基于FLAC3D的二步采场结构参数优化及工程应用

刘志义 张丽春 赵国彦 任贺旭 卢宏建

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

基于FLAC3D的二步采场结构参数优化及工程应用

刘志义1张丽春1赵国彦2任贺旭1卢宏建1

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

为了保证三山岛金矿二步采场的生产能力和开采安全性， 采用三维有限元方法对不同结构参数的二步采场开采稳定性进行分析，优选安全合理的采场参数。通过计算和分析不同结构参数的二步采场在开采过程中顶板和上盘围岩的应力、位移变化特征，得出不同参数的采场稳定情况。结果表明：当采场高度为12 m时，顶板和上盘围岩的拉应力和位移都较大，采场的稳定性较差；当采场宽度大于10 m时，顶板和上盘围岩的拉应力和位移的变化率呈增长趋势，采场稳定性逐渐变差。因此，建议二步采场宽度为10 m，高度10 m。将优化结果应用于工程实践，表明该参数安全合理，保证了矿山安全高效开采。

二步采场 采场结构参数 有限元计算 工程应用

随着国家对矿产资源的不断需求及采矿技术的提高和先进设备的应用，很多矿山逐渐向大规模开采发展[1]。然而，大规模开采的采场在开采过程中暴露面积较大，加大了采场的危险性，与提高采场生产能力相矛盾，即采场的结构参数对采场的稳定性有直接影响作用。因此，选择合理的采场结构参数对采场的生产能力和稳定性都有很大的影响[2]。

三山岛金矿是我国首个濒海大型地下开采矿山，矿体厚度变化较大，用盘区法回采一步矿房时生产能力较大，作业安全性较好。但回采二步矿房时，由于采场的应力集中、矿岩受爆破振动影响完整性遭受破坏、矿体强度的下降及两侧充填体强度低等使其稳定性大幅下降，矿块作业安全性下降，回采强度大幅下降，难以适应公司对矿山增产扩能的需要。同时，采用目前的盘区分层充填采矿法开采时一次落矿量小，铲运机出矿效率低；爆落矿石与充填面接触次数较多，加大了矿石的损失贫化；胶结层较多，使水泥的耗量加大，增加了充填成本；同时采场支护次数较多，加大了支护工作量，增加了矿石开采成本，进而影响矿山的经济效益。

因此，针对矿山二步采场矿石开采过程中存在的以上问题，结合国内外开采技术，改进二步采场开采方法，并对该二步采场的结构参数采用FLAC3D进行优化，提出合理的参数，并将该参数应用到工程实际中，为矿山安全高效生产提供支撑。

1 工程概况

三山岛金矿床[3-5]是最早发现的破碎带蚀变岩型特大型金矿床，即焦家式金矿床。矿石主要为含金黄铁绢英岩及含金绢英岩化碎裂岩，自然类型为原生矿石。矿体主要赋存在黄铁绢英岩化碎裂岩和黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩等蚀变岩内，裂隙不发育，岩石一般较完整。下盘为矿体，F1断层面上断层泥一般厚5～10 cm，靠近F1断层的岩石破碎，节理、裂理较发育，工程揭露后易坍塌。矿岩稳固性系数f≥6，属半坚硬岩石。西山矿区553#盘区采场矿体厚60～70 m，倾角40°左右。

根据矿体的开采技术条件，结合矿山对采场生产能力的要求，就二步采场存在的问题，设计采用预控顶中深孔上向凿岩分段充填采矿法进行开采。该方法通过在二步采场底部的凿岩巷道到达上盘，采用国内先进的中深孔凿岩设备DL330-5进行凿岩，同时在采场的顶部掘进切割巷道，对顶板进行预支护，待支护完成后，使用改性粒状铵油炸药、非电毫秒差导爆管、复式起爆系统起爆进行崩矿，每次爆破2～4排，后退式开采。

2 有限元模拟方案及模型

2.1 计算模型的建立

根据三山岛金矿西山矿区553#盘区矿体的开采情况，矿体划分为矿房矿柱，矿房采用上向分层充填法开采，采场采用水泥尾砂胶结充填，灰砂比1∶8，分层内充填浇面灰砂比1∶4～1∶6，厚0.3～0.5 m。矿柱采用预控顶中深孔上向凿岩分段充填采矿法开采，采用灰砂比1∶20或非胶结尾砂充填。因此，模型分为5个部分，分别是上盘岩体、下盘岩体、采场顶板、采场矿体及采场底板，如图1所示。模型中，x方向为矿体走向，y方向为矿体水平厚度方向即采场开挖方向，z方向为矿体竖直方向。

