基于Flac^3D數(shù)值模擬的深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

摘要：針對(duì)阿爾哈達(dá)鉛鋅礦上向水平分層充填采礦法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定開展相關(guān)研究，采用Flac3D數(shù)值模擬軟件建立了留頂柱不留底柱、留底柱不留頂柱共2種數(shù)值模型，分步模擬計(jì)算各方案在回采過程中的應(yīng)力和位移分布規(guī)律，分別從拉應(yīng)力和底板上鼓量、頂板下沉量分析比較方案的優(yōu)缺點(diǎn)。研究結(jié)果表明：首采分層開挖后，2種方案采空區(qū)的頂?shù)装寰霈F(xiàn)了拉應(yīng)力集中，采空區(qū)兩側(cè)圍巖出現(xiàn)壓應(yīng)力集中區(qū)域;留底柱不留頂柱的方案拉應(yīng)力出現(xiàn)明顯下降，僅為2.30 MPa左右，因此選擇留底柱不留頂柱的方案作為阿爾哈達(dá)鉛鋅礦上向水平分層充填采礦法的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)布置形式。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;深部開采;采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù);頂柱;底柱;充填采礦法

中圖分類號(hào)：TD853.34文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-1277（2022）05-0051-05doi：10.11792/hj20220510

引 言

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅影響采礦生產(chǎn)安全，更與采礦作業(yè)效率密切相關(guān)[1]。進(jìn)行采場(chǎng)穩(wěn)定性分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究，推薦合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)礦山安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[2-3]。學(xué)者們對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究，劉文勝等[4]基于正交試驗(yàn)法，采用相似模擬試驗(yàn)的手段對(duì)眼前山鐵礦的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化;李守強(qiáng)等[5]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)喀拉通克銅鎳礦Ⅰ號(hào)礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化;李江等[6]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)大尹格莊金礦9種采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析，選擇出最優(yōu)方案;馬春德等[7]采用ANSYS與Flac3D耦合模擬的方法分析了湘西金礦沃溪礦區(qū)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)選出深部采場(chǎng)最優(yōu)跨度。學(xué)者們的研究成果表明數(shù)值模擬的方案可以很好地實(shí)現(xiàn)不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算[8-10]，為礦山的安全高效生產(chǎn)提供指導(dǎo)。本文采用Flac3D數(shù)值模擬對(duì)錫林郭勒盟山金阿爾哈達(dá)礦業(yè)有限公司（下稱“阿爾哈達(dá)鉛鋅礦”）標(biāo)高568～648 m礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)并模擬計(jì)算開采過程，以獲得最優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，為深部開采提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

阿爾哈達(dá)鉛鋅礦成立于2005年，2007年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1 500? t/d，實(shí)際生產(chǎn)能力1 100～1 300 t/d。礦區(qū)有121條礦體，礦體厚度變化較大，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，厚度大于4 m的礦體占60 %～65 %。現(xiàn)有采礦方法設(shè)計(jì)原則為：礦體傾角小于或等于30°，厚度小于4 m時(shí)，采用充填采礦法或淺孔房柱采礦法開采;厚度大于4 m的礦體，采用中深孔房柱采礦法或充填采礦法開采。礦體傾角大于30°、小于50°的薄礦體，采用充填采礦法或留礦全面采礦法開采。礦體傾角大于50°的厚大礦體，采用分段空?qǐng)霾傻V法或充填采礦法開采。局部品位較高、礦體不穩(wěn)固礦段，為降低采礦損失貧化，采用充填采礦法開采。目前，深部礦體采用上向水平分層充填采礦法開采，采用Flac3D數(shù)值模擬軟件模擬采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)回采方案，獲得最優(yōu)方案，以實(shí)現(xiàn)安全高效開采的目的。

2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬

阿爾哈達(dá)鉛鋅礦深部采區(qū)開采568～648 m標(biāo)高，中段高度40 m，因采用上行開采，故選擇568 m中段為首采中段，采用留頂柱不留底柱的上向水平分層充填采礦法和留底柱不留頂柱的上向水平分層充填采礦法回采。因此，將礦體模型按40 m一個(gè)中段進(jìn)行劃分，分中段回采充填，上、下中段同時(shí)回采，每采完一個(gè)分層將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出，直至采完。

根據(jù)主要礦體特征選擇模擬參數(shù)：礦體厚度5 m左右，傾角40°，目前主要回采中段在568～648 m中段，豎井標(biāo)高1 030 m水平，采場(chǎng)距離地表高度350 m左右。建立2個(gè)中段，每個(gè)中段3個(gè)采場(chǎng)，共6個(gè)采場(chǎng)，研究范圍為：x方向270～330 m，y方向80 m，z方向80 m。根據(jù)圣維南原理，建立的模型范圍至少為研究范圍的3～5倍，故建模尺寸為：x方向2 000 m，y方向2 500 m，z方向1 230 m。模型的上部直達(dá)地表，故無需施加地應(yīng)力。采場(chǎng)單元尺寸為1 m，礦體單元尺寸為5 m，圍巖單元尺寸為10 m，以此來控制網(wǎng)格單元的尺寸。通過Flac3D建立的礦體三維網(wǎng)格模型如圖1所示。

