三山島金礦西山深部北區(qū)礦體采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

摘要：為優(yōu)化三山島金礦西山深部北區(qū)上向進(jìn)路充填采礦法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于礦體的開采技術(shù)條件，初步選擇了10種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用ABAQUS軟件對10種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，再結(jié)合模糊數(shù)學(xué)方法對10種模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過綜合對比分析，推薦方案2作為三山島金礦西山深部北區(qū)SL06154盤區(qū)采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即一步進(jìn)路采場寬度8 m，二步進(jìn)路采場寬度6 m，進(jìn)路采高4.5 m，采用隔一采一的方式。

關(guān)鍵詞：深部礦體；上向進(jìn)路；充填采礦法；數(shù)值模擬分析；采場結(jié)構(gòu)參數(shù)；模糊數(shù)學(xué)

中圖分類號：TD853.34 文章編號：1001-1277（2024）09-0017-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240904

引 言

礦山在開采過程中，采場開采不僅是一個動態(tài)開挖過程，也是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，受到多個因素綜合影響［1-3］。而采場的穩(wěn)定性對于回采作業(yè)安全至關(guān)重要，采場穩(wěn)定性影響因素十分復(fù)雜，這是因?yàn)槊總€礦山的地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件有差異，采場穩(wěn)定性一方面跟采場礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)，另一方面還與采場結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)［4-5］。因此，開展采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究直接關(guān)系到采場的穩(wěn)定性，也影響整個礦山的安全及經(jīng)濟(jì)效益，對于礦山開采意義重大［6-7］。

學(xué)者常采用數(shù)值模擬、數(shù)學(xué)方法等手段開展采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究，取得了不錯的效果。例如：高博等［8］針對山東某金礦采用上向水平分層充填采礦法面臨的上盤礦體破碎問題，采用Flac3D軟件對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；王文勝等［9］基于夏甸金礦開采技術(shù)條件，采用數(shù)值分析軟件對上向進(jìn)路充填采礦法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了模擬，獲得了最優(yōu)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)；李加州等［10］針對某礦山的礦巖情況，采用AHP-TOPSIS模型對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選，獲得了最佳的采礦方法；王邦雁［11］采用數(shù)值模擬方法對緩傾斜厚大礦體采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究；孫星等［12］采用UDEC軟件對深部急傾斜厚大礦體采用階段空場嗣后充填采礦法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，結(jié)果表明，采場長度50 m和跨度20 m是最優(yōu)的；安傲清［13］采用ANSYS軟件對山東玲瓏金礦采用的上向進(jìn)路充填采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，確定了進(jìn)路寬度4 m為最優(yōu)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本文以山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦（下稱“三山島金礦”）西山深部北區(qū)礦體為研究對象，根據(jù)西山深部北區(qū)礦體的開采技術(shù)條件，采用上向進(jìn)路充填采礦法開采。為研究西山深部北區(qū)礦體的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用ABAQUS軟件對10種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，利用模糊數(shù)學(xué)方法對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析，最終得到最佳的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 工程背景

三山島金礦西山深部北區(qū)礦體主要賦存于地下1 000～2 000 m，從目前西山深部北區(qū)礦井下采場及巷道揭露巖體的情況可知，礦體上盤圍巖穩(wěn)固性差，多為碎裂巖，易冒落。礦體下盤圍巖為絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖，其內(nèi)亦發(fā)育相互交錯的裂隙節(jié)理，造成局部圍巖破碎，尤其是煌斑巖處及兩側(cè)，特別破碎。西山深部北區(qū)礦巖巖性均為黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖、絹英巖化花崗巖，下盤推測可能出現(xiàn)破碎斷裂帶，掘進(jìn)施工至此易產(chǎn)生掉塊和塌方；同時深部礦體存在高地壓、巖爆等工程地質(zhì)問題，工程地質(zhì)條件復(fù)雜程度為復(fù)雜。西山深部北區(qū)礦體不同等級礦（巖）體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

通過分析西山深部北區(qū)礦體產(chǎn)狀特征得出：該區(qū)域礦體整體展布于F1斷層以下，偶有F1斷層穿入礦體情況，屬于緩傾斜—傾斜極厚大礦體，中間夾有15～20 m（水平厚度）廢石，以此為界自然地分成了上盤礦體、下盤礦體。-1 050 m中段下盤主體礦體

