矿岩崩落块度预测的节理面三维模拟技术及其应用.pdf
矿岩崩落块度预测的节理面三维模拟技术及其应用 ① 彭平安1,2, 王李管1,2 (1.中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083; 2.中南大学 数字矿山研究中心,湖南 长沙 410083) 摘 要 基于传统二维状态下块度预测存在的弊端,提出以构造面的空间展布规律为基础,利用 Monte Carlo 技术模拟节理系统,采 用三维实体切割技术建立块体三维截取模型的矿岩块度预测新模型,实现了矿岩崩落块度的三维预测,并开发了相应软件OFP 1.0 (Ore Fragments Prediction)。 研究成果应用于某特大型斑岩铜矿,预测结果表明该矿山等效尺寸大于 1.65 m 的块体筛上累积百分 比为 40%,大于 1.26 m 的块体筛上累积百分比为 59.85%。 根据等效尺寸与块体体积的转换关系,建议放矿口尺寸设置为 5 m 5 m, 此时放矿口堵塞几率较小。 研究成果为自然崩落法矿山采矿方法设计和工程中的放矿控制提供了重要依据。 关键词 自然崩落法; 块度预测; Monte Carlo 法; 节理面模拟 中图分类号 TD853文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2015.03.006 文章编号 0253-6099(2015)03-0022-05 Technique and Application of Three⁃dimensional Simulation of Joint Plane for Ore Fragmentation Prediction in Block Caving PENG Ping⁃an1,2, WANG Li⁃guan1,2 (1.School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China; 2.Digital Mine Research Center, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China) Abstract In view of drawbacks in the traditional two⁃dimensional model for fragment size prediction in block caving, based on the space distribution of rock structure, it was proposed to construct a new 3D model by cutting the three⁃ dimensional entity after rock joints simulated with Monte Carlo method, thus resulting in the fragment size prediction. Then a software, OFP 1.0 (Ore Fragments Prediction), was developed. The application of such technique in a large porphyry copper mine gave a prediction that the cumulative percentage of original block with equivalent size larger than 1.65 m was 40%, and that with equivalent size lager than 1.26 m was 59.85%. Based on the conversion between equivalent size and block size, it is recommended that the ore pass should be5 m 5 m in dimension so as to prevent the occurrence of clogging. Such findings can be of reference and guidance in block caving design for underground mining and practical control of ore drawing in mine. Key words block caving method; fragment size prediction; Monte Carlo method;joint plane simulation 自然崩落法是一种借助矿石自重和地压作用引起 矿石崩落的采矿方法,具有低成本、高效率、作业安全 等特点。 