2.1 參數(shù)選取

根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)及礦巖穩(wěn)定性調(diào)查情況，采用RockData軟件按Hoek-Brown準(zhǔn)則計(jì)算得出阿爾哈達(dá)鉛鋅礦巖體力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

2.2 計(jì)算方案和回采過程

此次采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬方案共選擇以下2種：

1）方案一：采場(chǎng)沿礦體走向布置，長(zhǎng)度90 m，寬度8 m，高度為中段高度40 m，各分層回采高度3 m，控頂高度4.5 m，不留底柱和間柱，留設(shè)頂柱高4 m，頂柱采用進(jìn)路法回采。

2）方案二：普通上向水平分層充填采礦法采場(chǎng)沿礦體走向布置，長(zhǎng)度90 m，寬度8 m，高度為中段高度40 m，各分層回采高度3 m，控頂高度4.5 m，留7 m底柱，不留間柱和頂柱，底柱采用進(jìn)路法回采。

采用Flac3D計(jì)算并模擬上述2種方案（如圖2所示），得到最大、最小主應(yīng)力，以及頂、底板位移和塑性區(qū)的情況，進(jìn)而判定采場(chǎng)穩(wěn)定性情況，從安全經(jīng)濟(jì)的角度優(yōu)選最佳采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 方案一

采用方案一，留頂柱4 m，不留底柱，采場(chǎng)長(zhǎng)度90 m礦體模型進(jìn)行數(shù)值模擬，部分關(guān)鍵步驟中采場(chǎng)的位移和應(yīng)力結(jié)果如圖3所示。

統(tǒng)計(jì)6個(gè)步驟中最大應(yīng)力與位移量模擬結(jié)果，如表2所示。

由圖3可知：首采分層開挖后，采空區(qū)的頂?shù)装宄霈F(xiàn)了拉應(yīng)力集中，頂板及上覆巖層自重應(yīng)力轉(zhuǎn)移到采空區(qū)兩幫的礦柱中，造成采空區(qū)兩側(cè)圍巖出現(xiàn)壓應(yīng)力集中區(qū)域。隨著分層回采和充填完成，拉應(yīng)力集中在下部膠結(jié)充填區(qū)。礦房開挖過后，礦房頂板上部形成一個(gè)拉應(yīng)力拱，當(dāng)充填完成后，拉應(yīng)力集中區(qū)1373F831-A21B-4262-81DE-7CEF6D6C13CD

域進(jìn)一步擴(kuò)大，在整個(gè)采場(chǎng)的長(zhǎng)度上形成拉應(yīng)力集中區(qū)。由表2可知，隨著開采的進(jìn)行，第三步和第四步暴露采空區(qū)面積最大，此時(shí)最易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，頂板拉應(yīng)力較大，尤其在礦體與圍巖交界處和礦體頂板位置，但其他位置所受拉應(yīng)力較小。

礦體回采過程中，第三步和第四步因需完成對(duì)充填體下分層的開采，整體頂板下沉量偏大，位移逐漸增加，但采場(chǎng)整體頂板位移較小。隨著開挖的進(jìn)行，因?yàn)槌涮铙w逐漸替代原有礦石，而充填體物理力學(xué)參數(shù)小于礦石，所以采場(chǎng)的底鼓逐漸增加，各步驟礦房全部回采完成后頂板下沉量為1.68～4.10 cm，底板上鼓量為1.92～4.26 cm。

3.2 方案二

方案二，留7 m底柱，不留頂柱，采場(chǎng)長(zhǎng)度90 m礦體模型部分關(guān)鍵步驟中采場(chǎng)的位移和應(yīng)力云圖如圖4所示。統(tǒng)計(jì)6個(gè)步驟中位移及最大應(yīng)力模擬結(jié)果，如表3所示。

由圖4可知：首采分層開挖后，采空區(qū)的頂?shù)装逋桨敢灰恢?，同樣出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中，頂板及上覆巖層自重應(yīng)力轉(zhuǎn)移到采空區(qū)兩幫的礦柱中，造成采空區(qū)兩側(cè)圍巖出現(xiàn)壓應(yīng)力集中區(qū)域;并且隨著分層回采和充填完成，拉應(yīng)力集中在下部膠結(jié)充填區(qū)，壓應(yīng)力集中在采空區(qū)的兩側(cè)。礦房開挖過后，礦房頂板上部形成一個(gè)拉應(yīng)力拱，當(dāng)充填完成后，拉應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，在整個(gè)采場(chǎng)的長(zhǎng)度上形成拉應(yīng)力集中區(qū)。由表3可知，隨著開采的進(jìn)行，采場(chǎng)頂?shù)装謇瓚?yīng)力值整體比較穩(wěn)定，且與方案一相比，拉應(yīng)力出現(xiàn)明顯下降，僅為2.30 MPa左右。與方案一進(jìn)行比較，方案二對(duì)于應(yīng)力控制更為理想，頂板拉應(yīng)力明顯減小。

