回采过程模拟与控制技术.pdf

第十六章第十六章第十六章第十六章 回采过程模拟回采过程模拟回采过程模拟回采过程模拟与控制技术与控制技术与控制技术与控制技术 16.1 引言引言引言引言 随着地下硬岩矿山开采深度和复杂性的增加， 矿山设计和计划的基本思想随 之发生了改变。矿山设计计划过程的动态性本质，使得包括采用电子表格、矿山 计划和评价软件等手段在内的传统的地下矿山设计和计划技术， 不能适应对多种 计划方案进行严格的科学评价以得到最优方案的要求。 计算机过程模拟是生产过 程分析和方案优化设计的有效方法，借助于模拟可以通过全过程的、关于产量、 生产效率、故障因素的定量分析得到最佳方案。 对冬瓜山铜矿的采矿方法而言， 假定相应的开拓、 通风等系统工程已经形成， 这类方法回采阶段涉及的工程有顶部的凿岩或充填工程、底部的出矿工程，两 者均属于采准工程。回采阶段的工序有采准工程的施工、相应工程的支护、高 采场大直径垂直深孔的施工、 高采场拉底时扇形中深孔的施工、 高采场拉底爆破、 低采场扇形中深孔的施工、采场爆破出矿、采场嗣后充填等。其回采过程具有的 特征是1每个采场各工序的作业过程是连续的；2每个采场先行工序完成后， 开始后续工序的作业记为第一种转移；3采场内部分工序是可以并行进行的； 4每个工序完成后，进行该工序作业的设备或施工队转移到后续施工的采场进 行该工序的作业记为第二种转移；5以上“两种转移”必须满足一定的条件。 对前者，必须有空闲的、后续工序作业的设备。对后者，则必须有已经具备该工 序作业条件的采场存在；6无论是高采场拉底层的爆破、还是 2 类采场深孔或 中深孔的爆破，都必须满足基本的岩石力学准则。即空区的形成，将影响到周围 一定范围内岩体工程的稳定性， 某一采场是否可以进行爆破必须首先判断周围采 场是否是待开挖体或充填体。 16.2 SIMMINE 软件简介软件简介软件简介软件简介 回采过程模拟系统 SIMMINE 应能够满足不同阶段的需要。 在科研阶段应该 能通过系统的模拟，从产量稳定性的角度找出回采过程连续性的影响因素，对不 同的方案进行对比，保证科研阶段矿山工程的如期、顺利施工；在使用阶段除拥 有上述功能外，更重要的是能够进行产量安排及计划，满足实际生产的需要。 16.2.1 回采过程模拟系统体系及数据库结构回采过程模拟系统体系及数据库结构回采过程模拟系统体系及数据库结构回采过程模拟系统体系及数据库结构 16.2.1.1 系统体系 回采过程模拟系统的体系结构见图 16-1。 图 16-1 回采过程模拟系统的体系结构图 图中 I 表示回采过程模拟系统，该系统采用后台数据库即图中的“回采过程 模拟与控制数据库”加前端模拟机 2 层结构，模拟过程中直接对后台数据库进行 操作。 后台数据库中关于资源和工程信息的数据来自于资源与开采环境三维模型 II，而数据库中与模拟结果有关的数据则在合理剔除后提交给结构稳定性分析 系统III作为工程“开挖和充填”的输入参数。 16.2.1.2 数据库系统结构 采用 Microsoft Access 作为后台数据库管理系统，该数据库结构见图 16-2。 图中，StopeStatus、StopeType、Panqu、Caichang 等 4 个数据表记录的是模 拟对象如盘区或阶段、采场的相关参数，这些数据直接来自于资源与开采环境 三维模型。HistSbtbnl、Sbtbnl 等则记录的是与生产设备、生产队伍等有关的信 息，两表的结构完全相同，前者用于记录矿山各种工序能力的历史数据，并在此 基础上，经过统计分析，确定模拟时应该采用的最大可能的各工序作业能力，而 后者则记录模拟时应该采用的各工序能力。Csgyscfc 记录的信息则是由采场类 型、 采场参数以及设备或工程队工作能力计算得到的每个采场不同工序的作业时 间。数据表 SeqOfcaich 记录采场回采顺序，表中的数据由手工直接输入、或由 系统按照一定的回采顺序确定原则自动生成。CaichRec、Dateb、Datecchang 等 3 个表则记录与模拟过程及模拟结果相关的信息，其中数据表 CaichRec 只记录 资源与开 采环境三 维模型 回采过程模拟与 控制数据库 过 程 模 拟 机 结构稳定 性分析 I II III “当前模拟日”的信息，后两个表则记录模拟过程产生的所有历史数据。 