基于PFC2D软件的太平矿业公司自然崩落采矿法拉底方式优选

摘要：针对太平矿业公司自然崩落采矿法回采工艺中不同拉底方式优选问题，采用PFC2D软件进行对比模拟分析。模拟不同拉底方式下，不同拉底推进距离对应的应力变化规律，最终确定太平矿业公司最优拉底方式为前拉底，拉底推进距离25～30 m，该距离范围内底部结构及出矿工程所受压力相对较小，底部结构整体稳定性较好，有利于支护成本的降低，可为矿山下一步安全高效回采提供理论指导。

关键词：自然崩落采矿法;PFC2D软件;数值模拟;拉底方式;推进距离

中图分类号：TD853.36文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2022）03-0040-04doi：10.11792/hj20220309

引 言

内蒙古太平矿业有限公司（下称“太平矿业公司”）位于内蒙古自治区乌拉特中旗新忽热苏木地区。太平矿业公司经过多年大规模的露天开采，保有储量日渐减少，矿区整体地质品位較低，矿岩破碎，开采难度较大，急需从露天转入地下进行开采，拟采用自然崩落采矿法对深部资源进行开采，而自然崩落采矿法底部结构是整个采矿方法的重要组成部分，底部结构的破坏将对矿山的生产及人员的安全造成不可估量的影响。因此，研究回采过程中不同拉底方式及拉底过程中底部结构应力变化规律对整个工艺应用的成败起着至关重要的作用。

近年来，随着计算机技术的应用越来越普及，数值模拟法已成为国内外学者研究自然崩落采矿法拉底过程中底部结构应力变化的有效手段。本文以太平矿业公司为例，采用PFC2D软件建立模型，依据岩石试验数据，并基于实际拉底进度模拟开挖，研究矿山自然崩落采矿法不同拉底方式下、不同拉底推进距离对应的应力变化，确定最优拉底方式，为后续现场工艺设计及应用提供技术支撑[1-2]。

1 工程背景

太平矿业公司矿体地质构造较为复杂，构造线呈北东向展布，但延伸不明显。矿区分为东、西2个矿段，东矿段分布在11100勘探线—9200勘探线，矿化带长1 860 m，最宽304 m，最窄10 m，平均宽度183 m。矿化带形态：在9300勘探线—9700勘探线走向NEE65°，长460 m，平均宽170 m;在9700勘探线—11000勘探线走向NE50°，长1 400 m，平均宽190 m，北东向延伸。矿脉倾向北西，倾角70°～87°。根据矿体开采技术条件，拟采用自然崩落采矿法进行回采，拉底方式分为后拉底、预拉底和前拉底。

2 拉底方式数值模拟

PFC（Particle Flow Code，PFC）系列软件由ITASCA咨询集团（设有ITASCA中国公司）开发，是一种颗粒流分析程序，分为PFC2D、PFC3D 2种。其主要是用于模拟任意形状、大小的二维圆盘或三维球体集合体的运行及其相互作用的强大颗粒分析程序。除了应用于大体积流动和混合材料的力学研究以外，该系列软件更适合于描述在固体材料中微观/宏观裂纹扩展、破坏累积并断裂、破坏冲击和微震响应等高水平课题的深化研究。

2.1 物理力学参数

太平矿业公司首采区拉底方式数值模拟采用PFC2D软件[3]，在模拟颗粒微观参数与宏观参数没有直接对应关系的前提下，利用模拟试验与室内试验对比反算结果，采用PFC2D软件对各数值模拟试验赋相应的微观参数[4]，结果见表1。单轴压缩试验结果及参数见表2。

岩石抗拉强度按照式（1）进行计算。

σt=2pπDh（1）

式中：σt为岩石抗拉强度（MPa）;p为破坏荷载（kN）;D为试件直径（m）;h为试件高度（m）。

经计算，巴西劈裂试验抗拉强度σt=7.12 MPa。模拟试验得到的岩石物理力学参数与矿山提供的岩石实际物理力学参数对照结果见表3。

2.2 数值模型建立

本次数值模拟模型尺寸高250 m，宽250 m。共生成颗粒57 698个，颗粒半径0.4 m，孔隙率0.12。初始模型见图1。

2.3 数值模拟方案

模型建立后，通过在底层设置测量圆，同时记录出矿水平顶板受力情况。在模拟崩落过程中，通过逐步删除拉底区域的模型颗粒，模型上部岩体在自重作用下逐渐发生自然垮落，实时追踪记录测量圆的受力情况。分析内容主要针对自然崩落采矿法开采过程中，在采用不同的拉底推进距离时，前部巷道底部区域相应的应力变化规律。拉底方式主要分为后拉底、预拉底、前拉底3种，分别对这3种方式进行模拟分析[5-6]，以获得最优的拉底方式。

2022年第3期/第43卷 采矿工程采矿工程 黄 金

1）后拉底。后拉底方式是在出矿通道、出矿集中点、聚矿沟槽等工程整体形成后，再开始进行上方水平的拉底施工工作的拉底方式。

2）预拉底。预拉底方式是整体拉底工作需要在整个出矿水平施工作业开始前全部完成，或将出矿水平施工工作面滞后于拉底施工工作面一段距离。

3）前拉底。前拉底方式是将拉底的施工工作安排在部分已完成开拓施工的出矿水平上部进行，要求出矿水平的聚矿沟槽在形成拉底空间后的应力释放区域进行施工。

3 数值模拟结果及分析

3.1 后拉底

为研究在后拉底方式下应力变化情况，选取拉底推进距离为10 m、15 m、30 m、45 m 4种情况，采用PFC2D软件模拟拉底崩落过程。模拟过程中，分析应力变化相应规律发现：当拉底施工工作面形成及推进时，会在工作面前部区域发生应力集中，同时岩体支撑压力会随着工作面的前移而逐渐推进，而底部区域围岩也在支撑压力的作用下开始逐渐发生破坏。根据PFC2D软件模拟拉底推进距离变化所得出的数据，可绘制相应的应力变化曲线，拉底推进距离为15 m时的应力变化曲线见图2。根据模拟试验得出了不同拉底推进距离所对应的最大应力，结果见表4。

