基于正交試驗設(shè)計的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

范文濤 劉雷磊

摘要：采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化選擇對礦山的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益有著重要意義。以內(nèi)蒙古某銀多金屬礦為背景，結(jié)合礦山的采礦方法和開采技術(shù)條件，利用正交試驗設(shè)計方法，針對采場進路的長、寬、高設(shè)計了9種不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬方案，利用Rhinoceros建模軟件耦合Flac3D軟件對這9種方案進行一步采和二步采數(shù)值模擬分析，并對9種方案的各個指標進行極差分析，結(jié)果表明：進路的高度對這些指標的影響較大，其次是寬度和長度。從安全、經(jīng)濟和技術(shù)方面綜合考慮，確定方案5：進路長度25 m、進路寬度3.5 m、進路高度3.5 m的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)?，F(xiàn)場工業(yè)試驗表明：方案5效果良好，采礦損失率8 %，礦石貧化率5 %，提高了出礦效率，回采時能夠有效控制地壓，確保了回采過程的安全、經(jīng)濟、高效。

關(guān)鍵詞：采場結(jié)構(gòu)參數(shù);正交試驗設(shè)計;數(shù)值模擬;拉應(yīng)力;塑性區(qū)

中圖分類號：TD853.34文獻標志碼：A開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）08-0036-06doi：10.11792/hj20210808

引 言

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選就是對采場中礦房的布置及巷道的尺寸進行研究，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的大小對采場的應(yīng)力狀態(tài)、出礦量、設(shè)備選擇等都有著很重要的影響，對礦山生產(chǎn)安全及經(jīng)濟效益均具有重要意義[1]。

近些年來，國內(nèi)外學者在采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選方面的研究取得了一些成果。例如：宋衛(wèi)東等[2]采用物理知識結(jié)合計算機模擬放礦的方法，確定分段高度、進路間距和崩礦步距之間的數(shù)學關(guān)系，計算出程潮鐵礦最優(yōu)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù);陶干強等[3]利用隨機介質(zhì)放礦理論建立數(shù)學模型優(yōu)化采場的進路間距，并在礦山進行實際應(yīng)用;李俊平等[4]利用Flac3D軟件模擬二里河鉛鋅礦不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)對采場穩(wěn)定性的影響，得出最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及巷道布置位置;秦健春等[5]利用ANSYS有限元分析軟件對后觀音山鐵礦充填采礦法兩步回采的不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了模擬，得出最優(yōu)方案;趙國彥等[6]構(gòu)建了Vague-RSM-AFSA模型對某銀礦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，得到最佳的采場結(jié)構(gòu)參數(shù);彭超等[7]結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，對三山島金礦深部采場建立采場結(jié)構(gòu)參數(shù)模糊綜合評價模型，最終得到了最優(yōu)參數(shù)，保證安全生產(chǎn)。

綜上所述，這些學者采用不同的方法優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，都得到了比較理想的結(jié)果。然而，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選是一個典型的多指標綜合評價問題，往往同一指標具有多種不同的水平，在進行數(shù)值模擬或理論計算時需進行大量的數(shù)值模擬和計算工作，工作量大，計算時間長[8]。鑒于此，本文提出利用正交試驗設(shè)計試驗方案，然后利用Flac3D軟件進行數(shù)值模擬，將得到的結(jié)果進行極差分析，以解決內(nèi)蒙古某銀多金屬礦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化問題。

1 工程概況

1.1 開采技術(shù)條件

內(nèi)蒙古某銀多金屬礦處于內(nèi)蒙古—興安成礦區(qū)，內(nèi)構(gòu)造線總體方向為NE向、NWW向、近EW向。其主要構(gòu)造為斷裂，褶皺不發(fā)育。礦區(qū)共圈出工業(yè)礦體19條。其中，1號和2號礦體規(guī)模最大，為主礦體，礦體主要元素為銀，伴生有銅、鉛、鋅。主礦體位于NWW向構(gòu)造蝕變破碎帶中，呈大脈狀產(chǎn)出，沿走向總體為舒緩波狀，走向294°～302°，傾向NE，傾角53°～87°，平均傾角70°。礦體長1 200 m，最大斜深754 m，埋深317 m。礦體平均厚度5.14 m（中厚礦體），局部礦體厚度超過20 m，屬于典型的急傾斜破碎中厚礦體。礦體上盤圍巖二長花崗巖RQD值為85 %，為良好型，巖石普氏硬度系數(shù)為10～12;礦體下盤圍巖泥質(zhì)板巖RQD值為65 %，為中等穩(wěn)固，巖石普氏硬度系數(shù)為7～9，巖石中等穩(wěn)固。圍巖主要是由蝕變黑云二長花崗巖及少量蝕變泥質(zhì)板巖組成的碎裂巖經(jīng)成礦熱液充填、交代而成。礦巖物理力學參數(shù)見表1。

