基于MIDAS/GTS的上向水平分層充填法結構參數優化

毛貴林

(衡陽遠景鎢業有限公司， 湖南 衡陽市 421000)

0 引 言

楊林坳礦區位于湖南衡南縣川口鎮境內，主要為石英細脈帶型白鎢礦床。由于楊林坳礦區地質情況復雜，礦體形態多變，原有的采礦方法造成了回采率低，貧化率高的現狀。因此，為了解決低效、低產能等問題，楊林坳礦區根據已有的地質資料情況對采場的具體參數進行重新確定。通過MIADAS/GTS數值模擬方法，對不同的采場結構參數及采場頂板及充填體的應力、變形情況進行模擬分析，通過科學的方法確定適合楊林坳礦體開采的采場結構參數。

1 數值模型的建立

1.1 基本假設

鑒于楊林坳礦區礦體復雜多變，為便于建模和分析計算，做出如下假設[2]：

(1) 礦巖體均為理想的彈塑性體，當其達到屈服極限以后，隨著塑性流動，礦巖體強度與體積無改變；

(2) 礦巖體均為局部均質、各向同性材料，塑性流動不變材料[3]；

(3) 考慮到礦巖體的脆性，各項數據分析所涉及到的所有物理量均不與時間相關；

(4) 在計算與分析過程中均不考慮礦巖體的硬化或軟化；

(5) 用作計算的數值模型為底部約束，模型的側面只考慮豎直方向上的應變變形。

1.2 礦巖及充填體力學參數

MIDAS/GTS軟件進行數值計算分析的可靠性很大一部分在于準確的礦巖體力學參數。在實際生產過程中，采場頂板主要的破壞形式為拉伸破壞，因此在數值模擬的過程中將礦巖的抗拉強度設置為通過實驗室三軸壓縮試驗測得的最小值，而抗壓強度則實驗室測得的平均值，這樣可以在一定程度上減少巖體折減造成不準確情況的產生，同時還能為正常施工提供安全保證。但是，在實際的地質情況下由于節理、裂隙、地質弱面等巖體性質的存在，真實的礦巖體抗壓強度及抗拉強度值等參數明顯低于實驗室通過三軸壓縮試驗測定的礦巖石力學參數。為了保障評價的真實性，可采用安全系數法對采場頂板以及充填礦柱穩定性進行判斷。礦山應用中安全系數的定義為礦巖及充填體能承受的最大抗壓強度與實際所受的最大壓應力之比[3]。用于本次數值模擬計算應用的礦巖力學參數及充填體的力學參數如表1所示。

表1 采場數值模擬物理力學參數

2 上向水平分層充填法采場結構參數優化

2.1 礦巖及充填體力學參數

根據以下原則，建立數值模型：

(1) 本次模擬主要觀察回采過程及采空區狀況，因此對礦體產狀及礦巖特性進行一定的簡化。簡化后的計算模型礦體平均厚度為15 m，傾角36°；

(2) 通過對不同礦房中礦柱的不同寬度、高度等因素及每種回采間隔的模擬，判斷出整個生產期間最危險的狀況；

(3) 為了保證模擬結果與實際生產相對應，結合彈塑性力學及分析力學中，開挖后應力變化的影響范圍為所開挖范圍的3～5倍。因此，本次計算采用的模型尺寸取為所開挖范圍的5倍；

(4) 本次模擬不考慮頂底板的變化，因此在回采過程中采空區的最大空頂高度為實際開采高度；

(5) 本次模擬共對12種不同采場規格的上向水平分層充填法進行計算，具體規格如表2所示。

根據上述原則，建立尺寸為X(寬)×Y(高)×Z(長)=440 m×360 m×2300 m的采場模型。見圖1。

表2 上向水平分層充填法礦房礦柱規格數值模型幾何尺寸

圖1 采場模型

2.2 采場結構參數優化結果分析

采場結構參數優化是確定合理的礦房尺寸和礦柱寬度，并在此基礎上分析采空區礦房頂板及充填礦柱的穩定性，以選擇最優的結構參數。通過模擬，得到各礦房、礦柱的最大拉應力、最大壓應力及垂直位移(見表3、表4)，模型數值模擬云圖如圖2所示，根據模擬結果可以得出如下結論：

表3 采場頂板數值分析應力變形數據

表4 充填礦柱數值分析應力變形數據

(1) 開采完畢后，實驗模型的主要下沉區集中在上盤位置，其中大部分呈現下沉狀態，且分布均勻，地表豎直方向的位移量均未出現大的差別，均在1～3 cm之間變化，充填體對采空區地表下沉起到了良好的控制作用。