通过分析不同拉底推进距离时的应力变化规律可以发现：在拉底空间开挖形成后，发生应力重新分布，在拉底空间两侧区域产生高压应力及剪应力集中，从而使垂直应力大于水平应力。而当拉底推进线推进到距离底部结构一定距离时，后者的应力受拉底过程的影响开始增加，且增加的幅度随二者之间的距离缩短而显著增大。3.2 预拉底

采用PFC2D软件模拟预拉底方式下拉底崩落过程的应力变化情况，选取拉底推进距离为20 m、30 m、40 m、50 m 4种情况。预拉底方式拉底推进距离为30 m时的应力变化曲线见图3，不同拉底推进距离对应的最大应力结果见表5。

由图3可知：采用预拉底方式拉底巷道初步掘进时，应力变化较小，影响较小，随着拉底推进距离的增加，拉底巷道应力逐渐增大，对出矿巷道的影响更为显著，此时需考虑对出矿巷道进行支护。在事先形成的拉底层下，出矿巷道的应力大大降低，而预拉底方式正是利用这种去应力保护效应来保护回采水平，这样就可以改善回采水平的作业条件，并降低风险。

3.3 前拉底

采用PFC2D软件模拟前拉底方式下拉底崩落过程的应力变化情况，选取拉底推进距离为10 m、15 m、30 m、45 m 4种情况。前拉底方式拉底推进距离为15 m时的应力变化曲线见图4，不同拉底推进距离对应的最大应力结果见表6。

采用前拉底方式时，由于在出矿水平开挖矿石的比例相对较少，且崩落矿堆被压实后形成残余诱导应力的可能性也相应减少，因此能够加快投产进度。前拉底方式在拉底空间形成后的出矿水平还存在着部分需要继续施工的开拓工程，聚矿槽的施工需要从出矿水平向拉底水平的碎石里掘进，因此整体进展相对较慢;而另一方面，前拉底方式能够减少应力对出矿巷道的破坏及由此带来的巷道修复工作。

根据3种拉底方式在不同拉底推进距离下的应力变化曲线规律，综合考虑国内外成功应用案例，最终确定太平矿业公司自然崩落采矿法拉底方式为前拉底，拉底推进距离25～30 m，在此拉底方式及拉底推进距离下，底部结构及出矿工程所受压力相对较小，底部结构整体稳定性较好，有利于支护成本的降低，减少了因开拓滞后带来的问题，能够更快地投入生产[7]。

4 结 语

本文通过PFC2D软件数值模拟分析了不同拉底方式下，不同的拉底推进距离对应的应力变化及崩落过程中拉底推进线前方受力变化规律。综合考虑拉底方式分析模拟结果及国内外成功应用案例，最终确定太平矿业公司自然崩落采矿法拉底方式为前拉底，拉底推进距离25～30 m，此时，底部结构稳定性相对较好，作业安全性高，有利于尽快投产。本文的研究方法对采用自然崩落采矿法开采的矿山工艺设计及现场应用也具有一定的指导意义。

[参 考 文 献]

[1] 曹辉，杨小聪，王贺，等.自然崩落法可崩性研究现状及发展趋势[J].中国矿业，2015，24（10）：113-117.

[2] 李强，程文文.长山壕金矿自然崩落采矿法矿岩崩落块度预测研究[J].黄金，2019，40（11）：36-38.

[3] 周杭，侯克鹏，梁维，等.基于PFC2D的自然崩落法数值模拟[J].有色金属（矿山部分），2017，69（2）：67-72，77.

[4] 王连庆，高谦，王建国，等.自然崩落采矿法的颗粒流数值模拟[J].北京科技大学学报，2007，29（6）：557-561.

[5] 賈明涛，史存丁，余传玉.综合拉底、扩漏和出矿全过程的底部结构安全性颗粒流模拟技术研究[J].中国安全生产科学技术，2019，15（4）：25-31.

[6] 刘华武，冯兴隆，吴明，等.普朗铜矿底部结构应力变化模拟分析研究[J].矿业研究与开发，2016，36（5）：28-31.

[7] 兰启城.自然崩落采矿法创新技术设计及应用[J].黄金，2018，39（7）：49-53.

Optimized undercut means selection of block caving mining method

in Pacific Mining Company based on PFC2D software

Cheng Wenwen

（Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.）

Abstract：In view of the different undercut means in the block caving mining process of Pacific Mining Company，the PFC2D software is used for comparative simulation and analysis.By simulating the stress change law corresponding to different undercut advance distance，it is finally determined that the optimal undercut means is forward undercut for Pacific Mining Company，and the undercut advance distance is 25-30 m.Within the distance，the pressure on the bottom structure and ore-drawing engineering is relatively small，and the overall stability of the bottom structure is good，which is conducive to lowering support cost.The means can provide theoretical guidance for the next-step safe and efficient mining in mines.

Keywords：block caving mining method;PFC2D software;numerical simulation;undercut means;advance distance