南非Dilokong鉻礦采場結構參數優化

邱景平 王 振,2 邢 軍 孫曉剛

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819;2.金誠信礦業管理股份有限公司，北京 101500)

南非Dilokong鉻礦采場結構參數優化

邱景平1王 振1,2邢 軍1孫曉剛1

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819;2.金誠信礦業管理股份有限公司，北京 101500)

南非Dilokong鉻礦礦體含鉻品位較高，為典型的緩傾斜薄礦體，設計采用房柱采礦法進行回采。針對Dilokong鉻礦緩薄礦體的開采技術條件及采礦難題，為探求其合理的采場結構參數，實現現場的安全、高效開采，研究采用正交數值模擬試驗，選取了礦房長度、礦房跨度、點柱尺寸和點柱間距4個因素，正交設計了4因素3水平9種采場結構參數模型的試驗方案。通過FLAC3D軟件對不同方案的圍巖應力及位移分布數值模擬結果的對比分析，研究各參數對采場穩定性的影響及優化采場結構參數。試驗結果表明，礦房跨度及點柱尺寸是影響采場應力集中和位移變形的重要參數，并確定了合理的采場結構參數，即礦房長度50 m、礦房跨度26 m、點柱尺寸5 m×5 m及點柱間距2 m，研究結果對現場下階段礦體的回采具有指導借鑒意義。

鉻礦 緩薄礦體 數值模擬 采場結構參數

1 Dilokong鉻礦開采條件

Dilokong鉻礦為中鋼集團在南非投資開發的鉻礦礦床，礦體呈單一層狀產出，形狀較規整，埋深約在300～400 m，頂板巖石以斜長巖為主、底板巖石以輝巖為主[1]。Dilokong鉻礦目前開采的資源為LG6鉻礦層，Cr2O3品位為43%～47%。LG6鉻礦層由2部分組成，輝巖將其分成LG6主礦層和LG6a礦層。LG6主礦層厚度1.1～1.3 m，平均厚度1.12 m，上覆有0.33～0.35 m厚的LG6a礦層，平均厚度0.34 m，中間輝巖厚度大約0.6 m，如圖1所示。LG6礦層屬于沉積型緩傾斜薄礦體，傾角為9～13°，礦體走向、傾向、傾角變化不大，礦石密度為4.25 t/m3。

Dilokong鉻礦礦體劃分為盤區進行開采，盤區內以中心受礦槽為中心向礦體兩邊推進，采用傳統房柱采礦法進行回采，即采場房柱式布置，采場長度方向與礦體走向一致約90 m，采場寬度約20 m，間柱寬度約6 m，采場內采用木柱支護[2]。隨著礦體不斷回采，Dilokong鉻礦空區面積不斷增大，同時由于采場結構參數不合理，采場暴露面積過大且采場內僅采用木柱支護，導致井下地壓活動頻繁且明顯，采場片幫及冒頂事故時有發生，直接威脅到井下采掘作業安全并影響礦山生產能力。因此迫切需要進行Dilokong鉻礦的采場結構參數優化，確定合理的采場結構參數，為礦山的安全、高效生產提供科學依據。

圖1 南非Dilokong鉻礦層斷面示意Fig.1 Section schematic diagram of Dilokong chromium ore bed in South Africa

2 計算模型

利用Ansys軟件建立計算模型，并采用有限差分軟件FLAC3D作為優化采場結構參數的模擬分析工具[3]，數值計算中假定所有材料均符合摩爾-庫倫準則，各巖層之間為整合接觸，巖體為各向同性的連續介質[4]，原巖地應力僅考慮靜載荷即巖體自重對模型的影響。

2.1 模型建立

根據礦體賦存狀況，模型的礦體賦存條件：上盤圍巖為斜長巖，下盤圍巖為輝巖，礦體傾角10°。最終按照礦體工程實際，建模參數：礦體傾角10°，模型尺寸的長寬高范圍為600 m×300 m×200 m，礦體水平厚度2 m，控制礦塊沿傾向60 m，沿走向101 m，如圖2所示。對模型加載垂直向下的重力加速度，將模型上邊界以上的巖層重量作為應力邊界條件施加在模型的上邊界。模型的下部邊界條件簡化為固定邊界條件。考慮模型的側部邊界條件時，施加滾動邊界條件，即在模型的側部邊界水平方向的位移等于零，垂直方向可以運動。