图 16-2 回采过程模拟与控制系统数据库结构图 16.2.2 过程模拟机功能模块过程模拟机功能模块过程模拟机功能模块过程模拟机功能模块 过程模拟机采用 Delphi6.0 开发，图 16-3 为其功能模块结构图。 图 16-3 回采过程模拟机功能模块结构图 16.2.2.1 盘区阶段和采场参数输入模块 本模块通过调用资源与开采环境三维模型的数据，从中得到盘区或阶段内 采场的数目、采场的编号、采场长度、宽度、矿量、凿岩工程量等相关工程参数， 并直接写入数据表 Panqu 及 Caichang 中。 16.2.2.2 采场类型、工序及作业能力输入模块 本模块包括 2 个子模块，一是用于模拟的相关参数的输入、另一个是矿山回 顺序/模拟过程/结果 资源与开采信息 工序能力/时间信息 回采过程模拟 与控制数据库 StopeStatus StopeType Panqu Caichang Sbtbnl Csgyscfc CaichRec Dateb Datecchang HistSbtbnl SeqOfcaich 过程模拟机 盘区阶段\采场参 数输入模块 采场类型\工序\作业 能力输入模块 采场回采工序作业 时间自动计算模块 采场回采顺序输入\ 自动计算模块 模拟区域及模拟对 象初始化模块 模拟过程初始化 模拟结果可视化 回采过程模拟 采各工序能力的所有历史数据的管理和统计分析。该模块涉及的数据表有 StopeType、StopeStatus、Sbtbnl 及 HistSbtbnl。 16.2.2.3 采场各回采工序作业时间自动计算模块 本模块中，系统首先将根据采场类型确定其回采阶段包括的工序，其次根据 采场各工序作业的工程量以及每个工序的作业能力， 计算该工序施工完成所需的 总时间。该模块的计算结果直接写入到数据表 Csgyscfc 中。 16.2.2.4 采场回采顺序输入或自动计算模块 系统模拟前， 需要指定采场的回采顺序， 该模块操作的数据表为 SeqOfCaich。 本模块采用交互式输入方式， 用户既可以直接按设计的回采顺序依次输入采场编 号，也可由本程序自动确定回采顺序，并向数据表中写入相应的采场编号。 16.2.2.5 模拟区域及对象初始化模块 由于回采过程模拟时，采场数量较多，各工程对象盘区或阶段、采场及其 回采工序在空间上的分布比较复杂，在三维状态下进行模拟，将难以清晰地表达 其施工状态，因此本系统采用平面表达模式。 16.2.2.6 模拟过程初始化模块 第一次模拟前，需要指定采场的初始状态，包括采场、这些采场已施工了哪 些工序、还需多长时间该工序将完成，以及该采场所属的类型等。这些信息记录 在当前模拟日回采采场及其状态数据表 CaichRec 中。 16.2.2.7 模拟结果可视化模块 模拟结果的可视表达体现在 2 个方面一是模拟过程中采场状态的可视化， 另一个是模拟结束后，用户在查阅历史记录时采场状态的可视化。对于第一种情 况，直接针对正在进行模拟的采场逐个即时显示其状态，对于第二种情况，则首 先根据欲回放查询的日期编号，提取出数据表 Datacchang 中该天施工的所有记 录，然后逐个采场显示其状态。 16.2.2.8 回采过程模拟功能模块 此模块是本系统的核心。其总体思想是以采场为中心、以时间为主线，采 用时间步长法、以天为单位模拟各作业采场的施工情况，并计算其产量。 该模块涉及的数据表有 CaichRec、 Dateb、 Datecchang、 SeqOfcaich、 Caichang、 Csgyscfc。对前三个表有数据的读出和写入操作。其中，数据表 CaichRec 记录某 “模拟日”的数据，Dateb 和 Datecchang 等 2 个数据表则记录过程数据。数据表 Datecchang 反映了模拟期内采场的时空变化， 是后续包括生产能力统计以及结构 稳定性分析的基础。对后三个表则主要是数据的读出和查找等，主要是为回采过 程模拟提供参数。该模块又由主控子模块、工序状态转变子模块、各工序继续作 业子模块等组成。 