深埋厚大礦體采場結構參數優化

鄔 金 李元輝 司呈斌 徐 帥

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110819；3.遼寧廣播電視大學人文學院，遼寧 沈陽 110161；4.山東黃金礦業(萊州)有限公司焦家金礦，山東 煙臺 261441)

深埋厚大礦體采場結構參數優化

鄔 金1,2,3李元輝1,2司呈斌4徐 帥1,2

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110819；3.遼寧廣播電視大學人文學院，遼寧 沈陽 110161；4.山東黃金礦業(萊州)有限公司焦家金礦，山東 煙臺 261441)

合理的采場結構參數可使采場處于有利的力學狀態，使圍巖的應力、應變分布趨于均勻化，在保證開采系統穩定和生產安全的前提下，減少支護工作量，提高采礦強度和生產效率。在深入分析思山嶺鐵礦地質概況與采礦方法的基礎上，對影響礦房回采穩定性的礦房高度、礦房寬度、采場長度、礦柱寬度、礦柱充填方式等5個關鍵因素進行2水平正交設計，獲得8種試驗方案。運用大型巖土軟件FLAC3D對盤區內不同方案的采場結構參數進行數值模擬研究，分析其在不同結構參數下應力、位移、塑性區等特征，初步得出采場處于最有利力學狀態時的結構參數方案(采場高60 m、采場長60 m，礦房寬18 m、礦柱寬20 m的參數方案)。計算結果表明：回采過程中，采場長度對頂板應力和頂板位移的影響最大，采場越長，應力值越大，且壓應力主要在盤區間柱集中，頂底板處出現拉應力集中。分析結果可為盤區礦房礦柱的安全高效回采提供技術支持。

正交設計 深部厚大礦體 階段礦房嗣后充填法 結構參數優化 數值模擬

礦產資源是經濟發展的基礎，國民經濟高速發展與淺部資源的逐漸枯竭之間的矛盾，促使深埋厚大礦體開采成為未來礦業發展的重要方向[1-2]。深埋厚大礦體處于較高的應力環境下，為強化開采而進行的深孔爆破等采礦行為勢必導致高應力場的重新分布，產生新的應力集中和降低區，導致巷道和采場周圍巖體變形、破壞，極易誘發巖爆、大體積塌方等工程災害，危及人員設備安全。地壓活動誘發的工程災害與采礦方法、采場結構參數、開采強度、回采順序等緊密相關，尤其是采場結構參數，對圍巖二次應力的分布影響較大。合理的采場結構參數可使采場處于有利的力學狀態，使圍巖的應力、應變分布趨于均勻化，保證開采系統穩定和生產安全的前提下，減少支護工作量，提高采礦強度和生產效率，降低礦石損失與貧化，實現礦山安全、高效、經濟開采。

目前國內外礦山生產過程中優化采場結構參數的主要方法有：工程類比法[4]、半經驗半理論方法、遺傳算法[5]、數值模擬法[6-7]、神經網絡優化等方法[8-9]。其中，隨著計算機的發展和計算技術的提高，數值分析方法現已成為解決地下工程問題的有力工具，在采礦工程中得到廣泛應用，目前應用比較多的數值計算軟件是基于有限元思想的ANSYS和基于有限差分思想的FLAC3D。如鄂西緩薄高磷赤鐵礦的采場結構參數優化、三鑫金銅桃花嘴礦區厚大礦體采場結構參數優化研究、盤區隔離礦柱采場結構參數數值優化、新城金礦深部采場結構參數優化研究等[8-14]。在國外，采場結構優化問題早就引起來人們的廣泛關注。在解決采場結構參數問題上，主要采用經驗法和計算機模擬法來進行優化，進一步通過礦山現場試驗對結果進行檢驗。

1 思山嶺鐵礦采礦方法

1.1 采礦方法選擇

思山嶺鐵礦埋深404～1 934 m，東西長1 500 m，南北寬960 m，垂直深度1 580 m，礦體平均厚246.84 m，傾角約70°，屬隱伏盲礦床。區內巖性較簡單，巖石較完整，礦體呈厚層狀產出。礦體賦存于赤鐵石英巖與磁鐵石英巖中，頂板較完整，穩定性較好。依據礦山設計，一期開采深度為-960 m中段以下磁鐵礦，埋深1 400 m，產能1 500萬t/a，采用大直徑深孔階段礦房嗣后充填法進行開采，采礦方法如圖1所示。

