大柳行金矿采场结构参数优化(1).pdf

４４采矿工程黄金ＧＯＬＤ２０１８年第３期／第３９卷大柳行金矿采场结构参数优化收稿日期２０１７－０８－１０；修回日期２０１８－０２－２０基金项目中国博士后科学基金面上项目（２０１５Ｍ５７０６０７）；重庆市基础科学与前沿技术研究专项一般项目（ｃｓｔｃ２０１６ｊｃｙｊＡ１８６１）作者简介李景波（１９７４），男，内蒙古通辽人，工程师，主要从事采矿技术研究工作；山东省蓬莱市登州路５３号，山东黄金金创集团有限公司大柳行金矿，２６５６００；Ｅ  ｍａｉｌ１５８２９８２２５０８＠ｑｑ．ｃｏｍ李景波１，张翼凤１，吴萱桥１，周佳琦２，徐壮飞２，彭康１，２（１．山东黄金金创集团有限公司；２．重庆大学资源及环境科学学院）摘要针对大柳行金矿进入深部开采，采矿方法变更为上向水平干式充填采矿法日益显现的生产能力不足，地压显现安全问题严重的严峻挑战，通过数值模拟方法，根据矿体赋存状况，建立了三维数值计算模型。依据正交试验的原则，选取９组试验，通过允许位移判据辅以应力判据对模拟结果进行评价。模拟试验结果表明，试验１和试验７的采场压力、位移量要明显优于其他试验方案。从安全及提高矿房生产效率角度分析，最终确定试验７作为最优采场结构参数，即矿房长度６０ｍ，阶段高度４０ｍ，底柱高度４ｍ。关键词深部开采；地压；上向水平干式充填采矿法；采场结构参数；数值模拟中图分类号ＴＤ８５３．３４文章编号１００１－１２７７（２０１８）０３－００４４－０４文献标志码Ａｄｏｉ１０．１１７９２／ｈｊ２０１８０３１０引言山东黄金金创集团有限公司蓬莱市大柳行金矿（下称“ 大柳行金矿” ）地处胶东半岛，北距蓬莱市４０ｋｍ，地理位置优越，资源优势明显。大柳行金矿为合理开发利用其资源优势，最大化延长矿山服务年限，对其采区进行扩界。扩界后，１０３－ ⅣＰ、１０３－ ⅣＬ和⑧ －１号为３个新探明的矿体。大柳行金矿扩界后开采深度由２００ｍ至－６００ｍ标高调整为３０６ｍ至－１０００ｍ标高，规划生产能力经论证由３．３万ｔ调整为９万ｔ。扩建后，大柳行金矿将逐渐进入深部开采，同时为促使其生产能力达到要求，不仅要提高生产效率，更要从采矿方法及其结构参数上着手进行优化改进，提升资源利用率，保障工人作业安全。其矿体多为０．２～２．０ｍ左右急倾斜极薄矿体，大部分矿体倾角大于５５，且厚度在０．８ｍ以下。目前，大柳行金矿主要采用上向水平干式充填采矿法进行回采，但经过一段时间的应用，因其采场结构设置较为保守，采场尺寸偏小，生产能力始终达不到预期要求。因此，本文通过数值模拟方法对该采矿方法采场结构参数进行优化分析［１－３］。１地质简况大柳行金矿区地层简单，仅见新生代第四系；构造发育，断裂构造控制了区内矿脉及矿体的分布；岩浆岩广布，主要有中生代郭家岭超单元及中生代燕山晚期的各种脉岩等，地表无大型水体。矿区内水文及工程地质条件简单。根据大柳行金矿资源储量报告［４］，矿区范围内共有② －Ⅰ、 ② －Ⅱ、１０３－ⅣＰ、１０３－ ⅣＬ、 ⑧ －１、１０３－Ⅰ和２０－Ⅰ号等７个矿体。其中， ② － Ⅰ、 ② － Ⅱ、 ⑧ －１号矿体，以及－６００ｍ标高以下１０３－ ⅣＰ号和１０３－ ⅣＬ号矿体为深部和外围新增资源储量。２采场结构参数优化目前，采场结构参数优化的研究手段主要以数值模拟方法为主［５－１１］，本文根据前期收集的大柳行金矿的地质条件等参数，对其采场结构参数进行数值模拟。由于大柳行金矿目前开采范围主要集中在距地表６００～１０００ｍ，因此选取距离地表１０００ｍ矿体进行工况模拟。２．１模型建立岩土工程实际工况复杂多变，因此模型建立时应遵循扬长避短，突出重点的原则，忽略一些次要因素，着眼于需要重点分析的因素。在建立模型时根据上向水平干式充填采矿法的实际情况，数值模拟时主要考虑以下相关内容矿房长度，阶段高度和底柱高度。在模拟采场结构参数时，作以下假设１）岩体为连续介质，且各向同性。２）模拟过程中，忽略所有（如爆破震动等）因素的影响，仅考虑自重和地应力。３）忽略节理、裂隙和断层等地质因素对采场稳定性的影响。２０１８年第３期／第３９卷采矿工程４５４）井下巷道对采场影响忽略不计。为了能够如实地反映矿山实际工程状况，在数值模拟分析时需尽量对地质条件进行真实还原。但地质条件复杂，若要全部真实还原所有水文等地质情况极其困难，故需对矿体实际的赋存条件作一定的简化矿体倾角４５，矿体厚度１ｍ，埋深１０００～１２００ｍ。