与其他采矿方法相比,其缺点也十分明显,如 技术要求严格、实施风险高等[1-2]。 在该采矿方法的 设计阶段,底部结构尺寸设计、设备选型等与矿岩崩落 块度的分布存在着密不可分的联系[3]。 块度预测的 可靠程度直接影响矿石的回收率、贫化率、采矿系统的 工作效率和工作安全性。 因此,在采用自然崩落法的 矿山对矿岩崩落块度进行预测显得尤为重要。 国内外学者在块度预测方面进行了诸多研究[4-7]。 由于矿石块度形成过程极其复杂,这些研究多是基于 二维状态下进行,不能准确反映真实情况,给采矿设计 和实际生产带来一定风险。 基于此,本文提出基于岩体构造空间分布规律的 统计分析,利用 Monte Carlo 模拟方法,实现了矿岩崩 落块度的三维预测,并以某特大型斑岩铜矿为例,验证 了该系统的有效性。 1 三维矿岩崩落块度预测基本原理 岩体的破坏将首先沿其体内原有的结构面发展, 通过对岩体结构进行调查,获得有关岩石强度、结构面 产状、节理间距等的统计特征与统计参数,因此就不难 应用计算机来推估未知区域的岩体和结构面特征以及 再现符合这种统计特征的岩体和结构面网络,从而研 ①收稿日期 2014-12-16 基金项目 国家高技术研究发展计划(863 计划)项目(2011AA060407) 作者简介 彭平安(1989-),男,江西宜春人,博士研究生,主要研究方向为数字矿山。 第 35 卷第 3 期 2015 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.35 №3 June 2015 究矿岩的崩落块度。 1.1 崩落块度影响因素分析 随着人们对自然崩落法的深入研究,普遍认识到 影响矿岩崩落块度的主要因素有三类一是节理的空 间展布状态,即岩体结构面的空间几何参数;二是地应 力状态,包括原始地应力状态和拉底崩落过程中产生 的次应力场;三是研磨作用,崩落下来的矿石在放矿过 程中由于速度场不同,必然造成矿岩块之间的相互研 磨与碰撞,从而使崩落块体再次破碎[8-9]。 因此,通过 对影响崩落矿岩块度的各主要因素的考察可得出以下 结论① 由于应力作用,岩体破坏的第一步将沿已有 弱面产生;② 结构面的切割将导致岩体形成不同大 小、不同形状的小块集合;③ 结构面的几何形状将决 定切割后的块体分布。 因此,将结构面的倾向、倾角和间距分布规律反演 到待评价岩体中,即可实现对真实岩体构造面的模拟。 1.2 三维节理面的 Monte Carlo 随机模拟 Monte Carlo 法源于二战时期美国对裂变物质的 中子随机扩散进行模拟。 其基本思想是为解决工程 应用中的各类复杂问题,通过建立与待解问题相似或 相关联的概率模型或概率过程,对概率模型进行随机 模拟或统计抽样,用所得样本得到这些特征量的估计 值,从而近似推估问题的解[10-11]。 节理面的 Monte Carlo 模拟则根据构造面的参数分布规律,计算各样本 的参数估计值,以此代替母体参数,然后采用线性同余 法产生随机数进行随机抽样,用以模拟原系统参数。 根据国内外的研究,结构面一般服从正态分布、对 数正态分布和指数分布 3 种形式[12],对应的伪随机数 发生器分别为 正态分布 Ni = σ - 2lnri cos(2πri+1) + μ Ni+1 = σ - 2lnri sin(2πri+1) + μ { (1) 式中 σ 为正态分布随机变量的均方差;μ 为正态分布 随机变量的均值;Ni为正态分布随机数;ri为[0,1]均 匀分布随机数。 对数正态分布 Si= exp[σ′i( - 2lnri) cos(2πri+1) + μ′i] Si+1= exp[σ′i( - 2lnri) sin(2πri+1) + μ′i] { (2) 式中 Si为对数正态分布随机数;μ′和 σ′分别为对数转 换后的分布方差和均值。 指数分布 Er=- 1 E lnri(3) 式中 Er为服从指数分布的随机数;E 为指数分布的随 机参数。 