特大型地下矿山胶结充填采场结构参数优化*

邱景平辛国帅张世玉柳小波孙晓刚张兆仁李家明牛文杰陈 进王瑞雪

(1.东北大学资源与土木工程学院;2.鞍钢集团矿业设计研究院)

特大型地下矿山采用充填法开采，国内外先例不多，产能的保障严格依赖于采矿方法生产能力、大能力充填装备是否可靠、充填系统能否顺利运行、充填质量能否得到保证、充填体凝固时间能否尽可能缩短等大能力充填关键技术与装备。由于特大型地下矿山生产能力大，需要充填的采空区体积大，所以往往应用空场法嗣后充填的方式进行采矿，安徽霍邱李楼铁矿为实现750万t的年产量、河北钢铁矿业公司司家营铁矿(三期)为实现1 500万t的年产量采用的就是阶段矿房嗣后充填的采矿方法。本研究结合鞍山地区大型铁矿的岩性条件和前期胶结充填试验结果，研究采场结构参数优化，以便为鞍山地区大型铁矿下一步应用阶段矿房嗣后充填采矿方案提供理论基础和科学依据。

1 模型建立

为了达到特大型矿山年产量超过500万t的要求，需要实行多个盘区同时生产。设定每6个矿块组成1个盘区，每个盘区安排3个矿块同时出矿，先回采矿房，回采完毕进行胶结充填，最后回采矿柱。图1为盘区内采场布置，1、3、5、8、10、12为矿房，2、4、6、7、9、11为矿柱。

通过对大量不同应力条件下岩体变形破坏特征的分析发现，地下岩体开挖所引起的扰动区域有一定边界，一般可认为岩体扰动范围为开挖空间的3～5倍，据此确定本数值计算域，图2为利用Ansys建立的模型;研究的本构模型取在岩土工程和采矿工程中应用较为广泛的莫尔－库仑模型。模型的边界条件为:约束模型前后和左右边界的水平位移即边界的水平位移为零;模型底部为固定约束，即底部边界水平和垂直位移均为零;模型顶部(不为地表)为自由边界，在模型顶部施加相应的压力(本次选取地下开挖深度约为500 m)，其大小由模型顶部到地表岩体自重产生。选取矿岩物理力学参数如表1所示。

图1 盘区内矿房布置

图2 Ansys建立的模型

表1 矿岩物理力学参数

为方便开展数值计算，提高效率，需要对开挖过程进行简化，同时又确保数值模拟的有效性，特做如下假设:①矿体、岩体、充填体均视为各向同性材料;②盘区矿块开挖前，模型处于初始应力平衡状态;③假设采场开挖、充填工艺均为1次完成，忽略爆破动载对开采的影响;④矿山开拓、采准、切割巷道对采场开挖的应力场影响较小，予以忽略。

2 试验方案

本次利用正交试验方法安排一定的试验，采用数值模拟方法来分析研究不同的采场结构参数对安全性的影响，并给出合理的采场结构参数方案。

影响阶段矿房法采矿采场稳定性的因素很多，参照国内类似特大型矿山的实际情况，本次主要选矿房高、矿房宽、矿房长和矿柱宽4方面因素，即选取了4因素3水平，因素水平安排如表2所示。

表2 正交试验因素水平安排 m

3 模拟试验结果及有限元分析

(1)采场矿房、矿柱开挖完毕，嗣后充填顶板最大主应力模拟正交试验结果见表3，极差分析结果见表4。

表3 最大主应力正交试验结果

表4 最大主应力正交试验极差分析结果 MPa

从表4可以看出，影响矿体回采顶板稳定性因素的权重分别为矿房高32.31、矿房长31.24、矿房宽11.97、矿柱宽11.02，即矿房高度和矿房长度对采场回采顶板稳定性影响最为明显，矿柱宽度影响最小。矿房的高度越高，随着采深的增加，空区体积变大，顶板自稳能力变差，地应力作用于顶板效果越明显，顶板越不稳定。试验1、2、3、6、7，顶板周围的最大主应力较小，相对合理。

