基于3DMINE-MIDAS-FLAC3D的采場結構參數優化

韋文蓬，覃金字，唐忠輝，賢梁明,黎兆明，張麗云

(1. 中信大錳礦業有限責任公司 大新錳礦分公司，廣西 大新 532315；2. 中信大錳礦業有限責任公司，廣西 南寧 530029)

基于3DMINE-MIDAS-FLAC3D的采場結構參數優化

韋文蓬1，覃金字1，唐忠輝1，賢梁明1,黎兆明2，張麗云2

(1. 中信大錳礦業有限責任公司 大新錳礦分公司，廣西 大新 532315；2. 中信大錳礦業有限責任公司，廣西 南寧 530029)

以大新錳礦西北380礦段，29～35線范圍內的礦房為研究對象，運用3DMINE-MIDAS-FLAC3D耦合建模技術，進行精細化建模，提出九種采場結構參數方案，實現了不同采場礦柱結構參數下的優化模擬，獲得了不同礦柱尺寸及間距下，礦柱、頂底板及圍巖的力學響應規律。研究結果表明：在考慮安全開采的前提下，礦柱的沿走向的尺寸應控制在3m及以上，礦柱垂直走向方向的尺寸應控制在3 m及以上，綜合考慮礦山安全高效開采，確定方案4位最優，即礦柱沿走向長3 m，礦柱垂直走向長3 m，礦柱沿走向間距11.25 m，礦柱沿傾向的間隔6 m。

大新錳礦；淺空鑿巖房柱法；采場結構參數優化

0 前 言

礦業行業市場萎縮，礦產品價格急劇下跌，礦山企業急需提高生產效率，降低企業成本。采場結構參數的選擇，直接影響采場的穩定性和礦山企業的生產效益，優化采場結構參數是礦山企業安全、高效生產的必然選擇[1]。

采用經驗法與理論計算法對采場結構參數進行計算，建立對應的三維數值計算模型，對采場結構方案進行了優選。莫卿等[2]采用模糊評價理論，得出了不同開采技術條件下的采場最優結構參數。劉欽等[3]建立采場結構參數優化目標函數與礦體水平等因素的神經網絡模型，采用混沌優化法得出不同開采技術條件下的采場最優結構參數。

在工程應用中，很多情況下無法進行實驗或實驗成本較高，如采礦問題等，數值模擬內部程序有相應的計算方法，能模擬較復雜過程，可以快速得到結果，實驗成本高，數值模擬成本低廉，只需在計算機上進行模擬和數據處理，數值模擬可以任意施加各種方向的載荷，可以施加實驗方法達不到的條件，數值模擬方法在優化、監測、設備開發、優化、效果預測方面體現了重要價值[4]。本文采用3DMINE-MIDAS-FLAC3D耦合數值建模分析技術，結合各自軟件的優勢，可以快速準確的分析采場圍巖及礦柱的應力、位移及塑性區情況，進行采場的穩定新分析及結構參數優化。

1 礦山概況

廣西大新錳礦西北礦體系淺海相沉積型，錳礦床工業礦層呈層狀，共3層，自上而下分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個分層，賦存于硅質巖、泥灰巖中。Ⅰ礦層平均厚度1.2 m，Ⅱ、Ⅲ礦層及夾層二的平均厚度約2.5 m，Ⅰ與Ⅱ礦層之間夾層一為硅質灰巖，厚度16～22 m，Ⅱ礦層與Ⅲ礦層之間夾層二為錳質泥灰巖或錳質泥巖，厚度0.1 m。礦層傾角28(°)～80(°)，屬于薄礦體[2]。

本礦區根據地質條件考慮Ⅱ+Ⅲ和Ⅰ礦分開回采，部分礦體采用淺孔鑿巖電耙出礦偽傾斜工作面房柱法，本法適應于礦體傾斜接近35(°)、產狀較平穩，頂底板中等穩固的礦塊。礦塊劃分上下兩分層，分層間留2～4 m條形礦柱。每分層按走向以3 m寬點柱及11.25 m寬礦房，形成全礦塊16個回采單元。其分層回采順序自上而下，從礦塊底部往上推進。相鄰單元工作面滯后距離視地壓決定，上下分層同時作業時，上分層超前下分層不少于30 m。礦房回采沿切割上山自由面采用淺孔鑿巖自下而上鑿巖順傾斜方向爆破，采用電耙出礦，留部分礦石做鑿巖墊層。采場頂板管理采用錨桿對局部不穩地帶輔助支護。礦柱淺孔爆破回收，空區自然冒落或強制崩落，視地壓情況可一分段或一中段進行，要及時檢查頂板，爆破后清理浮石，及時采取措施。采礦方法見下圖1。

