南非Dilokong铬矿采场结构参数优化

邱景平 王 振,2 邢 军 孙晓刚

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819;2.金诚信矿业管理股份有限公司，北京 101500)

南非Dilokong铬矿采场结构参数优化

邱景平1王 振1,2邢 军1孙晓刚1

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819;2.金诚信矿业管理股份有限公司，北京 101500)

南非Dilokong铬矿矿体含铬品位较高，为典型的缓倾斜薄矿体，设计采用房柱采矿法进行回采。针对Dilokong铬矿缓薄矿体的开采技术条件及采矿难题，为探求其合理的采场结构参数，实现现场的安全、高效开采，研究采用正交数值模拟试验，选取了矿房长度、矿房跨度、点柱尺寸和点柱间距4个因素，正交设计了4因素3水平9种采场结构参数模型的试验方案。通过FLAC3D软件对不同方案的围岩应力及位移分布数值模拟结果的对比分析，研究各参数对采场稳定性的影响及优化采场结构参数。试验结果表明，矿房跨度及点柱尺寸是影响采场应力集中和位移变形的重要参数，并确定了合理的采场结构参数，即矿房长度50 m、矿房跨度26 m、点柱尺寸5 m×5 m及点柱间距2 m，研究结果对现场下阶段矿体的回采具有指导借鉴意义。

铬矿 缓薄矿体 数值模拟 采场结构参数

1 Dilokong铬矿开采条件

Dilokong铬矿为中钢集团在南非投资开发的铬矿矿床，矿体呈单一层状产出，形状较规整，埋深约在300～400 m，顶板岩石以斜长岩为主、底板岩石以辉岩为主[1]。Dilokong铬矿目前开采的资源为LG6铬矿层，Cr2O3品位为43%～47%。LG6铬矿层由2部分组成，辉岩将其分成LG6主矿层和LG6a矿层。LG6主矿层厚度1.1～1.3 m，平均厚度1.12 m，上覆有0.33～0.35 m厚的LG6a矿层，平均厚度0.34 m，中间辉岩厚度大约0.6 m，如图1所示。LG6矿层属于沉积型缓倾斜薄矿体，倾角为9～13°，矿体走向、倾向、倾角变化不大，矿石密度为4.25 t/m3。

Dilokong铬矿矿体划分为盘区进行开采，盘区内以中心受矿槽为中心向矿体两边推进，采用传统房柱采矿法进行回采，即采场房柱式布置，采场长度方向与矿体走向一致约90 m，采场宽度约20 m，间柱宽度约6 m，采场内采用木柱支护[2]。随着矿体不断回采，Dilokong铬矿空区面积不断增大，同时由于采场结构参数不合理，采场暴露面积过大且采场内仅采用木柱支护，导致井下地压活动频繁且明显，采场片帮及冒顶事故时有发生，直接威胁到井下采掘作业安全并影响矿山生产能力。因此迫切需要进行Dilokong铬矿的采场结构参数优化，确定合理的采场结构参数，为矿山的安全、高效生产提供科学依据。

图1 南非Dilokong铬矿层断面示意Fig.1 Section schematic diagram of Dilokong chromium ore bed in South Africa

2 计算模型

利用Ansys软件建立计算模型，并采用有限差分软件FLAC3D作为优化采场结构参数的模拟分析工具[3]，数值计算中假定所有材料均符合摩尔-库伦准则，各岩层之间为整合接触，岩体为各向同性的连续介质[4]，原岩地应力仅考虑静载荷即岩体自重对模型的影响。

2.1 模型建立

根据矿体赋存状况，模型的矿体赋存条件：上盘围岩为斜长岩，下盘围岩为辉岩，矿体倾角10°。最终按照矿体工程实际，建模参数：矿体倾角10°，模型尺寸的长宽高范围为600 m×300 m×200 m，矿体水平厚度2 m，控制矿块沿倾向60 m，沿走向101 m，如图2所示。对模型加载垂直向下的重力加速度，将模型上边界以上的岩层重量作为应力边界条件施加在模型的上边界。模型的下部边界条件简化为固定边界条件。考虑模型的侧部边界条件时，施加滚动边界条件，即在模型的侧部边界水平方向的位移等于零，垂直方向可以运动。

