基于生產計劃編制的深部中段回采順序優化研究

唐 碩,譚浪浪

(1.中條山有色金屬集團有限公司， 山西 垣曲縣 043700；2.湖南有色冶金勞動保護研究院， 湖南 長沙 410012)

基于生產計劃編制的深部中段回采順序優化研究

唐 碩1,譚浪浪2

(1.中條山有色金屬集團有限公司， 山西 垣曲縣 043700；2.湖南有色冶金勞動保護研究院， 湖南 長沙 410012)

針對某地下金屬礦山深部開采地壓顯現的現狀，運用三維礦業軟件DIMINE對該礦山某深部中段所有備采采場進行生產進度計劃編制，排出3種合理的生產進度計劃方案；再分別對這些方案進行數值分析，對比各方案的地壓顯現效果，最終得到地壓效果最佳的方案。為礦山提供了合理的回采順序。

生產計劃編制；數值分析；回采順序

0 前 言

地下采礦本身是在地應力作用下進行的，而開挖時造成圍巖應力重新分布的基本原因是不同回采順序將產生不同的應力場和位移場。某礦山由于礦山資源的不斷開采，淺層礦體已經越來越少，礦山開采不斷向著深部發展。現在開采深度最深已經達到-700 m水平。一般情況下開采深度越深，采場所受到的地壓越大。因此，開采順序不能再套用淺部采場的回采順序的模式。本文根據該礦山下一年的出礦量計劃，運用三維礦業軟件DIMINE對該礦山典型深部-650 m中段所有備采采場為例，進行采場進度計劃編制，選出三種合理的回采順序的方案；再對這些方案分別進行數值分析，對比分析結果，選出最優開采方案。

當前很多學者運用FLAC3D有限差分法軟件對巖體進行數值分析，可FLAC3D軟件的前處理功能相對較復雜，對構建復雜而大量的計算模型有困難。本文運用Midas強大的前處理功能建立數值分析所需的分析模型，其建立的網格模型如圖1所示，將Midas模型導入FLAC3D,結合巖石力學參數，對不同的回采順序方案進行開挖模擬。在數值模擬的基礎上分析采場在各種回采順序情況下的力學特點，最終選擇地壓顯現效果最佳的方案。

1 進度計劃方案產生

1.1 DIMINE生產計劃編制依據

利用DIMINE軟件的數字建模為基礎數據平臺，以礦山工程與采場的三維實體模型作為生產場地各種屬性的載體。生產計劃編制模塊將用戶輸入的計劃參數與前期建立的三維實體模型結合，生成生產任務，再按用戶定義的約束要求對任務進行排序，編制成生產計劃。

主要依據為：礦山地質資源情況及采掘工程現狀；人財物投入計劃：各作業工區及地點的施工隊伍情況、工作天數等；各類經濟指標參數的選取：各類掘進設備的臺班效率，支護臺班效率，淺孔，中深孔施工臺班效率，供礦臺班效率，充填臺班效率等；礦山2017年生產計劃；礦山的前期相關建模資料。

圖1 Midas網格模型

1.2 基礎數據準備

數據準備主要包括對生產路徑、三維實體和塊段模型三類數據的處理。首先按2017年計劃采出礦量的要求建立所有計劃采場的實體模型和路徑線文件。在塊體模型建立時，用每個采場對塊段模型進行約束，并賦予各采場實際的品位與比重，使得不同采場的信息在塊段模型中得到真實的反映，以便進行儲量計算，確保設計和生產管理的需要。三維地質塊段模型建立后，便可以用于生產計劃編制時提取有關信息作為屬性加載到每一個任務中。

1.3 生產計劃編制

本文根據礦山2017年的年度生產計劃，運用DIMINE軟件對所有計劃開采采場開采量進行分配，并進行回采順序的優選，初選出中段內部兩種合理的回采順序。以深部sh-650 m中段為例，中段采場三視圖如圖2所示。運用DIMINE軟件的生產計劃編制功能初步確定3種可選回采順序的方案，如圖3所示。

圖2 Sh-650 m中段采場三視圖

由圖3可知，DIMINE軟件生產計劃編制功能排出的Sh-650 m中段采場回采順序分別是：由兩翼往中間回采；由中間往兩翼回采；由北向南等距同向回采。

2 分析模型構建

2.1 建立分析模型

由于FLAC3D對采場分布無規律的多個采場前處理模型建模相對較為困難，而Midas軟件能很好而快捷的建立本論文所研究的中段采場的分析模型。因此，將SURPAC 建立的sh-650 m中段所有備采采場的實體模型保存為dxf格式導入Midas軟件后形成實體模型，并對其采場分組劃分網格，圍巖的網格單元尺寸按4 m，采場部分網格單元塊按1 m的單元尺寸進行劃分。將其單元信息和節點信息通過接口程序轉換成FLAC3D能接收的格式，模型的單元塊數共299155個，節點數共61343個。采用本構模型。