圖1 淺孔鑿巖電耙出礦偽傾斜工作面房柱法

1.1 Midas模型與巖石力學參數

選取380水平，29～37線范圍內的某一礦房為研究對象，研究對象選取一個采場，沿礦體走向60 m，斜長70 m，傾角30(°)，厚度為Ⅱ+Ⅲ礦層厚度5 m。采用摩爾—庫倫強度準則判定是否破壞，采場布置點柱，采場間留間柱和頂底柱。Midas建立的數值模型見下圖2。邊界條件為側面及底面為固定邊界，上表面為自由面。大新錳礦礦區礦巖巖體力學參數如表1[4]。

1.2 模擬方案

淺孔鑿巖電耙出礦偽傾斜工作面房柱法適用于緩傾斜礦體，采場的穩定性主要取決于采場礦柱的尺寸及間距[5]。在不改變現有采場大小的條件下，減小礦石損失率，保持采場的穩定性，需尋找合理的礦柱的尺寸及間距，在現有采礦方法的基礎上，提出2，3，4 m 3種礦柱沿走向長，3，4，5 m 3種礦柱沿傾向長共9種方案，利用Flac 3D進行數值模擬，分析在相同的采場范圍下，不同的礦柱大小及間距下采場的應力、位移及塑性區情況，分析不同參數條件下采場的穩定性，在安全生產的前提下，減小礦石損失率，提高生產效率。具體模擬方案見下表2。

圖2 模型構建

巖樣名稱彈性模量/GPa泊松比抗拉強度/MPaC/MPa傾角/(°)密度/(g·cm-1)上盤圍巖4.050.341.201.7426.532下盤圍巖4.510.352.502.6724.152.70礦石2.060.240.971.2525.413.11

表2 模擬方案表

2 采場結構參數優化

2.1 計算結果

據研究淺孔鑿巖電耙出礦偽傾斜工作面房柱法采場的穩定性取決于礦柱的穩定性。當礦柱形狀不規則或存在軟弱夾層時，礦柱易出現片幫或塌落，形成采空區擴展，垮塌礦柱上的壓力轉移到相鄰礦柱上引起破壞，造成采空區大面積坍塌。通過分析選取礦柱垂直走向的最大最小主應力、豎直位移和塑性區情況，評價每種方案的礦柱穩定性。數值模擬計算結果見圖3及表3。

圖3 數值模擬計算結果

方案最大壓應力/MPa最大拉應力/MPa頂板下沉位移/mm底板上鼓位移/mm塑性區125.202.9330.8128.49片狀、貫通222.341.5829.7828.86片狀、貫通320.461.4928.0929.01片狀、貫通417.260.9827.6129.75零星分布516.180.7626.2428.30零星分布616.980.7726.0129.48零星分布716.010.7126.3919.04零星分布814.030.6328.0125.33零星分布910.190.5724.8220.94零星分布

