三山岛金矿西山深部北区矿体采场结构参数优化

摘要：为优化三山岛金矿西山深部北区上向进路充填采矿法的采场结构参数，基于矿体的开采技术条件，初步选择了10种采场结构参数，利用ABAQUS软件对10种采场结构参数进行数值模拟分析，再结合模糊数学方法对10种模拟结果进行优化。经过综合对比分析，推荐方案2作为三山岛金矿西山深部北区SL06154盘区采场的结构参数，即一步进路采场宽度8 m，二步进路采场宽度6 m，进路采高4.5 m，采用隔一采一的方式。

关键词：深部矿体；上向进路；充填采矿法；数值模拟分析；采场结构参数；模糊数学

中图分类号：TD853.34 文章编号：1001-1277（2024）09-0017-06

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20240904

引 言

矿山在开采过程中，采场开采不仅是一个动态开挖过程，也是一个复杂的系统工程，受到多个因素综合影响［1-3］。而采场的稳定性对于回采作业安全至关重要，采场稳定性影响因素十分复杂，这是因为每个矿山的地质条件和开采技术条件有差异，采场稳定性一方面跟采场矿岩的物理力学性质相关，另一方面还与采场结构参数有关［4-5］。因此，开展采场结构参数优化研究直接关系到采场的稳定性，也影响整个矿山的安全及经济效益，对于矿山开采意义重大［6-7］。

学者常采用数值模拟、数学方法等手段开展采场结构参数优化研究，取得了不错的效果。例如：高博等［8］针对山东某金矿采用上向水平分层充填采矿法面临的上盘矿体破碎问题，采用Flac3D软件对采场结构参数进行了数值模拟分析；王文胜等［9］基于夏甸金矿开采技术条件，采用数值分析软件对上向进路充填采矿法的采场结构参数进行了模拟，获得了最优的采场结构参数；李加州等［10］针对某矿山的矿岩情况，采用AHP-TOPSIS模型对采场结构参数进行了优选，获得了最佳的采矿方法；王邦雁［11］采用数值模拟方法对缓倾斜厚大矿体采场结构参数进行了研究；孙星等［12］采用UDEC软件对深部急倾斜厚大矿体采用阶段空场嗣后充填采矿法的采场结构参数进行了优化研究，结果表明，采场长度50 m和跨度20 m是最优的；安傲清［13］采用ANSYS软件对山东玲珑金矿采用的上向进路充填采矿法采场结构参数进行研究，确定了进路宽度4 m为最优的采场结构参数。

本文以山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿（下称“三山岛金矿”）西山深部北区矿体为研究对象，根据西山深部北区矿体的开采技术条件，采用上向进路充填采矿法开采。为研究西山深部北区矿体的采场结构参数，采用ABAQUS软件对10种采场结构参数方案进行数值模拟分析，利用模糊数学方法对数值模拟结果进行优化分析，最终得到最佳的采场结构参数。

1 工程背景

三山岛金矿西山深部北区矿体主要赋存于地下1 000～2 000 m，从目前西山深部北区矿井下采场及巷道揭露岩体的情况可知，矿体上盘围岩稳固性差，多为碎裂岩，易冒落。矿体下盘围岩为绢英岩化花岗质碎裂岩，其内亦发育相互交错的裂隙节理，造成局部围岩破碎，尤其是煌斑岩处及两侧，特别破碎。西山深部北区矿岩岩性均为黄铁绢英岩化碎裂岩、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩、绢英岩化花岗岩，下盘推测可能出现破碎断裂带，掘进施工至此易产生掉块和塌方；同时深部矿体存在高地压、岩爆等工程地质问题，工程地质条件复杂程度为复杂。西山深部北区矿体不同等级矿（岩）体物理力学参数见表1。

通过分析西山深部北区矿体产状特征得出：该区域矿体整体展布于F1断层以下，偶有F1断层穿入矿体情况，属于缓倾斜—倾斜极厚大矿体，中间夹有15～20 m（水平厚度）废石，以此为界自然地分成了上盘矿体、下盘矿体。-1 050 m中段下盘主体矿体

厚度为16.35～60.29 m，平均厚度约为28 m。上盘矿体相对较薄，主体矿体厚度为16.35～60.29 m，平均厚度约为28 m。上盘矿体较为破碎，下盘矿体完整度较高。目前，拟采用上向进路充填采矿法开采西山深部北区矿体，开采方式采用隔一采一的形式，阶段高度设置为45 m，采场宽度为矿体厚度，约30 m，采场长度为50 m，采场中进路沿矿体走向布置。该方法为工作面循环作业，凿岩爆破、出矿、充填和护顶完成一个循环后，进行下一分层的循环；回采空间和范围可以控制，人员、设备在暴露的顶板下作业，需有效控制顶板。

