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，無較大工程環(huán)境地質(zhì)問題。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)下采場穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

由于礦體較規(guī)則，采場均沿走向布置，礦塊寬即為礦體厚度，因此影響采場穩(wěn)定性的主要因素[1]有四個，分為頂?shù)字穸取㈤g柱寬度、階段高度及礦塊長度。本文對方案進(jìn)行正交設(shè)計，正交方案表中每列各水平重復(fù)數(shù)相同，每兩列各不同的水平搭配出現(xiàn)的次數(shù)相同[2]，見表1、表2。

表1 正交因素

模型的模擬范圍東西長650m，南北寬300m，模擬開挖模型中部845m及其上下3個中段。礦柱、采場及礦體網(wǎng)格精度取5m，采場附近上盤圍巖網(wǎng)格精度取10m，遠(yuǎn)離采場的上下盤巖體網(wǎng)格精度取20m，利用摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則來處理。限于篇幅，本文僅給出方案Ⅱ數(shù)值分析得出的圖片，分析對象主要為開挖前后頂?shù)字?、頂板及間柱的應(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，礦體開挖后采空區(qū)頂板及頂柱中央形成了等值應(yīng)力跡線拱，靠近頂板或頂柱中央為拉應(yīng)力，往上等值跡線拱徑遂漸變大，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礦體開挖后最大主應(yīng)力σ3云圖(X=325m)

圖3 方案Ⅱ礦體開挖后頂板最大拉應(yīng)力分布

圖4 方案Ⅱ礦體開挖后間柱最大壓應(yīng)力分布

1) 根據(jù)采場失穩(wěn)機(jī)理，頂板所受的拉應(yīng)力是影響采場穩(wěn)定性的重要因素[4]。由計算結(jié)果可以看出，采場開挖以后，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圍巖同底柱的接觸角點，間柱同上下盤接觸的地帶應(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。對于頂?shù)字和敯孱愃疲諈^(qū)上部頂柱形成了等值應(yīng)力跡線拱，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)行兩兩對比。本文對其進(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?，間柱寬度，礦塊長度。

1.2 位移分布分析

由位移分布圖(圖5～7)可看出，礦體開挖后，空區(qū)頂?shù)装迨軕?yīng)力作用，均向空區(qū)移動，造成頂板沉降，底板上鼓，在采空區(qū)周邊圍巖區(qū)域成位移等值線拱，離空區(qū)越近，拱徑越小，位移越大。對于頂板，出現(xiàn)最大沉降位移的區(qū)域一般位于整個采空區(qū)中部采場頂板中央。對于間柱，由靠近上盤圍巖側(cè)到靠近下盤圍巖側(cè)，位移值由負(fù)值逐漸向正值轉(zhuǎn)變，間柱受上下盤圍巖的共同作用向中部擠壓。對于頂?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礦體開挖后間柱垂直位移分布

圖6 方案Ⅱ礦體開挖后頂板垂直位移分布

圖7 方案Ⅱ礦體開挖后頂?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也基本相同，只頂?shù)字畲蟠怪背两盗窟@個指標(biāo)數(shù)值遠(yuǎn)大于其他指標(biāo)。

通過正交極差分析可知各因素對頂?shù)字畲蟠怪背两滴灰屏康挠绊懽饔么笮∫来螢椋旱V塊長度、頂?shù)字穸?、階段高度及間柱寬度。

1.3 塑性區(qū)分布規(guī)律

從圖8來看，各方案頂板均沒有出現(xiàn)塑性變形。塑性區(qū)主要集中分布于頂?shù)字伴g柱上面，表明采場的可能失穩(wěn)部位主要是頂?shù)字伴g柱。通過觀測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)多位于與底盤圍巖交接處，頂?shù)字喜克苄詤^(qū)多為于中央或者靠近上盤圍巖的地方。

圖8 方案Ⅱ礦體開挖后礦柱塑性區(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。對于間柱，最大壓應(yīng)力主要分布于與上盤圍巖同底柱的接觸角點處，間柱同上下盤接觸的地帶應(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。礦房開挖后，空區(qū)頂?shù)装迨軕?yīng)力作用，均向空區(qū)移動，造成頂板沉降，底板上鼓，離空區(qū)越近，位移越大。