2.2 數值模擬結果分析

分析計算結果可知，方案5的最大壓應力出現在采場的底柱位置，為16.18 MPa，小于礦石的抗壓強度，頂板最大下沉位移26.24 mm，底板最大上鼓位移28.30 mm，頂底板的位移偏大，極有可能因為頂板垮落引起的采場大面積坍塌，所以開挖后要及時對頂板進行支護，可以選擇噴錨網支護，礦柱中零星的出現塑性區，塑性區面積不大且不聯通，對礦柱整體的強度無影響。方案6～9中出現的拉壓應力、頂底板位移均小于方案5的情況，基本無塑性區出現，且方案5為原始礦柱尺寸，后幾種方案的礦石回收率小于原始方案，方案5也基本能保持穩定，后幾種方案不予考慮。方案1中礦柱塑性區為剪切破壞，礦柱中部出現大面積的塑性區且已經聯通，表明方案1中礦柱的穩定性極差，隨時有可能發生剪切滑移破壞，進而造成剩余礦柱壓力集中，引起大范圍的坍落事故。方案4中最大壓應力產生在頂柱位置，達到17.26 MPa，小于礦石抗壓強度的70%，不會引起壓縮破壞，礦柱中的壓應力只有7.5 MPa，礦柱的穩定性良好，頂板最大下沉位移達到29.76 mm，底板最大上鼓位移27.61 mm，最大位移均出現在采場的中部位置，邊緣位置頂底板位移逐漸減小，幾種方案的頂底板位移均達到臨界極限值，要加強采場中間部位的支護工作。方案4的最大拉應力出現在每個采區的頂板位置，達到0.98 MPa，較方案1有明顯降低，且小于礦石的抗拉強度的70%，頂板能保持穩定。對比分析9種方案，在礦柱尺寸小于3 m時，礦柱塑性區的體積會急劇增加直至聯通，頂板最大拉應力也會達到巖體抗拉強度的70%，有極大的冒頂風險。綜上所述礦柱的尺寸可以優化至方案4，即在現有的34尺寸的礦柱基礎上，變成33的礦柱尺寸。

3 總 結

1)設計9種優化方案，通過數值模擬，分析9種方案采場礦柱的最大拉壓應力、頂底板最大位移及礦柱塑性區情況，得出可以將現有34的礦柱尺寸優化為33。

2)通過數值模擬分析，發現9種方案的采場頂板最大下沉位移均偏大，已經基本接近垮落的臨界值。在采場開挖的過程中要注意頂板的支護，邊開挖邊支護，減小頂板的位移，降低頂板垮落風險，確保安全生產。

3)運用3DMINE-MIDAS-FLAC3D耦合建模及數值分析技術，可以實現精細化建模，使模擬結果更加真實可靠。

[1] 李龍福,江東平.膠結充填體下采場結構參數優化研究[J].金屬礦山,2014(12):35-39.

[2] 莫卿，馬馳，王劍波，等. 基于模糊評價的留礦法采場結構參數優化研究[J]. 礦業研究與開發, 2012(1): 4-7.

[3] 劉欽,劉志祥,劉愛華,等.金礦采場結構參數混沌優化[J].采礦與安全工程學報,2010,27(4):548-552.

[4] 馮春輝.大新錳礦露天轉地下聯合開采邊坡穩定性分析研究[D].南寧：廣西大學,2014.

[5] 孫文勇，陳星明，王偉，等.緩傾斜中厚礦體無底柱分段崩落法下盤殘留礦石合理回采工藝研究[J].金屬礦山，2014(2)：12-17.

Parameter Optimization of Mining Field Structure of 3DMINE-MIDAS-FLAC3D

WEI Wenpeng1, QIN Jinzi1, TANG Zhonghui1, XIAN Liangming1, LI Zhaoming2, ZHANG Liyun2

(1.CITICDamengMiningIndustriesLimited,DaxinManganeseMineBranch,Daxin,Guangxi532315,China;2.CITICDamengMiningIndustriesLimited,Nanning,Guangxi530029,China)

As to new manganese mine in northwest 380 mine paragraph, including 29～35 line range within of mine room for research object, we are using 3DMINE-MIDAS-FLAC3D in coupling of modeling technique to refine modeling programme of nine species of stope structure parameters. We have achieved stope pillars of optimization under different structure parameters of access to the different size and spacing pillars, including roof, floor, the mechanical response of rock. The research results show that, in consideration of security mining, the pillar of of size should be controlled in 3M and the above. The pillar vertical to direction of size should be controlled in 3 meters and the above with integrated consideration in mine security efficient mining. We determine No.4 programme is a bit optimal with pillars along to 3 meters long, pillar vertical to 3 meters, pillar along to spacing 11.25 meters, pillar along tendencies of interval 6 meters.

Daxing Mn-ore; Pillar-and-room method of light rock; Optimization of stope structure parameters

2017-05-26

韋文蓬(1992-)，男(壯族)，廣西武鳴人，助理工程師，研究方向：礦山開采現場安全，手機：18378128408，E-mail：592534269@qq.com.

TD801

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.04.020