充填法两步回采采场结构参数优化.pdf

第3 2 卷第4 期 2 0 1 2 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GANDM E T A I 工U R G I C A LE N G I N E E R I N G V d3 2 №4 A u g u s l2 0 t 2 充填法两步回采采场结构参数优化① 秦健春1 ，王新民1 ，骆小芳2 ，吴鹏1 ，陈五九3 ，陈宪龙3 1 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；2 湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 2 ；3 马钢集团姑山矿业有限公司，安徽 当涂2 4 3 i 0 0 摘要后观音山铁矿露天转地下交接工作已基本完成，为了选取合理的采场结构参数，根据矿岩与充填体力学参数，运用A N S Y S 有限元分析软件，对充填法两步回采的采场结构参数进行了优化。利用A N S Y S 模拟不同采场的结构参数、采场顶板厚度及多采场 回采模式下的采场应力状态和变形情况，综合分析模拟结果，最终确定最优方案。模拟结果表明采场结构参数为2 0m 矿柱、3 0n l 矿房的模型为最佳方案。该结果在矿山应用中取得了很好的效果，确保了地下矿产资源回采的安全性和高效性。 关键词两步回采；充填；结构参数；数值模拟；A N S Y S 中圈分类号T D 9 5 2文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 4 0 0 0 1 0 4 S t o p eS t r u c t u r eP a r a m e t e r sO p t i m i z a t i o nf o rB a c k f i l l b yT w o s t e pS t o p i n g Q I NJ i a n ．e h u n ’，W A N GX i n r a i n l ，L U OX i a o f a n 9 2 ，w uP e n 9 1 ，C H E NW u - j i u 3 ，C H E NX i a n l o n 9 3 I ．S c h o o lo f R e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e m i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a ；2 ．C o l l e g eo f E l e c t r i c a la n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ，H u n a nu n 眦碍嘶，C h a n g s h a4 1 0 0 8 2 ，H u n a n ，C h i n a ；3 ．G uM o u n t a i nM i n i n g C oL t d ，M a s t e dG r o u p ，D a n g t u2 4 3 1 0 0 ，A n h u i ，C h i n a A b s t r a c t T h et r a n s i t i o nf r o mo p e n p i tt ou n d e r g r o u n dm i n i n gh a sb e e nc o m p l e t e di nH o u g u a n y i nM o u n t a i nI r o nM i n e ． T h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e dw i t hA N S Y S f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ef o rt h es t o p eu s i n gb a c k f i l lm e t h o d w i t ht w o s t e ps t o p i n g ．b a s e dO i lm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c kl n a s sa n df i l l i n gb o d y ．