圖2 Ansys模型圖Fig.2 Ansys model diagram

2.2 巖體物理力學參數

數值模擬所采用的巖體物理力學參數如表1所示。

表1 巖體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

2.3 計算方案

設計方案時，各因素的取值需要在合理的范圍之內。礦房長度的取值依照電耙合理的耙礦距離取值；礦房的跨度通過地下無支護空間等效尺寸與質量指標間的關系(跨度=等效尺寸×開挖體支護比)求得；點柱尺寸及其間距根據地下礦山點柱的布置方式確定。各因素選取分別選取3個水平，如表2所示。

表2 因素水平表Table 2 Factor levels table

研究設計了9種方案的L9(34)正交試驗，研究4個因素3個水平對采場圍巖穩定性的影響，詳見表3。

表3 L9(34)模擬分析正交試驗表Table 3 L9(34) Simulation experiments based on orthogonal analysis

3 數值模擬結果及分析

模擬結果主要根據應力與位移分布情況進行分析。鑒于篇幅的原因，僅給出方案Ⅴ(礦房跨度26 m，礦房長度為50 m，礦柱尺寸5 m×5 m，礦柱間距2 m)沿采場長軸中央與礦柱中央的計算結果剖面圖以及各方案的計算結果匯總圖加以分析。

3.1 應力分布規律

對于房柱式的采場，保證其采場的穩定性應使頂底板不出現拉應力或使出現的拉應力低于頂底板巖體的抗拉強度。同時應使礦柱的壓應力低于其抗壓強度。選取采場頂底板圍巖及礦柱作為分析的關鍵部位，將采場頂底板圍巖最大拉應力和礦柱最大壓應力作為分析采場穩定性狀況的應力指標。

由應力云圖3可知，礦房開挖后，在頂底板暴露面邊緣處均出現了拉應力；因轉角處形狀的不連續性，產生了切向壓應力集中區；礦柱受壓產生了應力集中現象。各方案頂底板及礦柱應力值如圖4顯示，各方案的采場結構參數選取的不同，所產生的頂底板及礦柱的應力各不相同，且差距較大。通過極差分析可得：各因素對頂底板拉應力及礦柱壓應力大小影響重要性順序分別為B>D>A>C與C>A>D>B，影響頂底板拉應力大小的主要因素為礦房跨度；影響礦柱壓應力大小的主要因素為礦柱的尺寸。

圖3 頂底板最大拉應力與礦柱最大壓應力Fig.3 Maximum tensile stress of roof & floor and maximum compressive stress of pillar

圖4 各方案頂底板及礦柱應力值Fig.4 Stress value of roof & floor and pillar of each scheme▲—頂底板最大拉應力；■—礦柱最大壓應力

從圖4可以看出方案Ⅴ的頂底板拉應力及礦柱壓應力均較小，具有明顯的優勢。

3.2 位移分布規律分析

采場的穩定性可以通過頂底板巖層的位移變形量體現。若采場圍巖變形量過大，超過其容許的極限位移值，采場就有可能失穩。故可以選取位移變形量作為判斷采場穩定的指標。

從圖5豎向位移云圖可以看出：礦體開挖后，空區頂底板受應力作用，均向空區方向移動，造成了采場頂板的沉降與底板的底鼓；礦柱上下盤圍巖中分別出現了一定的豎向沉降量及上升位移量，在靠近礦柱附近處位移較小。

圖5 頂底板及礦柱豎向位移Fig.5 Vertical displacement of roof & floor and pillar

通過圖6各方案的比較發現頂底板出現的最大位移值均不相同，但根據其位移云圖可知出現最大位移的區域一般位于采空區中部采場頂板中央的位置。通過極差分析可得：各因素對頂底板及礦柱板豎向沉降量大小影響的主次順序為B>A>C>D，即礦房跨度對豎向沉降量影響較為顯著。從圖6可以看出，方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅶ豎向位移結果均較小，具有較好的試驗效果。

圖6 各方案頂底板及礦柱豎向位移值Fig.6 Vertical displacement of roof & floor and pillar of each scheme■—頂板最大下沉值；●—底板最大底鼓值；▲—礦柱最大位移值

從上述極差分析可得到各因素的重要程度，其中礦房的跨度及點柱的尺寸對采場的穩定性影響最大。同時，通過各方案數值模擬計算結果可以看出：部分方案，如方案Ⅷ由于點柱過小，礦柱中的應力超過其極限抗壓強度，產生了剪切破壞，礦柱中出現了大范圍的塑性屈服區域；如方案Ⅸ，由于礦房長度及跨度選取的值過大，頂底板中的拉應力超過其巖體的極限抗拉強度，導致頂底板位移過大，產生了拉破壞；如方案Ⅰ、Ⅱ雖周邊圍巖的應力狀況較好，但礦房的參數過小，會降低礦石回收率，造成礦石損失量大；而相對于方案Ⅶ，方案Ⅴ具有明顯的優勢：頂底板最大的拉應力為4.33 MPa，礦柱中的最大壓應力為36.1 MPa，均未超過其各自的抗拉強度及抗壓強度；頂底板的最大位移為1.14 cm，采場的位移變形量較小。故確定方案Ⅴ為最優的采場結構參數，即礦房長度為50 m、礦房跨度為26 m、點柱尺寸為5 m×5 m及點柱間距為2 m。

