石材矿山地下采场结构参数正交数值模拟试验研究

赵周能，何佳峰，邓 杰

(西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010))

石材矿山地下采场结构参数正交数值模拟试验研究

赵周能，何佳峰，邓 杰

(西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010))

采用露天开采的石材矿山存在一系列问题，如破坏植被、污染环境、高陡边坡潜在地质灾害危险、剥离量大、经济合理剥离比接近境界剥采比而迫使矿山关闭等。为有效开发石材矿产资源，开展石材矿山地下开采技术研究，尤其是地下采场结构参数的研究是十分必要的。以某地下大理石矿山为工程背景，采用多指标综合评价、数值模拟与正交试验相结合的方法，对地下采场稳定性影响因素进行了综合指标评价与敏感度分析，并在此基础上优化了采场结构参数；结果表明：①采场跨度对采场稳定性的影响最大，顶板厚度和采场高度的影响次之，矿柱宽度的影响最小；②地下采场结构参数为跨度8 m，顶板厚度6 m，高度16 m，矿柱宽度6 m。研究成果可为类似石材矿山地下采场结构参数设计提供参考。

石材矿山；采场结构参数；正交试验；数值模拟；敏感性分析

我国石材资源通常采用露天开采，面临的主要问题有：①经过长期大规模的露天开采，许多矿体延深较大的石材矿山需要剥离很厚覆盖层，致使境界剥采比接近经济合理剥采比，面临关闭，这势必造成石材资源，尤其是名贵石材资源的严重浪费；②因长期露天开采而形成的高陡边坡潜在地质灾害，有的甚至发展成一个“不定时炸弹”，严重威胁矿山安全生产；③矿区环境破坏极其严重，造成植被茂盛的地表形成“千疮百孔”的景象，而后期环境治理极其困难；④地形陡峭、剥离量大、露天开采作业危险的石材资源未获得有效开发，致使地区资源优势难以转化为经济优势，严重制约着当地经济的发展。为解决上述问题，对于上部存在较厚覆盖层的优良石材品种以及具有良好地下开采条件的石材矿床，采用地下开采方式，将变得更加实际和实用。目前，国内外金属非金属矿山以及煤系矿山的地下开采技术已成熟，但是，由于石材矿山地下开采技术与金属非金属或煤系矿山存在很大差异，适用于后者的地下开采技术，尤其是落矿方式和采场结构参数不能完全移植到前者。另外，地下采场结构参数直接影响采场的稳定性和矿石回收率，是矿山安全高效生产的基本保障。因此，开展石材矿山地下采场结构参数的研究已是势在必行，具有重要的现实意义。近年来，许多专家学者对采场结构参数的优化进行了研究。如叶海旺等[1]通过数值模拟得出不同埋深下的采场最优结构参数；胡建军[2]通过对不同矿块结构参数情况下露天边坡应力与变形指标的对比分析，对矿块结构参数进行了优化；赵国彦等[3]根据理论分析结果设计矿柱尺寸，并结合有限元分析优化了采场结构参数。这些研究成果对于确定地下采场结构参数，维护采场稳定性具有一定的指导意义。但是这些研究主要针对金属非金属矿山，而以石材矿山地下采场为研究对象的未见报道，且已有研究一般仅侧重于采场结构中的某一个或某几个参数，没有综合考虑各结构参数对采场稳定性的影响。鉴于此，以我国某大理石矿山为工程背景，采用多指标综合评价、数值模拟与正交试验相结合的方法，研究采场结构参数影响采场稳定性的敏感性，在此基础上，优化采场结构参数，为大理石地下开采设计提供参考依据。

1 正交数值模拟试验综合评价指标数学模型

所谓多指标综合评价是指将多个描述被评价事物的不同方面且量纲不同的指标转化为无量纲的相对评价值，据此对被评价事物进行一个综合的整体评价。指标无量纲化和综合权数是多指标综合评价中需要解决的两个关键问题[4-5]。