2 三维矿岩崩落块度预测系统的实现 2.1 算法流程 基于上述分析,提出矿岩崩落块度预测系统的基 本算法,其流程如图 1 所示 7,3C 0;ε ,9330,5MD9 038,κ ;-* ;2 0360 0300 0 0** A3MD BD,0 D30, 9,090 3;,, 090 30 05-136 EBD023 Monte Carlo066 *11136, ,;14 8- 0D3 0,5 **9 N N N N N N Y Y 136;-D/ Y B;3,B53,B C1302 YY Y .B10136CA4 -D0,* 0; 01360C;088, 0; 图 1 矿岩崩落块度预测系统算法流程 1) 输入结构面统计分布特征参数,执行 Monte Carlo 模拟,形成节理面随机素描文件。 32第 3 期彭平安等 矿岩崩落块度预测的节理面三维模拟技术及其应用 2) 确定模拟位置及范围,生成模拟岩体的实体模 型,用三维节理面切割实体模型。 3) 通过多边形三角剖分方法把切割产生的不封 闭多边形封闭起来。 4) 删除外表面分割形成的块,剩余块即为模拟产 生的崩落块体。 5) 计算岩块的体积、面积,最大、中间和最小弦 长,并判别岩块的形状特征。 6) 绘制图形结果。 2.2 系统功能 根据所提算法,开发了块度预测软件 OFP 1.0 (Ore Fragments Prediction 1.0)。 系统采用模块化管 理,包括模拟参数输入、三维节理系统模拟、原始和崩 落块度模拟、块体形状特征分析和块体分布统计共 5 个模块,各模块的功能为 1) 模拟参数输入用于输入模拟参数,包括节理 参数、节理面力学参数、完整岩石力学参数、地应力参 数等。 2) 三维节理系统模拟根据输入的模拟参数,利 用 Monte Carlo 方法产生随机素描文件。 3) 原始和崩落块度模拟主要用于产生原始和崩 落块度文件,并将结果保存。 4) 块体形状特征分析对上一步生成的块体按特 征规律进行分析。 5) 块体分布统计统计块体形状和特征规律,绘 制筛上累计百分率曲线。 3 工程应用 3.1 工程概况 某特大型斑岩铜矿位于我国西南部,远景铜金属 储量 437 万吨。 该矿构造裂隙发育,岩石蚀变强烈,具 典型的“斑岩型”蚀变分带。 岩浆岩、岩浆侵位的地 层、热液蚀变作用、热液运移和矿质沉淀的构造空间控 制了本矿床的产出。 1#矿体是其主要矿体,矿体长 2 240 m,垂深 2.23~766.35 m。 矿体呈大透镜状,北西 向展布,空间上呈一北西向展布“马鞍”状,在平面上 为一不规则的“多节葫芦”形。 考虑到矿床厚大但品 位低,同时岩层破碎、完整性差,工程地质条件恶劣,拟 采用自然崩落法开采。 3.2 参数设置 软件输入参数主要包括① 节理面倾角、倾向、间 距的分布规律及样本参数估计值;② 现场主应力的大 小及方向;③ 完整岩石的强度指标;④ 不连续相关因 子和节理面持续性系数。 3.2.1 结构面参数 采用详细线观测法进行了大量 岩体原位构造调查工作,获得有效节理产状数据 10 434 条,根据调查结果,作 Schmidt 极点等密图及玫 瑰花图,见图 2。 图 2 节理产状的极点等密图及玫瑰花图 (a) 极点等密图; (b) 玫瑰花图 从图 2 可以看出,整体可分为 3 组优势节理组,其 倾向范围分别为125~195,196~240,320~359。 优势节理组中倾向倾角的分布情况如表 1 所示。 表 1 矿区优势节理分组情况 组 号 样本 数据 百分比 / % 倾向/ ()倾角/ () 最小 最大均值方差最小 最大均值方差 14 61744.2125195163.85356.4919065.81216.80 21 88018.0196240214.27120.6939069.94180.75 31 45313.9320359341.66103.0028951.19573.19 在利用 P⁃P 图对优势节理组倾向倾角进行分布 检验时,正态分布检验 P⁃P 图中散点基本位于 y=x 直 线附近,正态趋势 P⁃P 图中散点基本在 y = 0 上下波 动,波动范围不大于0.1,拟合性较好,因此可认为 3 组优势节理组倾向倾角均服从正态分布。 3.2.2 地应力测量 在工程地质调查基础上,结合现 场施工条件,在 3 720 m、3 450 m 两个中段选择了 6 个 测点(其中以首采中段 3 720 m 作为研究重点,布置了 4 个测点),利用国际先进的瑞典 LUT 地应力测定仪 对矿区的地应力场的变化及分布规律进行测试研究, 测量结果列于表 2 中。 