上向进路充填采矿法采场结构参数优化研究

陈 灿

（铜陵有色设计研究院，安徽铜陵 244000）

上向进路充填采矿法采场结构参数优化研究

陈 灿

（铜陵有色设计研究院，安徽铜陵 244000）

采用MIDAS－GTS有限元软件，以某矿山为背景，建立三维数值模型，对不同采场结构参数进行了模拟，并对模拟结果进行详细分析，最终确定上向水平分层进路充填法采用进路规格3 m、长度为22 m的矿体结构，其为最优结构参数。

进路规格；数值模拟；三维模型

合理的地下采场结构参数是矿山进行高效生产的前提。传统确定采场结构参数的方法主要有3种研究方法：相似材料模拟试验方法、工程地质力学方法、力学理论分析法及数值模拟法［1］，传统确定采场结构参数的方法有模型试验及现场工业试验，这些方法往往耗费了巨大资源，而且难以对各种回采方案下的参数进行对比分析研究。

MIDAS／GTS［2］是当前工程模拟软件中采用最新技术的一种，它被广泛地应用于岩土工程、隧道和桥梁工程等特殊结构的领域，它可以对十分复杂的几何模型进行建模，模型具有可视化，十分直观［3］。本文运用有限元软件MIDAS－GTS数值分析软件，建立三维立体模型，模拟上向水平进路分层充填法不同进路尺寸参数下，矿房拉应力、压应力情况，从而确定合理的开采技术方案参数，给矿山实际生产提供指导。

1 矿山概况及采矿方案简介

矿区围岩蚀变主要有：石英岩化、硅化、绢云母化、碳酸盐化。其中石英岩化、硅化与矿化关系密切，石英岩化与钨矿化的正相关系尤为明显。矿体形态受含矿构造裂隙组的影响，裂隙组发育较好的地方，矿体厚大而简单；裂隙组不发育的地方，矿体尖灭侧现、分支复合现象普遍。矿体倾向43°～111°，倾角17°～59°；倾向72°，倾角36°。

由于该矿区的半风化矿体受构造节理裂隙的影响，矿体易破碎，围岩及矿体的稳固性很差，相对上向水平分层充填法，虽然成本较低，生产能力大，工艺简单，可是其暴露面积相比较大，不能保证安全回采。下向水平分层进路充填法成本最高，构筑人工假底成本高，工艺复杂，生产能力低，最后从经济、安全高效等几方面综合考虑，选用上向水平分层进路充填采矿法，其相关采矿方法如图1所示。

2 三维模型的建立

2.1 基本假设

地下矿山的地质结构以及节理的分布相当复杂，影响采场稳定的因素很多，为保证计算结果可靠，在计算过程中必须做一些假设和简化：

1.假定围岩和矿岩的组成是各项同性的均质材料，且为理想的弹塑性体［4］。

2.由于充填材料的沉降性，因而充填体最终一般难以接顶，在计算中忽略此因素。

3.在计算中仅考虑地应力及重力的作用，忽略构造应力等对围岩稳定性的影响。

2.2 岩体物理力学参数

本次模拟考虑到实际回采过程中，采用两步回采矿体，即第一步先回采矿房，再进行尾砂胶结充填，第二步回采矿柱，再进行尾砂非胶结充填。因此，本次模拟根据矿区地质条件，选用5种力学模拟介质，即花岗岩、原生矿体、半分化矿体、胶结充填体、非胶结充填体。采用的矿岩物理力学参数见表1。

图1 上向水平进路充填采矿法

表1 矿岩力学参数

2.3 模型建立及边界条件

根据以下原则，建立数值模型：

1.深部地质情况复杂，需根据矿体产状、回采矿体赋存深度、回采过程和采空区状况，进行必要的简化。

2.模拟的采空区高度即为回采过程中的最大采区高度3 m。

3.考虑到在实际回采过程中，上向水平分层充填进路法采用不同的结构参数，因此，模拟时，采用不同的采场跨度和长度的组合方式。

4.岩体开挖后，空区四周应力发生变化，一般认为其影响的范围为空区的3～5倍，为保证模拟的准确性，本次模拟的模型尺寸取为空区的5倍［5～7］。

2.4 三维有限元模型建立

上向水平分层进路充填法，主要观察顶板矿体和人工胶结矿柱的稳定性情况，必须保证其处于安全状态下。因此，本次模拟与实际情况相符，模拟在16个矿房第一步回采同时开采及在第一步矿房回采胶结充填采空区后，16个矿柱同时回采。按照不同采场长度、跨度（进路宽度）建立4个模型（见表2），进行数值分析，以供择优选择。三维模型实体如图2所示。

表2 进路充填法数值模拟参数结构

输入各种材料的属性，对实体的局部进行尺寸控制，使划分的网格相对较小，这样模拟的结果会更准确。然后进行实体网格划分，整体网格划分如图3所示、矿体网格划分如图4所示。