1.2 采礦方法

根據(jù)礦體賦存特點和開采技術(shù)條件，擬定的采礦方法為盤區(qū)機械化上向進路充填采礦法（見圖1）。采場沿礦體走向布置，長100 m，寬為礦體水平厚度，回采中段高50 m，分段回采高度分別為3.5 m、10.5 m、10.5 m、10.5 m、10.5 m，上部留有4.5 m頂柱。采場采用自下而上的回采順序，每個盤區(qū)有3個采場，當?shù)V體寬度較大時，采用多條進路回采方式，進路隔一采一。該采礦方法能否成功實施的關(guān)鍵在于采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。

2 正交試驗數(shù)值模擬

2.1 正交試驗設(shè)計

正交試驗設(shè)計是最常用的工藝優(yōu)化試驗設(shè)計和分析方法，是以概率論、數(shù)理統(tǒng)計和實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，利用標準化正交表設(shè)計試驗方案，并對結(jié)果進行分析，最終迅速找到最優(yōu)方案的一種高效處理多因素多水平優(yōu)化問題的科學設(shè)計方法[9]。正交試驗設(shè)計的基本特點是可以實現(xiàn)以最少的試驗次數(shù)達到與大量全面試驗等效的結(jié)果。

進路法開采的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括進路長度、進路寬度和進路高度3個方面。由于礦區(qū)首采中段礦巖破碎，對采場進路的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求嚴格，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)過大，會增加開采過程中的風險，容易發(fā)生不安全事故;采場結(jié)構(gòu)參數(shù)過小，會導致開采效率降低且增加回采時間，影響礦山效益。因此，在方案設(shè)計過程中，需要以進路長度、進路寬度和進路高度3個因素作為優(yōu)選參數(shù)，頂板最大沉降量、底板最大回彈量、頂板最大拉應(yīng)力、頂板塑性區(qū)分布情況等作為評價指標進行采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選。

根據(jù)國內(nèi)外盤區(qū)機械化上向進路充填采礦法的采場結(jié)構(gòu)布置經(jīng)驗及礦山的開采特點，利用正交試驗設(shè)計方法原理，選取合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，構(gòu)建L9（33）變量因素水平表（見表2）。

每個因素有3個數(shù)值，若是將各個因素每個水平的數(shù)值進行組合，共有27種組合方案，試驗方案之間的信息交叉比較大，導致工作量變大。因此，本文選擇使用正交試驗設(shè)計方法從27種組合中選出具有代表性的模擬方案，可以實現(xiàn)以最少的試驗次數(shù)達到與大量全面試驗等效的結(jié)果。利用正交試驗設(shè)計方法選取的9種數(shù)值模擬方案見表3。

2.2 數(shù)值模擬

基于Rhinoceros軟件出色、便捷的建模設(shè)計功能及Flac3D軟件計算數(shù)值分析功能，本文嘗試將Rhinoceros-Flac3D耦合對各方案進行采場進路開挖和充填模擬分析。數(shù)值模型尺寸依據(jù)圣維南原理，以開挖范圍的3～5倍為宜[10]。充分考慮圍巖受擾動的影響及邊界條件的影響，最終確定模型計算尺寸為x×y×z=100 m×130 m×30 m，模型共有425 136個四面體單元，76 806個節(jié)點。數(shù)值模型見圖2。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

本次數(shù)值模擬依據(jù)盤區(qū)機械化上向進路充填采礦法的回采順序：進路從礦體上盤向下盤退采，隔一采一，進路回采完畢后立即進行充填，采用從左向右的采充方向，且進路回采后充填體強度滿足規(guī)定要求后，再開始下一進路回采。對9種方案進行數(shù)值模擬，由于9種方案數(shù)值模擬圖片過多，限于篇幅，本文只展示方案1模擬效果圖。方案1模擬的進路參數(shù)是長度20 m，寬度3.0 m，高度4.0 m，即共布置7條進路。一步采和二步采的豎直方向位移云圖、最大主應(yīng)力云圖和塑性區(qū)分布云圖見圖3。