建立的模型以垂直矿体走向为ｘ轴，长度取３００ｍ，沿矿体走向为ｙ轴，长度取２００ｍ，垂直水平面方向为ｚ轴，沿ｚ轴取２００ｍ，模型上边界距地表１０００ｍ，建立的模型见图１。模型尺寸为３００ｍ２００ｍ２００ｍ，共８７０３个单元，１０２０７个节点。图１数值模拟结构图在进行不同工况模拟时，依据３因素３水平正交试验的原则，共选取９组试验，见表１、表２。表１采场结构参数因素水平水平因素矿房长度／ｍ阶段高度／ｍ底柱高度／ｍ１４０４０４２５０５０５３６０６０６表２试验顺序试验矿房长度／ｍ阶段高度／ｍ底柱高度／ｍ１４０４０４２４０５０５３４０６０６４５０４０４５５０５０５６５０６０６７６０４０４８６０５０５９６０６０６２．２岩石力学参数２．２．１地应力为使模型达到初始状态的平衡，需结合矿山实际地质情况与工程基础，对模型边界施加一定条件，生成地应力时，本文主要采用的是Ｓｅｅｍａｎｎ－Ｂｏｈｌｉｎ（Ｓ－Ｂ）法（快速应力法），见图２。其基本思路是模型四周不设任何位移条件，仅在模型外围施加地应力。模型表面，即最外层单元，其所受力可转化为节点力。假设单元右侧（见图２中的面１）临空，左侧（见图２中的面２）与模型内部剩余单元相连。若单元外部的地应力与上覆岩体的重量恒定，即应力边界条件恒定，应力将由节点向其他单元扩散，最终达到平衡。此时就相当于整个地应力已经施加到整个模型上。但由于位移边界未能设置，所以需要将平衡后各节点位移清零，否则将会产生较大位移。Ｆ节点力（Ｎ） σ 单元上的应力（ＭＰａ）图２计算域边界上的单元体模型中应力边界条件主要根据大柳行金矿地应力测量结果得到的地应力拟合公式，即 σ ｖ＝０．１１６３ｈ－９２．６８６（１） σ ｍａｘ＝０．０７８３ｈ－２０．５６９（２） σ ｍｉｎ＝０．０９１４ｈ－７２．２９０（３）式中 σ ｖ为垂直主应力（ＭＰａ）； σｍａｘ为最大水平主应力（ＭＰａ）； σ ｍｉｎ为最小水平主应力（ＭＰａ）；ｈ为埋深（ｍ），ｈ ≥９５０ｍ。２．２．２力学参数岩石力学参数主要以大柳行金矿前期进行的地质工程调查与岩石力学试验为依据，见表３。表３岩石力学参数类型体积模量／ＧＰａ切变模量／ＧＰａ内摩擦角／（）内聚力／ＭＰａ抗拉强度／ＭＰａ泊松比弹性模量／ＧＰａ上盘１１．７９．０４４．６７５．９４３．０１０．１９４２０．５１矿体５．６４．４３９．３２２．２３１．０９０．１８８１０．４７下盘１０．１７．８４４．３２５．３２２．５６０．１９４１８．５２充填体３．９２３．０８２４３．５６８１．０９０．１９４７．３２９在赋予模型材料参数后，以岩土力学中常用的摩尔－库仑强度准则作为岩体破坏准则，其破坏准则为ｆｓ＝ σ１－ σ３１＋ｓｉｎφ １－ｓｉｎφ －２Ｃ１＋ｓｉｎφ １－ｓｉｎ槡 φ （４）式中ｆｓ为剪切应力（ＭＰａ）； σ１为岩体最大主应力（ＭＰａ）； σ ３为岩体最小主应力（ＭＰａ）；Ｃ为岩体内聚力（ＭＰａ）； φ为岩体内摩擦角（）。４６采矿工程黄金２．３采场结构失稳判据采场的失稳经常伴随着非均匀、不连续、大位移的变形情况，因此很难找出一个能够准确描述采场失稳的判据。目前使用的岩体失稳判据多是以实测数据、岩石强度和容许位移量等形式给出的。采用实测数据时，常通过应力和位移等少数点的测量数据代替整个采场，极具片面性，因而该方法局限性较大。本文采用其他２种形式综合评判的方式，即岩石强度理论和容许位移量综合对采场岩体失稳情况进行判断，评判方案的优劣。２．３．１岩石强度理论岩石强度理论认为一旦岩石达到应力极限即发生破坏。然而试验证明，岩体在达到极限后的某区间内才发生失稳，而不会在达到峰值强度后立即失稳。然而实际情况常会随着控制岩石破坏的外界因素不同，岩石的破坏规律也会随之发生很大的改变，有时尽管岩体达到极限强度，却并未失稳或在未达到峰值强度时已经失稳。因此，岩石强度判据在本次研究中仅作为辅助判据进行判断。２．３．２容许位移量判据容许位移量常以采场顶板最大下沉量或底板底鼓量为标准，即通过采场周边围岩位移情况预测或判断是否出现采场失稳的情况。由地下采场开挖后不进行支护的类似条件实际经验可知１）２０ｍｍ位移及以下对岩体稳定几乎无影响。２）２０～６０ｍｍ位移岩体基本稳定。３）６０～１００ｍｍ位移存在潜在失稳的可能。４）１００ｍｍ以上则极易出现大变形位移，极有可能出现大规模破坏失稳情况。加载后模型的初始地应力云图见图３。图３初始地应力云图２．