3 数值模拟分析

图2 三维模型实体图

图3 整体网格划分图

图4 矿体网格划分图

合理的矿房、矿柱跨度，应能在充分保证采场稳定性的前提下，尽量提高采场生产能力、增大回收率、降低贫化率。上向水平进路采矿法在实际回采过程中，在第一步回采矿房及第二步胶结矿柱，回采矿柱的过程中，矿岩顶板容易发生崩落，因此，在数值模拟过程中，主要分析第一步回采矿房后顶板的受力状况及在矿房已经胶结情况下，人工胶结矿柱的受力状态。

对4种采场结构参数模型数值计算结果进行横纵向对比。数值模拟各个结构参数下的应力情况如图5～图12所示，模拟结果汇总见表3。

图5 矿体顶板最大拉应力图（模型1）

图6 矿体顶板最大压应力图（模型1）

图7 进路充填体最大拉应力图（模型1）

图8 进路充填体最大压应力图（模型1）

图9 矿体顶板最大拉应力图（模型2）

图10 矿体顶板最大压应力图（模型2）

图11 进路充填体最大拉应力图（模型2）

图12 进路充填体最大压应力图（模型2）

表3 上向水平分层进路充填法模拟结果MPa

经过比较，总结出应力应变在4种进路参数结构下的变化规律：

1.各模型采场上盘围岩顶板和矿体直接顶板上都出现了拉应力，上盘围岩顶板的最大拉应力为1.43 MPa（4号模型）、但各模型上盘围岩顶板和矿体直接顶板最大拉应力均未超过各自的抗拉强度，均处于相对稳定的状态。

2.随着进路跨度的增大、各个模型的矿体顶板的最大拉压力逐渐增大，说明采场的稳定性与进路跨度成反比关系。从表3可以看出，当进路跨度分别为2.8m、3.0 m、3.5m、4.0 m时，相应矿体顶板拉应力为0.76 MPa、0.81 MPa、0.83 MPa、0.83 MPa。其跨度越大，拉应力越大，其对应的采场的稳定性越小。

3.从人工胶结矿房所受到的最大拉压力可以看出，其最大值为0.009 MPa，此是因为胶结充填体自身材料有关，充填体所受到的强度较低，安全系数较高，完全满足矿块的第二步矿柱的回采强度。

4.人工胶结充填矿柱模型1和模型3的拉应力比其它的大，对于矿体顶板拉应力，模型4的比模型2的稍大，考虑到进路法是独头作业，光面爆破，该矿山常采用巷道断面规格是3 m×3 m，施工技术较为成熟、管理较为方便。选定进路为3 m为最优采场结构参数，其长度为22 m。

4 结 论

1.矿体顶板及胶结充填体的最大拉应力是维持采场稳定性的关键因素，且顶板及胶结充填体的最大拉应力随进路的暴露面积增大而呈逐渐增大的趋势。

2.通过数值模拟研究，上向水平分层进路充填法采用进路跨度为3 m时，考虑经济因素，其参数为矿体结构最优参数。

3.通过三维数值软件MIDAS／GTS模拟采场回采过程中最危险的情况，得出最优的采场结构参数，可为同类矿山采场结构参数选择提供一定的指导意义。

［1］ 王东华.上向分层全尾砂胶结充填法采场结构参数优化研究［D］.武汉：武汉理工大学，2014.

［2］ 卢洋，傅德胜，郑关胜.基于MIDAS多层结构的构建与开发［J］.武汉理工大学学报，2004，28（1）：141－144.

［3］ CaiWen，Yang Chunyan，Wang Gaunghua.A new cross disciplineextenics［J］.Science Foundation in China，2005，（1）：55－61.

［4］ Fan Yunxiao，Luo Yun，Chen Qingshou.Extenicsmodel for evaluating vulnerable degree of regional sustaining hazard body［J］.Journal of China University of Geosciences，2004，（1）：116－118.

［5］ 王新民，鄢德波，柯愈贤，等.人工砼置换残留矿柱采场结构参数优化［J］.广西大学学报（自然科学版），2012，37（5）：985－989.

［6］ 易智.新桥硫铁矿“三下”资源开采安全技术研究［D］.长沙：中南大学，2008.

［7］ 张学民，丁金刚，刘宝琛.丰山矿区充填开采过程的数值模拟研究［J］.金属矿山，2007，367（1）：14－16，29.

The Structure Parameters Optim ization Research of the Intaking Cement Filling M ethod on a M ine

CHEN Can
（Tongling Nonferrous Design and Research Institute，Tongling 244000，China）

In this paper，it takes somemine as the background to establish three-dimensional numericalmodel，then to simulate in differentmine structure parameters，and the simulation results are analyzed in detail.Ultimately the upward horizontal cut and fillmethod adopts approach roads specifications 3 m and the length of 22 m as the structure parameters，which is proved to be the optimal structure parameters.

approach roads specifications；numerical simulation；three-dimensionalmodel

TD853.34

：A

：1003－5540（2014）05－0007－04

2014－08－05

陈 灿（1986－），男，助理工程师，主要从事采矿设计工作。