基于PFC2D軟件的太平礦業(yè)公司自然崩落采礦法拉底方式優(yōu)選

摘要：針對(duì)太平礦業(yè)公司自然崩落采礦法回采工藝中不同拉底方式優(yōu)選問(wèn)題，采用PFC2D軟件進(jìn)行對(duì)比模擬分析。模擬不同拉底方式下，不同拉底推進(jìn)距離對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化規(guī)律，最終確定太平礦業(yè)公司最優(yōu)拉底方式為前拉底，拉底推進(jìn)距離25～30 m，該距離范圍內(nèi)底部結(jié)構(gòu)及出礦工程所受壓力相對(duì)較小，底部結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好，有利于支護(hù)成本的降低，可為礦山下一步安全高效回采提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：自然崩落采礦法;PFC2D軟件;數(shù)值模擬;拉底方式;推進(jìn)距離

中圖分類(lèi)號(hào)：TD853.36文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2022）03-0040-04doi：10.11792/hj20220309

引 言

內(nèi)蒙古太平礦業(yè)有限公司（下稱(chēng)“太平礦業(yè)公司”）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏拉特中旗新忽熱蘇木地區(qū)。太平礦業(yè)公司經(jīng)過(guò)多年大規(guī)模的露天開(kāi)采，保有儲(chǔ)量日漸減少，礦區(qū)整體地質(zhì)品位較低，礦巖破碎，開(kāi)采難度較大，急需從露天轉(zhuǎn)入地下進(jìn)行開(kāi)采，擬采用自然崩落采礦法對(duì)深部資源進(jìn)行開(kāi)采，而自然崩落采礦法底部結(jié)構(gòu)是整個(gè)采礦方法的重要組成部分，底部結(jié)構(gòu)的破壞將對(duì)礦山的生產(chǎn)及人員的安全造成不可估量的影響。因此，研究回采過(guò)程中不同拉底方式及拉底過(guò)程中底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律對(duì)整個(gè)工藝應(yīng)用的成敗起著至關(guān)重要的作用。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越普及，數(shù)值模擬法已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究自然崩落采礦法拉底過(guò)程中底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的有效手段。本文以太平礦業(yè)公司為例，采用PFC2D軟件建立模型，依據(jù)巖石試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并基于實(shí)際拉底進(jìn)度模擬開(kāi)挖，研究礦山自然崩落采礦法不同拉底方式下、不同拉底推進(jìn)距離對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化，確定最優(yōu)拉底方式，為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供技術(shù)支撐[1-2]。

1 工程背景

太平礦業(yè)公司礦體地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，構(gòu)造線(xiàn)呈北東向展布，但延伸不明顯。礦區(qū)分為東、西2個(gè)礦段，東礦段分布在11100勘探線(xiàn)—9200勘探線(xiàn)，礦化帶長(zhǎng)1 860 m，最寬304 m，最窄10 m，平均寬度183 m。礦化帶形態(tài)：在9300勘探線(xiàn)—9700勘探線(xiàn)走向NEE65°，長(zhǎng)460 m，平均寬170 m;在9700勘探線(xiàn)—11000勘探線(xiàn)走向NE50°，長(zhǎng)1 400 m，平均寬190 m，北東向延伸。礦脈傾向北西，傾角70°～87°。根據(jù)礦體開(kāi)采技術(shù)條件，擬采用自然崩落采礦法進(jìn)行回采，拉底方式分為后拉底、預(yù)拉底和前拉底。

2 拉底方式數(shù)值模擬

PFC（Particle Flow Code，PFC）系列軟件由ITASCA咨詢(xún)集團(tuán)（設(shè)有ITASCA中國(guó)公司）開(kāi)發(fā)，是一種顆粒流分析程序，分為PFC2D、PFC3D 2種。其主要是用于模擬任意形狀、大小的二維圓盤(pán)或三維球體集合體的運(yùn)行及其相互作用的強(qiáng)大顆粒分析程序。除了應(yīng)用于大體積流動(dòng)和混合材料的力學(xué)研究以外，該系列軟件更適合于描述在固體材料中微觀/宏觀裂紋擴(kuò)展、破壞累積并斷裂、破壞沖擊和微震響應(yīng)等高水平課題的深化研究。

2.1 物理力學(xué)參數(shù)