16.3 基于产量稳定性的回采方案优化及过程分析基于产量稳定性的回采方案优化及过程分析基于产量稳定性的回采方案优化及过程分析基于产量稳定性的回采方案优化及过程分析 16.2.1 回采过程模拟时各工序作业能力及作业时间的确定回采过程模拟时各工序作业能力及作业时间的确定回采过程模拟时各工序作业能力及作业时间的确定回采过程模拟时各工序作业能力及作业时间的确定 由于冬瓜山铜矿井下生产尚未大范围开展， 用于确定工序作业能力的样本数 据有限，因此各工序作业能力采用设计参数，由此得到的各工序作业时间见图 16-4图 16-6。 101102103104105106107108109110111112113114115116117118119 采场号 0 20 40 60 80 100 120 140 时 间 天 工序 底部采准工程 顶部采准工程 支护工程 中孔凿岩 大孔凿岩 中孔爆破 大孔爆破 充填 图 16-4 1盘区采场各工序作业时间分布图 201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223 采场号 0 50 100 150 200 250 时 间 天 工序 底部采准工程 顶部采准工程 支护工程 中孔凿岩 大孔凿岩 中孔爆破 大孔爆破 充填 图 16-5 2盘区采场各工序作业时间分布图 301302303304305306307308309310311312313314315316317318319320321322 采场号 0 30 60 90 120 150 时 间 天 工序 顶部采准工程 底部采准工程 支护工程 中孔凿岩 大孔凿岩 中孔爆破 大孔爆破 充填 图 16-6 3盘区采场各工序作业时间分布图 16.3.2 只回采矿房条件下的回采过程模拟及方案优化只回采矿房条件下的回采过程模拟及方案优化只回采矿房条件下的回采过程模拟及方案优化只回采矿房条件下的回采过程模拟及方案优化 冬瓜山铜矿充填系统的建设稍为滞后， 而日处理能力 1 万吨的新选厂业已建 成，正在进行工业试验，即将进入系统运行，为及早投产以补充上部老区矿量的 不足，一定时期将只对矿房进行回采。这里进行的模拟有 2 个主要目的。一是通 过模拟，了解和掌握不同回采顺序的实施效果，选定较优方案。二是通过研究， 确定较优回采顺序的确定原则，为矿房、矿柱同时回采时模拟方案的制定提供依 据和参考。 16.3.2.1 模拟方案 在仅回采矿房条件下，考虑 4 种模拟方案，其中方案一按采场“爆破总时 间”递增顺序进行回采，方案二反之，方案三按采场“爆破”之前诸工序累计作 业时间递增顺序进行回采，方案四反之，四个方案均为每个工序在 4 个采场进行 作业。 由于采场爆破之前的几个工序存在并行作业，因此，方案三和方案四在计算 累计作业时间时，分顶部和底部累计作业时间分别计算，并取最大值。 四个模拟方案的回采顺序如图 16-7图 16-10 中的曲线所示，箭尾指向稍后 作业的采场。 图 16-7 方案一回采顺序 图 16-8 方案二回采顺序 图 16-9 方案三回采顺序 图 16-10 方案四回采顺序 16.3.2.2 初始状态的规定 各方案均从指定顺序的前 4 个采场开始进行回采过程模拟， 并假定刚开始进 行底部和顶部采准工程的施工。 16.3.2.3 模拟结果分析 图 16-11图 16-14 为四个模拟方案的产量分布曲线。 图 16-11 方案一产量分布曲线图 图 16-12 方案二产量分布曲线图 图 16-13 方案三产量分布曲线图 图 16-14 方案四产量分布曲线图 可以看出，前三个方案自达产之日起，在一定时间内均存在产量起伏不稳的 现象，而方案四一旦达产，一直保持稳产状态，没有产量起伏的阶段。 表表表表 16-1 各方案相关模拟结果统计表各方案相关模拟结果统计表各方案相关模拟结果统计表各方案相关模拟结果统计表 形成产量 起始时间 d 达产 时间 d 稳产持 续时间 d 产量起伏 持续时间 d 方案一 129 183 678 39 方案二 167 192 684 24 方案三 135 152 699 49 方案四 157 189 711 0 表 16-1 进一步具体地说明了此结论。从快速形成产量看，四个方案的优劣 顺序依次为方案一、方案三、方案四、方案二。