1.1指标无量纲化处理

众所周知，不同评价指标通常具有不同的量纲和量纲单位，为了消除其对综合评价的影响，必须对各评价指标进行无量纲化处理，否则将会影响综合评价的准确性。在多指标综合评价中，通常将评价指标划分为“效益型”和“成本型”两类指标[4-5]，并采用不同的无量纲处理方法。设xij为第i次试验第j个指标(i=1，2…，a；j=1，2，…b)，ximin 和ximax分别为第i次试验的最小值和最大值。则效益型指标可按式(1)表示；成本型指标可按式(2)表示。

(1)

(2)

设有a次正交试验，b个评价指标来描述被评价事物的属性，则无量纲矩阵如式(3)所示。

(3)

1.2综合权数的确定

(4)

若用b个评价指标来描述被评价事物的属性，则权数矩阵见式(5)。

WT=[ω1ω2…ωb]

(5)

1.3综合评价指标

将评价指标无量纲化处理结果乘以综合权数便可得到综合评价值如式(6)所示。

Z=D×WT=[z1z2…zb]T

(6)

1.4正交试验直观分析法

(7)

式中：ki为某因素第i水平上所有试验值的综合评价指标之和；n为该因素第i水平所做的试验次数。

2)根据极差确定各因素敏感度。因素列中各水平的试验结果最大值与最小值之差定义为该因素的极差。极差的大小反应了各因素改变时对试验结果的影响大小，极差越大则说明该因素改变时对试验结果影响越大，即试验对该因素越为敏感。

3)确定最优方案。每个因素均取因素列中各水平试验结果的最大值，经优化组合分析即可得到最优方案。

2 正交数值模拟试验

2.1工程概况

以我国某地下大理石矿为工程背景，矿体赋存于锅巴岩组第二段大理岩层中，该矿地表植被茂盛，地面坡度较陡、坡面较长，矿区地貌呈深切河谷地形特征。矿体出露地表，倾向延深大于700 m，厚度介于18～36 m之间，平均厚度为27 m，倾向300°，倾角62°；上下盘围岩为开采价值低的大理岩。根据矿床赋存特征及开采技术条件，选用房柱法开采，采用链臂锯和金刚石串珠锯进行机械锯切。矿体及围岩的物理力学参数基本一致，通过室内岩石力学实验并进行工程折减，矿岩物理力学参数如表1所示。

表1 矿岩物理力学参数

2.2数值模拟模型

根据岩石力学理论，数值计算模型的三维尺寸宜为开挖区域的3～5倍[6-7]，据此建立FLAC3D数值模拟模型的长、宽、高分别为 172 m、90 m、172 m，如图1所示，共划分为3 360 600个单元。

采用位移边界条件和应力边界条件[8]，其中底部为垂直位移约束，四周水平为位移约束，顶部施加均布荷载。采用Mohr-Coulomb屈服准则，力学模型见式(8)和式(9)。

(8)

ft=σ1-σt

(9)

式中：σ1、σ3、σt分别为最大主应力、最小主应力和抗拉强度；c、φ分别为黏聚力与和内摩擦角；fs与ft为破坏判断系数，当fs>0时，岩体处于剪切塑性流动状态；而当ft>0时，岩体处于拉伸塑性流动状态，而当fs与ft均小于零时岩体处于弹性变形阶段。

2.3正交试验

正交试验法是处理多因素优化问题中常用的科学试验方法，该试验方法应用正交表科学合理地挑选出具有代表性的部分试验来代替多因素全面试验的试验方法，通过对具有代表性的试验结果进行分析，了解多因素全面试验的情况，从而大大降低试验及分析次数，即用尽量少的试验次数获得最优的试验水平[9-10]。例如试验有m个因素n个水平，则多因素全面试验的试验次数为nm，而正交试验仅需n2次。

根据房柱法开采特点，采场跨度、顶板厚度、采场高度及矿柱宽度是影响采场稳定性的关键因素。鉴于此，选取上述4个因素进行正交试验，每个因素分别取4个水平，各因素与水平取值情况见表2。选用每个因素4个水平的正交试验方案L16(44)，每个方案的采场结构参数如表3所示，其他边界条件和初始条件完全一致。