42矿 冶 工 程第 35 卷 表 2 地应力测量结果 测点 编号 埋深 / m 最大主应力中间主应力最小主应力 大小 / MPa 方位 / () 倾角 / () 大小 / MPa 方位 / () 倾角 / () 大小 / MPa 方位 / () 倾角 / () 120317.09256.510.89 11.85 347.454.957.78101.54 78.01 223815.95 285.195.7310.31 190.56 38.827.0622.2050.59 319311.60 247.919.776.37344.71 37.485.42146.87 51.14 420715.7998.0913.229.50198.62 37.882.64352.37 49.07 521413.3394.1729.415.69191.77 13.212.19303.1357.2 620912.6386.5922.217.40181.94 12.860.03299.86 63.98 3.2.3 岩石物理力学参数测试 为准确预测崩落块 度大小,还需掌握主要岩体的物理力学性质。 在本次 工作中,制作了与采矿工程稳定性关系较为密切的 4 种主要岩石(石英二长斑岩、闪长玢岩、大理岩和角 岩)试样共计 70 个,对该矿岩石物理力学参数进行了 测试,结果如表 3 所示。 表 3 岩石物理力学参数测试结果 岩石 名称 单轴抗压强度 / MPa 抗拉强度 / MPa 内聚力 / MPa 内摩擦角 / () 石英二长斑岩127.967.0722.0647.31 闪长玢岩185.6712.2922.7041.18 大理岩126.388.6527.1744.51 角 岩192.5114.7232.4940.03 3.3 矿区整体块度分布预测 以上述参数为输入,对该矿矿岩崩落块度进行预 测。 软件进行切割完成后产生的模拟块体形状如图 3 所示,图中 ε 值用于区分物体的细长性,κ 用来表述物 体的容积系数,D25,D50,D75分别表示占总体积 25%、 50%和 75%时块体体积的大小。 对产生的切割块体结 果进行统计,得到的矿岩块度体积区间分布如图 4 所 示,图中 C 代表立方体,CE 代表立方⁃细长体,PC 代表 扁平⁃立方体,P 代表扁平体,EP 代表细长⁃扁平体,E 代表细长体。 从图 4(b)可以看出,块体筛下体积的四 分位点分别为0.164,0.403 和0.853 m3。 从图4(c)可 以看出,当等效尺寸在 0.5~3 m 之间时,等效尺寸曲 线下降较快,这说明块体等效尺寸落在这个区间体积 百分比较大。 等效尺寸大于 1.65 m 的块体筛上累积 百分比为 40%,大于 1.26 m 的块体筛上累积百分比为 59.85%。 根据等效尺寸与块体体积的转换关系,建议 12 345 678 910 κ 0.0010.010.07 0.110.20.37 0.5 0.6 0.8 ε D75 ab 图 3 产生的块体切割结果及形状 (a)块体切割结果; (b) 不同块体体积的形状分布 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 D75D25D50D50D75 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 00 1 2 3 4 5 6 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 3090 30m3 3**m CD30,530,5 D25 D250.164 D500.403 D750.853 D50 D75 1.65 1C 3E 5P 2CE 4EP 6PC 12 3 4 56 2 3 4 5 6 12 3 4 56 123 4 6 b c a 图 4 矿岩崩落块度分布曲线 放矿口的尺寸设置为5 m 5 m, 此时放矿时堵塞的几 率较小。 3.4 矿体、上盘和下盘区域块度分布预测 应用所开发系统对矿体、上盘和下盘区域崩落块 度分别进行了预测,等效尺寸分布曲线如图 5 所示。 100 80 60 40 20 00 1 2 3 4 5 6 3**m 30,5 1.51 1.61 1.91 37 图 5 崩落块体等效尺寸分布曲线 52第 3 期彭平安等 矿岩崩落块度预测的节理面三维模拟技术及其应用 从图 5 可见,矿体崩落产生的块度较小,下盘次 之,上盘较大。 下盘块度较小,不利于开拓工程的稳定 性,但上盘块度较大,不易引起矿石贫化。 块体筛上累 积百分比为 40%时,矿体、上盘和下盘岩体的等效尺 寸分别为1.51,1.91 和1.61 m。 