參考9種方案的數(shù)值模擬結(jié)果，將各個方案的頂板最大拉應(yīng)力、頂板最大下沉量、底板最大回彈量、塑性區(qū)體積及塑性區(qū)貫通情況進行匯總，結(jié)果見表4。不同方案兩步回采頂板最大主應(yīng)力、頂板最大下沉量、底板最大回彈量和塑性區(qū)體積結(jié)果見圖4～7。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果極差分析

根據(jù)各個模擬方案的結(jié)果，對進路頂板最大拉應(yīng)力、底板最大回彈量、頂板最大下沉量和塑性區(qū)體積進行極差分析。極差分析法比較直觀形象、簡單易懂，即通過簡單的運算和判斷就可以得出試驗的優(yōu)化成果——主次因素、最優(yōu)水平、最優(yōu)搭配及最優(yōu)組合，一般在試驗誤差不大、精度要求不高的情況下，尋求最優(yōu)生產(chǎn)條件、最佳工藝、最佳配方等科研生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用[11]。

1）進路頂板最大拉應(yīng)力極差分析，結(jié)果見表5。

由表5可知：RA=0.004，RB=0.006，RC=0.007，可以判斷各因素對頂板最大拉應(yīng)力的影響從大到小依次為C（進路高度）、B（進路寬度）、A（進路長度）。隨著開采進路高度的增大，頂板最大拉應(yīng)力隨之增大，而這3個因素對頂板的拉應(yīng)力影響不是很大，因為模擬過程中進路采完立即進行充填，充填體會對頂板有一定的支撐作用，使得頂板的拉應(yīng)力得到有效控制。

2）進路底板最大回彈量極差分析，結(jié)果見表6。

由表6可知：RA=1.09，RB=1.35，RC=1.60，可以判斷各因素對進路底板最大回彈量的影響從大到小依次為C（進路高度）、B（進路寬度）、A（進路長度）。通過極差結(jié)果可以得出，進路高度對底板鼓起作用有較大影響，隨著進路高度的增大，底板最大回彈量也逐漸增大。從生產(chǎn)實際與工程應(yīng)用來看，進路底板最大回彈量對采礦的影響不是很大，但在支護時仍要多加考慮。

3）進路頂板最大下沉量極差分析，結(jié)果見表7。由表7可知：RA=3.21，RB=7.45，RC=8.22，可以判斷各因素對進路頂板最大下沉量的影響從大到

4）進路頂板塑性區(qū)體積極差分析，結(jié)果見表8。

由表8可知：RA=165.08，RB=190.34，RC=132.85，

可以判斷各因素對塑性區(qū)體積的影響從大到小依次為B（進路寬度）、A（進路長度）、C（進路高度）。通過極差結(jié)果可以得出，進路寬度對限制塑性區(qū)體積擴展起主要作用。

3 最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)確定及應(yīng)用

當采場結(jié)構(gòu)參數(shù)過小時，會降低采礦效率，降低礦山效益;采場結(jié)構(gòu)參數(shù)過大時，會給礦體開采帶來一定風險。根據(jù)上述分析結(jié)果，方案5、方案6和方案9都能滿足安全生產(chǎn)要求，而方案5的進路寬度是3.5 m，方案6和方案9的進路寬度都是4.0 m，根據(jù)礦區(qū)的生產(chǎn)條件，選擇寬3.5 m的進路可以多布置幾條進路同時進行作業(yè)，增加生產(chǎn)效率，提升企業(yè)效益。因此，最優(yōu)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為進路長度25 m、進路寬度3.5 m、進路高度3.5 m。

通過現(xiàn)場工業(yè)試驗驗證，該方案效果良好，采礦損失貧化明顯降低，出礦效率提高，回采時能夠有效控制地壓，確?；夭蛇^程安全，采場技術(shù)經(jīng)濟指標見表9。該方案迅速在礦山各中段推廣使用，實現(xiàn)了礦山的安全、經(jīng)濟、高效開采。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)內(nèi)蒙古某銀多金屬礦采用的盤區(qū)機械化上向進路充填采礦法，為了確定最佳的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合正交試驗設(shè)計方法，針對進路的長、寬、高設(shè)計了9種不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬方案，然后在滿足基本假設(shè)的前提下，利用Rhinoceros-Flac3D耦合對這9種方案進行一步采和二步采數(shù)值模擬分析。