4 結 論

(1)根據礦山的開采技術條件及現狀，建立了數值分析模型，模型尺寸的長寬高范圍為600 m×300 m×200 m，其中礦體傾角10°，水平厚度2 m。

(2)選取了影響房柱式采場穩定性的4種因素，各種因素依據計算或者經驗選取了3個水平，并設計了4因素3水平9種采場結構參數的計算方案。

(3)通過9種計算方案模型結果的應力及位移的極差分析得到了適宜Dilokong鉻礦開采的最佳采場結構參數：礦房長度50 m，礦房跨度26 m，點柱尺寸5 m×5 m，點柱間距為2 m。

(4)模擬結果說明：在采場長度一定的情況下，減小頂底板拉應力、豎向位移最有效的辦法是減少采場的跨度；減小礦柱中壓應力最有效的辦法是增大點柱的尺寸；因此從減少頂底板及礦柱的應力、位移的角度進行采場設計，通過相對減小礦房跨度、增大點柱尺寸提高采場穩定性是可行的。

[1] 周文略，連民杰，馬毅敏.南非Dilokong鉻礦采礦生產全流程技術評價[J].金屬礦山，2012(11):46-48. Zhou Wenlue，Lian Minjie，Ma Yimin.Technological evaluation on the overall flow of mining production in Dilokong Chromium Ore of South Africa[J].Metal Mine，2012(11)：46-48.

[2] 邢 軍，孫國權.緩傾斜薄礦體鉻礦開采關鍵技術及裝備研究[R].馬鞍山:中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，2013. Xing Jun，Sun Guoquan.Key Mining Technology and Equipment Research of Slowly Inclined Thin Orebody of Chrome Ore[R].Maanshan:Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.，Ltd.，2013.

[3] 甯瑜琳.深部緩傾斜薄礦體采場結構參數優化及采動沉陷特性研究[D].中南大學，2012. Ning Yulin.Research on Optimization of Stope Parameters of Deep Gently Inclined Thin Ore Body and Mining Subsidence Characteristics[D].Changsha:Central South University，2012.

[4] 楊清平，滕丙娟，胡文達,等.謙比西銅礦西礦體采場結構參數優化[J].金屬礦山，2012(5):1-4. Yang Qingping，Teng Bingjuan，Hu Wenda，et al.Stope structure parameters optimization of west orebody in Chambishi Copper Mine[J].Metal Mine,2012(5):1-4.

(責任編輯 石海林)

Stope Structure Parameters Optimizing on Dilokong Chromium Mine in South Africa

Qiu Jingping1Wang Zhen1，2Xing Jun1Sun Xiaogang1

(1.CollegeofResourcesandCivilEngineering,NortheasternUniversity，Shenyang110819，China;2.JchxMiningManagementCo.，Ltd.，Beijing101500，China)

Dilokong Chromium Mine in South Africa is a high grade deposit and it is the typical gently inclined thin bodies，the room-and-pillar stoping mining method was adopted.According to the mining conditions of gently inclined thin Chrome ore body and current mining problem of Dilokong chromium mine，in order to get the reasonable structure parameters and achieve safe & efficient mining，the paper adopted orthogonal numerical simulation experiments，which selecting four parameters including room length，room width，pillar dimension and pillar spacing，and orthogonally designed nine feasible stope structure models with four factors and three levels.Through FLAC3Dsimulation results comparing of stress status and surrounding rock displacement of different structure parameter schemes，the paper had studied influence of different parameters to stope stability and optimized stope structure parameter.The research result showed that room width and pillar dimension were the important influence parameters of stress concentration and displacement deformation，and the reasonable stope structure parameters were determined:the length of room is 50 m，the width of room is 26 m，the dimension of pillar is 5 m×5 m and the spacing of pillar is 2 m.The results will guide a significance to next mining of Dilokong Chromium Mine.

Chromium mine，Gently inclined thin ore body，Numerical simulation，Stope structure parameter

2014-06-09

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2011BAB07B02)。

邱景平(1975—)，男,副教授,博士。

TD853

A

1001-1250(2014)-10-009-04