４应力分布规律矿体开挖后，采场上下盘均会出现拉应力，并在靠近顶底板处形成应力等值线，越是靠近顶底板中央，其应力拱径越小，拉应力越大；越是远离顶底板中央，其拱径越大，拉应力越小。在采场顶板与两帮交界处清晰可见应力集中现象，究其原因是岩体开挖导致原岩应力重新分布，原岩应力受到破坏，在这一过程中，顶板的岩层发生移动，使其中一部分重力分布到了采场周围未受扰动的岩体，使两帮产生了应力集中现象。顶板岩体在采场开挖释放应力后受自重影响，开始下沉变形，并在临空面形成水平方向的拉应力。底板岩体除卸压作用外，还受到了两侧岩体水平方向的挤压作用，极易在空区形成底鼓。试验２，７，９的应力云图见图４～６，顶底板最大应力见表４。图４试验２应力云图图５试验７应力云图图６试验９应力云图表４各试验方案顶底板最大应力统计结果试验１２３４５６７８９顶板最大应力／１０７Ｐａ２．３２２．２５２．８２２．５９２．７３２．８９２．３５２．５８２．６３底板最大应力／１０７Ｐａ３．３５３．２４３．４７３．８７３．７４３．５７３．３６３．４５３．２５２．５位移分布规律顶板位移越大，则发生采场冒顶的可能性就会越大，故顶板位移可作为衡量采场顶板稳定性的重要指标。试验方案的顶底板最大位移见表５，试验２，７，９的位移云图见图７～９。表５各试验方案顶底板最大位移统计结果试验１２３４５６７８９顶板最大位移／ｍｍ６５．４６７．４７３．５６５．４６９．８７４．０６５．２７０．４６８．６底板最大位移／ｍｍ４１．６４０．１５０．９４０．６３８．６３６．５４０．１３７．５３０．６２０１８年第３期／第３９卷采矿工程４７图７试验２位移云图图８试验７位移云图图９试验９位移云图根据９组正交试验结果，试验１和试验７的位移量要明显优于其他试验方案。但试验１的采场结构尺寸小于试验７。实际生产中，在允许条件下，采场结构尺寸越大，生产效率普遍会更高，尤其是在急倾斜极薄矿体中。试验７虽在应力上稍逊于试验１，但其位移情况要明显好于试验１。因此，最终选定试验７作为最优采场结构参数，即取矿房长度６０ｍ，阶段高度４０ｍ，底柱高度４ｍ。３结论通过对大柳行金矿矿体的采场结构参数进行９组正交试验，考虑到生产能力的要求，在应力判据差别不大的情况，选择试验７作为最优结构参数较为合理，即取矿房长度６０ｍ，阶段高度４０ｍ，底柱高度４ｍ。同时，经过一段时间的回采作业应用表明改进的采场结构参数科学合理，采场生产能力由３５ｔ／ｄ提高到４５ｔ／ｄ，矿石贫化率由９．６％降低至７．４％，采矿损失率由９．３％降低至６．７％。但在这里需要指出的是，由试验中位移情况可以清晰地看出在采掘活动中，由于处于深部开采，极高地应力带来的采场顶板压力显现十分明显，顶板下沉量较大，因此需要确保充填质量，以达到安全生产、控制地压的要求。［参考文献］［１］解世俊．金属矿床地下开采［Ｍ］．北京冶金工业出版社，１９８６．［２］杨智勇．急倾斜薄矿脉采场结构参数优化研究［Ｊ］．云南冶金，２０１５，４４（６）５－１０．［３］饶运章，何少博，陈辉，等．基于未确知测度理论的采矿方法优选［Ｊ］．中国矿业，２０１２，２１（增刊１）３３７－３４２．［４］山东省第六地质矿产勘察院．山东省蓬莱市奄口矿区金矿资源储量核实报告［Ｒ］．威海山东省第六地质矿产勘察院，２０１１．［５］甯瑜琳．深部缓倾斜薄矿体采场结构参数优化及采动沉陷特性研究［Ｄ］．长沙中南大学，２０１２．［６］马胜利．盘区上向水平分层干式充填采矿法在金矿脉开采中的应用［Ｊ］．矿业研究与开发，１９９６，１６（２）１５－１８．［７］胡际平．国外急倾斜极薄矿脉采矿方法的新发展及其借鉴意义［Ｊ］．黄金，１９９１，１２（２）１８－２４．［８］羊羽翔，付建新，宋卫东．不同地质条件下的采场结构参数优化［Ｊ］．金属矿山，２０１５（１０）２９－３２．［９］祝方才，刘丙肖，杨承祥．大型深埋硬岩矿山回采优化的数值模拟研究［Ｊ］．金属矿山，２０１４（８）１１－１４．［１０］韦敏康，周祥云．基于ＦＬＡＣ３Ｄ的铜坑矿采场结构参数优化［Ｊ］．采矿技术，２０１２，１２（５）４－６．［１１］马元军，胡毅夫，吴伟伟．急倾斜复杂矿体采场结构参数优化研究［Ｊ］．矿冶工程，２０１３，３３（２）２２－２６．ＳｔｕｄｙｏｎｓｔｏｐｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｎＤａｌｉｕｈａｎｇＧｏｌｄＭｉｎｅＬｉＪｉｎｇｂｏ１，ＺｈａｎｇＹｉｆｅｎｇ１，ＷｕＸｕａｎｑｉａｏ１，ＺｈｏｕＪｉａｑｉ２，ＸｕＺｈｕａｎｇｆｅｉ２，ＰｅｎｇＫａｎｇ１，２（１．