急倾斜复杂矿体采场结构参数优化研究.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 1 3 年0 4 月 矿 冶工程 M 田哪N GA N DM 咂T A L L U R G I C A LE N G D 旺疆R 矾G V 0 1 ．3 3 №2 A p r i l2 0 1 3 急倾斜复杂矿体采场结构参数优化研究① 马元军1 ，胡毅夫1 ，吴伟伟2 1 ．中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 l 0 0 8 3 ；2 ．长沙金石矿业工程技术咨询有限公司，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要根据龙山金锑矿复杂矿体的赋存条件和浅孔落矿采矿方法，选取人工假壁、上盘回采分层高度、下盘回采分层高度和矿房 长度为主要因素建立正交试验方案，以采场应力集中系数和岩层位移量为评价指标建立目标函数，进行了采场结构参数优化研究。 研究发现急倾斜中厚矿体破碎围岩矿房开采过程中采场应力集中系数变化较小，岩层位移量变化较大；结构优化后，围岩最大位 移可降低4 6 ％。优化后的最佳参数为人工护壁厚度3m ，上盘矿体分层高度2m ，下盘矿体分层高度3m ，矿房长度5 0m 。 关键词采场结构参数；正交试验；岩层移动；结构优化 中图分类号T D 3 2 5文献标识码Ad o i l O ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 删．2 0 1 3 ．0 2 ．0 0 6 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 2 0 0 2 2 一0 5 O p t i I I l i z a t i o no fS t o p eS t m c t u r a lP a r a m e t e r s0 fS t e e pC o m p l e xD e p o s i t M AY u a I l - j u n l ，H UY i f u l ，W UW e i w e i 2 1 ． I I l o o Z 矿胍o M ，1 唧n n dS 咖纱啦i ，黜 ，l g ，c e 眦r 口ZS o 以 ‰溉酊，C 玩，炉k4 1 0 0 8 3 ，肌胍n ，吼i M ；2 ．C 舰愕- s 舰五瑚肮胁n i n gE ，画，聊矗，l gc o 瑚砒i 增c D 厶d ，‰，邪施4 1 0 0 8 3 ，肌，l 口n ，仇i 舱 A b s t 飓c t C o n s i d e r i n gt l l eo c c u r r e n c eo fc o m p l e xd e p o s i ti nb n g s h a r IG o l d m I t i m o n yM i n e 锄ds h o r th o l eI I l i n i n gn l e t I l o d ， a no n l l o g o n a lt e s tp r o g r a mw 鹊p r e p a r e dw i n la n i f i c i a lw a l l ，s l i c i n gh e i g h tf o rh 卸g i n gw a l l 肌df 曲t w a l l ，r o o ml e n g t ha s m a i nf a c t o r s ． S t u d yw 船c o n d u c t e df 矗o p t i m i z i n gs t o p es t m c t u r a lp a r 觚l e t e r sb yt a k i n gs t r ．