石材礦山地下采場結構參數正交數值模擬試驗研究

趙周能，何佳峰，鄧 杰

(西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010))

石材礦山地下采場結構參數正交數值模擬試驗研究

趙周能，何佳峰，鄧 杰

(西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010))

采用露天開采的石材礦山存在一系列問題，如破壞植被、污染環境、高陡邊坡潛在地質災害危險、剝離量大、經濟合理剝離比接近境界剝采比而迫使礦山關閉等。為有效開發石材礦產資源，開展石材礦山地下開采技術研究，尤其是地下采場結構參數的研究是十分必要的。以某地下大理石礦山為工程背景，采用多指標綜合評價、數值模擬與正交試驗相結合的方法，對地下采場穩定性影響因素進行了綜合指標評價與敏感度分析，并在此基礎上優化了采場結構參數；結果表明：①采場跨度對采場穩定性的影響最大，頂板厚度和采場高度的影響次之，礦柱寬度的影響最小；②地下采場結構參數為跨度8 m，頂板厚度6 m，高度16 m，礦柱寬度6 m。研究成果可為類似石材礦山地下采場結構參數設計提供參考。

石材礦山；采場結構參數；正交試驗；數值模擬；敏感性分析

我國石材資源通常采用露天開采，面臨的主要問題有：①經過長期大規模的露天開采，許多礦體延深較大的石材礦山需要剝離很厚覆蓋層，致使境界剝采比接近經濟合理剝采比，面臨關閉，這勢必造成石材資源，尤其是名貴石材資源的嚴重浪費；②因長期露天開采而形成的高陡邊坡潛在地質災害，有的甚至發展成一個“不定時炸彈”，嚴重威脅礦山安全生產；③礦區環境破壞極其嚴重，造成植被茂盛的地表形成“千瘡百孔”的景象，而后期環境治理極其困難；④地形陡峭、剝離量大、露天開采作業危險的石材資源未獲得有效開發，致使地區資源優勢難以轉化為經濟優勢，嚴重制約著當地經濟的發展。為解決上述問題，對于上部存在較厚覆蓋層的優良石材品種以及具有良好地下開采條件的石材礦床，采用地下開采方式，將變得更加實際和實用。目前，國內外金屬非金屬礦山以及煤系礦山的地下開采技術已成熟，但是，由于石材礦山地下開采技術與金屬非金屬或煤系礦山存在很大差異，適用于后者的地下開采技術，尤其是落礦方式和采場結構參數不能完全移植到前者。另外，地下采場結構參數直接影響采場的穩定性和礦石回收率，是礦山安全高效生產的基本保障。因此，開展石材礦山地下采場結構參數的研究已是勢在必行，具有重要的現實意義。近年來，許多專家學者對采場結構參數的優化進行了研究。如葉海旺等[1]通過數值模擬得出不同埋深下的采場最優結構參數；胡建軍[2]通過對不同礦塊結構參數情況下露天邊坡應力與變形指標的對比分析，對礦塊結構參數進行了優化；趙國彥等[3]根據理論分析結果設計礦柱尺寸，并結合有限元分析優化了采場結構參數。這些研究成果對于確定地下采場結構參數，維護采場穩定性具有一定的指導意義。但是這些研究主要針對金屬非金屬礦山，而以石材礦山地下采場為研究對象的未見報道，且已有研究一般僅側重于采場結構中的某一個或某幾個參數，沒有綜合考慮各結構參數對采場穩定性的影響。鑒于此，以我國某大理石礦山為工程背景，采用多指標綜合評價、數值模擬與正交試驗相結合的方法，研究采場結構參數影響采場穩定性的敏感性，在此基礎上，優化采場結構參數，為大理石地下開采設計提供參考依據。

1 正交數值模擬試驗綜合評價指標數學模型

所謂多指標綜合評價是指將多個描述被評價事物的不同方面且量綱不同的指標轉化為無量綱的相對評價值，據此對被評價事物進行一個綜合的整體評價。指標無量綱化和綜合權數是多指標綜合評價中需要解決的兩個關鍵問題[4-5]。

1.1指標無量綱化處理

眾所周知，不同評價指標通常具有不同的量綱和量綱單位，為了消除其對綜合評價的影響，必須對各評價指標進行無量綱化處理，否則將會影響綜合評價的準確性。在多指標綜合評價中，通常將評價指標劃分為“效益型”和“成本型”兩類指標[4-5]，并采用不同的無量綱處理方法。設xij為第i次試驗第j個指標(i=1，2…，a；j=1，2，…b)，ximin 和ximax分別為第i次試驗的最小值和最大值。則效益型指標可按式(1)表示；成本型指標可按式(2)表示。

(1)

(2)

