深埋厚大矿体采场结构参数优化

邬 金 李元辉 司呈斌 徐 帅

(1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819；3.辽宁广播电视大学人文学院，辽宁 沈阳 110161；4.山东黄金矿业(莱州)有限公司焦家金矿，山东 烟台 261441)

深埋厚大矿体采场结构参数优化

邬 金1,2,3李元辉1,2司呈斌4徐 帅1,2

(1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819；3.辽宁广播电视大学人文学院，辽宁 沈阳 110161；4.山东黄金矿业(莱州)有限公司焦家金矿，山东 烟台 261441)

合理的采场结构参数可使采场处于有利的力学状态，使围岩的应力、应变分布趋于均匀化，在保证开采系统稳定和生产安全的前提下，减少支护工作量，提高采矿强度和生产效率。在深入分析思山岭铁矿地质概况与采矿方法的基础上，对影响矿房回采稳定性的矿房高度、矿房宽度、采场长度、矿柱宽度、矿柱充填方式等5个关键因素进行2水平正交设计，获得8种试验方案。运用大型岩土软件FLAC3D对盘区内不同方案的采场结构参数进行数值模拟研究，分析其在不同结构参数下应力、位移、塑性区等特征，初步得出采场处于最有利力学状态时的结构参数方案(采场高60 m、采场长60 m，矿房宽18 m、矿柱宽20 m的参数方案)。计算结果表明：回采过程中，采场长度对顶板应力和顶板位移的影响最大，采场越长，应力值越大，且压应力主要在盘区间柱集中，顶底板处出现拉应力集中。分析结果可为盘区矿房矿柱的安全高效回采提供技术支持。

正交设计 深部厚大矿体 阶段矿房嗣后充填法 结构参数优化 数值模拟

矿产资源是经济发展的基础，国民经济高速发展与浅部资源的逐渐枯竭之间的矛盾，促使深埋厚大矿体开采成为未来矿业发展的重要方向[1-2]。深埋厚大矿体处于较高的应力环境下，为强化开采而进行的深孔爆破等采矿行为势必导致高应力场的重新分布，产生新的应力集中和降低区，导致巷道和采场周围岩体变形、破坏，极易诱发岩爆、大体积塌方等工程灾害，危及人员设备安全。地压活动诱发的工程灾害与采矿方法、采场结构参数、开采强度、回采顺序等紧密相关，尤其是采场结构参数，对围岩二次应力的分布影响较大。合理的采场结构参数可使采场处于有利的力学状态，使围岩的应力、应变分布趋于均匀化，保证开采系统稳定和生产安全的前提下，减少支护工作量，提高采矿强度和生产效率，降低矿石损失与贫化，实现矿山安全、高效、经济开采。

目前国内外矿山生产过程中优化采场结构参数的主要方法有：工程类比法[4]、半经验半理论方法、遗传算法[5]、数值模拟法[6-7]、神经网络优化等方法[8-9]。其中，随着计算机的发展和计算技术的提高，数值分析方法现已成为解决地下工程问题的有力工具，在采矿工程中得到广泛应用，目前应用比较多的数值计算软件是基于有限元思想的ANSYS和基于有限差分思想的FLAC3D。如鄂西缓薄高磷赤铁矿的采场结构参数优化、三鑫金铜桃花嘴矿区厚大矿体采场结构参数优化研究、盘区隔离矿柱采场结构参数数值优化、新城金矿深部采场结构参数优化研究等[8-14]。在国外，采场结构优化问题早就引起来人们的广泛关注。在解决采场结构参数问题上，主要采用经验法和计算机模拟法来进行优化，进一步通过矿山现场试验对结果进行检验。

1 思山岭铁矿采矿方法

1.1 采矿方法选择

思山岭铁矿埋深404～1 934 m，东西长1 500 m，南北宽960 m，垂直深度1 580 m，矿体平均厚246.84 m，倾角约70°，属隐伏盲矿床。区内岩性较简单，岩石较完整，矿体呈厚层状产出。矿体赋存于赤铁石英岩与磁铁石英岩中，顶板较完整，稳定性较好。依据矿山设计，一期开采深度为-960 m中段以下磁铁矿，埋深1 400 m，产能1 500万t/a，采用大直径深孔阶段矿房嗣后充填法进行开采，采矿方法如图1所示。