e s s c o n c e n t r a t i o nf a c t o r so f s t o p ea n dd i s p l a c e m e n t0 fm c ks t r a t a 嬲e V a l u a t i o ni n d i c a t o r sf o ro b j e c t i v ef u n c t i o n s ． R e s u l t ss h o wt 1 1 a tt l l e r e ’sl i m e c h a n g ei nt h e s n l ；e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o rb u tb i go n ei nr o c ks 昀t ad i s p l a c e m e n td u r i n gt l l er o o mm i n i n go fs t e e p l y d i p p i n gd e p o s i tw i t hm o d e r a t et ol a r g e 山i c k n e s s ．A R e ro p t i m i z a t i o n ，t l l em a x i m u md i s p l a c e m e n t0 fw a Um c kc a nb e d e c r e 鸽e db y4 6 ％．I ti sc o n c l u d e dt l l a tt h eo p t i m a ls t n l c t u r a lp a r a m e t e r sa r e 鹪f b l l o w s a r t i f i c i a L lw a Ui s3mt h i c k ， s l i c i n gh e i g h tf o rh 锄g i n gw a l li s2m 锄d3m f o rf ；D o 伽a l l ，t h es t 叩ei s5 0mi nl e n g t h ． K e yw o r d s s t o p es t l l l c t u r ep a r 锄e t e r ；o r t l l o g o n a L lt e s t ；r o c ks t r a t ad i s p l a c e m e n t ；s t m c t u r a lo p t i m i z a t i o n 在原岩应力和其他地质条件相同的情况下，进行 采场结构参数的优化，有利于提高采场结构稳定性，保 证矿山安全、高效生产⋯。在以往的采场结构优化研 究中，现场工程师主要以经验为主，缺乏科学的理论依 据，不能有效的解决采场安全问题。近年来，有些学者 采用层次分析和模糊数学心。4J 、混沌优化方法哺1 确定 最优的采场结构，但在评价过程中带有较强的主观因 素。董鑫等通过室内模拟试验确定最优采场结构参 数哺一7 j ，虽然结论基本可靠，但是消耗大量的时间、人 力和财力。随着数值模拟软件的不断发展和完善，数 值模拟已成为采场结构稳定性研究非常有效的手 法‘8 。1 0 1 。 新龙矿业公司龙山金锑矿随着采深增加，矿块围 岩的片帮和矿体冒落经常造成安全事故和矿块的回采 停顿。本文以其复杂的开采地质条件为对象，选取影 响采场稳定性的主要因素，用目标函数值作为评价标 准，分析各因素对采场稳定性影响的主次关系，通过正 交试验和极差分析法分析数值模拟结果，寻求采场结 构的最优组合方案。 1 矿区地质条件 龙山金锑矿床属热液硫化物脉状矿床，矿脉呈急 倾斜产出。矿脉走向长8 7 0 ～13 9 6m ，矿化段长3 0 ～ 2 6 0m ，矿体垂直延伸大于7 0 0m 。矿段3 9 0 - 1 1 l 矿块 矿体厚度为8m 左右，矿脉赋存于断层破碎带中，矿脉 平均产状为2 0 0 ￡7 6 0 ，距地表垂直高度为6 0 0m ，矿石 稳定性差，其坚固性系数厂 3 ～5 ；上盘围岩为绢云母 化含砾砂质板岩，岩石蚀变强烈，稳定性差，岩石极其 ①收稿日期2 0 1 2 1 0 - 2 2 作者简介马元军 1 9 8 8 一 ，男，湖北荆门人，硕士研究生，主要从事采矿工程与岩石力学方面的研究。 万方数据 第2 期马元军等急倾斜复杂矿体采场结构参数优化研究 破碎，随着矿石崩落而垮落；下盘岩石变质程度相对较 弱，稳固性好，其坚固性系数／ 1 0 1 4 。