图1 计算模型

2.2 有限元数值模拟计算方案

根据国内外矿山开采经验可知，一般二步采场的宽度为8～12 m，采高根据设备的凿岩能力一般为10～15 m。由于三山岛金矿西山矿区矿体上盘为F1断裂构造，岩体较为破碎，且结合矿山现有的设备二步采场参数范围为宽8～12 m，高10～12 m。因此，本模型根据矿柱的不同宽度和高度对采场的顶板和上盘围岩的应力、位移进行分析计算，优选出二步采场合理的开采结构参数，计算方案如表1所示。

表1 计算方案

Table 1 Calculation scheme

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2.3 模型计算力学参数

通过对三山岛金矿西山矿区岩体工程地质调查、矿体取样测试及充填体强度试验，有限元计算中选取的材料力学参数如表2所示。

表2 岩体和充填体力学参数

3 计算结果分析

研究表明，二步采场顶板主要有2种破坏形式[6]：一是在上部荷载作用较大，顶板岩层由于变形过大而导致的基础本身的垮塌破坏；二是开挖过程中顶板岩层出现了超过岩体极限抗拉强度的拉应力而导致的拉伸破坏。因此，本研究主要对不同结构参数的二步采场的顶板位移及应力变化进行分析，提出安全合理的采场结构参数。

3.1 采场顶底板应力应变分析

(1)应力分析。不同采场结构参数的应力计算结果如图2所示。由图2中可知：采场顶板的拉应力随采场宽度的增加基本呈线性增长；采场高度为12 m时的拉应力明显比高度为10 m时的要大，且当采场宽度为12 m时，拉应力几乎接近1.8 MPa，即要超过采场矿体的抗拉强度。因此从安全性考虑，要适当降低采场的宽度和高度。

图2 各方案采场顶板拉应力变化特征

由图3可知：采场顶板的拉应力区域随着宽度的增加而逐渐变大，且拉应力区域主要分布在采场顶板与上盘交汇处和采场的顶板中部；当采场高度为12 m时，采场的底板也逐渐出现了明显的拉应力区。

图3 采场顶板应力云图

(2)位移分析。不同采场结构参数的顶板位移变化如图4所示。由图4中可知：采场顶板的沉降位移量随着采场宽度的增加而不断变大，且当宽度超过10 m时，位移变化率变大，即单位宽度的采场位移变化量变大；同时，采场高度为12 m时的位移量明显比采场高度为10 m的大，且根据国内外矿山开采的工程实际经验可知，当采场宽度较大时，若采场顶板的位移量接近或超过50 mm，则其自身稳定性较差。因此，从安全性考虑，建议采场高度选择10 m。

不同采场结构参数的底板底鼓位移变化如图5所示。由图5可知：采场高度为12 m的采场底板底鼓比采场高度为10 m的位移量要大很多；采场底板底鼓位移量随着采场宽度的增加而不断增加，且当采高为12 m，宽度大于10 m时采场底板底鼓位移量变化率变大。

图4 各方案采场顶板沉降位移变化特征

图5 各方案采场底板底鼓位移变化特征

3.2 上盘围岩应力应变分析

(1)应力分析。不同采场结构参数上盘围岩应力变化计算结果如图6所示。由图6可知：采场高度为12 m时上盘围岩拉应力比采场高度为10 m时的大；采场高度为12 m时上盘围岩拉应力变化率比采场高度为10 m时的大，且变化较大，采场高为10 m时拉应力变化率较小且平稳；当采场高度为12 m时不同宽度的采场上盘围岩的拉应力均大于上盘岩石的抗拉强度，即上盘岩石发生了破坏。

图6 各方案上盘围岩拉应力变化特征

由图7可知：上盘围岩应力区域随着宽度的增加不断扩大，拉应力区主要分布在上盘围岩中部偏上；当采场高度为12 m时，拉应力分布区域明显扩大，且与顶板相交汇基本交汇；当采场高度为10 m时，拉应力区分布相对较小，且主要分布在上盘围岩中部偏上。因此，在生产中应在位置加强支护。