从产量起伏持续时间看，各方案 优劣顺序为方案四、方案二、方案一、方案三。从稳产持续时间看，各方案优劣 顺序依次为方案四、方案三、方案二、方案一。从达产时间看，优劣顺序为方案 三、方案一、方案四、方案二，但除方案三外，其他方案时间相差不大。 这里针对冬瓜山铜矿采用采矿方法的回采过程， 从回采顺序优化的角度进行 进一步分析。图 16-15、图 16-16 为大孔和中深孔采场的回采过程示意图。 1-底部出矿工程掘进；2-顶部凿岩充填工程掘进；3-巷道支护；4-拉底 层中深孔凿岩 5-大孔凿岩；6-拉底层爆破；7-大孔爆破；8-充填 图 16-15 大孔采场回采过程中各工序的关系 1-底部凿岩、出矿工程掘进；2-顶部充填工程掘进；3-巷道支护； 4-中深孔凿岩；6-中深孔爆破；8-充填 图 16-16 中深孔采场回采过程中各工序的关系 由图 16-15、图 16-16 所示的工序关系图可知，阶段空场嗣后充填法的回采 过程是一个多工序作业的问题，而且为达到产量的要求，通常是几个采场进行作 业如前文讨论的模拟方案。因此，在实际生产中，这种采矿方法回采顺序的确 定本质上属于一种更复杂的“多机、多工序并行作业”的最优化问题，关于这种 问题的研究一直是系统工程领域的一个研究热点，如蚂蚁算法、DNA 进化算法、 2 1 3 4 6 8 2 5 1 3 4 6 7 8 统 计 指 标 方案 案案案编 号 现代排队论等。但由于采矿工业相对制造业或其他行业更言，更显粗放，不确定 性、 随意性更大， 因此从理论上寻求一种严格的顺序优化和求解方法是比较困难， 在实践中也不是切实可行的。 对采用凿岩爆破工艺的金属矿山而言，无论采用哪一种采矿方法，其产量的 形成都是从采场爆破阶段开始的。如果以爆破工序为界将图 16-15、图 16-16 的 工序进行划分，并将爆破前并行作业的工序看作 1 个工序其时间为最长累计时 间，则可将整个过程简化为 2 个工序爆破前和爆破后含爆破。对于 2 工序 优化问题，在普通的最优化方法中给出了明确的求解方法，即将第一工序时间 最长的排在最前，时间最短的排在最后，这样就不会出现先期作业的采场施工已 经完成，而后期作业采场尚没有准备好，导致生产停顿、延长作业时间。 现在再来看看四个模拟方案的特征。由各方案的说明可知，方案四是按照最 优化方法的原理做出的排序，方案三则是其逆序，方案一、方案二是以“爆破时 间”为准则做出的，由于没有考虑前期工序的作业时间，事实上属于一种比较随 意的排序。由图 16-17图 16-22 中对应产量起伏时期的回采状态图可以看出，方 案一方案三均是在向作业时间长的采场转移的阶段出现产量起伏。至此，从理 论上就不难理解上述 4 个模拟方案出现的结果。 图16-17 方案一产量起伏起始日生产状态 图16-18 方案一产量起伏终止日生产状态 图16-19 方案二产量起伏起始日生产状态 图16-20 方案二产量起伏终止日生产状态 图16-21 方案三产量起伏起始日生产状态 图16-22 方案三产量起伏终止日生产状态 综合以上分析综合以上分析综合以上分析综合以上分析，，，，方案四效果最优方案四效果最优方案四效果最优方案四效果最优，，，，应是优先选用的回采方案应是优先选用的回采方案应是优先选用的回采方案应是优先选用的回采方案。。。。而方案四而方案四而方案四而方案四遵遵遵遵 循的排序原则循的排序原则循的排序原则循的排序原则，，，，也将作为冬瓜山矿回采顺序确定的主要准则也将作为冬瓜山矿回采顺序确定的主要准则也将作为冬瓜山矿回采顺序确定的主要准则也将作为冬瓜山矿回采顺序确定的主要准则。。。。 事实上，按照上述最优回采顺序确定原则排序后，在生产中将面临 2 种违背 上述原则的情况，一是盘区内由矿房向矿柱转移时，二是由一个盘区的矿柱向另 一个盘区的矿房转移时。虽然本节只考虑矿房的回采，第二种情况并不会出现， 但类似的情况是由一个盘区内的矿房向另一个盘区矿房的转移， 由方案四的模拟 结果可知， 此时并不会出现产量的起伏， 这正是因为相邻盘区间隔离矿柱的存在， 先采盘区内采场不会影响后采盘区采场的如期施工， 这也是将初步设计方案优化 为“盘区间暂设隔离矿柱方案”的另外一个优点。 这个问题在下一节的模拟中将 得到进一步的体现。 