图2 Ansys模型图Fig.2 Ansys model diagram

2.2 岩体物理力学参数

数值模拟所采用的岩体物理力学参数如表1所示。

表1 岩体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

2.3 计算方案

设计方案时，各因素的取值需要在合理的范围之内。矿房长度的取值依照电耙合理的耙矿距离取值；矿房的跨度通过地下无支护空间等效尺寸与质量指标间的关系(跨度=等效尺寸×开挖体支护比)求得；点柱尺寸及其间距根据地下矿山点柱的布置方式确定。各因素选取分别选取3个水平，如表2所示。

表2 因素水平表Table 2 Factor levels table

研究设计了9种方案的L9(34)正交试验，研究4个因素3个水平对采场围岩稳定性的影响，详见表3。

表3 L9(34)模拟分析正交试验表Table 3 L9(34) Simulation experiments based on orthogonal analysis

3 数值模拟结果及分析

模拟结果主要根据应力与位移分布情况进行分析。鉴于篇幅的原因，仅给出方案Ⅴ(矿房跨度26 m，矿房长度为50 m，矿柱尺寸5 m×5 m，矿柱间距2 m)沿采场长轴中央与矿柱中央的计算结果剖面图以及各方案的计算结果汇总图加以分析。

3.1 应力分布规律

对于房柱式的采场，保证其采场的稳定性应使顶底板不出现拉应力或使出现的拉应力低于顶底板岩体的抗拉强度。同时应使矿柱的压应力低于其抗压强度。选取采场顶底板围岩及矿柱作为分析的关键部位，将采场顶底板围岩最大拉应力和矿柱最大压应力作为分析采场稳定性状况的应力指标。

由应力云图3可知，矿房开挖后，在顶底板暴露面边缘处均出现了拉应力；因转角处形状的不连续性，产生了切向压应力集中区；矿柱受压产生了应力集中现象。各方案顶底板及矿柱应力值如图4显示，各方案的采场结构参数选取的不同，所产生的顶底板及矿柱的应力各不相同，且差距较大。通过极差分析可得：各因素对顶底板拉应力及矿柱压应力大小影响重要性顺序分别为B>D>A>C与C>A>D>B，影响顶底板拉应力大小的主要因素为矿房跨度；影响矿柱压应力大小的主要因素为矿柱的尺寸。

图3 顶底板最大拉应力与矿柱最大压应力Fig.3 Maximum tensile stress of roof & floor and maximum compressive stress of pillar

图4 各方案顶底板及矿柱应力值Fig.4 Stress value of roof & floor and pillar of each scheme▲—顶底板最大拉应力；■—矿柱最大压应力

从图4可以看出方案Ⅴ的顶底板拉应力及矿柱压应力均较小，具有明显的优势。

3.2 位移分布规律分析

采场的稳定性可以通过顶底板岩层的位移变形量体现。若采场围岩变形量过大，超过其容许的极限位移值，采场就有可能失稳。故可以选取位移变形量作为判断采场稳定的指标。

从图5竖向位移云图可以看出：矿体开挖后，空区顶底板受应力作用，均向空区方向移动，造成了采场顶板的沉降与底板的底鼓；矿柱上下盘围岩中分别出现了一定的竖向沉降量及上升位移量，在靠近矿柱附近处位移较小。

图5 顶底板及矿柱竖向位移Fig.5 Vertical displacement of roof & floor and pillar

通过图6各方案的比较发现顶底板出现的最大位移值均不相同，但根据其位移云图可知出现最大位移的区域一般位于采空区中部采场顶板中央的位置。通过极差分析可得：各因素对顶底板及矿柱板竖向沉降量大小影响的主次顺序为B>A>C>D，即矿房跨度对竖向沉降量影响较为显著。从图6可以看出，方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅶ竖向位移结果均较小，具有较好的试验效果。

图6 各方案顶底板及矿柱竖向位移值Fig.6 Vertical displacement of roof & floor and pillar of each scheme■—顶板最大下沉值；●—底板最大底鼓值；▲—矿柱最大位移值

从上述极差分析可得到各因素的重要程度，其中矿房的跨度及点柱的尺寸对采场的稳定性影响最大。同时，通过各方案数值模拟计算结果可以看出：部分方案，如方案Ⅷ由于点柱过小，矿柱中的应力超过其极限抗压强度，产生了剪切破坏，矿柱中出现了大范围的塑性屈服区域；如方案Ⅸ，由于矿房长度及跨度选取的值过大，顶底板中的拉应力超过其岩体的极限抗拉强度，导致顶底板位移过大，产生了拉破坏；如方案Ⅰ、Ⅱ虽周边围岩的应力状况较好，但矿房的参数过小，会降低矿石回收率，造成矿石损失量大；而相对于方案Ⅶ，方案Ⅴ具有明显的优势：顶底板最大的拉应力为4.33 MPa，矿柱中的最大压应力为36.1 MPa，均未超过其各自的抗拉强度及抗压强度；顶底板的最大位移为1.14 cm，采场的位移变形量较小。故确定方案Ⅴ为最优的采场结构参数，即矿房长度为50 m、矿房跨度为26 m、点柱尺寸为5 m×5 m及点柱间距为2 m。