图1 数值模拟模型

表2 采场主要影响因素与水平取值

表3 正交数值模拟试验方案

3 试验结果与分析

选取顶板位移、底板位移、最大压应力、最大拉应力、塑性区体积及矿石回收率作为正交数值模拟试验的评价指标。为确定最佳采场结构参数以及采场稳定性对各因素的敏感程度，采用直观分析法对正交数值模拟试验的各个因素进行均值分析和极差分析，正交数值模拟试验结果见表4，其中评价指标的无量纲值与综合指标据式(1)～(7)计算获得。

图2是对正交数值模拟试验结果进行单指标直观分析的结果。由图2可得出4个因素对6个评价指标的敏感度顺序与最优组合，见表5，可以看出，评价指标不同，各因素的敏感度与最优组合各异，这说明以单指标来考察，很难判断各因素对评价指标的影响主次，也难以获得各因素的最优组合或最佳方案。可见，根据单指标来考察很难对采场稳定性进行合理的整体评价。鉴于此，应用综合指标来评价采场稳定性，确定最敏感因素和最佳方案。

图3是对正交数值模拟试验结果进行综合指标直观分析的结果，图4为因素与指标趋势图。由图3、图4可以看出：①采场跨度A的极差最大，顶板厚度B与采场高度C次之，而矿柱宽度D最小，这表明采场稳定性对采场跨度最敏感，顶板厚度与采场高度次之，而矿柱宽度最小；②通过对各方案进行优劣分析，选取各因素的最大水平值为最优水平，则得出最优水平组合为A1B1C2D2。据此认为，背景矿山地下采场最佳结构参数为跨度8 m，顶板厚度6 m，采场高度16 m，矿柱宽度6 m。

表4 正交数值模拟试验结果

图2 单指标直观分析

表5 各因素的敏感度排序与最优组合

图3 综合指标直观分析

图4 各因素对采场稳定性的影响

4 结 论

1)与单指标相比较，综合指标能更好地评价正交数值模拟试验结果，可以对采场稳定性进行合理的整体评价，能够较好的解决单指标正交数值模拟试验下采场结构参数优选结果不一致的问题。

2)采场跨度对采场稳定性影响最大，采场高度和顶板厚度次之，矿柱宽度最小；背景矿山的地下采场最佳结构参数为跨度8 m，顶板厚度6 m，采场高度16 m，矿柱宽度6 m。

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Testoforthogonalnumericalsimulationonstructureparametersofundergroundstopeinrockmaterialquarry

ZHAO Zhouneng，HE Jiafeng，DENG Jie

(School of Environmental Engineering and Resources，Southwest University of Science and Technology，Mianyang621010，China)

Currently，open-pit mining of faced stone material deposits is facing a series of problems，from vegetation destruction and environmental pollution to high and steep slope with the risk of potential geological hazard，lots of stripping and mine closure because of economic stripping ratio close to pit-limit stripping ratio.In order to effectively develop the stone mineral resources，it is necessary to carry out the research on the underground mining technology of stone resource，especially the structural parameters of underground stope.With an underground marble mine as the engineering background，the influencing factors of stability of the underground stope and their sensitivity were analyzed by means of the multi-index comprehensive evaluation，the numerical simulation and the orthogonal experiment.And on this basis，the stope structure parameters were optimized.The results showed that the span affected the stability of stope very much，the height and roof thickness less，and the pillar width the least.The optimized structure parameters，with span8m，roof thickness6m，height16m and pillar width6m，of underground stope were obtained for an underground marble mine above.The research results can provide a useful reference for the design of structural parameters of underground stope in similar stone mines.

stone mine；stope structure parameter；orthogonal test；numerical simulation；sensitivity analysis

2017-04-12责任编辑：宋菲

国家自然科学基金国际合作重大项目资助(编号：41320104005)；四川省安全生产监督管理局项目资助(编号：SCAQJGJC_STP_20150012)

赵周能(1976-)，男，讲师，博士，2014年毕业于东北大学工程力学专业，主要从事采矿及深部岩石力学方面的研究工作，E-mail：zhzhneng@163.com。

TD801

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：1004-4051(2017)09-0121-05