图1 采矿方法示意

1.2 矿块和采场布置

设计将矿体划分为盘区，盘区是回采生产基本单元。盘区长230 m，宽200 m。盘区中部垂直走向留20 m宽的间柱，间柱内布置穿脉巷道，在盘区端部留10 m间柱，间柱尽量布置在夹石或者赤铁矿中。盘区间沿矿体走向布置整体条形矿柱，其中布置盘区沿脉巷道和溜井。每个盘区内划分矿房和矿柱。

回采分两步进行，一步骤回采矿房，二步骤回采矿柱。由下而上梯段式分段侧向崩矿，爆下的矿石用25 t电动铲运机在采场底部出矿。待矿房矿石全部出完后，进行胶结或尾砂充填，待两面或三面矿房采完充填好并养护2个月后，开采矿柱，矿柱的回采方式与矿房相同，回采结束后进行充填。

2 优化方案及数值模拟

2.1 影响矿房回采稳定性因素的分析

正交实验设计是实验设计中一种优良的方法，它是指用正交表合理地安排实验，利用数理统计的原理科学地分析实验结果，是一种处理多因素实验的科学方法。影响矿房回采稳定性的因素很多，根据矿山实际，本次选取矿房的高度、矿房宽度、采场长度、矿柱宽度、矿柱充填方式等5方面的因素。考虑以上5个因素，各因素所选取的水平见表1。

表1 影响因素选取及其水平

注：A为矿房的高度，m；B为矿房宽度，m；C为矿柱宽度，m；D为采场长度，m；E为矿柱充填方式。

2.2 正交试验模拟方案

选取了影响矿房稳定性的5因素2水平，采用正交分析来安排模拟试验，选用L8(27)比较合适。需要做8次模拟试验，试验方案如表2所示。

表2 正交分析的所有模拟试验组号

2.3 数值模拟研究

2.3.1 三维有限元模型的建立

为确定合理的采场结构参数，根据正交试验原理设计了如表2所示的8种方案，并基于AutoCAD建立采场三维模型，采用ANSYS与FLAC3D耦合的方式进行模型的数值计算。思山岭铁矿矿岩均属于脆性硬岩，因此本构模型采用弹塑性模型，塑性屈服条件为摩尔-库伦准则。岩石力学参数通过试验取得，如表3所示，计算模型如图2所示。

2.3.2 模拟结果分析

本次模拟是在盘区矿房矿柱均已开采充填之后，分析其顶板的应力状态及位移状态。各方案正交试验的结果(顶板最大主应力、最小主应力比较及顶板位移等)如表4所示，对正交试验的结果进行极差分析如表5所示。

表3 思山岭铁矿主要岩体力学参数

图2 计算分析模型

表4 正交试验结果

注：σmax、σmin分别为顶板最大主应力和顶板最小主应力；ε为顶板中点的位移。

从表4中各个方案的最大主应力、最小主应力与垂向位移可以看出，方案二与其余方案相比，具有较明显的优势，能够保证采场围岩的稳定性。该方案的结构参数为：采场高60m、采场长度60m，矿房宽18m、矿柱宽20m。

从顶板最大主应力云图(从略)可以看出矿房开挖完毕后，应力向采场周围集中。由表4可以看出，方案5的最大主应力值最大，达到92.53MPa。

考虑各个因素的极差能够反应试验指标的变动幅度，进而说明，极差越大，该因素对试验指标的影响越大，并由此可以判断出因素的主次顺序。从表5最大主应力的极差分析结果可以看出，影响矿体回采顶板稳定性的5个因素的极差由大到小分别为采场长度、矿柱宽度、充填方式、矿房宽度、矿房高，即采场长度对采场回采顶板稳定性影响最为明显，而矿房高度影响最小。由于矿房的高度对顶板的暴露面积没有作用，所以矿房高度的影响必然最小。而在影响暴露面积的几个因素中，矿柱的宽度的影响明显大于矿房的宽度。这可能是因为矿房开挖时是在原岩中开挖，而开挖矿柱时两侧被充填体所替代，所以造成矿柱的宽度对顶板的影响明显大于矿房的宽度。因而在设计采场时应该尽量少增加矿柱的宽度。

表5 正交试验极差分析结果

矿房回采后，矿房出现了拉应力集中，且主要集中在盘区矿房的顶底板处，矿柱充填体也出现了拉应力。从表4中可以看出方案3的拉应力值最大，达到4.32 MPa，但是没有达到矿体的抗拉强度，所以采场处于安全范围。但由于岩石抗压不抗拉的特性，采场的拉应力对采场的稳定性有很大的影响。