2.2 圍巖物理力學參數

該礦有5種力學介質，即膠結充填體、膠面充填體、礦體圍巖D3tb、尾砂體和礦體，力學參數見表1。

2.3 初始應力場和邊界條件

原巖應力參數由長沙礦山研究院于2000年12月所做的該礦山深部地壓研究報告提供的參數，最大主應力方向基本上與礦體走向一致。垂直應力值接近于單位面積上覆巖的自重，見表2。

圖3 回采順序方案

表2 測點實測主應力表(方位角為α，傾角為β)

由于實測的主應力的方向不是沿著嚴格的X、Y、Z方向，為了在施加初始應力時能把應力分解到X、Y、Z方向上，更方便地施加初始應力，將測量的各主應力結果，將地應力的大小和方向進行坐標轉換，轉換公式如下：

σX=σ1sinα1cosβ1+σ2sinα2cosβ2+σ3sinα3cosβ3

(1)

σY=σ1cosα1cosβ1+σ2cosα2cosβ2+σ3cosα3cosβ3

(2)

σZ=σ1sinβ1+σ2sinβ2+σ3sinβ3

(3)

在模型的前后、左右和底邊邊界均以位移邊界為零來約束，上邊界施以上邊界上部的巖層自重應力。

3 數值模擬結果分析

3.1 主應力分布

由圖4所知，3個開采方案中，當采用方案A的回采順序(即兩翼往中間回采)回采到最后時，最大主應力值最高達到32.1 M，明顯大于圍巖的最大抗壓強度31.2 M；當采用方案B(中間往兩翼回采)時，最大主應力為30.2 M；當采用方案C(由北向南等距同向開采)時，最大主應力為32.1 M，也大于圍巖的單軸抗壓強度。相比較而言，A、C兩方案最大主應力都大于圍巖的最大抗壓強度，只有B方案最大主應力小于圍巖的最大抗壓強度。通過主應力分析比較可以看出，方案B最優。

圖4最大主應力云圖

3.2 位移分布

從圖5可以看出，當使用方案A的回采順序時，最大位移在采空區頂板位置，位移方向垂直采空區頂板指向下，其值為1.02 cm；當使用方案B的回采順序時，最大位移也是發生在相鄰采場采空區的頂板位置，最大值約為1.07 cm；當使用方案C的回采順序時，最大位移同樣是發生在相鄰采場采空區的頂板位置，最大值約為1.06 cm。三方案在位移控制方面都做得比較好，在這方面比較中3個方案都可取，且位移控制效果不錯。

由于每個采場開采的高度相對較小，各采場均未產生明顯的塑性區，因此，可不對塑性區進行比較。

綜合以上分析得出，方案B在力學效果控制方面明顯優于其他兩方案，所以最終確定采用方案B的回采順序，即采用中間往兩翼的回采順序開采Sh-650 m中段的采場。

圖5垂直方向位移云圖

4 結 論

(1) DIMINE三維礦山軟件有著良好的生產計劃編制功能。按照礦山對Sh-650 m中段采場年計劃開采礦量要求，運用DIMINE軟件對礦山該中段進行生產計劃編制，精確得出中段內各個采場的出礦量，同時排出3種較為合理的回采順序，為最終回采順序的優選做準備。

(2) 按照排產的礦量要求在SURPAC三維礦山軟件中折算出各采場2012年所需開采高度并據此建立計劃中段開采模型。將其導入MIDAS軟件中建立并劃分網格模型，通過MIDAS網格模型與FLAC3D分析模型間的數據轉換，將MIDAS里建立的網格模型轉化為FLAC3D的分析模型，成功解決了FLAC3D前處理能力不足的問題，為復雜計算模型建模找到一條新思路。

(3) 運用FLAC3D對DIMINE生產計劃編制功能編制出來的3種相對較為合理的回采順序進行數值模擬，經過對比分析得出，方案B的回采順序，即中間往兩翼回采的回采順序更為合理，力學效果更佳，最終確定選擇方案B進行該中段的回采順序，為礦山深部中段開采回采順序的確定提供了一條新思路。

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2016-12-16)

唐 碩(1988-)，男，湖南岳陽人，采礦工程師，碩士，主要從事礦山地壓及其控制方面的工作，Email：379210339@qq.com。