)度的拉應(yīng)力而導(dǎo)致的拉伸破壞。因此，本研究主要對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的二步采場(chǎng)的頂板位移及應(yīng)力變化進(jìn)行分析，提出安全合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 采場(chǎng)頂?shù)装鍛?yīng)力應(yīng)變分析

(1)應(yīng)力分析。不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖2中可知：采場(chǎng)頂板的拉應(yīng)力隨采場(chǎng)寬度的增加基本呈線性增長(zhǎng)；采場(chǎng)高度為12 m時(shí)的拉應(yīng)力明顯比高度為10 m時(shí)的要大，且當(dāng)采場(chǎng)寬度為12 m時(shí)，拉應(yīng)力幾乎接近1.8 MPa，即要超過(guò)采場(chǎng)礦體的抗拉強(qiáng)度。因此從安全性考慮，要適當(dāng)降低采場(chǎng)的寬度和高度。

圖2 各方案采場(chǎng)頂板拉應(yīng)力變化特征

由圖3可知：采場(chǎng)頂板的拉應(yīng)力區(qū)域隨著寬度的增加而逐漸變大，且拉應(yīng)力區(qū)域主要分布在采場(chǎng)頂板與上盤(pán)交匯處和采場(chǎng)的頂板中部；當(dāng)采場(chǎng)高度為12 m時(shí)，采場(chǎng)的底板也逐漸出現(xiàn)了明顯的拉應(yīng)力區(qū)。

圖3 采場(chǎng)頂板應(yīng)力云圖

(2)位移分析。不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的頂板位移變化如圖4所示。由圖4中可知：采場(chǎng)頂板的沉降位移量隨著采場(chǎng)寬度的增加而不斷變大，且當(dāng)寬度超過(guò)10 m時(shí)，位移變化率變大，即單位寬度的采場(chǎng)位移變化量變大；同時(shí)，采場(chǎng)高度為12 m時(shí)的位移量明顯比采場(chǎng)高度為10 m的大，且根據(jù)國(guó)內(nèi)外礦山開(kāi)采的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)采場(chǎng)寬度較大時(shí)，若采場(chǎng)頂板的位移量接近或超過(guò)50 mm，則其自身穩(wěn)定性較差。因此，從安全性考慮，建議采場(chǎng)高度選擇10 m。

不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的底板底鼓位移變化如圖5所示。由圖5可知：采場(chǎng)高度為12 m的采場(chǎng)底板底鼓比采場(chǎng)高度為10 m的位移量要大很多；采場(chǎng)底板底鼓位移量隨著采場(chǎng)寬度的增加而不斷增加，且當(dāng)采高為12 m，寬度大于10 m時(shí)采場(chǎng)底板底鼓位移量變化率變大。

圖4 各方案采場(chǎng)頂板沉降位移變化特征

圖5 各方案采場(chǎng)底板底鼓位移變化特征

3.2 上盤(pán)圍巖應(yīng)力應(yīng)變分析

(1)應(yīng)力分析。不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)上盤(pán)圍巖應(yīng)力變化計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：采場(chǎng)高度為12 m時(shí)上盤(pán)圍巖拉應(yīng)力比采場(chǎng)高度為10 m時(shí)的大；采場(chǎng)高度為12 m時(shí)上盤(pán)圍巖拉應(yīng)力變化率比采場(chǎng)高度為10 m時(shí)的大，且變化較大，采場(chǎng)高為10 m時(shí)拉應(yīng)力變化率較小且平穩(wěn)；當(dāng)采場(chǎng)高度為12 m時(shí)不同寬度的采場(chǎng)上盤(pán)圍巖的拉應(yīng)力均大于上盤(pán)巖石的抗拉強(qiáng)度，即上盤(pán)巖石發(fā)生了破壞。

圖6 各方案上盤(pán)圍巖拉應(yīng)力變化特征

由圖7可知：上盤(pán)圍巖應(yīng)力區(qū)域隨著寬度的增加不斷擴(kuò)大，拉應(yīng)力區(qū)主要分布在上盤(pán)圍巖中部偏上；當(dāng)采場(chǎng)高度為12 m時(shí)，拉應(yīng)力分布區(qū)域明顯擴(kuò)大，且與頂板相交匯基本交匯；當(dāng)采場(chǎng)高度為10 m時(shí)，拉應(yīng)力區(qū)分布相對(duì)較小，且主要分布在上盤(pán)圍巖中部偏上。因此，在生產(chǎn)中應(yīng)在位置加強(qiáng)支護(hù)。

圖7 上盤(pán)圍巖應(yīng)力云圖

(2)位移分析。不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)上盤(pán)圍巖應(yīng)力變化計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：采場(chǎng)高度為12 m的采場(chǎng)上盤(pán)圍巖位移量比采場(chǎng)高度為10 m的大很多；當(dāng)采場(chǎng)寬度大于10 m時(shí)，上盤(pán)圍巖位移變化率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且采高為12 m的增加率大于采高10 m的。