通過對表4正交極差分析可知，各因素對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?、間柱寬度、礦塊長度；對頂?shù)字畲蟠怪背两滴灰屏康挠绊懽饔靡来螢榈V塊長度、頂?shù)字穸?、階段高度、間柱寬度；對塑性區(qū)體積大小的影響作用依次為頂?shù)字穸?、礦塊長度，階段高度，間柱寬度。據(jù)此，可看出頂?shù)字暮穸茸兓瘜Σ蓤鲫P(guān)鍵部位的穩(wěn)定性影響作用較強，間柱寬度的影響作用較弱。

表4 各方案塑性區(qū)體積

2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 評價指標(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)選采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的評價參考指標(biāo)，只考慮8個影響因素[6]:①安全指標(biāo)：頂?shù)字畲髩簯?yīng)力、頂?shù)字畲蟠怪背两盗俊⑺苄詤^(qū)分布情況(安全系數(shù))；②技術(shù)指標(biāo)：采場生產(chǎn)能力、礦石損失率、采切比、對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?，安全系?shù)，采場生產(chǎn)能力，礦石損失率，采切比，對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個方案為評價對象，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)重的確定及評價指標(biāo)值的量化

2.2.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

把每一個具有向下隸屬關(guān)系的元素做為判斷矩陣的第一個元素置于左上角，隸屬于它的各個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，則針對因素Y，可對所有因素X1，X2，…，Xn進(jìn)行兩兩比較，對其重要性程度按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對于上一層次相應(yīng)元素Y的權(quán)值。

構(gòu)造判斷矩陣時，受分析者個人知識及主觀經(jīng)驗的限制，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際狀況，必須對判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗[8]。檢驗公式如下所示。

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(取值見表6)。

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

依據(jù)上述方法，構(gòu)建目標(biāo)層對應(yīng)于一級指標(biāo)層(準(zhǔn)則層)的判斷矩陣(表7)，二級指標(biāo)層(子準(zhǔn)則層)對應(yīng)于一級指標(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)

對其進(jìn)行總排序一致性檢驗

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，滿足一致性檢驗條件。

表11 定性指標(biāo)9級標(biāo)準(zhǔn)賦值

2.2.2 指標(biāo)值的確定

各方案對原探礦巷道的利用情況及頂?shù)字踩詢芍笜?biāo)采用9級標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行賦值。對于其他定量指標(biāo)，則以實際值為準(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 綜合評價指標(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，為此需對其進(jìn)行無量綱化，以[0，1]之間的數(shù)值表示各指標(biāo)值[10]。對收益性指標(biāo)，以式(1)作為其隸屬度函數(shù)，對消耗性指標(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

以上計算得出的權(quán)重及隸屬度矩陣得綜合評判向量

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)劣次序為：方案Ⅱ→方案Ⅳ→方案Ⅴ→方案Ⅶ→方案Ⅰ→方案Ⅷ→方案Ⅵ→方案Ⅸ。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50m。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用正交試驗理論，構(gòu)建了千家坪釩礦九種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)組合方案，通過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Σ蓤鲫P(guān)鍵部位的穩(wěn)定性影響作用較強，而間柱寬度的影響作用較弱。基于以上分析，建立了該礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合評判模型，分析得出了對本礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)有影響作用的重要指標(biāo)，通過層次分析法獲得了各指標(biāo)權(quán)值，并對各可行方案進(jìn)行模糊綜合評價，最終得出采場穩(wěn)定最優(yōu)方案：間柱寬10m，頂?shù)字?m，階段高50m，礦塊長50m。

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二氧化碳地質(zhì)儲存鎖定15處目標(biāo)靶區(qū)

中國地質(zhì)調(diào)查局水環(huán)地調(diào)中心《重點地區(qū)二氧化碳地質(zhì)儲存適宜性與選址調(diào)查評價》項目組日前全面完成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)。

該項目2013年度共完成了1∶10萬遙感解譯6000km2，1∶10萬綜合地質(zhì)調(diào)查3000km，可控源音頻大地電磁測深300點，建立了目標(biāo)靶區(qū)級評價指標(biāo)體系和方法，探索了場地選址調(diào)查評價方法，總結(jié)了低孔低滲克拉通型盆地潛力與適宜性評價流程。

該項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存二氧化碳區(qū)塊。針對重慶碳源區(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-裂縫性儲層中。針對寧東、榆林、慶陽、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。儲集層系主要分布在奧陶系古巖溶系統(tǒng)的碳酸鹽巖儲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組砂巖中。