图7 上盘围岩应力云图

(2)位移分析。不同采场结构参数上盘围岩应力变化计算结果如图8所示。由图8可知：采场高度为12 m的采场上盘围岩位移量比采场高度为10 m的大很多；当采场宽度大于10 m时，上盘围岩位移变化率呈增长趋势，且采高为12 m的增加率大于采高10 m的。

图8 各方案上盘围岩位移变化特征

综上分析并结合强度理论判据和容许极限位移量判据，选取二步采场宽度为10 m、高度为10 m。

4 工程应用

将设计的二步采场结构参数应用到三山岛金矿553#盘区7号采场。该采场位于1 550～1 650勘探线间，标高为-555～-510 m。采场矿体厚70 m，倾角40°左右。采场采用中深孔爆破开采技术进行开采。采用DL330-5凿岩台车钻凿上向扇形中深孔，孔距2.2 m，排距1.4 m，最大孔深8.5 m(含超深0.8 m)，最小孔深3.0 m，每排炮孔长3.0～8.5m，炮孔总长69.84 m，所有炮孔总长3 212.64 m。各排炮孔按扇形中深孔布置，如图9所示。

图9 排面扇形中深孔布置

所有炮孔装散装铵油炸药，孔内全长铺设导爆索。每排⑤、⑦、⑨号炮孔孔口不装药长度为2.2 m，其余炮孔孔口不装药长度为1.2 m，不装药炮孔与装药炮孔交错布置。

爆破采用所有炮孔全长铺设导爆索，各炮孔之间通过导爆索形成复式爆破网络，如图10所示。

图10 爆破网络

二步采场爆破结束后，其顶板较为稳定，局部顶板需要支护，两帮充填体破坏程度较小，采场整个稳定性较好，如图11所示。

综上所述，二步采场宽10 m、高10 m的结构参数能有效保证采场生产能力和稳定性。

5 结 论

(1)该矿区二步采场的稳定性受采场高度的影响较为明显，当采场高度为12 m时，采场顶板及上盘围岩的应力、位移量均较大，且上盘围岩产生的拉应力超出了围岩自身的抗拉强度，采场稳定性较差；当采场宽度大于10 m时，采场顶板及上盘围岩的应力、位移变化率呈增长趋势，采场的稳定性较差。

图11 爆破后采场

(2)建议矿山二步采场宽度选取10 m，高度选取10 m。将此优选参数应用到工程实际中，采场稳定性较好。采用中深孔爆破进行崩矿，采场两侧炮孔孔底不装药，可有效降低爆破对两侧充填体的损伤，降低采场矿石贫化率，保证采场的稳定性。

[1] 于润沧.采矿工程师手册[M].北京:冶金工业出版社,2009:21-30.

Yu Runcang.Mining Engineer′s Handbook[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2009：21-30.

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(责任编辑 石海林)

Structural Parameters Optimization and Engineering Applicationof the Second-step Stope Based on FLAC3D

Liu Zhiyi1Zhang Lichun1Zhao Guoyan2Ren Hexu1Lu Hongjian1

(1.SchoolofMiningEngineering，NorthChinaUniversityofScienceandTechnology，Tangshan063009，China;2.SchoolofResourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

In order to ensure production capacity and mining safety of the second-step stope，3D-FEM was conducted to analyze the stability of the second-step stope with different structure parameters to select the safe and reasonable stope parameters.Stress and displacement of roof and hanging-side rock with different structure parameters were calculated and analyzed to judge the stability of the stope.Result showed that，the stress and displacement of roof and hanging-side rock was large when the height of the stope was 12 meter，and the stability of the stope was poor；the change rate of the stress and displacement of roof and hanging-side rock was a growing trend，and the stability of the stope was worse with width increase.So the safe and reasonable width and height of the second-step stope was 10meter.The results of the analysis applied to practical engineering showed that the parameters are safe and reasonable，and safe and efficient mining of the mine was guaranteed.

Second-step stope，Stope structural parameters，FEM simulation，Engineering application

2015-05-04

河北省自然科学基金项目(编号：E2014209093),华北理工大学青年基金项目(编号：Z201407)。

刘志义(1987—),男,助教,硕士。

TD853

A

1001-1250(2015)-10-006-05