2）通過對各個模擬方案的頂板最大拉應(yīng)力、底板最大回彈量、頂板最大下沉量和塑性區(qū)體積進行極差分析，考慮進路不同因素即長度、高度和寬度對各個指標的影響，最終的分析結(jié)果是：進路高度對這些指標的影響較大，其次是進路寬度和進路長度。

3）通過對各個模擬方案一步采和二步采的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布進行分析，一步采的頂板應(yīng)力和位移均小于二步采，開采過程中頂板的破壞以剪切破壞為主。結(jié)果顯示，只有方案5、方案6和方案9的塑性區(qū)未發(fā)生貫通，其余方案都有貫通。從安全、經(jīng)濟和技術(shù)方面綜合考慮，確定方案5的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)，故最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為進路長度25 m、進路寬度3.5 m、進路高度3.5 m。該方案經(jīng)過現(xiàn)場工業(yè)試驗，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟指標，并在礦山各中段進行推廣使用，實現(xiàn)了礦山的安全、高效、經(jīng)濟開采。

[參 考 文 獻]

[1] 劉龍瓊，周樂，溫聳.急傾斜中厚破碎礦體采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化及應(yīng)用[J].黃金，2020，41（10）：40-45.

[2] 宋衛(wèi)東，匡忠祥.程潮鐵礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究[J].金屬礦山，1999（2）：10-12.

[3] 陶干強，劉振東，任鳳玉，等.無底柱分段崩落法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].煤炭學報，2010，35（8）：1 269-1 272.

[4] 李俊平，葉浩然，李宗利，等.二里河鉛鋅礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及巷道布置研究[J].地下空間與工程學報，2019，15（3）：902-910.

[5] 秦健春，王新民，駱小芳，等.充填法兩步回采采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].礦冶工程，2012，32（4）：1-4.

[6] 趙國彥，李振陽，代俊成.基于Vague-RSM-AFSA模型的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].黃金科學技術(shù)，2019，27（4）：497-504.

[7] 彭超，郭奇峰，冀東，等.多重賦權(quán)模糊綜合評價在采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2014（4）：22-27.

[8] 陳輝，管偉明.基于多因素正交設(shè)計法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2013，29（8）：8-12.

[9] 劉瑞江，張業(yè)旺，聞崇煒，等.正交試驗設(shè)計和分析方法研究[J].實驗技術(shù)與管理，2010，27（9）：52-55.

[10] BRSAN M.On Saint-Venant’s principle in the theory of Cosserat elastic shells[J].International Journal of Engineering Science，2007，45（2）：187-198.

[11] 尹升華，吳愛祥，李希雯.礦柱穩(wěn)定性影響因素敏感性正交極差分析[J].煤炭學報，2012，37（增刊1）：48-52.

Optimization of stope structure parameters based

on orthogonal experimental design and its application

Fan Wentao1，Liu Leilei2

（1.Shandong Gold Mining Co.，Ltd.; 2.School of Resource and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：Optimal selection of stope structure parameters is of great significance to safety production and economic benefits of mines.This paper，taking a silver polymetallic deposit in Inner Mongolia as an example，based on the mining method and mining technical conditions of the mine and using the orthogonal experiment design method，9 numerical simulation schemes with different stope structure parameters are designed based on the length，width and height，and Rhinoceros modeling software coupled Flac3D simulation analysis software is used to numerically simulate and analyze the one-step and two-step mining methods in the 9 schemes.Range analysis was conducted for each index of the 9 simulation schemes.The results showed that the height of the approach has a greater impact on these indicators，followed by width and length.Finally，comprehensive considerations of the safety，economy and technology determined the stope structural parameters of Scheme 5，in which the approach length is 25 m，width is 3.5 m，height is 3.5 m，to be the best.Field industrial test shows that the Scheme 5 is the best，with mining loss rate to be 8 %，ore dilution rate 5 %，and increased ore drawing efficiency.Besides，the ground pressure can be effectively controlled during extraction，and the safety，economy and efficiency are ensured.

Keywords：stope structure parameters;orthogonal experimental design;numerical simulation;tensile stress;plastic zone