圖8 各方案上盤(pán)圍巖位移變化特征

綜上分析并結(jié)合強(qiáng)度理論判據(jù)和容許極限位移量判據(jù)，選取二步采場(chǎng)寬度為10 m、高度為10 m。

4 工程應(yīng)用

將設(shè)計(jì)的二步采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)用到三山島金礦553#盤(pán)區(qū)7號(hào)采場(chǎng)。該采場(chǎng)位于1 550～1 650勘探線間，標(biāo)高為-555～-510 m。采場(chǎng)礦體厚70 m，傾角40°左右。采場(chǎng)采用中深孔爆破開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行開(kāi)采。采用DL330-5鑿巖臺(tái)車(chē)鉆鑿上向扇形中深孔，孔距2.2 m，排距1.4 m，最大孔深8.5 m(含超深0.8 m)，最小孔深3.0 m，每排炮孔長(zhǎng)3.0～8.5m，炮孔總長(zhǎng)69.84 m，所有炮孔總長(zhǎng)3 212.64 m。各排炮孔按扇形中深孔布置，如圖9所示。

圖9 排面扇形中深孔布置

所有炮孔裝散裝銨油炸藥，孔內(nèi)全長(zhǎng)鋪設(shè)導(dǎo)爆索。每排⑤、⑦、⑨號(hào)炮孔孔口不裝藥長(zhǎng)度為2.2 m，其余炮孔孔口不裝藥長(zhǎng)度為1.2 m，不裝藥炮孔與裝藥炮孔交錯(cuò)布置。

爆破采用所有炮孔全長(zhǎng)鋪設(shè)導(dǎo)爆索，各炮孔之間通過(guò)導(dǎo)爆索形成復(fù)式爆破網(wǎng)絡(luò)，如圖10所示。

圖10 爆破網(wǎng)絡(luò)

二步采場(chǎng)爆破結(jié)束后，其頂板較為穩(wěn)定，局部頂板需要支護(hù)，兩幫充填體破壞程度較小，采場(chǎng)整個(gè)穩(wěn)定性較好，如圖11所示。

綜上所述，二步采場(chǎng)寬10 m、高10 m的結(jié)構(gòu)參數(shù)能有效保證采場(chǎng)生產(chǎn)能力和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

(1)該礦區(qū)二步采場(chǎng)的穩(wěn)定性受采場(chǎng)高度的影響較為明顯，當(dāng)采場(chǎng)高度為12 m時(shí)，采場(chǎng)頂板及上盤(pán)圍巖的應(yīng)力、位移量均較大，且上盤(pán)圍巖產(chǎn)生的拉應(yīng)力超出了圍巖自身的抗拉強(qiáng)度，采場(chǎng)穩(wěn)定性較差；當(dāng)采場(chǎng)寬度大于10 m時(shí)，采場(chǎng)頂板及上盤(pán)圍巖的應(yīng)力、位移變化率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，采場(chǎng)的穩(wěn)定性較差。

圖11 爆破后采場(chǎng)

(2)建議礦山二步采場(chǎng)寬度選取10 m，高度選取10 m。將此優(yōu)選參數(shù)應(yīng)用到工程實(shí)際中，采場(chǎng)穩(wěn)定性較好。采用中深孔爆破進(jìn)行崩礦，采場(chǎng)兩側(cè)炮孔孔底不裝藥，可有效降低爆破對(duì)兩側(cè)充填體的損傷，降低采場(chǎng)礦石貧化率，保證采場(chǎng)的穩(wěn)定性。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Structural Parameters Optimization and Engineering Applicationof the Second-step Stope Based on FLAC3D

Liu Zhiyi1Zhang Lichun1Zhao Guoyan2Ren Hexu1Lu Hongjian1

(1.SchoolofMiningEngineering，NorthChinaUniversityofScienceandTechnology，Tangshan063009，China;2.SchoolofResourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

In order to ensure production capacity and mining safety of the second-step stope，3D-FEM was conducted to analyze the stability of the second-step stope with different structure parameters to select the safe and reasonable stope parameters.Stress and displacement of roof and hanging-side rock with different structure parameters were calculated and analyzed to judge the stability of the stope.Result showed that，the stress and displacement of roof and hanging-side rock was large when the height of the stope was 12 meter，and the stability of the stope was poor；the change rate of the stress and displacement of roof and hanging-side rock was a growing trend，and the stability of the stope was worse with width increase.So the safe and reasonable width and height of the second-step stope was 10meter.The results of the analysis applied to practical engineering showed that the parameters are safe and reasonable，and safe and efficient mining of the mine was guaranteed.

Second-step stope，Stope structural parameters，F(xiàn)EM simulation，Engineering application

2015-05-04

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：E2014209093),華北理工大學(xué)青年基金項(xiàng)目(編號(hào)：Z201407)。

劉志義(1987—),男,助教,碩士。

TD853

A

1001-1250(2015)-10-006-05