2 基于ABAQUS软件数值模拟分析

2.1 采场结构参数模拟方案

为研究上向进路充填采矿法的采场结构参数，采用ABAQUS软件进行数值模拟分析［14-15］。拟采用进路采场的各项结构参数为：一步进路采场宽度为7 m、8 m、9 m，二步进路采场宽度为5 m、6 m、7 m，进路高度为3.5 m、4.5 m、5.5 m，开采方式采用隔一采一的形式，同时开采进路采场的数量为1个、2个、3个、4个。对以上参数进行组合，共有10种数值模型用来分析进路开采顶板及围岩的位移、应力与采场长度之间的关系。采场结构参数计算方案见表2。

2.2 模拟结果及分析

2.2.1 等效应力分布规律

为了方便理解，对方案2的进路采场开挖形成空区后建立数值模型分析。其中，上覆岩层压力为27 MPa，得到采场顶板、两帮及围岩等效应力分布，结果见图1。

由图1可知：整个盘区的等效应力为0.3～123 MPa，应力集中区域明显分布在一步进路采场顶板角落，而一步进路采场底板角落仅存在较少的应力集中区域。除应力集中区域外，整个盘区围岩的等效应力为0.3～82 MPa，二步进路采场主要存在着高应力分布情况，一步进路采场的顶板和底板围岩存在着地应力分布的情况，说明开挖导致了应力重新分布，一步进路采场顶底板围岩的应力得到一定程度的释放，而两帮围岩应力呈现一定程度增加。

同理，对采空区充填后建立数值模型并分析，得到进路采场顶板、两帮及围岩的等效应力分布，结果见图2。

由图2可知：盘区整体的等效应力为0.9～122 MPa。其中，一步进路采场顶板角落存在应力集中区域，但是，相比采空区的应力集中范围有所减少。充填后，一步进路采场底板角落存在少量的应力集中现象。除应力集中区域外，其他围岩的等效应力为0.9～82 MPa，高应力区域仍然分布在二步进路采场，但是分布范围有所减少，低应力区域分布在一步进路采场顶板和底板围岩中，范围有所增加（尤其底板围岩）。

2.2.2 塑性应变及沉降变形分析

围岩塑性应变及y方向上变形见图3～5。由图3～5可知，方案2的上覆岩层压力为27 MPa。

根据应变云图：一步进路采场顶板及两帮在x方向塑性应变为6.658×10-5～4.983×10-4，一步进

路采场顶板角落出现相对较大的塑性应变，应变值达到1.085×10-3。y方向塑性应变为1.576×10-4～8.367×10-4，一步进路采场顶板角落出现相对较大塑性应变，应变值达到5.809×10-3。根据y方向上沉降云图，一步进路采场顶板在y方向沉降量相对较大，在数值模拟过程中监测其变形值，得到顶板沉降曲线和两帮变形曲线见图6、图7。

对采空区充填后建立数值模型并分析，得到采场围岩的塑性应变及y方向上的变形（见图8～10）。

根据云图：采场充填后，一步进路采场顶板及两帮在x方向的塑性应变为1.015×10-5～5.327×10-4，一步进路采场顶板角落出现相对较大塑性应变，应变值达到9.602×10-4。在y方向的塑性应变为1.334×10-4～3.063×10-2，一步进路采场顶板角落出现相对较大塑性应变，应变值达到1.012×10-2。根据y方向上的沉降云图，顶板在y方向沉降量相对较大。为进一步精准研究采场顶板沉降量和两帮变形量，在数值模拟过程中监测其变形值，得到顶板沉降曲线和两帮变形曲线，见图11、图12。

由于采用ABAQUS软件得到10种方案的数值模拟结果不易进行优选，故决定采用模糊数学方法对10种方案的模拟结果进行优选。

3 基于模糊数学优选

基于数值模拟结果分析，结合模糊数学方法对10种方案进行了优选［16-17］，选取各方案的最大等效应力（S1）、顶板沉降量（S2）、左帮变形量（S3）、右帮变形量（S4）、与工程地质条件适应性（S5）、二步采的相对难易程度（S6）和相对生产能力（S7）等指标进行分析。其中，对定性指标（S5 和S6）进行定量赋值，各指标参数见表3。

根据模糊数学方法对以上10种采场结构参数模拟结果各项指标方案进行计算，可得方案隶属度向量

R=（0.769 1，0.834 5，0.811 1，0.787 5，0.687 4，0.723 1，0.754 3，0.768 9，0.790 5，0.801 2）。即各方案优先顺序为：方案2（一步进路宽8 m、二步进路宽6 m、采高4.5 m）>方案3>方案10>方案9>方案4>方案1>方案8>方案7>方案6>方案5。

因此，经过综合分析，推荐采用方案2作为三山岛金矿西山深部北区矿体的采场结构参数，即一步采场宽度8 m，二步采场宽度6 m，采高4.5 m，隔一采一的方式回采矿体。