另外，这里需要补充说明 2 个问题。1由于“回采过程模拟软件”开发时 考虑了从采准到充填全部工序，本节模拟时采场的充填工序也得到了模拟，表面 上看这与本节主题似乎有些冲突只回采矿房、暂不充填，但从本质上讲并不矛 盾，因为产量形成阶段都在“充填工序”之前的“爆破工序”，即使模拟了“充 填工序”也不会影响模拟结果。2“回采过程模拟系统”计算产量时并没有考 虑采准工程的副产矿量，统计的只是爆破工序包括大孔采场的拉底和 2 类采场 的大爆破的产量。 16.3.3 矿矿矿矿房矿柱同时回采条件下的回采过程模拟及房矿柱同时回采条件下的回采过程模拟及房矿柱同时回采条件下的回采过程模拟及房矿柱同时回采条件下的回采过程模拟及工程对策工程对策工程对策工程对策 根据前文研究得到的回采顺序确定原则， 可以确定矿房矿柱同时回采条件下 的最优回采方案。然而由于矿房矿柱同时回采条件下，从第一步回采的矿房向第 二步回采的矿柱转移时，不可避免的出现与优化准则相矛盾的现象，因此，本节 将通过模拟找出产量起伏的时期、并提出相应的工程对策。 16.3.3.1 模拟方案和初始状态 按照三个盘区依次开采，先采矿房、后采矿柱、矿房/矿柱回采顺序均按前 节得到的最优顺序确定原则设置，即先采“爆破前累计作业时间”长的采场，后采 “爆破前累计作业时间”短的采场，具体回采顺序见图 16-23。同时 4 个采场作 业，模拟 900 天。初始状态与方案四相同。为便于第 16.4 节论述，这里称其为 “方案五”。 图 16-23 矿房矿柱同时回采条件下的采场回采顺序 16.3.3.2 模拟结果及工程对策 图 16-24 为矿房矿柱同时回采时模拟 900 天的产量分布曲线。由该图可知， 在第 189 天时，矿山生产开始达产，并持续到第 376 天。第 377 天第 437 天， 产量持续下降直至为 0。第 438 天第 506 天产量又开始持续上升，至第 507 天 再次进入达产、稳产状态，直至模拟结束。 图 16-24 矿房矿柱同时回采时产量分布曲线 图 16-25图 16-28 为第 377 天、 第 437 天、 第 438 天与第 506 天的回采状态。 不难看出，在第 377第 506 天的产量起伏期内，正是第一盘区内的矿房爆破出 矿进入尾声，向矿柱转移的阶段。从第 507 天开始，第一盘区首次开始有 4 个矿 柱105、107、109、115进入爆破出矿阶段。 图 16-25 第 377 天时生产状态 图 16-26 第 437 天时生产状态 图 16-27 第 438 天时生产状态 图 16-28 第 506 天时生产状态 由于遵照最优回采顺序确定原则， 矿房和矿柱均是按照先采爆破工序前累计 作业时间长的采场、再采时间短的采场的顺序进行的，在这个阶段内不难想象进 行作业的矿房的“爆破前累计时间”小于即将进行作业的矿柱的“爆破前累计时 间”，违背了最优顺序准则。因此，在三个盘区矿房/矿柱同时回采时，只是在第 一盘区矿房向矿柱转移阶段存在一个持续 100 余天的产量下降时间， 此后无论是 盘区间的转移、还是盘区内的转移，均不再出现类似的现象。 为此，建议生产阶段在第一盘区最后 4 个矿房开始作业时，提前进行矿柱的 作业，或在最后 4 个矿房进入尾声阶段时，增加相关前期工序的设备和班组，对 接替矿柱进行强化作业，确保其能够及早进入爆破阶段。 16.4 基于结构稳定性的回采方案优化及过程分析基于结构稳定性的回采方案优化及过程分析基于结构稳定性的回采方案优化及过程分析基于结构稳定性的回采方案优化及过程分析 上节中， 首先通过对“只回采矿房”条件下四个回采方案的模拟及其产量分 布的分析，一方面得到方案四为该条件下最优方案的结论，另一方面提出了冬瓜 山铜矿回采顺序确定原则。其次按照得到的“回采顺序确定原则”，设计了“矿 房矿柱同时回采”条件下的开采方案，对其回采过程进行了模拟，根据产量模拟 曲线，得到该方案实施过程中会出现产量起伏的阶段，分析了产生起伏现象的原 因，并给出了相应的工程处理措施。 本节将针对上述 2 个从“产量稳定性”方面得到的优化方案， 采用代数多重 网格有限元求解方法，从“结构稳定性”角度进行模拟分析。