太平礦業(yè)公司首采區(qū)拉底方式數(shù)值模擬采用PFC2D軟件[3]，在模擬顆粒微觀參數(shù)與宏觀參數(shù)沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系的前提下，利用模擬試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比反算結(jié)果，采用PFC2D軟件對(duì)各數(shù)值模擬試驗(yàn)賦相應(yīng)的微觀參數(shù)[4]，結(jié)果見(jiàn)表1。單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)見(jiàn)表2。

巖石抗拉強(qiáng)度按照式（1）進(jìn)行計(jì)算。

σt=2pπDh（1）

式中：σt為巖石抗拉強(qiáng)度（MPa）;p為破壞荷載（kN）;D為試件直徑（m）;h為試件高度（m）。

經(jīng)計(jì)算，巴西劈裂試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度σt=7.12 MPa。模擬試驗(yàn)得到的巖石物理力學(xué)參數(shù)與礦山提供的巖石實(shí)際物理力學(xué)參數(shù)對(duì)照結(jié)果見(jiàn)表3。

2.2 數(shù)值模型建立

本次數(shù)值模擬模型尺寸高250 m，寬250 m。共生成顆粒57 698個(gè)，顆粒半徑0.4 m，孔隙率0.12。初始模型見(jiàn)圖1。

2.3 數(shù)值模擬方案

模型建立后，通過(guò)在底層設(shè)置測(cè)量圓，同時(shí)記錄出礦水平頂板受力情況。在模擬崩落過(guò)程中，通過(guò)逐步刪除拉底區(qū)域的模型顆粒，模型上部巖體在自重作用下逐漸發(fā)生自然垮落，實(shí)時(shí)追蹤記錄測(cè)量圓的受力情況。分析內(nèi)容主要針對(duì)自然崩落采礦法開(kāi)采過(guò)程中，在采用不同的拉底推進(jìn)距離時(shí)，前部巷道底部區(qū)域相應(yīng)的應(yīng)力變化規(guī)律。拉底方式主要分為后拉底、預(yù)拉底、前拉底3種，分別對(duì)這3種方式進(jìn)行模擬分析[5-6]，以獲得最優(yōu)的拉底方式。

2022年第3期/第43卷 采礦工程采礦工程 黃 金

1）后拉底。后拉底方式是在出礦通道、出礦集中點(diǎn)、聚礦溝槽等工程整體形成后，再開(kāi)始進(jìn)行上方水平的拉底施工工作的拉底方式。

2）預(yù)拉底。預(yù)拉底方式是整體拉底工作需要在整個(gè)出礦水平施工作業(yè)開(kāi)始前全部完成，或?qū)⒊龅V水平施工工作面滯后于拉底施工工作面一段距離。

3）前拉底。前拉底方式是將拉底的施工工作安排在部分已完成開(kāi)拓施工的出礦水平上部進(jìn)行，要求出礦水平的聚礦溝槽在形成拉底空間后的應(yīng)力釋放區(qū)域進(jìn)行施工。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 后拉底

為研究在后拉底方式下應(yīng)力變化情況，選取拉底推進(jìn)距離為10 m、15 m、30 m、45 m 4種情況，采用PFC2D軟件模擬拉底崩落過(guò)程。模擬過(guò)程中，分析應(yīng)力變化相應(yīng)規(guī)律發(fā)現(xiàn)：當(dāng)拉底施工工作面形成及推進(jìn)時(shí)，會(huì)在工作面前部區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中，同時(shí)巖體支撐壓力會(huì)隨著工作面的前移而逐漸推進(jìn)，而底部區(qū)域圍巖也在支撐壓力的作用下開(kāi)始逐漸發(fā)生破壞。根據(jù)PFC2D軟件模擬拉底推進(jìn)距離變化所得出的數(shù)據(jù)，可繪制相應(yīng)的應(yīng)力變化曲線(xiàn)，拉底推進(jìn)距離為15 m時(shí)的應(yīng)力變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。根據(jù)模擬試驗(yàn)得出了不同拉底推進(jìn)距離所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)表4。

通過(guò)分析不同拉底推進(jìn)距離時(shí)的應(yīng)力變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：在拉底空間開(kāi)挖形成后，發(fā)生應(yīng)力重新分布，在拉底空間兩側(cè)區(qū)域產(chǎn)生高壓應(yīng)力及剪應(yīng)力集中，從而使垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力。而當(dāng)拉底推進(jìn)線(xiàn)推進(jìn)到距離底部結(jié)構(gòu)一定距離時(shí)，后者的應(yīng)力受拉底過(guò)程的影響開(kāi)始增加，且增加的幅度隨二者之間的距離縮短而顯著增大。3.2 預(yù)拉底