厚度為16.35～60.29 m，平均厚度約為28 m。上盤礦體相對較薄，主體礦體厚度為16.35～60.29 m，平均厚度約為28 m。上盤礦體較為破碎，下盤礦體完整度較高。目前，擬采用上向進(jìn)路充填采礦法開采西山深部北區(qū)礦體，開采方式采用隔一采一的形式，階段高度設(shè)置為45 m，采場寬度為礦體厚度，約30 m，采場長度為50 m，采場中進(jìn)路沿礦體走向布置。該方法為工作面循環(huán)作業(yè)，鑿巖爆破、出礦、充填和護(hù)頂完成一個循環(huán)后，進(jìn)行下一分層的循環(huán)；回采空間和范圍可以控制，人員、設(shè)備在暴露的頂板下作業(yè)，需有效控制頂板。

2 基于ABAQUS軟件數(shù)值模擬分析

2.1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬方案

為研究上向進(jìn)路充填采礦法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析［14-15］。擬采用進(jìn)路采場的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：一步進(jìn)路采場寬度為7 m、8 m、9 m，二步進(jìn)路采場寬度為5 m、6 m、7 m，進(jìn)路高度為3.5 m、4.5 m、5.5 m，開采方式采用隔一采一的形式，同時開采進(jìn)路采場的數(shù)量為1個、2個、3個、4個。對以上參數(shù)進(jìn)行組合，共有10種數(shù)值模型用來分析進(jìn)路開采頂板及圍巖的位移、應(yīng)力與采場長度之間的關(guān)系。采場結(jié)構(gòu)參數(shù)計算方案見表2。

2.2 模擬結(jié)果及分析

2.2.1 等效應(yīng)力分布規(guī)律

為了方便理解，對方案2的進(jìn)路采場開挖形成空區(qū)后建立數(shù)值模型分析。其中，上覆巖層壓力為27 MPa，得到采場頂板、兩幫及圍巖等效應(yīng)力分布，結(jié)果見圖1。

由圖1可知：整個盤區(qū)的等效應(yīng)力為0.3～123 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域明顯分布在一步進(jìn)路采場頂板角落，而一步進(jìn)路采場底板角落僅存在較少的應(yīng)力集中區(qū)域。除應(yīng)力集中區(qū)域外，整個盤區(qū)圍巖的等效應(yīng)力為0.3～82 MPa，二步進(jìn)路采場主要存在著高應(yīng)力分布情況，一步進(jìn)路采場的頂板和底板圍巖存在著地應(yīng)力分布的情況，說明開挖導(dǎo)致了應(yīng)力重新分布，一步進(jìn)路采場頂?shù)装鍑鷰r的應(yīng)力得到一定程度的釋放，而兩幫圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)一定程度增加。

同理，對采空區(qū)充填后建立數(shù)值模型并分析，得到進(jìn)路采場頂板、兩幫及圍巖的等效應(yīng)力分布，結(jié)果見圖2。

由圖2可知：盤區(qū)整體的等效應(yīng)力為0.9～122 MPa。其中，一步進(jìn)路采場頂板角落存在應(yīng)力集中區(qū)域，但是，相比采空區(qū)的應(yīng)力集中范圍有所減少。充填后，一步進(jìn)路采場底板角落存在少量的應(yīng)力集中現(xiàn)象。除應(yīng)力集中區(qū)域外，其他圍巖的等效應(yīng)力為0.9～82 MPa，高應(yīng)力區(qū)域仍然分布在二步進(jìn)路采場，但是分布范圍有所減少，低應(yīng)力區(qū)域分布在一步進(jìn)路采場頂板和底板圍巖中，范圍有所增加（尤其底板圍巖）。

2.2.2 塑性應(yīng)變及沉降變形分析

圍巖塑性應(yīng)變及y方向上變形見圖3～5。由圖3～5可知，方案2的上覆巖層壓力為27 MPa。

根據(jù)應(yīng)變云圖：一步進(jìn)路采場頂板及兩幫在x方向塑性應(yīng)變?yōu)?.658×10-5～4.983×10-4，一步進(jìn)

路采場頂板角落出現(xiàn)相對較大的塑性應(yīng)變，應(yīng)變值達(dá)到1.085×10-3。y方向塑性應(yīng)變?yōu)?.576×10-4～8.367×10-4，一步進(jìn)路采場頂板角落出現(xiàn)相對較大塑性應(yīng)變，應(yīng)變值達(dá)到5.809×10-3。根據(jù)y方向上沉降云圖，一步進(jìn)路采場頂板在y方向沉降量相對較大，在數(shù)值模擬過程中監(jiān)測其變形值，得到頂板沉降曲線和兩幫變形曲線見圖6、圖7。