对第一个不充填条件 下的优化方案，通过结构稳定性分析，找出其应力、位移变化与分区规律，提出 矿山充填系统必须完备的最迟时间。 对第二个优化方案， 则通过结构稳定性分析， 确定需要采取相关支护措施的工程部位。 16.4.1 模拟方案和模拟步骤模拟方案和模拟步骤模拟方案和模拟步骤模拟方案和模拟步骤 结构稳定性分析时， 主要针对采场状态发生大变化的阶段进行称为“宏 观状态改变”，具体而言，就是指采场为空或进行了充填，它们对应于“回采过 程模拟系统”中的工序 7、工序 8即大孔与中深孔采场的大爆破工序，以及采场 的充填工序。 通过对上节“方案四”、“方案五”历史模拟数据的回放、统计和分析，找 出这 2 个方案执行过程中发生“宏观状态改变”的阶段， 以及发生这种改变时的 采场及其状态，整理后得到上述两方案进行结构稳定性模拟分析的“模拟步 骤”，见表 16-2、表 16-3。为便于行文，分别称之为方案一、方案二。 表表表表 16161616- - - -2 2 2 2 有限元分析方案一模拟步骤有限元分析方案一模拟步骤有限元分析方案一模拟步骤有限元分析方案一模拟步骤 步骤 开挖 充填 1 102、104、112、118 - 2 106、108、114、116 - 3 110、204、216、218 - 4 202、206、220 - 5 208、210 - 6 212、214、318 - 7 304、320 - 8 302、306、308 - 9 310、312、314、316 - 表表表表 16161616- - - -3 3 3 3 有限元分析方案二模拟步骤有限元分析方案二模拟步骤有限元分析方案二模拟步骤有限元分析方案二模拟步骤 步骤 开挖 充填 1 102、104、112、118 - 2 106、108、114、116 102、104、112、118 3 110 106、108、114、116 4 105、107、109、115 110 5 101、111、113、117 105、107、109、115 6 103、119、202 111、113、117 7 204、218、220 101、103、119 8 206、216 218、220 9 208、210 202、216 16.4.2 模拟分析模型和计算参数模拟分析模型和计算参数模拟分析模型和计算参数模拟分析模型和计算参数 在“回采过程模拟系统”中，运行“有限元”分析模块的“单元和节点提取 子模块”，得到用于有限元分析的前处理模型。该模型中规则六面体单元总数为 418470，其中栖霞组大理岩P1q的单元数为 196249、黄龙组大理岩C23的单元 数为32611、 石英闪长岩D3w的单元数为108090、 矽卡岩矿体的单元数为54030、 蛇纹岩矿体的单元数为 27490。节点总数为 486298。 计算参数涉及 2 方面的内容，一是模型所在区域的原岩应力，另一是相关岩 层和充填材料的力学参数。根据第二章原岩应力量测值，由线性插值得到各高程 间初始应力， 在矿体所在的主要开挖和充填区域， 第一主应力为35.7938.75MPa， 与采场长轴方向一致，第二主应力为 16.2718.25MPa，垂直采场长轴方向，第 三主应力为 13.3018.81MPa，接近垂直方向。力学参数根据室内实验进行工程 折减，见表 16-4。表中，“尾胶”和“尾砂”充填体的参数取自“冬瓜山铜矿采 场充填工艺阶段总结报告”。 模型取位移边界条件，其中前后、左右四个面上节点法向固定，即链杆支撑 方式，底面为固定端、顶面自由。 表表表表 16-4 计算岩体力学参数计算岩体力学参数计算岩体力学参数计算岩体力学参数 岩性 ρ g/cm3 E GPa t σ MPa C MPa φ 黄龙组大理岩 2.70 8.53 0.329 1.7 1.604 33.5 栖霞组大理岩 2.71 14.87 0.257 2.24 1.714 45.02 石英闪长岩 2.72 30.07 0.2644 2.78 2.75 45.9 含铜磁黄铁矿 3.97 34.32 0.2532 3.04 3.69 45.07 蛇纹石 3.30 10.55 0.22 2.102 2.323 49.64 尾胶充填体 2.02 1.20 0.28 0.45 0.40 33.00 尾砂充填体 1.90 0.60 0.04 0 0.24 26.00 16.4.3 模拟结果及其分析模拟结果及其分析模拟结果及其分析模拟结果及其分析 16.4.3.1 方案一 STEP1 结果分析 图6-29表明， 第一步开挖后在53线开挖采场周边岩体出现了一定的拉应力， 最大值达到 1.13Mpa。 