首采分層開挖后，頂板形成位移拱，最大下沉量0.17 cm。在第三步，進(jìn)行充填體下方礦體開采時(shí)，因上中段留有厚7 m底柱，568 m中段1#礦房頂板下沉得到有效控制，最大下沉量0.39 cm;在全回采過程中，底部最大上鼓量為6.14 cm，受環(huán)境應(yīng)力影響，底部出現(xiàn)上鼓。礦體回采過程中，第三步和第四步因需完成對(duì)充填體下分層的開采，整體頂板下沉量偏大，位移逐漸增加。但采場(chǎng)整體頂板下沉量較小，較方案一有明顯改善。隨著開挖的進(jìn)行，由于采用充填體逐漸替代原有礦石，而充填體物理力學(xué)參數(shù)小于礦石，所以采場(chǎng)的底鼓逐漸增加，各步驟礦房全部回采完成后頂板下沉量為0.17～0.39 cm，底板上鼓量為1.92～6.14 cm。

4 工程應(yīng)用及效果

以阿爾哈達(dá)鉛鋅礦5631采場(chǎng)作為試驗(yàn)采場(chǎng)，采用方案二的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)回收礦體約1.82萬(wàn) t，單采場(chǎng)平均生產(chǎn)能力130 t/d，單日最大出礦量達(dá)210 t，開采過程中未出現(xiàn)失穩(wěn)、冒落等現(xiàn)象，滿足后期其他采場(chǎng)的施工要求，可在該礦山推廣應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果如圖5所示。

5 結(jié) 論

1）方案一，留頂柱4 m，不留底柱，采場(chǎng)長(zhǎng)度90 m礦體模型模擬結(jié)果表明：隨著分層回采和充填完成，拉應(yīng)力集中在下部膠結(jié)充填區(qū)。礦房開挖過后，礦房頂板上部形成一個(gè)拉應(yīng)力拱，最大拉應(yīng)力為3.04 MPa，頂板拉應(yīng)力較大，尤其在礦體與圍巖交界處和礦體頂板位置，各步驟礦房全部回采完成后頂板下沉量為1.68～4.10 cm，底板上鼓量為1.92～4.26 cm。

2）方案二，留7 m底柱，不留頂柱，采場(chǎng)長(zhǎng)度90 m 礦體模型模擬結(jié)果表明：首采分層開挖后，采空區(qū)的頂?shù)装逋桨敢灰恢?，同樣出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中，頂板及上覆巖層自重應(yīng)力轉(zhuǎn)移到采空區(qū)兩幫的礦柱中，造成采空區(qū)兩側(cè)圍巖出現(xiàn)壓應(yīng)力集中區(qū)域。但與方案一相比，拉應(yīng)力出現(xiàn)明顯下降，僅為2.30 MPa左右。各步驟回采完成后頂板下沉量為0.17～0.39 cm，底板上鼓量為1.92～6.14 cm。選擇方案二作為阿爾哈達(dá)鉛鋅礦上向水平分層充填采礦法的最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3）采用方案二在阿爾哈達(dá)鉛鋅礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，采場(chǎng)平均生產(chǎn)能力130 t/d，單日最大出礦量達(dá)210 t，開采過程中未出現(xiàn)失穩(wěn)、冒落等現(xiàn)象，滿足施工要求，可推廣應(yīng)用。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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Optimization and application of deep stope structural parameters based1373F831-A21B-4262-81DE-7CEF6D6C13CD

on Flac3D numerical simulation

Zhou Yabo

（Xilin Gol League Shanjin Alhada Mining Co.，Ltd.）

Abstract：To determine the structural parameters of stope using upward horizontal slicing filling mining method in Alhada lead-zinc mine，related research is carried out.A total of 2 kinds of numerical models including reserving top pillar without sill pillar and reserving sill pillar without top pillar were built by Flac3D numerical simulation software，the step-by-step simulation was used to calculate the stress and displacement distribution laws of each scheme in the recovery process，and the advantages and disadvantages of the schemes were analyzed and compared from the tensile stress，the upward swelling degree of floor and downward settling degree of roof，respectively.The results showed that tensile stress concentration occurred in the roof and floor of the goafs for both schemes after the first slicing excavation and the stress concentration occurred in wall rocks on both sides of the goaf; in the scheme of reserving sill pillar without top pillar，the tensile stress obviously declines to only around 2.30 MPa.So the scheme of reserving sill pillar without top pillar was selected as the stope structure layout form of upward horizontal slicing filling mining method in Alhada lead-zinc mine.

Keywords：numerical simulation;deep mining;stope structural parameter;top pillar;sill pillar;filling mining method

收稿日期：2021-11-30; 修回日期：2022-03-10

基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2021M702015，2021MD703874）

作者簡(jiǎn)介：周亞博（1986—），男，河南鄭州人，工程師，碩士，從事金屬礦山開采理論研究等工作;內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗滿都鎮(zhèn)，錫林郭勒盟山金阿爾哈達(dá)礦業(yè)有限公司，026399;

E-mail：zhouyabo@sd-gold.com1373F831-A21B-4262-81DE-7CEF6D6C13CD