(2) 模擬過程中，在不同跨度的采場中，拉應力及壓應力隨著采場的跨度增大而增大，但并不呈現線性關系。同時，采場豎直方向的位移量也隨著采場跨度的增大而出現了極大的變化，隨采場跨度的增大豎直位移量也隨之增加。這種情況則說明，隨著采場跨度增大，采場穩定性越來越差。

(3) 在未充填前，采場上部圍巖和采空區頂板均顯現了拉應力的變化，雖然拉應力波動未超過其極限強度，但部分數值計算模型中表現出來的安全系數均不足1.1，這也表明采場存在安全隱患，安全性較差。

(4) 在整個模型開采模擬穩定后，大部分空區頂底板及充填體礦柱主要受到拉應力破壞，因此在考慮最大壓應力和拉應力值的條件下，認為安全系數η1≥1.15時頂板及礦柱抗拉穩定性較好；而安全系數η2只要大于1.0即可認為頂板及礦柱抗壓穩定性好[5]。根據以上條件判斷，6～12號模型模擬結果不能滿足安全生產要求。根據開采效率及生產收益等因素，5號模型，即礦柱寬10 m、礦房寬15 m的安全可靠性較好，經濟指標也較理想，因此推薦該礦區采用礦柱寬10 m、礦房寬15 m作為上向水平分層充填法的采場結構參數。如果在開采過程中，發現部分地段穩固性較差，可適當減小采場規格[6]。

圖2 4號模型模擬結果

3 上向進路充填法進路規格優化

3.1 采場結構參數優化結果分析

根據以下原則，建立數值模型：

(1) 上向分層進路充填法的主要結構參數是進路規格，由于半風化礦體穩固性較差，根據礦山實際開挖經驗，空區高度不宜超過3 m[7]。因此，為簡化模擬過程，固定進路高度為3 m，模擬4種不同進路寬度(見表5)；

(2) 進路長度取半風化礦體平均厚度22 m；

(3) 為了保證模擬結果與實際生產相對應，結合彈塑性力學及分析力學，開挖后應力變化的影響范圍為所開挖范圍的3～5倍。因此，本次計算采用的模型尺寸取為所開挖范圍的5倍。

據此確定模型的尺寸X(長)×Y(高)×Z(寬)為1460 m×260 m×250 m。

表5 上向進路充填法進路規格數值模擬幾何尺寸

3.2 采場結構參數優化結果分析

經過MIDAS分析計算，部分進路規格條件下的應力情況如圖3所示。各個進路模擬結果見表6。

根據模擬結果可以發現，礦體頂板以及人工膠結礦柱所反映出的最大壓應力及最大拉應力均符合安全生產的要求；同時模擬的各模型中礦體頂板所受到的最大拉應力均小于其抗拉強度，可以滿足安全生產的要求；而4號模型計算結果顯示，充填后的人工膠結礦柱所受到的最大拉應力超過其所能承受的抗拉強度。3號模型計算結果顯示，人工膠結礦柱的最大拉應力接近抗拉強度，因此并不能保障安全生產的要求。我國大部分金屬礦山巷道斷面均為3 m×3 m，因此最終選定2號模型的參數進行設計，即半風化礦體上向進路充填法進路規格為3 m×3 m。在實際生產中，可根據實際生產需要適當調整進路尺寸，以提高進路采礦效率和生產能力。

圖3 模型2模擬結果

模型序號礦體頂板最大壓應力/MPa最大拉應力/MPa人工膠結礦柱最大壓應力/MPa最大拉應力/MPa18．040．760．6070．01027．440．810．6160．01537．760．830．6170．01947．840．830．6120．023

4 結 論

利用數值模擬手段，對楊林坳礦區上向水平進路充填法的結構參數進行了優化，得出該采礦方法的進路規格為3 m×3 m；采場結構參數為礦柱寬10 m、礦房寬15 m。重新確定的參數對礦山未來的生產提供科學的指導作用，同時可以提升生產期間的安全性，使礦山生產更加規范高效。

參考文獻：

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[3]遠 洋.某含銅磁鐵礦采礦方法改進[J].金屬礦山,2013(07):26-30.

[4]何洪濤,周 磊,王湖鑫.上向水平進路充填采礦法在和睦山鐵礦的應用研究[J].有色金屬(礦山部分),2012,64(01):13-16.

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[7]朱宏偉.上向進路充填采礦法在哈圖金礦的應用[J].新疆有色金屬,2010,33(05):19-21.

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[9]周登輝.川口鎢礦半風化礦脈群難采礦體采礦方法研究[D].長沙：中南大學，2014.