S t r u c t u r ep a r a m e t e r sf o rv a r i o u s s t o p e s ，s t o p er o o ft h i c k n e s s ，a sw e l la st h es t o p es t r e s ss t a t ea n ds t o p es h a p ed e f o r m a t i o nu n d e rm u l t i s t o p eo p e r a t i o nw e r e a l ls i m u l a t e dw i t hA N S Y S ．T h eo p t i m a lp a r a m e t e r sh a v eb e e ne s t a b l i s h e db a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sr e s , d t s ． R e s u l t ss h o w e dt h a tt h e0 p t i m a ls t o p es h o u l db ew i t hp i l l a r sa n dr o o m s ，r e s p e c t i v e l y ，2 0m e t e r sa n d3 0m e t e r sl o n g ．T h i s d e s i g nh a sg o tg o o dr e s u l ti nt h em i n e 印p l i e a t i o n ，e n s u r i n gt h es a f e t ya n de f f i c i e n c yi nu n d e r g r o u n dm i n e r a le x p l o i t a t i o n ． K e yw o r d s t w o - s t e ps t o p i n g ；b a c k f i l l ；s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；A N S Y S 矿山应用上向水平分层充填法两步骤回采时，采 场结构参数的合理性直接影响着矿山采矿成本、采矿 效率、生产能力及作业的安全性。长期的生产实践及 理论研究表明，地下岩体被开挖以后，工作面顶板随着 二次应力状态的形成及变化，会发生弯曲、下沉、离层、 断裂及垮落等变形和破坏现象⋯。采用合理的开拓 布置与优化的采场结构至关重要，它是防治地压危害 最为根本有效的措施之一，具有时空上的长期性与区 域性”1 。因此，采场单元尺寸大小及比例关系不仅是 保证回采安全的必要条件，同时也对分步骤回采的安 全性及经济效益有着重要的影响”J 。 随着矿山岩石力学理论以及数值模拟技术的快速 发展，数值模拟已成为分析地下开采时采场稳定性行 之有效的方法，传统的模型试验”1 及现场工业试验”o 难以有效地实现多种回采方案的对比分析。目前，国 内外已研发出多款较为成熟的有限元计算软件用于岩 土工程分析，如N C A P ，P h a s e “⋯，S A P ，U D E C ，F L A C ， N O L M 8 3 ，A N S Y S ”1 ，M I D A S 等，其中A N S Y S 是应用最 为广泛的一种，它具有强大的三维建模能力和非线性 计算分析功能，为分析地下开采时采场稳定性提供了 一个有效的平台，得到了国内外的广泛认可与应用。 马钢集团姑山矿业有限公司后观音山铁矿采用两 步回采，即先采矿柱，采完后进行充填形成人工矿柱， 最后再回采矿房。为了提高井下铲运机、凿岩台车等 ①收稿日期2 0 1 2 4 2 - 2 0 基金项目科技部“十一五”科技支撑计划课题 2 0 0 8 B A B 3 2 8 0 3 作者简介秦健春 1 9 8 8 一 ，男，广西桂林人，硕士研究生，主要研究方向为采矿与充填技术。 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 无轨设备的生产效率、有效控制地压和保证井下人员 作业的安全，本文运用A N S Y S 有限元分析软件，以后 观音山铁矿3 号矿体为代表性矿段，模拟不同采场结 构参数下回采时采场的应力分布状态及变形情况，进 而确定适合3 号矿体开采技术条件的采场结构参数． 