从表5的最小主应力的极差分析结果可以看出，影响采场回采拉应力大小的5个因素的极差值由大到小分别为采场长度、矿房的高度、矿柱充填方式、矿房宽度、矿柱宽度。对采场拉应力影响最大的因素是采场的长度，其次是矿房的高度，矿房的宽度和矿柱的宽度影响均较小。从顶板位移云图(从略)可以看出，盘区中部采场的位移明显大于盘区端部采场的位移，并且盘区间柱位置也处在较大位移区域。由表4可以看出，方案5的顶板位移最大，达到了19.49 cm，方案2最小。在围岩位移状态中，垂直位移比水平位移重要，因为过量的垂直位移将导致顶板冒落和地表沉陷。因此，从此时位移状态看，方案2为最好，方案5最差。

从表5的顶板垂直位移的极差分析结果可以看出，影响矿体回采顶板位移的5个因素的极差值由大到小分别为采场长度、矿房高度、矿柱宽度、矿房宽度、矿柱充填方式，即采场长度对采场回采顶板位移影响最为明显，而第二步是否采用胶结充填影响最小。矿柱宽度的影响明显要大于矿房的宽度。矿房的高度对采场顶板位移的影响明显要大于对应力的影响。

3 结 论

(1)基于正交实验建立了5因素2水平8种不同采场结构参数模型，开展数值模拟分析，并针对数值模拟的结果分别从最大主应力、位移、拉应力等角度进行了比较分析。初步得出了采场高60 m、采场长度60 m，矿房宽18 m、矿柱宽20 m的参数方案为思山岭铁矿大直径深孔嗣后胶结充填法较优参数。

(2)正交试验分析表明对顶板拉应力影响最大的因素是采场长度，其次是矿房高度、矿房的宽度和矿柱的宽度影响均较小。对于顶板压应力分布，矿柱宽度的影响明显大于矿房的宽度。因此，在采场结构参数选取过程中应该选择较小的矿房长度和矿柱宽度。同时为了达到产量要求可以选择较大的矿房宽度和高度。

(3)在回采过程中，采场顶板出现了拉应力集中区，虽没达到岩体抗拉强度，但也是构成采场不稳定的重要因素，在采场设计过程中，应适当减小采场长度，减少拉应力的产生。

(4)在矿房开挖过程中，压应力向盘区间柱集中，由于间柱中布置有穿脉巷道，应对巷道采取必要的支护措施。

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(责任编辑 徐志宏)

Optimization of Structure Parameters in Deep & Large-Sized Orebody

Wu Jin1,2,3Li Yuanhui1,2Si Chengbin4Xu Shuai1,2

(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Safe Mining，Shenyang 110819，China；2.School of Resources & Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China；3.School of Humanity and Social Science，Liaoning Radio and TV University，Shenyang 110161，China；4.Jiaojia Gold Mine，Shandong Gold Mining Co.，Ltd.，Yantai 261441，China)

Rational stope structural parameters may lead to a favorable mechanic state for the stopes and the stress and strain distribution of the wall rocks may become more homogenized.Under this condition，support workload is reduced and the mining intensity as well as the production efficiency can be improved on the premise of ensuring the stable exploring system and safe production.Based on the geological situation and mining methods of Sishanling iron ore，two-level orthogonal experimental design is made to decide the key five factors affecting the room exploring stability，i.e.room height，room width，stope length，pillar width and pillar filling method.Then，eight experimental schemes are concluded.The finite-difference software FLAC3Dis adopted to make numerical simulation on the stope structural parameters of different scheme at panel，and to obtain the feature of the stress，displacement，and plastic zone under different structural parameters.It is preliminarily obtained that the optimal structure parameters which can stabilize the stope is the height of stope 60 m，the length of stope 60 m，the width of room 18m，and the width of pillar 20 m.The calculating results show that the stope length of the roof influences the stress and roof displacement maximum，i.e.the longer the stope，the greater the stress.The compressive stress mainly concentrates on the panel pillars，while the tensile stress concentrates on the roof and the bottom.The results may provide technical support for safe and efficient mining of rooms and pillars within panel．

Orthogonal experimental design，Deep & large-sized orebody，Stage room mining method with subsequent filling，Optimization of Structural Parameters，Numerical simulation

2014-09-09

国家自然科学基金项目(编号：51204031，51274055)，“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2013BAB02B03)，教育部项目基本科研业务费项目(编号：130401007)，教育部项目博士点基金博导类项目(编号：20130042110010)。

邬 金(1982—)，女，博士研究生。通讯作者 李元辉(1968—)男，教授，博士研究生导师。

TD853.36

A

1001-1250(2014)-11-011-05