圖1 采礦方法示意

1.2 礦塊和采場布置

設計將礦體劃分為盤區，盤區是回采生產基本單元。盤區長230 m，寬200 m。盤區中部垂直走向留20 m寬的間柱，間柱內布置穿脈巷道，在盤區端部留10 m間柱，間柱盡量布置在夾石或者赤鐵礦中。盤區間沿礦體走向布置整體條形礦柱，其中布置盤區沿脈巷道和溜井。每個盤區內劃分礦房和礦柱。

回采分兩步進行，一步驟回采礦房，二步驟回采礦柱。由下而上梯段式分段側向崩礦，爆下的礦石用25 t電動鏟運機在采場底部出礦。待礦房礦石全部出完后，進行膠結或尾砂充填，待兩面或三面礦房采完充填好并養護2個月后，開采礦柱，礦柱的回采方式與礦房相同，回采結束后進行充填。

2 優化方案及數值模擬

2.1 影響礦房回采穩定性因素的分析

正交實驗設計是實驗設計中一種優良的方法，它是指用正交表合理地安排實驗，利用數理統計的原理科學地分析實驗結果，是一種處理多因素實驗的科學方法。影響礦房回采穩定性的因素很多，根據礦山實際，本次選取礦房的高度、礦房寬度、采場長度、礦柱寬度、礦柱充填方式等5方面的因素。考慮以上5個因素，各因素所選取的水平見表1。

表1 影響因素選取及其水平

注：A為礦房的高度，m；B為礦房寬度，m；C為礦柱寬度，m；D為采場長度，m；E為礦柱充填方式。

2.2 正交試驗模擬方案

選取了影響礦房穩定性的5因素2水平，采用正交分析來安排模擬試驗，選用L8(27)比較合適。需要做8次模擬試驗，試驗方案如表2所示。

表2 正交分析的所有模擬試驗組號

2.3 數值模擬研究

2.3.1 三維有限元模型的建立

為確定合理的采場結構參數，根據正交試驗原理設計了如表2所示的8種方案，并基于AutoCAD建立采場三維模型，采用ANSYS與FLAC3D耦合的方式進行模型的數值計算。思山嶺鐵礦礦巖均屬于脆性硬巖，因此本構模型采用彈塑性模型，塑性屈服條件為摩爾-庫倫準則。巖石力學參數通過試驗取得，如表3所示，計算模型如圖2所示。

2.3.2 模擬結果分析

本次模擬是在盤區礦房礦柱均已開采充填之后，分析其頂板的應力狀態及位移狀態。各方案正交試驗的結果(頂板最大主應力、最小主應力比較及頂板位移等)如表4所示，對正交試驗的結果進行極差分析如表5所示。

表3 思山嶺鐵礦主要巖體力學參數

圖2 計算分析模型

表4 正交試驗結果

注：σmax、σmin分別為頂板最大主應力和頂板最小主應力；ε為頂板中點的位移。

從表4中各個方案的最大主應力、最小主應力與垂向位移可以看出，方案二與其余方案相比，具有較明顯的優勢，能夠保證采場圍巖的穩定性。該方案的結構參數為：采場高60m、采場長度60m，礦房寬18m、礦柱寬20m。

從頂板最大主應力云圖(從略)可以看出礦房開挖完畢后，應力向采場周圍集中。由表4可以看出，方案5的最大主應力值最大，達到92.53MPa。

考慮各個因素的極差能夠反應試驗指標的變動幅度，進而說明，極差越大，該因素對試驗指標的影響越大，并由此可以判斷出因素的主次順序。從表5最大主應力的極差分析結果可以看出，影響礦體回采頂板穩定性的5個因素的極差由大到小分別為采場長度、礦柱寬度、充填方式、礦房寬度、礦房高，即采場長度對采場回采頂板穩定性影響最為明顯，而礦房高度影響最小。由于礦房的高度對頂板的暴露面積沒有作用，所以礦房高度的影響必然最小。而在影響暴露面積的幾個因素中，礦柱的寬度的影響明顯大于礦房的寬度。這可能是因為礦房開挖時是在原巖中開挖，而開挖礦柱時兩側被充填體所替代，所以造成礦柱的寬度對頂板的影響明顯大于礦房的寬度。因而在設計采場時應該盡量少增加礦柱的寬度。

表5 正交試驗極差分析結果

礦房回采后，礦房出現了拉應力集中，且主要集中在盤區礦房的頂底板處，礦柱充填體也出現了拉應力。從表4中可以看出方案3的拉應力值最大，達到4.32 MPa，但是沒有達到礦體的抗拉強度，所以采場處于安全范圍。但由于巖石抗壓不抗拉的特性，采場的拉應力對采場的穩定性有很大的影響。