目前，阶段高 5 0m ，矿块走向长6 0m ，分两个矿房采用干式充填法 回采。采场上盘围岩经常发生片帮，场内顶板冒落，片 帮冒落块度1 3m ，范围可达5 8m ，导致无法正常 作业。由于该矿块矿石品位高，为了提高矿石回采率 和金锑金属回收率，必须改变采矿方法和采场结构 参数。 2 采场结构优化方案 2 ．1 采矿方法的选择 龙山金锑矿区矿体上盘围岩的倾斜或急倾斜节理 发育，节理密度为1 0 2 0 条／m ，属于V 类岩石，不适 合阶段空场法开采。由于矿石含硫高，容易结块而不 易放出，也不适宜用留矿法回采。为了提高金锑矿的 回收率，要利用充填体支撑采场顶板及矿体上、下盘围 岩，拟采用上向水平分层充填采矿法。为了减小顶板 暴露面积和降低充填法采矿成本，沿矿体厚度分两次 开采靠上盘采空区采用上向分层胶结充填环境再造， 下盘沿用干式充填采矿法。 根据该矿块的工程条件，将矿块沿其厚度 8m 划分为两部分 M l 、M 2 ；靠近上盘矿体 M 1 实现“采 一充一”，混凝土充填的“人工假壁”支撑破碎的上盘 围岩，再分层回采靠近下盘的矿块M 2 。 2 ．2 采场结构参数的选择 该矿山多年的开采经验，为极破碎矿脉，适合用微 型工作面进行开采，采场结构参数的选择范围如下矿 房长度一般为4 0 ～6 0m ，上盘采场分层高度一般为 2 3m ，下盘采场分层高度为2 ．5 ～3 ．5m 。上下盘分 次回采方法的核心是混凝土假壁支撑上盘围岩和矿体 顶板。人工假壁厚度不仅影响到采矿成本，假壁的变 形程度也决定着上盘围岩的变形量和顶板稳定性。假 壁厚度与上盘采场分层高度和下盘采场分层高度以及 矿房长度有关。因此，对该矿块采场结构参数的优化 研究即是以围岩变形量或者应力集中系数为目标函 数，对人工假壁厚度 A 、上盘采场分层高度 B 、下 盘采场分层高度 c 和矿房长度 D 尺寸的合理的选 择。初步设计人工假壁厚度为2 ～4m 。根据采场实 际条件，选取采场结构优化的因子参数见表l 。 表l 采场结构因子参数 3 采场回采数值模拟分析 3 ．1 岩体力学参数估算 根据矿块地质条件，将矿岩简化为4 种基本模型。 岩体的力学参数在室内岩石力学的基础上，采用费辛 柯法和G e 晒法进行适当的修正，得到修正后的岩体 力学参数见表2 。 表2 岩体力学参数 类型蠕擎燃咳妒糯擎繁，。。篇．3 3 ．2 三维计算模型、边界条件的确定 矿块模型沿走向长分别为5 0m 、5 5m 、6 0m ，高4 0 m ，宽8m ，矿体的倾角为7 6 。。假设矿岩为连续弹性 体，根据弹塑性力学理论，计算模型尺寸一般为采动范 围的3 5 倍，则可以确定三维模型的尺寸为2 4 0m 1 2 0m 1 0 4m ，见图l 。 图l 三维实体模型图 整体模型底面z 方向固定，z 方向上部边界不约 束，为自由边界。两侧面x 方向固定，前后面y 方向 固定，屈服准则采用M o l l r C o u l o m b 准则。由于试验矿 块埋深在6 0 0m 左右，在模型顶面施加1 4 ．7M P a 的垂 直应力，该实验矿块以自重应力为主，采用n A C 3 D 进 行数值分析。 3 ．3 数据无量纲化 通过理论与实践结合发现u 卜1 2 j ，应力集中、岩体 位移是评价采场结构稳定性的主要指标。 为了便于对模拟结果进行比较，避免不同单位的 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 睡 ㈩ 采场结构越稳定。 3 ．4 计算结果 根据模拟的采场结构参数值，考虑到所要顾忌的 试验范围，确定每个因素取3 水平，组成三因素三水平 试验，选用I J 9 3 4 正交表钊计算。 3 ．5 计算结果分析 根据正交试验结果，计算各因子在同一水平下的 试验指标之和及相应平均试验指标，计算各列的极差； 根据极差大小确定因素的重要性顺序。计算结果见表 3 。为了直观的分析各因素的影响力，因素水平．目标 函数关系见图2 。 