4 结 论

1）根据三山岛金矿西山深部北区矿体的开采技术条件，为研究采用不同采场结构参数时，采场围岩应力应变演化规律，设计了10组进路采场的结构参数，采用ABAQUS数值分析软件对10种采场结构参数方案进行数值模拟分析，得到了采场顶板及围岩位移、应力与采场长度之间的关系。

2）基于模糊数学方法，综合考虑最大等效应力（S1）、顶板沉降量（S 2）、左帮变形量（S 3）、右帮变形量（S 4）、与工程地质条件适应性（S 5）、二步采的相对难易程度（S 6）和相对生产能力（S 7）等七大指标，对10个数值模型进行对比分析。研究结果表明：基于稳妥、可靠的原则，方案2最优，推荐三山岛金矿西山深部北区矿体的采场结构参数为：一步进路采场宽度8 m，二步进路采场宽度6 m，进路采高4.5 m，采用隔一采一的方式回采。

［参 考 文 献］

［1］ 周永涛.阿舍勒铜矿采场结构参数优化研究［J］.矿业研究与开发，2023，43（3）：22-25.

［2］ 胡建钊.某铜矿采场结构参数优化［J］.采矿技术，2023，23（1）：7-11.

［3］ 夏文浩，宋卫东.某金矿上向水平分层充填采矿参数优化研究［C］∥中国金属学会.第十三届中国钢铁年会论文集——矿业工程.北京：冶金工业出版社，2022.

［4］ 马宏伟，宋建功，杜久华，等.深部金矿上向水平分层充填法采场结构参数研究［J］.中国矿业，2023，32（增刊1）：366-375.

［5］ 余一松，李华华，刘家明.缓倾斜中厚铝土矿采场参数优化及试验研究［J］.采矿技术，2023，23（4）：10-16.

［6］ 赵兴东，周鑫，田斌，等.西藏帮中锌铜矿采场结构参数优化［J］.矿冶工程，2023，43（4）：12-15.

［7］ 李翠，张良兵，陈涛，等.基于Mathews和FLAC3D的采场结构参数优化研究［J］.钢铁钒钛，2023，44（5）：41-47.

［8］ 高博，李佳建.上向水平分层充填法采场结构参数优化的数值模拟研究［J］.矿业研究与开发，2023，43（8）：19-25.

［9］ 王文胜，张忠传，秦秀合，等.上向进路充填采矿法采场结构参数优化研究［J］.采矿技术，2023，23（5）：22-28.

［10］ 李加州，马俊杰.基于AHP-TOPSIS模型的某矿采场结构参数优选［J］.金属矿山，2023（8）：189-195.

［11］ 王邦雁.基于FLAC3D缓倾斜厚大矿体采场结构参数优化研究［J］.山西冶金，2023，46（9）：93-95.

［12］ 孙星，安龙.深部低品位资源阶段空场嗣后充填采矿法采场结构优化与稳定性控制［J］.黄金，2023，44（7）：75-82.

［13］ 安傲清.基于ANSYS的上向进路采场结构参数优化研究［J］.山西冶金，2023，46（6）：73-75，78.

［14］ 黄旭利，王筱添，景岳，等.基于数值模拟的采场结构参数与充填强度匹配性研究［J］.采矿技术，2023，23（3）：139-142.

［15］ 张金来，王建栋，韩斌，等.金川三矿区下向进路胶结充填采矿法采场结构参数优化［J］.矿业研究与开发，2022，42（11）：1-7.

［16］ 王梓安.基于层次分析和模糊数学综合判定的某金矿采矿方法优选［J］.黄金，2023，44（6）：24-29.

［17］ 王正阳.基于层次分析和模糊数学的采矿方法研究［J］.世界有色金属，2023（5）：40-42.

Optimization of stope structural parameters for the orebody in the north area deep

in Xishan area of Sanshandao Gold Mine

Wang Yunsheng

（Sanshandao Gold Mine，Shandong Gold Mining Industry （Laizhou）Co.，Ltd.）

Abstract：Based on the mining technical conditions of the orebody in the north area deep in Xishan area of Sanshandao Gold Mine，this study aims to optimize the stope structural parameters for the upward approach cut-and-fill mining method.10 preliminary stope structural parameters were selected and analyzed using ABAQUS software for numerical simulation.These simulation results were further optimized using fuzzy mathematics.Through comprehensive comparison and analysis，Scheme 2 is recommended for the structural parameters of the stope in the SL06154 panel of the north area deep in Xishan area of Sanshandao Gold Mine.The scheme involves a first-step stope width of 8 m，a second-step stope width of 6 m，and a stope height of 4.5 m，with an alternate mining approach for the orebody in the north area deep in Xishan area of Sanshandao Gold Mine.

Keywords：deep orebody;upward approach;cut-and-fill mining;numerical simulation analysis;stope structural para-meters;fuzzy mathematics