(2)采场矿房、矿柱开挖完毕，嗣后充填顶板竖直方向位移模拟正交试验结果见表5，极差分析结果见表6。

表5 竖直方向位移正交试验结果

表6 竖直方向位移正交试验极差分析结果 cm

从表6可以找出，影响矿体回采顶板位移因素的权重分别为矿房长度38.92、矿房宽度22.05、矿房高度21.22、矿柱宽度20.22，即采场长度对采场回采顶板位移影响最为明显，其他因素影响相对较小。这是因为放矿房长度增加时，采场的跨度变大，暴露面积变大时，顶板稳定性变差，所以顶板竖直位移就大。对于试验5、9来说，由于采场应力过大，采场充填体受力发生严重破坏，致使竖直位移过大。由此可以看出试验1、2、6、7的采场稳定性较好，相对合理。

(3)采场矿房、矿柱开挖完毕，嗣后充填顶板最小主应力模拟正交试验结果见表7，极差分析结果见表8所示。

矿柱开挖是在矿房全部采完，胶结充填完毕后进行矿柱的开采。结构参数是否合理对矿柱开挖是否安全影响同样很大。从表8可以看出，对矿房开挖采场拉应力影响最大的是矿房的宽度，权重为4.95，其次是矿房的长度，权重为4.01，而矿房的高度影响最小，为1.77。从此可以看出试验1、2、6情况下采场的稳定性较好，相对合理。

表7 最小主应力正交试验结果

表8 最小主应力正交试验极差分析结果 MPa

根据以上计算结果分析，在采场结构参数选取过程中，可以优先选择1、2或6方案，而为了达到产量要求，需要在保证采场稳定性的条件下对采场的尺寸适当地增大，保证采场体积最大。结合鞍山地区特大型铁矿开采技术条件与充填采矿要求，综合考虑，选择方案2为最优方案，采场参数:矿房长度为50 m，矿房宽度为18 m，矿柱宽度为18 m，矿房高度为60 m。

4 结论

根据本研究结果，按照安全、高效开采的原则，并结合开采技术条件与经济条件，对鞍山地区特大型铁矿采场参数进行了优化选择，确定了最优的采场结构参数:矿房高度为60 m，矿房长度为50 m，矿房宽度为18 m，矿柱宽度为18 m，并通过前期的胶结充填试验，确定了合理的灰砂比和料浆浓度，为鞍山地区大型铁矿下一步应用阶段矿房嗣后充填采矿方案提供了科学依据。

［1］ 古德生，李夕兵.现代金属矿床开采科学技术［M］.北京:冶金工业出版社，2006.

［2］ 何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(16):2803-2813.

［3］ 江见鲸，何放龙，何益斌，等.有限元法及其应用［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［4］ 蔡美峰，王双红.玲珑金矿深部开采三维有限元数值模拟研究［J］.矿冶工程，2000，20(4):14-17.

［5］ 崔少东.石人沟铁矿采场结构参数的优化研究［D］.唐山:河北理工大学，2006.

［6］ 施建俊，孟海利.采场结构参数与回采顺序的数值模拟优化研究［J］.有色金属:矿山部分，2005，57(2):9-11.

［7］ 李学锋，李向东，周爱民.凡口铅锌矿深部矿体开采顺序研究［J］.金属矿山，2004，(12):12-14.

［8］ Deng J，Yue ZQ，Tham L G，et al.Pillar design by combining finite element methods，neural networks and reliability:a case study of the Feng Huangshan copper mine，China［J］，International Journal of Rock Mechanics＆Mining Sciences.2003，40:585-599.

［9］ Vaughanb P R.Assumption，prediction and reality in geotechnical engineering［J］.Geotechnique，1994，4(4):573-609.

［10］ Oden J T，Belytschko T，Babuska V，et al，Research directions in computational mechanics［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2003，192:913-922.