因此,设计时可根据放 矿口的具体位置及预测结果对放矿口尺寸进行调整。 4 结 语 1) 基于岩体构造空间分布规律的统计分析,利用 Monte Carlo 模拟方法,提出了矿岩崩落块度预测算 法,开发了相应软件,实现了矿岩崩落块度的三维 预测。 2) 应用所开发系统对某特大型斑岩铜矿自然崩 落法矿岩崩落块度进行了预测。 结果表明,等效尺寸 大于1.65 m 的块体筛上累积百分比为40%,大于1.26 m 的块体筛上累积百分比为 59.85%。 因此建议放矿口 的尺寸为5 m 5 m, 此时放矿时堵塞的几率较小。 按 矿体、上盘和下盘区域分别进行预测的结果表明矿体 崩落产生的块度较小,下盘次之,上盘较大。 3) 研究成果为矿山采矿方法设计和工程中的放 矿控制提供了重要依据,也为类似自然崩落法矿山实 现安全大规模开采提供了参考。 参考文献 [1] 袁海平,曹 平. 我国自然崩落法发展现状与应用展望[J]. 金属 矿山,2004(8)25-28. [2] 于少峰,吴爱祥,韩 斌. 自然崩落法在厚大破碎矿体中的应用 [J]. 金属矿山,2012(9)1-4. [3] 褚洪涛,章 光,李爱兵. 某矿区矿岩可崩性评价及块度分布预测 研究[J]. 矿业研究与开发,2010(3)15-17. [4] White D H. Predicting fragmentation characteristics of a block caving orebody[D]. Arizona The University of Arizona,1977. [5] Mukherjee A, Mahtab A. Size distribution of ore fragments in block caving[C]∥Proc 13th World Mining Congress, Stockholm,1987. [6] 董卫军. 矿石崩落块度的三维模型与块度预测[J]. 矿冶,2002, 11(2)1-3. [7] 王家臣,熊道慧,方君实. 矿石自然崩落块度的拓扑研究[J]. 岩 石力学与工程学报,2001,20(4)443-447. [8] 王李管,潘长良. 矿石块度影响因素的定量分析研究[J]. 中南矿 冶学院学报,1992,23(5)514-519. [9] 冯兴隆,李 德,王李管,等. 矿岩块度预测影响因素的分析研究 [J]. 矿冶工程,2011,31(3)8-12. [10] 曲双石,王会娟. Monte Carlo 方法及其应用[J]. 统计教育,2009 (1)45-55. [11] 邵 伟. 蒙特卡洛方法及在一些统计模型中的应用[D]. 济南 山东大学数学学院,2012. [12] 吴 琼. 复杂节理岩体力学参数尺寸效应及工程应用研究[D]. 武汉中国地质大学(武汉)工程学院,2012. 矿冶工程杂志 2015 年征订启事 矿冶工程(双月刊)创刊于 1981 年,由中国金属学会、长沙矿冶研究院有限责任公司主办。 本刊 是中国期刊方阵“双效期刊”、全国中文核心期刊、中国科学引文数据库(CSCD)及中国学术期刊综 合评价数据库来源期刊、中国核心学术期刊(RCCSE),是集学术性和技术性于一体的综合性刊物,已 被中国知网(CNKI)、万方数据库、重庆维普资讯、台湾华艺数据库等全文收录,是国外多家知名检索机 构的检索对象。 矿冶工程杂志主要栏目为采矿、选矿、冶金、材料、矿冶行业企业管理等。 读者对象是采矿、选 矿、冶金、材料、地质、煤炭、化工等系统的有关生产人员、院校师生和管理人员。 矿冶工程面向国内外公开发行,读者分布在 17 个国家与地区,机构用户 4000 多个。 矿冶工 程为国际标准大 16K 本,120 版。 国内统一刊号CN43-1104/ TD,国际标准刊号ISSN0253-6099,邮 发代号42-58。 真诚欢迎新、老订户向全国各地邮局订阅本刊,也可直接向编辑部订阅。 定价 10 元, 全年 60 元。 矿冶工程编辑部承接彩色、黑白及文字广告业务,欢迎各企事业单位来电来函联络。 地 址 湖南省长沙市麓山南路 966 号矿冶工程编辑部联 系 人 黄小芳 邮 编 410012开户名称 长沙矿冶研究院有限责任公司 电 话 (0731)88657070/88657176/88657173开户银行 长沙市工商银行左家垅分行 传 真 (0731)88657186帐号 1901013009014450276 E-mail kuangyegongchengzz@ 163.com 62矿 冶 工 程第 35 卷