設有a次正交試驗，b個評價指標來描述被評價事物的屬性，則無量綱矩陣如式(3)所示。

(3)

1.2綜合權數的確定

(4)

若用b個評價指標來描述被評價事物的屬性，則權數矩陣見式(5)。

WT=[ω1ω2…ωb]

(5)

1.3綜合評價指標

將評價指標無量綱化處理結果乘以綜合權數便可得到綜合評價值如式(6)所示。

Z=D×WT=[z1z2…zb]T

(6)

1.4正交試驗直觀分析法

(7)

式中：ki為某因素第i水平上所有試驗值的綜合評價指標之和；n為該因素第i水平所做的試驗次數。

2)根據極差確定各因素敏感度。因素列中各水平的試驗結果最大值與最小值之差定義為該因素的極差。極差的大小反應了各因素改變時對試驗結果的影響大小，極差越大則說明該因素改變時對試驗結果影響越大，即試驗對該因素越為敏感。

3)確定最優方案。每個因素均取因素列中各水平試驗結果的最大值，經優化組合分析即可得到最優方案。

2 正交數值模擬試驗

2.1工程概況

以我國某地下大理石礦為工程背景，礦體賦存于鍋巴巖組第二段大理巖層中，該礦地表植被茂盛，地面坡度較陡、坡面較長，礦區地貌呈深切河谷地形特征。礦體出露地表，傾向延深大于700 m，厚度介于18～36 m之間，平均厚度為27 m，傾向300°，傾角62°；上下盤圍巖為開采價值低的大理巖。根據礦床賦存特征及開采技術條件，選用房柱法開采，采用鏈臂鋸和金剛石串珠鋸進行機械鋸切。礦體及圍巖的物理力學參數基本一致，通過室內巖石力學實驗并進行工程折減，礦巖物理力學參數如表1所示。

表1 礦巖物理力學參數

2.2數值模擬模型

根據巖石力學理論，數值計算模型的三維尺寸宜為開挖區域的3～5倍[6-7]，據此建立FLAC3D數值模擬模型的長、寬、高分別為 172 m、90 m、172 m，如圖1所示，共劃分為3 360 600個單元。

采用位移邊界條件和應力邊界條件[8]，其中底部為垂直位移約束，四周水平為位移約束，頂部施加均布荷載。采用Mohr-Coulomb屈服準則，力學模型見式(8)和式(9)。

(8)

ft=σ1-σt

(9)

式中：σ1、σ3、σt分別為最大主應力、最小主應力和抗拉強度；c、φ分別為黏聚力與和內摩擦角；fs與ft為破壞判斷系數，當fs>0時，巖體處于剪切塑性流動狀態；而當ft>0時，巖體處于拉伸塑性流動狀態，而當fs與ft均小于零時巖體處于彈性變形階段。

2.3正交試驗

正交試驗法是處理多因素優化問題中常用的科學試驗方法，該試驗方法應用正交表科學合理地挑選出具有代表性的部分試驗來代替多因素全面試驗的試驗方法，通過對具有代表性的試驗結果進行分析，了解多因素全面試驗的情況，從而大大降低試驗及分析次數，即用盡量少的試驗次數獲得最優的試驗水平[9-10]。例如試驗有m個因素n個水平，則多因素全面試驗的試驗次數為nm，而正交試驗僅需n2次。

根據房柱法開采特點，采場跨度、頂板厚度、采場高度及礦柱寬度是影響采場穩定性的關鍵因素。鑒于此，選取上述4個因素進行正交試驗，每個因素分別取4個水平，各因素與水平取值情況見表2。選用每個因素4個水平的正交試驗方案L16(44)，每個方案的采場結構參數如表3所示，其他邊界條件和初始條件完全一致。

圖1 數值模擬模型

表2 采場主要影響因素與水平取值

表3 正交數值模擬試驗方案

3 試驗結果與分析

選取頂板位移、底板位移、最大壓應力、最大拉應力、塑性區體積及礦石回收率作為正交數值模擬試驗的評價指標。為確定最佳采場結構參數以及采場穩定性對各因素的敏感程度，采用直觀分析法對正交數值模擬試驗的各個因素進行均值分析和極差分析，正交數值模擬試驗結果見表4，其中評價指標的無量綱值與綜合指標據式(1)～(7)計算獲得。

圖2是對正交數值模擬試驗結果進行單指標直觀分析的結果。由圖2可得出4個因素對6個評價指標的敏感度順序與最優組合，見表5，可以看出，評價指標不同，各因素的敏感度與最優組合各異，這說明以單指標來考察，很難判斷各因素對評價指標的影響主次，也難以獲得各因素的最優組合或最佳方案。可見，根據單指標來考察很難對采場穩定性進行合理的整體評價。鑒于此，應用綜合指標來評價采場穩定性，確定最敏感因素和最佳方案。