图 16-29 方案一第一步开挖后 53 线剖面上的最小主应力分布 图 16-30 反映了出现拉应力的单元在空间位置上的分布及其量值。 可以看出 此时拉应力量值在 670.57Pa2.28MPa 之间， 主要分布在相应矿柱单号采场高度 图 16-30 方案一第一步开挖后拉应力集中区及其量值在空间上的分布 1.13E06 -4.14E06 -9.40E06 -1.47E07 -1.99E07 2.28E06 1.71E06 1.14E06 569953 670.57 2.28E06 1.71E06 1.14E06 569953 670.57 2.28E06 1.71E06 1.14E06 569953 670.57 2.28E06 1.71E06 1.14E06 569953 670.57 方向的中部区域，尤以 523矿柱内的拉应力集中区及程度最甚，与 524矿 房及隔离矿柱交接处个别部位拉应力达到最大值 2.28MPa，除此之外，拉应力大 多小于 1.0Mpa，拉应力小于区域内岩体的抗拉强度，不会导致岩体破坏。 由图 16-31 所示的最大主应力图可知，最大主应力在 0.56MPa67.8MPa 之 间，大多在 34MPa 内。开挖区周围地应力得到释放，压应力在 0.56MPa26MPa 范围内。 图 16-31 方案一第一步开挖后最大主应力集中区及其量值在空间上的分布 图 16-32 为 53 线剖面的竖向位移，图 16-33 为影响区内的竖向位移等值面 图。可以看出整个模型内的竖向位移在-6.42mm4.85cm 之间负值表示向下； 由于水平方向具有较大的地应力，在采场底板最大产生 4.85cm 的底鼓现象，在 开挖采场的顶板也存在 2mm 以内的上向位移；矿柱及其他区域则出现较小的下 向位移最大 6.42mm。 图 16-34 为影响区内的采场长轴及短轴方向水平位移等值面图， 可以看出长 轴 方 向 的 水 平 位 移 在 -4.74cm5.69cm 之 间 ， 短 轴 方 向 的 水 平 位 移 在 -4.59cm5.88cm 之间，但大部分区域的两个方向的水平位移在 4mm 和 7mm 左 右，较大的水平位移发生在矿柱的顶部和底部。整体上看，影响区内的水平位移 比垂直位移大，这正是由较大水平地应力所导致。 图 16-32 第一步开挖后 53 线剖面上的竖向位移图 0.0285 0.0204 0.0122 0.0040 -0.004 -5.63E05 -1.74E07 -3.42E07 -5.10E07 -6.78E07 图 16-33 方案一第一步开挖后竖向位移等值面图 图 16-34 方案一第一步开挖后采场长轴方向和短轴方向位移等值面图 16.4.3.2 方案一 STEP2 结果分析 图 16-35 为第二步开挖后 53 线剖面上竖向位移的分布，及相关的位移等值 面。可以看出，8 个采场回采后，区域内总位移在 2.22mm6.43cm 之间，竖向位 移在-9.69mm5.45cm 之间，在 53 线剖面上竖向位移在 4.88mm3.63cm 之间， 比步骤一有所增大。 由上至下、由左至右53 线剖面竖向位移等值图、竖向位移等值面、总位移等值面 图 16-35 方案一第二步开挖后位移分布图 由图 16-36 所示的拉应力分布图可知， 在回采矿房周边的矿柱和隔离矿柱内 出现了 0.61KPa2.61MPa 之间的拉应力，尤以 5215矿柱与 5214矿房交界处的 0.0485 0.0347 0.0210 0.0073 0.00642 0.0569 0.0309 0.0048 -0.021 -0.047 0.0588 0.0326 0.0064 -0.020 -0.050 0.0363 0.0260 0.0157 0.00541 -0.0049 0.0545 0.0385 0.0224 0.0064 -0.010 0.0643 0.0487 0.0332 0.0177 0.0022 拉应力集中程度最高，达到 2.61MPa，比第一步有所增大，但没超过含铜雌黄铁 矿体的抗拉强度。 