以充分发挥上向水平分层充填法的安全、经济和高效 的优势，为矿区以后的开拓和采准设计等提供充分的 理论依据。 ‘ 1 3 号矿体开采技术条件 后观音山矿区处于低山丘陵与长江冲积平原接触 部位。矿区内地形属于浸蚀残丘，由4 座海拔标高在 5 3 1 0 2m 的小山和山间凹地组成，矿区外围，南部、 西部为冲积平原，地面标高8 9m 。北边、东边为低 山和山间凹地，标高在1 2 1 0 9m 之问。3 号矿体是 位于矿区以1 9 。勘探线为边界偏东北方向的独立矿 体，属于缓倾斜中厚及厚矿体，产状为N N E ／2 0 。一 4 0 。，厚度为2 3 3m ，平均1 3m ，走向长约3 5 0m ，矿体 埋深一1 5 0m ，延伸深度一3 0 0m ，现今开采最深深度为 一2 0 0r t l 。矿体顶板主要岩性为灰岩、砂岩、页岩，局部 有闪长玢岩。闪长玢岩呈半坚硬及松软，其它岩性一 般为坚硬、完整。矿体底板主要岩性为闪长岩，靠近矿 体处的闪长岩以半坚硬为主，少量软弱，往下即为新 鲜、完整的闪长岩。 2A N S Y S 模型的建立 2 ．1 模型建立条件优化 1 以矿体产状、矿岩特性、回采过程和采空区状况 作为模拟计算分析的基本条件，并进行必要的简化，简 化后的矿体模型取平均厚度为1 3m ，平均倾角为3 0 。。 2 计算选定的载荷不随单元方向的改变而变化， 始终保持着它们最初的方向，表面载荷作用于变形单 元表面，数值等于上覆围岩的质量。 3 为了便于分析直接顶板对矿体回采的影响程 度，根据相关理论和经验佐证，取顶板隔离层厚度为 2 0m 。 4 模拟的采空区高度即为回采过程中的最大控 顶高度，为6n l 。 5 模拟不同矿房矿柱尺寸的组合方式，同时对每 种组合方式，计算其间隔回采最危险的状况，即3 个矿 房同时回采 第二步回采 。 6 由于有限元程序的局限性，假设采场内无地质 构造活动的影响，原岩地应力为大地静力场型，各岩层 之间整合接触为连续介质，模型中不考虑地下水活动 的影响，也不考虑岩层和矿体中的结构面、裂隙和软弱 层的存在与影响。 2 ．2 矿岩及充填体的力学参数 模拟计算分析的准确性很大程度上取决于矿岩的 基本力学参数是否准确。本次模拟采用的矿岩力学参 数和充填体力学参数采用室内试验值，试验的内容包 括测定矿岩的弹性模量、单轴抗压强度和抗拉强度、泊 松比、密度”。J ，在模型计算中，为确保计算结果的安 全可靠，在室内试验基础上用R M R 分级法””⋯进行 矿岩的分级，结合H o e k - B r o w n 公式”2 1 估算后观音山 铁矿的矿岩和充填体的力学参数，如表l 。 表1 矿岩与充填体力学参数 2 ．3 数值模型的建立 依照后观音山铁矿采空区极限暴露面积的要求， 当矿块宽度为2 0 ／1 ／时，矿块长度不得超过3 J ．6m ，根 据这一上限值进行采场的划分，矿体模型中矿房、矿柱 按不同尺寸进行组合，共建4 个模型进行数值分析以 供择优选择，如表2 。 表2 采场数值模型几何尺寸 根据后观音山铁矿提供的姑山采场综合平面图、 地质勘探剖面图，在C A D 中经过提取实用的台阶及边 坡线图，再把这些线转化为三维多段线，所有的线形再 经过一定的处理后．得到S u r p a c 中所能够接受的线 形，利用S u r p a e 软件建立露天边坡三维模型，见图1 。 围1 露天边坡三维模型 按舅镬后观音山铁矿3 号矿体的矿岩力学性质及弹 万方数据 第4 期秦健春等充填法两步回采采场结构参数优化 塑性力学理论，为了满足计算需要和保证计算精度，计 算采用的模型必须取所开挖范围尺寸的3 ～5 倍⋯1 。 当计算模型的尺寸足够大时。可视计算模型边界处的 位移为零。因此，计算模型底面为全约束状态，其余4 个侧面仅在竖直方向上有变形。依照上述条件，建立 整体模型尺寸为x 宽 y 高 X Z 长 3 7 0mx 2 0 0mX 5 0 0m 的数值模型图。由于3 号矿体为独立 矿体，距露天采坑边坡甚远，因此模型顶板可以简化为 水平而，如同2 ‘ r 厂弋 I ■L _ 图2 数值模型整体图 为了更具体和直观的了解矿体模型的采场内部特 征，对采场进行剖面分析，如图3 。 