4 结 论

(1)根据矿山的开采技术条件及现状，建立了数值分析模型，模型尺寸的长宽高范围为600 m×300 m×200 m，其中矿体倾角10°，水平厚度2 m。

(2)选取了影响房柱式采场稳定性的4种因素，各种因素依据计算或者经验选取了3个水平，并设计了4因素3水平9种采场结构参数的计算方案。

(3)通过9种计算方案模型结果的应力及位移的极差分析得到了适宜Dilokong铬矿开采的最佳采场结构参数：矿房长度50 m，矿房跨度26 m，点柱尺寸5 m×5 m，点柱间距为2 m。

(4)模拟结果说明：在采场长度一定的情况下，减小顶底板拉应力、竖向位移最有效的办法是减少采场的跨度；减小矿柱中压应力最有效的办法是增大点柱的尺寸；因此从减少顶底板及矿柱的应力、位移的角度进行采场设计，通过相对减小矿房跨度、增大点柱尺寸提高采场稳定性是可行的。

[1] 周文略，连民杰，马毅敏.南非Dilokong铬矿采矿生产全流程技术评价[J].金属矿山，2012(11):46-48. Zhou Wenlue，Lian Minjie，Ma Yimin.Technological evaluation on the overall flow of mining production in Dilokong Chromium Ore of South Africa[J].Metal Mine，2012(11)：46-48.

[2] 邢 军，孙国权.缓倾斜薄矿体铬矿开采关键技术及装备研究[R].马鞍山:中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，2013. Xing Jun，Sun Guoquan.Key Mining Technology and Equipment Research of Slowly Inclined Thin Orebody of Chrome Ore[R].Maanshan:Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.，Ltd.，2013.

[3] 甯瑜琳.深部缓倾斜薄矿体采场结构参数优化及采动沉陷特性研究[D].中南大学，2012. Ning Yulin.Research on Optimization of Stope Parameters of Deep Gently Inclined Thin Ore Body and Mining Subsidence Characteristics[D].Changsha:Central South University，2012.

[4] 杨清平，滕丙娟，胡文达,等.谦比西铜矿西矿体采场结构参数优化[J].金属矿山，2012(5):1-4. Yang Qingping，Teng Bingjuan，Hu Wenda，et al.Stope structure parameters optimization of west orebody in Chambishi Copper Mine[J].Metal Mine,2012(5):1-4.

(责任编辑 石海林)

Stope Structure Parameters Optimizing on Dilokong Chromium Mine in South Africa

Qiu Jingping1Wang Zhen1，2Xing Jun1Sun Xiaogang1

(1.CollegeofResourcesandCivilEngineering,NortheasternUniversity，Shenyang110819，China;2.JchxMiningManagementCo.，Ltd.，Beijing101500，China)

Dilokong Chromium Mine in South Africa is a high grade deposit and it is the typical gently inclined thin bodies，the room-and-pillar stoping mining method was adopted.According to the mining conditions of gently inclined thin Chrome ore body and current mining problem of Dilokong chromium mine，in order to get the reasonable structure parameters and achieve safe & efficient mining，the paper adopted orthogonal numerical simulation experiments，which selecting four parameters including room length，room width，pillar dimension and pillar spacing，and orthogonally designed nine feasible stope structure models with four factors and three levels.Through FLAC3Dsimulation results comparing of stress status and surrounding rock displacement of different structure parameter schemes，the paper had studied influence of different parameters to stope stability and optimized stope structure parameter.The research result showed that room width and pillar dimension were the important influence parameters of stress concentration and displacement deformation，and the reasonable stope structure parameters were determined:the length of room is 50 m，the width of room is 26 m，the dimension of pillar is 5 m×5 m and the spacing of pillar is 2 m.The results will guide a significance to next mining of Dilokong Chromium Mine.

Chromium mine，Gently inclined thin ore body，Numerical simulation，Stope structure parameter

2014-06-09

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2011BAB07B02)。

邱景平(1975—)，男,副教授,博士。

TD853

A

1001-1250(2014)-10-009-04