上53 线剖面最小主应力分布；下拉应力集中区三维透视图 图 16-36 方案一第二步开挖后最小应力分布图 16.4.3.3 方案一 STEP3 结果分析 由左至右竖向、采场长轴方向、短轴方向 图 16-37 方案一第三步开挖后位移等值面图 第三步开挖后，位移在空间上的分布规律与第二步一致，但数量上有明显增 大的趋势。图 6-37 为此步的竖向及水平方向位移等值面。可以看出，竖向位移 在-1.27cm5.62cm 间、采场长轴方向水平位移在-5.69cm6.03cm 间、短轴方向 水平位移在-4.57cm6.83cm 之间。 由图 16-38 所示的最大主应力图可知，最大主应力在 0.38MPa73.6MPa 之 间，大多在 37MPa 内。开挖区周围压应力在 0.38MPa25MPa 范围内。 2.22E06 -4.09E06 -1.04E07 -1.67E07 -2.30E07 2.61E06 1.96E06 1.31E06 6.54E05 611 2.61E06 1.96E06 1.31E06 6.54E05 611 0.0562 0.0390 0.0217 0.0045 -0.013 0.0603 0.0310 0.0017 -0.028 -0.057 0.0683 0.0398 0.0113 -0.017 -0.046 图 16-38 方案一第三步开挖后最大主应力集中区及其量值在空间上的分布 上拉应力集中区透视图；下2 个剖面上的最小主应力分布 图 16-39 方案一第三步开挖后最小主应力分布图 至第三步时，在 5213矿柱高度方向中部与 5212矿房和相邻隔离矿柱的交 接部位将产生高达 2.47MPa 拉应力， 在 5214矿房底板将产生高达 2.23MPa 拉应 力见图 16-39。其中前者对应的岩体含铜磁黄铁矿，小于其抗拉强度 3.04MPa， 但后者对应的岩体为蛇纹岩，大于其抗拉强度 2.1MPa，可能导致小范围出矿工 程顶板的破坏。 16.4.3.4 方案一 STEP4 结果分析 由图 16-40 可以看出， 最大主应力在 0.26MPa90.9MPa 之间， 大多在 46MPa 内，开挖区周围压应力在 0.26MPa28MPa 范围内。 5213矿柱 5214矿房 -3.83E05 -1.87E07 -3.70E07 -5.53E07 -7.36E07 2.47E06 1.85E06 1.23E06 6.17E05 1.03E03 2.47E06 1.85E06 1.23E06 6.17E05 1.03E03 2.23E06 -3.14E06 -8.51E06 -1.39E07 -1.93E07 图 16-40 方案一第四步开挖后最大主应力集中区及其量值在空间上的分布 至第四步时，不仅 1盘区内所有矿房已经采毕，在 2盘区已有 7 个矿房得 到 大 面 积 开 采 ， 产 生 较 大 范 围 和 程 度 的 拉 应 力 集 中 区 ， 应 力 值 在 1.13KPa2.89MPa 之间，分布区主要在开挖矿房周边岩体内。 在 523矿柱与 522矿房和隔离矿柱交接部位、 543矿柱与 544矿房和隔离矿 柱交接处、545矿柱与 544矿房和隔离矿柱交接处产生较大范围的高达 2.66MPa2.89MPa 的拉应力， 超过蛇纹岩抗拉强度， 会引起矿柱和隔离矿柱的破 坏。 此外，在 544和 546矿房底板的位置亦将出现高达 2.66MPa 的拉应力，亦 超过蛇纹岩矿体抗拉强度，无疑会导致底部出矿巷道顶板的破坏，见图 16-41。 上拉应力集中区透视图；下2 个剖面上的最小主应力分布 图 16-41 方案一第四步开挖后最小主应力分布图 544矿房 546矿房 2.89E06 2.17E06 1.44E06 7.23E05 1.13E03 2.89E06 2.17E06 1.44E06 7.23E05 1.13E03 2.89E06 2.17E06 1.44E06 7.23E05 1.13E03 2.66E06 -5.38