對采空區(qū)充填后建立數(shù)值模型并分析，得到采場圍巖的塑性應(yīng)變及y方向上的變形（見圖8～10）。

根據(jù)云圖：采場充填后，一步進(jìn)路采場頂板及兩幫在x方向的塑性應(yīng)變?yōu)?.015×10-5～5.327×10-4，一步進(jìn)路采場頂板角落出現(xiàn)相對較大塑性應(yīng)變，應(yīng)變值達(dá)到9.602×10-4。在y方向的塑性應(yīng)變?yōu)?.334×10-4～3.063×10-2，一步進(jìn)路采場頂板角落出現(xiàn)相對較大塑性應(yīng)變，應(yīng)變值達(dá)到1.012×10-2。根據(jù)y方向上的沉降云圖，頂板在y方向沉降量相對較大。為進(jìn)一步精準(zhǔn)研究采場頂板沉降量和兩幫變形量，在數(shù)值模擬過程中監(jiān)測其變形值，得到頂板沉降曲線和兩幫變形曲線，見圖11、圖12。

由于采用ABAQUS軟件得到10種方案的數(shù)值模擬結(jié)果不易進(jìn)行優(yōu)選，故決定采用模糊數(shù)學(xué)方法對10種方案的模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)選。

3 基于模糊數(shù)學(xué)優(yōu)選

基于數(shù)值模擬結(jié)果分析，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)方法對10種方案進(jìn)行了優(yōu)選［16-17］，選取各方案的最大等效應(yīng)力（S1）、頂板沉降量（S2）、左幫變形量（S3）、右?guī)妥冃瘟浚⊿4）、與工程地質(zhì)條件適應(yīng)性（S5）、二步采的相對難易程度（S6）和相對生產(chǎn)能力（S7）等指標(biāo)進(jìn)行分析。其中，對定性指標(biāo)（S5 和S6）進(jìn)行定量賦值，各指標(biāo)參數(shù)見表3。

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)方法對以上10種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)方案進(jìn)行計算，可得方案隸屬度向量

R=（0.769 1，0.834 5，0.811 1，0.787 5，0.687 4，0.723 1，0.754 3，0.768 9，0.790 5，0.801 2）。即各方案優(yōu)先順序?yàn)椋悍桨?（一步進(jìn)路寬8 m、二步進(jìn)路寬6 m、采高4.5 m）>方案3>方案10>方案9>方案4>方案1>方案8>方案7>方案6>方案5。

因此，經(jīng)過綜合分析，推薦采用方案2作為三山島金礦西山深部北區(qū)礦體的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，即一步采場寬度8 m，二步采場寬度6 m，采高4.5 m，隔一采一的方式回采礦體。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)三山島金礦西山深部北區(qū)礦體的開采技術(shù)條件，為研究采用不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)時，采場圍巖應(yīng)力應(yīng)變演化規(guī)律，設(shè)計了10組進(jìn)路采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用ABAQUS數(shù)值分析軟件對10種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了采場頂板及圍巖位移、應(yīng)力與采場長度之間的關(guān)系。

2）基于模糊數(shù)學(xué)方法，綜合考慮最大等效應(yīng)力（S1）、頂板沉降量（S 2）、左幫變形量（S 3）、右?guī)妥冃瘟浚⊿ 4）、與工程地質(zhì)條件適應(yīng)性（S 5）、二步采的相對難易程度（S 6）和相對生產(chǎn)能力（S 7）等七大指標(biāo)，對10個數(shù)值模型進(jìn)行對比分析。研究結(jié)果表明：基于穩(wěn)妥、可靠的原則，方案2最優(yōu)，推薦三山島金礦西山深部北區(qū)礦體的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為：一步進(jìn)路采場寬度8 m，二步進(jìn)路采場寬度6 m，進(jìn)路采高4.5 m，采用隔一采一的方式回采。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Optimization of stope structural parameters for the orebody in the north area deep

in Xishan area of Sanshandao Gold Mine

Wang Yunsheng

（Sanshandao Gold Mine，Shandong Gold Mining Industry （Laizhou）Co.，Ltd.）

Abstract：Based on the mining technical conditions of the orebody in the north area deep in Xishan area of Sanshandao Gold Mine，this study aims to optimize the stope structural parameters for the upward approach cut-and-fill mining method.10 preliminary stope structural parameters were selected and analyzed using ABAQUS software for numerical simulation.These simulation results were further optimized using fuzzy mathematics.Through comprehensive comparison and analysis，Scheme 2 is recommended for the structural parameters of the stope in the SL06154 panel of the north area deep in Xishan area of Sanshandao Gold Mine.The scheme involves a first-step stope width of 8 m，a second-step stope width of 6 m，and a stope height of 4.5 m，with an alternate mining approach for the orebody in the north area deep in Xishan area of Sanshandao Gold Mine.

Keywords：deep orebody;upward approach;cut-and-fill mining;numerical simulation analysis;stope structural para-meters;fuzzy mathematics