采用PFC2D軟件模擬預(yù)拉底方式下拉底崩落過(guò)程的應(yīng)力變化情況，選取拉底推進(jìn)距離為20 m、30 m、40 m、50 m 4種情況。預(yù)拉底方式拉底推進(jìn)距離為30 m時(shí)的應(yīng)力變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，不同拉底推進(jìn)距離對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表5。

由圖3可知：采用預(yù)拉底方式拉底巷道初步掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)力變化較小，影響較小，隨著拉底推進(jìn)距離的增加，拉底巷道應(yīng)力逐漸增大，對(duì)出礦巷道的影響更為顯著，此時(shí)需考慮對(duì)出礦巷道進(jìn)行支護(hù)。在事先形成的拉底層下，出礦巷道的應(yīng)力大大降低，而預(yù)拉底方式正是利用這種去應(yīng)力保護(hù)效應(yīng)來(lái)保護(hù)回采水平，這樣就可以改善回采水平的作業(yè)條件，并降低風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 前拉底

采用PFC2D軟件模擬前拉底方式下拉底崩落過(guò)程的應(yīng)力變化情況，選取拉底推進(jìn)距離為10 m、15 m、30 m、45 m 4種情況。前拉底方式拉底推進(jìn)距離為15 m時(shí)的應(yīng)力變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4，不同拉底推進(jìn)距離對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表6。

采用前拉底方式時(shí)，由于在出礦水平開(kāi)挖礦石的比例相對(duì)較少，且崩落礦堆被壓實(shí)后形成殘余誘導(dǎo)應(yīng)力的可能性也相應(yīng)減少，因此能夠加快投產(chǎn)進(jìn)度。前拉底方式在拉底空間形成后的出礦水平還存在著部分需要繼續(xù)施工的開(kāi)拓工程，聚礦槽的施工需要從出礦水平向拉底水平的碎石里掘進(jìn)，因此整體進(jìn)展相對(duì)較慢;而另一方面，前拉底方式能夠減少應(yīng)力對(duì)出礦巷道的破壞及由此帶來(lái)的巷道修復(fù)工作。

根據(jù)3種拉底方式在不同拉底推進(jìn)距離下的應(yīng)力變化曲線(xiàn)規(guī)律，綜合考慮國(guó)內(nèi)外成功應(yīng)用案例，最終確定太平礦業(yè)公司自然崩落采礦法拉底方式為前拉底，拉底推進(jìn)距離25～30 m，在此拉底方式及拉底推進(jìn)距離下，底部結(jié)構(gòu)及出礦工程所受壓力相對(duì)較小，底部結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好，有利于支護(hù)成本的降低，減少了因開(kāi)拓滯后帶來(lái)的問(wèn)題，能夠更快地投入生產(chǎn)[7]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)PFC2D軟件數(shù)值模擬分析了不同拉底方式下，不同的拉底推進(jìn)距離對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化及崩落過(guò)程中拉底推進(jìn)線(xiàn)前方受力變化規(guī)律。綜合考慮拉底方式分析模擬結(jié)果及國(guó)內(nèi)外成功應(yīng)用案例，最終確定太平礦業(yè)公司自然崩落采礦法拉底方式為前拉底，拉底推進(jìn)距離25～30 m，此時(shí)，底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相對(duì)較好，作業(yè)安全性高，有利于盡快投產(chǎn)。本文的研究方法對(duì)采用自然崩落采礦法開(kāi)采的礦山工藝設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也具有一定的指導(dǎo)意義。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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Optimized undercut means selection of block caving mining method

in Pacific Mining Company based on PFC2D software

Cheng Wenwen

（Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.）

Abstract：In view of the different undercut means in the block caving mining process of Pacific Mining Company，the PFC2D software is used for comparative simulation and analysis.By simulating the stress change law corresponding to different undercut advance distance，it is finally determined that the optimal undercut means is forward undercut for Pacific Mining Company，and the undercut advance distance is 25-30 m.Within the distance，the pressure on the bottom structure and ore-drawing engineering is relatively small，and the overall stability of the bottom structure is good，which is conducive to lowering support cost.The means can provide theoretical guidance for the next-step safe and efficient mining in mines.

Keywords：block caving mining method;PFC2D software;numerical simulation;undercut means;advance distance