圖3是對正交數值模擬試驗結果進行綜合指標直觀分析的結果，圖4為因素與指標趨勢圖。由圖3、圖4可以看出：①采場跨度A的極差最大，頂板厚度B與采場高度C次之，而礦柱寬度D最小，這表明采場穩定性對采場跨度最敏感，頂板厚度與采場高度次之，而礦柱寬度最小；②通過對各方案進行優劣分析，選取各因素的最大水平值為最優水平，則得出最優水平組合為A1B1C2D2。據此認為，背景礦山地下采場最佳結構參數為跨度8 m，頂板厚度6 m，采場高度16 m，礦柱寬度6 m。

表4 正交數值模擬試驗結果

圖2 單指標直觀分析

表5 各因素的敏感度排序與最優組合

圖3 綜合指標直觀分析

圖4 各因素對采場穩定性的影響

4 結 論

1)與單指標相比較，綜合指標能更好地評價正交數值模擬試驗結果，可以對采場穩定性進行合理的整體評價，能夠較好的解決單指標正交數值模擬試驗下采場結構參數優選結果不一致的問題。

2)采場跨度對采場穩定性影響最大，采場高度和頂板厚度次之，礦柱寬度最小；背景礦山的地下采場最佳結構參數為跨度8 m，頂板厚度6 m，采場高度16 m，礦柱寬度6 m。

[1] 葉海旺，常劍，周磊.基于FLAC3D的采場結構參數優化[J].金屬礦山，2010(12)：6-8.

[2] 胡建軍.基于FLAC3D的露天轉地下磷礦山礦塊結構參數優化[J].礦業研究與開發，2013(4)：1-3.

[3] 趙國彥，周禮，李金躍，等.房柱法礦柱合理尺寸設計及礦塊結構參數優選[J].中南大學學報：自然科學版，2014(11)：3943-3948.

[4] 鐘霞，鐘懷軍.多指標綜合評價方法及應用[J].內蒙古大學學報：人文社會科學版，2004，36(4)：107-111.

[5] 葉宗裕．關于多指標綜合評價中指標正向化和無量鋼化方法的選擇[J]．統計科學與實踐，2003(4)：24-25.

[6] 王明濤.多指標綜合評價中權數確定的離差、均方差決策方法[J].中國軟科學，1999(8)：100-101.

[7] 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社，2002.

[8] 楊仁華.虎跳崖銻礦13#礦體采礦方法優化[D].昆明：昆明理工大學，2011.

[9] 劉培慧.基于應力邊界法厚大礦體采場結構參數數值模擬優化研究[D].長沙：中南大學，2009.

[10] 廖文景，徐必根，唐紹輝.石膏礦采空區穩定性主要影響因素正交試驗研究[J].礦業研究與開發，2011(6)：14-17，25.

Testoforthogonalnumericalsimulationonstructureparametersofundergroundstopeinrockmaterialquarry

ZHAO Zhouneng，HE Jiafeng，DENG Jie

(School of Environmental Engineering and Resources，Southwest University of Science and Technology，Mianyang621010，China)

Currently，open-pit mining of faced stone material deposits is facing a series of problems，from vegetation destruction and environmental pollution to high and steep slope with the risk of potential geological hazard，lots of stripping and mine closure because of economic stripping ratio close to pit-limit stripping ratio.In order to effectively develop the stone mineral resources，it is necessary to carry out the research on the underground mining technology of stone resource，especially the structural parameters of underground stope.With an underground marble mine as the engineering background，the influencing factors of stability of the underground stope and their sensitivity were analyzed by means of the multi-index comprehensive evaluation，the numerical simulation and the orthogonal experiment.And on this basis，the stope structure parameters were optimized.The results showed that the span affected the stability of stope very much，the height and roof thickness less，and the pillar width the least.The optimized structure parameters，with span8m，roof thickness6m，height16m and pillar width6m，of underground stope were obtained for an underground marble mine above.The research results can provide a useful reference for the design of structural parameters of underground stope in similar stone mines.

stone mine；stope structure parameter；orthogonal test；numerical simulation；sensitivity analysis

2017-04-12責任編輯：宋菲

國家自然科學基金國際合作重大項目資助(編號：41320104005)；四川省安全生產監督管理局項目資助(編號：SCAQJGJC_STP_20150012)

趙周能(1976-)，男，講師，博士，2014年畢業于東北大學工程力學專業，主要從事采礦及深部巖石力學方面的研究工作，E-mail：zhzhneng@163.com。

TD801

：A

：1004-4051(2017)09-0121-05