基于數值模擬對礦塊結構參數優化研究

陳資南

摘 要：礦塊結構參數選擇是否合理直接影響到礦山回采的安全和效益，而礦塊結構參數是否合理必須綜合考慮礦巖穩定性、開采過程的安全性和開采后的充填體穩定性。基于此，文章在分析初步設計礦塊結構參數可能存在的安全隱患的基礎上，提出礦塊結構參數優化建議方案，并且運用數值模擬計算方法對采場結構參數優化方案進行穩定性分析。

關鍵詞：礦塊參數；數值模擬；采場優化；采場穩定

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.066

0 引言

一般來說，礦塊結構參數的選擇首先考慮的是采場結構參數的穩定性，通常研究巖體工程結構參數及其穩定性的主要手段是數值模擬計算，數值模擬方法實際上是利用計算機對原型實物進行的一種數值模型試驗[1]。它通用性強，可以模擬各種復雜情況，方便靈活，便于修改，能反復進行試驗，并且耗資少，適合礦山開采導致井下復雜的工程環境。本文于數值模擬方法為基礎，建立礦塊模型對采場參數穩定性進行分析研究從而提出合適的礦塊結構參數建議。

1 數值模擬計算方案

力學模型中的采區結構形式為盤區礦柱的兩旁各有五房四柱，即總共有10個礦房，8個礦柱，另外，中央還有1個盤區礦柱[2]。

采用沿開挖洞周釋放荷載的內加載模型，第一步按給定的邊界條件及載荷條件，對初始應力場進行再現，從第二步開始進行模擬計算。為了得到接近實際的計算結果，開挖步驟要做到盡可能與實際的開采步驟相一致。

礦房寬30～40m，礦房及礦柱長35m或80m，高度為120m。由于采礦方法為空場回采嗣后非膠結充填，需要探討的是空場條件下的采場結構參數，充填體的受力情況有專門的章節進行敘述，這里只需要一個開挖步驟即可滿足研究目標的要求。本力學模型中的每個計算方案均按如下2個計算步驟進行：第1步，計算初始應力場；第2步，回采礦房，留下中間的礦柱。

2 數值模擬計算與結果分析

方案的特點是采場高度120m，永久礦柱寬14m，礦房寬40m，改變采場長度。該組中3個計算方案的編號是方案一、方案二和方案三。每個方案有2個計算步驟，第一步計算每個方案完全一樣，第二步每個方案互不相同。第二步計算采場周圍各個方案的7個特征參量（主應力σ1、σ2、σ3，剪應力τyz和位移分量Ux、Uy、Uz ）的有關計算結果見表1。

表1中給出的是各參量的數值范圍，即最大和最小值的范圍，數據多、看上去較復雜，下面抽取其中的特征參量（最大拉應力、最大壓應力、最大剪應力和x方向最大位移）進行比較。之所以選擇比較x方向的位移值，是因為間柱的軸線方向為x方向，其主要作用在于限制x方向的位移。通過特征值比較可知三種方案，無間柱方案 → 間柱隔一留一方案 → 連續間柱方案，即每個礦房都留間柱 ，應力和位移值均逐漸減小，表明穩定性逐漸變好。隨著間柱留設比例的增加，較為明顯的變化在于最大壓應力的降低及塑性區與拉應力區范圍的減小；對于減小位移值的貢獻相對不太明顯。

3 結論

針對一步驟回采方案改善采場穩定性的三種方式，運用有限單元法進行了數值模擬計算比較，得到的主要結果如下。

（1）可以根據現場巖體穩固性確定留設間柱的比例，當巖體穩固性較好時，不留設間柱；巖體穩固性中等時，間柱按隔一留一的方式留設；巖體穩固性較差時，連續留設間柱。

（2）對于兩步驟回采方案，參照一步驟回采方案的計算結果進行間柱留設。當巖體穩固性較好時，一步采（高度120m、采寬20m）和二步采（高度120m分為兩段采，采寬34m）80m長的采場中間均不留間柱；當巖體穩固性中等時，一步采不留間柱，二步采留間柱；當巖體穩固性較差時，一步采和二步采均留間柱。

參考文獻：

[1]鄧紅衛，胡普侖，周科平，楊念哥.采場結構參數敏感性正交數值模擬試驗研究[J].中南大學學報（自然科學版），2013（06）：2463-2469.

[2]羅周全，管佳林，馮富康，徐海.盤區隔離礦柱采場結構參數數值優化[J].采礦與安全工程學報，2012（02）：261-264.endprint