23J 圈3 数值模型剖面图 1 腔结充填体；2 { m 空区3 非腔结充填体；4 矿体 2 ．4 网格的划分 网格的划分质量直接影响模拟结果分析的准确性。 网格太密或是太疏都会使计算结果产生过大的误差。 网格太疏会致使离散误差增大，网格太密会导致离散点 数增多，舍人误差增大。因此，矿体模型采用扫掠式划 分网格，开采范围以内的单元以2m 间隔进行划分，开 采范围以外的单元以5m 间隔进行划分，如图4 。 图4 采场网格划分图 3 结果分析 根据表2 确定的采场结构尺寸，运用A N S Y S 软件 计算采空区顶板以及周围矿柱 或胶结充填体 上应 力分布状态和变形情况，结果见图5 ～9 ，有限元模拟 分析结果汇总于表3 。 图5 模型1 顶板压应力分布数值模拟结果 图6 模型2 顶板应力分布数值横拟结果 图7 模型3 顶板矿柱应力分布云囤 万方数据 4 矿冶工程第3 2 卷 图8 模型3 最终妞表沉降效果图 图9 模型4 顶板拉应力分布数值模拟结果 表3 数值分析应力变形数据表 模拟结果表明 1 在顶板拉应力方面，各模型中采场顶板上都出 现了拉应力，其中模型l 和模型4 上的抗拉强度均大 于顶板极限抗拉强度1 ．3 1M P a ，因此，为了保证顶板 安全不宜选择拉应力过大的模型，即模型1 和模型4 的顶板可能出现拉伸破坏。 2 在顶板压应力方面，模型l 上的顶板压应力高 于矿体的抗压强度2 3M P a ，在压应力的作用下，可能 出现冒顶现象。 3 在胶结矿柱压应力方面，模型1 和模型3 中的 上的压应力值均大于充填矿柱的极限抗压强度，说明 在回采过程中，边角部位容易出现压垮现象，方案不够 安全。 4 在地表沉降量方面，计算区域内的地表沉降量 都不大，各模型中地表垂直方向的位移差别不大，但是 模型1 、3 的地表位移明显偏大，有可能导致顶板形变 太大，最终发生冒顶的危险，为了保障采场安全，因此 不予考虑。 4 结论 综合顶板拉应力、顶板压应力、人工胶结矿柱压应 力、地表沉降量4 个因素的考虑，对有限元模拟结果进 行对比分析，模拟结果表明，模型l 、模型3 和模型4 组合方案不合理，不宜采用，最终确定模型2 为最优方 案，即2 0m 矿柱，3 0m 矿房的采场结构参数方案。 参考文献 【1 】杨官涛，李夕兵，程刚．地下采场结构参数数值模拟研究[ J ] 矿冶工程．2 0 0 6 ，2 6 5 1 3 1 5 ．． [ 2 ] 李学锋，谢长江．深部高应力区采场结构参数优化研究[ J ] 矿 冶工程．2 0 0 4 ．2 4 6 1 I 一1 3 ． [ 3 】陶干强，孙冰，宋丽霞，等．充填法采场结构参数优化设计[ J ] 采矿与安全工程学报，2 0 0 9 ，2 6 4 4 ／a 0 4 6 4 ． [ 4 ] 张洼恒．M S G 铁矿采场结构参数优化[ J ] ．中国矿山工程，2 0 1 0 ， 3 9 4 1 6 1 8 [ 5 ] 张桃元锡铁山铅锌矿采场结构参数优化【J ] ．中国矿山工程， 2 0 0 9 ，3 8 3 9 1 3 ． [ 6 ] 刘晓明，罗周全，张保，等．上向分层回采采场稳定性数值模拟 研究[ J 】．矿冶工程，2 0 0 9 ，2 9 4 1 0 1 3 [ 7 ]王新民，曹刚康家湾矿深部难采矿体采场稳定性及结构参数 优化研究[ J 】．河南理工大学学报，2 0 0 7 ，2 6 6 6 3 4 6 4 0 [ 8 ] 陈何，程国扛垂直分条充填采矿法采场结构参数的数值分析 [ J ] ．矿冶．2 0 0 1 3 1 5 ． 【9 ] 乔兰．新城金矿深部采场结构参数和回采顺序优化研究[ J ] 金属矿山．2 0 0 1 6 I I 一1 5 [ 1 0 】王新民，曹刚，张传怒．等．新桥硫铁矿机械化采场结构参数 优化研究[ J ] 工业安全与环保．2 0 0 8 ，3 4 4 5 7 5 9 ． [ 1 1 ] 周正义，曹平，林杭．3 D E C 应用中节理岩体力学参数的选 取[ J ] 西部探矿工程，2 0 0 6 ，1 8 7 1 6 4 1 6 5 ． [ 1 2 ] 和满朝，薛延河．彭延飞工程岩体力学参数确定方法的研究 [ J ] 岩石力学与工程学报，2 0 0 1 ，2 0 2 2 2 5 2 2 9 ． [ 1 3 ]沈珠江理论土力学[ M ] 北京中国水利水电出版社，2 0 0 0 ． 万方数据