表3采场结构参数优化模拟结果 水平 图2 水平与目标函数值关系图 从表3 可以明显看出4 个因素的主次顺序依次 为D C A B 。从图2 可以看出A 、B 、C 、D 四个因素的最 小函数值，由于最小函数值为最优解，从而得出较优方 案为A B ，C D 。，而通过表3 中9 个正交试验方案计算 的较优方案为A B c ，D 。，即方案4 。正交试验中并没 有方案A B ，C D 。，这就需要将其结果与方案4 目标函 数值 ，为一o ．4 0 ，其中K ’为一o ．1 6 ，M ’为一o ．5 进行 比较。在相同的工况条件下，通过对A B ，C D ，进行 模拟后，得到目标函数值 F 为一0 ．4 l ，其中K ’为 一0 ．2 3 ，Ⅱ’为一o ．4 8 ，其函数值小于方案4 的函数值， 所以方案A B ，C D ，更利于采场结构的稳定性。优化后 的最佳方案的参数为人工假壁厚度3m ，上盘矿体分 层高度2m ，下盘矿体分层高度3m ，矿房长度5 0m 。 4 优化结果分析 4 ．1 应力集中系数对比 在开采过程中同样的工况条件下，采场结构参数 优化前后应力集中系数对比如图3 所示，应力集中范 万方数据 第2 期马元军等急倾斜复杂矿体采场结构参数优化研究 围见图4 。 籁 慨 导 撩 R 倒 开采层数 图3 优化前后应力集中系数对比 图4 优化前后最大应力示意 a 现行方案； b 优化后方案 从图3 ～4 可以看出 1 优化方案的应力集中系数比现行方案要低 2 l ％左右。 2 两个方案在开采第二分层后，应力集中系数增 加，然后呈现相对平稳的变化过程。这是因为由拉底 巷道向上开采时，采场上盘暴露空间增高，围岩变形椭 球体尚未形成，出现上帮应力集中明显。实行“采一 充一”循环后，一方面充填料有效的转移了部分应力， 另一方面新增应力向塑性变形圈外岩体内部转移，上 帮应力集中系数呈现稳定状态。 3 最大应力集中主要发生在矿体与下盘围岩接 触带的右上角。在现行开采方案中，上盘围岩脱落到 形成相对稳定的卸载拱，开采过程中形成的应力在右 侧拱脚集中，形成应力集中。优化方案中，由于采空区 顶板暴露面缩小，上盘混凝土假壁对上盘的支挡作用 和对顶板支撑作用，开采新增压力传递到上盘充填体， 减小了下盘矿体和围岩的应力。 4 ．2 岩层移动对比分析 优化前后岩层移动对比见图5 ，优化前后岩层移 动示意见图6 。 由图5 ～6 可以看出 1 采高达到1 2m 左右是岩层移动量的分界线。 2 优化方案的位移量比现行方案的位移量降低 4 7 ％。现行方案最大位移量1 1 2 ．1 1m m ，优化方案最 大位移只有5 9 ．0 8m m 。 E 暑 ＼ 删 渣 翅 开采层数 图5 优化前后岩层位移对比 图6 优化前后最大岩层移动示意 a 现行方案； b 优化后方案 坞P m o d 5 O 巾 0 血5 O 中瞄 ．D 们 - 00 1 5 旬．垃 ．0 0 2 5 m ∞ 4 J 0 ∞ 备 由．∞ 由螂 由．∞O 3 岩层移动范围集中在矿体与上盘围岩接触带， 现行方案上盘围岩整体移动较大；优化方案采用小工 作面，3m 厚的人工护壁有少量的下沉移动，但是能保 证上盘围岩的稳定，确保了下盘矿脉开采的安全。 4 ．3 综合分析 采场开挖后，围岩应力集中，切向应力骤增，在岩 体破坏之前会首先形成塑性变形区，塑性区向采场内 变形移动，最终发生离层脱落。优化前后最大塑性区 面积见图7 。 图7 优化前后塑性区 a 现行方案； b 优化后方案 由图7 可见，在应力集中的作用下，优化前后最大 塑性区面积分别为3 0 ．1m 2 和2 0 ．8m 2 ，优化前在塑性 区移动变形过程中产生大量的松脱冒落，促使岩层移 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 动进一步增大，接着产生新的塑性区，发生新的冒落。 优化后采场周围应力集中减小，塑性变形区面积减小 3 1 ％，从而有效的将岩层位移最大值从1 1 2 ．1 1m m 减 小到5 9 ．0 8m m ，防止了围岩大量的移动冒落，极大的 保证了采场作业面的安全。 5 结论 1 结合龙山矿区极破碎带实际情况，以3 9 0 ．