ＳｈａｎｄｏｎｇＧｏｌｄＭｉｎｉｎｇ（Ｊｉｎｃｈｕａｎｇ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｓＤａｌｉｕｈａｎｇＧｏｌｄＭｉｎｅｇｏｅｓｉｎｔｏｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇ，ｔｈｅｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｉｔｉｎｔｏｔｈｅｕｐｗａｒｄｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｒｙｆｉｌｌｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｕｒｎｓｏｕｔｎｏｔｖｅｒｙｅｆｆｅｃｔｉｖｅｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｍａｋｅｓｇｒｏｕｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅａｓｅｒｉｏｕｓｓａｆｅｔｙｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｂｙｍｅａｎｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ３Ｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌａｃ  ｃｏｒｄｉｎｇｔｏｏｒｅｂｏｄｙｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｓｔａｔｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，９ｔｅｓｔｓｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄｂｙａｌｌｏｗａｂｌｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｒｉｔｅｒｉａａｎｄｓｔｒｅｓｓｃｒｉｔｅｒｉａ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｔｏｐｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｒｅｆａｒｂｅｔｔｅｒｆｏｒＮｏ．１ａｎｄ７ｔｅｓｔｓｔｈａｎｏｔｈｅｒｓ．Ｆｒｏｍｔｈｅｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｏｆｓａｆｅｔｙａｎｄｏｒｅｒｏｏｍｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，Ｔｅｓｔ７ｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄａｓｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｓｔｏｐｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｔｈａｔｉｓｏｒｅｒｏｏｍｌｅｎｇｔｈ６０ｍ，ｌｅｖｅｌｈｅｉｇｈｔ４０ｍａｎｄｓｉｌｌｐｉｌｌａｒｈｅｉｇｈｔ４ｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇ；ｇｒｏｕｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｕｐｗａｒｄｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｒｙｆｉｌｌｉｎｇｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｓｔｏｐｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅ  ｔｅｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（编辑张小瑞）