從表5的最小主應力的極差分析結果可以看出，影響采場回采拉應力大小的5個因素的極差值由大到小分別為采場長度、礦房的高度、礦柱充填方式、礦房寬度、礦柱寬度。對采場拉應力影響最大的因素是采場的長度，其次是礦房的高度，礦房的寬度和礦柱的寬度影響均較小。從頂板位移云圖(從略)可以看出，盤區中部采場的位移明顯大于盤區端部采場的位移，并且盤區間柱位置也處在較大位移區域。由表4可以看出，方案5的頂板位移最大，達到了19.49 cm，方案2最小。在圍巖位移狀態中，垂直位移比水平位移重要，因為過量的垂直位移將導致頂板冒落和地表沉陷。因此，從此時位移狀態看，方案2為最好，方案5最差。

從表5的頂板垂直位移的極差分析結果可以看出，影響礦體回采頂板位移的5個因素的極差值由大到小分別為采場長度、礦房高度、礦柱寬度、礦房寬度、礦柱充填方式，即采場長度對采場回采頂板位移影響最為明顯，而第二步是否采用膠結充填影響最小。礦柱寬度的影響明顯要大于礦房的寬度。礦房的高度對采場頂板位移的影響明顯要大于對應力的影響。

3 結 論

(1)基于正交實驗建立了5因素2水平8種不同采場結構參數模型，開展數值模擬分析，并針對數值模擬的結果分別從最大主應力、位移、拉應力等角度進行了比較分析。初步得出了采場高60 m、采場長度60 m，礦房寬18 m、礦柱寬20 m的參數方案為思山嶺鐵礦大直徑深孔嗣后膠結充填法較優參數。

(2)正交試驗分析表明對頂板拉應力影響最大的因素是采場長度，其次是礦房高度、礦房的寬度和礦柱的寬度影響均較小。對于頂板壓應力分布，礦柱寬度的影響明顯大于礦房的寬度。因此，在采場結構參數選取過程中應該選擇較小的礦房長度和礦柱寬度。同時為了達到產量要求可以選擇較大的礦房寬度和高度。

(3)在回采過程中，采場頂板出現了拉應力集中區，雖沒達到巖體抗拉強度，但也是構成采場不穩定的重要因素，在采場設計過程中，應適當減小采場長度，減少拉應力的產生。

(4)在礦房開挖過程中，壓應力向盤區間柱集中，由于間柱中布置有穿脈巷道，應對巷道采取必要的支護措施。

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(責任編輯 徐志宏)

Optimization of Structure Parameters in Deep & Large-Sized Orebody

Wu Jin1,2,3Li Yuanhui1,2Si Chengbin4Xu Shuai1,2

(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Safe Mining，Shenyang 110819，China；2.School of Resources & Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China；3.School of Humanity and Social Science，Liaoning Radio and TV University，Shenyang 110161，China；4.Jiaojia Gold Mine，Shandong Gold Mining Co.，Ltd.，Yantai 261441，China)

Rational stope structural parameters may lead to a favorable mechanic state for the stopes and the stress and strain distribution of the wall rocks may become more homogenized.Under this condition，support workload is reduced and the mining intensity as well as the production efficiency can be improved on the premise of ensuring the stable exploring system and safe production.Based on the geological situation and mining methods of Sishanling iron ore，two-level orthogonal experimental design is made to decide the key five factors affecting the room exploring stability，i.e.room height，room width，stope length，pillar width and pillar filling method.Then，eight experimental schemes are concluded.The finite-difference software FLAC3Dis adopted to make numerical simulation on the stope structural parameters of different scheme at panel，and to obtain the feature of the stress，displacement，and plastic zone under different structural parameters.It is preliminarily obtained that the optimal structure parameters which can stabilize the stope is the height of stope 60 m，the length of stope 60 m，the width of room 18m，and the width of pillar 20 m.The calculating results show that the stope length of the roof influences the stress and roof displacement maximum，i.e.the longer the stope，the greater the stress.The compressive stress mainly concentrates on the panel pillars，while the tensile stress concentrates on the roof and the bottom.The results may provide technical support for safe and efficient mining of rooms and pillars within panel．

Orthogonal experimental design，Deep & large-sized orebody，Stage room mining method with subsequent filling，Optimization of Structural Parameters，Numerical simulation

2014-09-09

國家自然科學基金項目(編號：51204031，51274055)，“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2013BAB02B03)，教育部項目基本科研業務費項目(編號：130401007)，教育部項目博士點基金博導類項目(編號：20130042110010)。

鄔 金(1982—)，女，博士研究生。通訊作者 李元輝(1968—)男，教授，博士研究生導師。

TD853.36

A

1001-1250(2014)-11-011-05