1 1 1 矿块为研究对象，选择应力集中系数和位移变化量作 为评价指标，通过正交试验求解目标函数最小值来确 定最佳的采场结构参数，为龙山矿区极破碎带矿体的 安全开采提供了可靠的依据。 2 正交试验得到最佳采场结构参数为3m 2m 3m 5 0m 人工假壁上盘矿体分层回采厚度 下盘矿体分层回采厚度矿房长度 。 3 分析优化前后应力集中系数和位移量发现，急 倾斜矿体开采在两帮应力集中系数变化不大，上帮和 顶板岩层的移动量是采场主要安全因素。优化后方案 的岩层移动量比现行方案的减少了4 0 ％～6 4 ％。 4 优化后，在应力集中的作用下，围岩塑性区面 积比现行方案小3 1 ％，从而使得岩层松动范围减小， 有效的控制了岩层移动量，防止围岩大量的冒落，保证 了采区作业面的安全。 参考文献 [ 1 ] 崔少东，刘保国．石人沟铁矿北区采场结构参数的优化[ J ] ．北 京交通大学学报 自然科学版 ，2 0 0 9 ，3 3 1 1 3 1 一1 3 4 ． [ 2 ]李洁慧，王新民，张钦礼，等．采场结构参数的层次分析和模糊数 学综合评价[ J ] ．化工矿物与加工，2 0 0 9 ，3 8 9 2 3 2 7 ． [ 3 ] 王新民，李洁慧，张钦礼，等．基于F A H P 的采场结构参数优化研 究[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 1 0 ，3 9 2 1 6 3 一1 6 8 ． [ 4 ]王洪武，吴爱祥，杨仕教，等．基于G A - 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e n c e d1 葡h n o l o g y ，2 0 1 0 ，5 1 2 1 0 ． [ 5 ] 贵州日报．富民兴黔谱写化工新篇章[ E B ／O L ] ．[ 2 0 1 0 一l O c r 7 ] ． h 叩∥n e w s ．孥1 6 3 ．c n ／n e w ∥z h 岫而／∞l o ／缸蛔n ／c j 6 r ／l O l 4 6 6 3 ．s h 叫． [ 6 ] 彭家惠，张建新，彭志辉，等．磷石膏颗粒级配、结构与性能研究 [ J ] ．武汉理工大学学报，2 0 0 l ，2 3 1 6 1 1 ． [ 7 ] 杨敏．杂质对不同相磷石膏性能的影响[ D ] ．重庆重庆大学 材料科学与工程学院，2 0 0 8 ． [ 8 ]S i n 曲NB 。M i d d e n d o r fB ．c a l c i u ms u l p h a t eh e m i h y d m t e sh y d m t i o n l e a d i n gt og y P 鲫mc r y s t a l l i z a t i o n [ J ] ．P m g 陀s si nc r y s t a le l D w t l l 锄d C h a r ∽t e I i z 撕∞o fM a t 商a l s ，2 0 0 7 ，5 3 1 5 7 7 7 ． [ 9 ]杨敏，钱觉时，王智，等．杂质对磷石膏应用性能的影响[ J ] ． 材料导报，2 0 0 7 ，2 l 6 1 0 4 1 0 6 ． [ 1 0 ] c o u t u r i e rJ ，C 明m e tL ．M e t h o df o rp r o d u c i n g 柚a I l l l y d r i t e Ⅲo ra b a s e dh y d 舢l i cb o n d i “ga g e n t u n i t e ds t a t e s ，u S 6 7 0 6 1 1 3 B l [ P ] ． 2 0 0 4 一0 3 一1 6 ． [ 1 1 ] 魏建文，韩敏芳。任守政，等．用工业废渣磷石膏生产建筑石膏 粉研究[ J ] ．非金属矿，2 0 0 1 。2 4 1 1 3 一1 4 ． [ 1 2 ] 谢超凌．远安磷石膏制备石膏粉试验研究[ D ] ．武汉武汉理工 大学资源与环境工程学院，2 0 0 6 ． 万方数据