千家坪釩礦采礦方法優化研究

鄧 飛，胡龍飛，朱 明，劉建偉 ，喻圓圓，羅福友

(1.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；2.蘭州有色冶金設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

千家坪釩礦礦體屬于厚大的層狀礦體，傾角范圍為65°～86°，屬于急傾斜礦體。礦體沿東西走向長約為2600m，礦體平均水平厚度為12.70m，平均品位V2O5為1.04%。礦體頂板巖石主要由白云巖組成。圍巖整體較穩固，但礦體穩固性較差。主要礦體位于當地侵蝕基準面以上，無較大工程環境地質問題。礦山采用水平扇形深孔階段礦房法。由于該法尚處研究階段，所以在礦山正式投產前，進一步完善采礦方法優化試驗研究，為千家坪釩礦安全高效的達產提供保障。

1 不同結構參數下采場穩定性數值模擬分析

由于礦體較規則，采場均沿走向布置，礦塊寬即為礦體厚度，因此影響采場穩定性的主要因素[1]有四個，分為頂底柱厚度、間柱寬度、階段高度及礦塊長度。本文對方案進行正交設計，正交方案表中每列各水平重復數相同，每兩列各不同的水平搭配出現的次數相同[2]，見表1、表2。

表1 正交因素

模型的模擬范圍東西長650m，南北寬300m，模擬開挖模型中部845m及其上下3個中段。礦柱、采場及礦體網格精度取5m，采場附近上盤圍巖網格精度取10m，遠離采場的上下盤巖體網格精度取20m，利用摩爾庫倫破壞準則來處理。限于篇幅，本文僅給出方案Ⅱ數值分析得出的圖片，分析對象主要為開挖前后頂底柱、頂板及間柱的應力、位移及塑性區分布規律等內容[3]。

表2 備選方案參數

1.1 應力分布規律

由圖1、圖2可看出，礦體開挖后采空區頂板及頂柱中央形成了等值應力跡線拱，靠近頂板或頂柱中央為拉應力，往上等值跡線拱徑遂漸變大，拉應力減小，最終變為壓應力，越往上拱徑越大且壓應力越大。

圖1 初始狀態下最大主應力σ3云圖(X=325m)

圖2 方案Ⅱ礦體開挖后最大主應力σ3云圖(X=325m)

圖3 方案Ⅱ礦體開挖后頂板最大拉應力分布

圖4 方案Ⅱ礦體開挖后間柱最大壓應力分布

1) 根據采場失穩機理，頂板所受的拉應力是影響采場穩定性的重要因素[4]。由計算結果可以看出，采場開挖以后，巖體原有的平衡狀態遭到破壞，頂板暴露面中央的巖層拉應力最大，上部中段頂板的最大拉應力一般大于下部中段。

2) 對于間柱：各方案間柱應力分布規律大致相似，最大壓應力主要分布于間柱和上盤圍巖同底柱的接觸角點，間柱同上下盤接觸的地帶應力大于間柱中間位置，底部中段間柱的應力明顯大于上部中段間柱應力。對于頂底柱：同頂板類似，空區上部頂柱形成了等值應力跡線拱，靠近中央為拉應力，愈往上拱徑愈大，拉應力愈小，最終變為壓應力，各中段最大壓應力一般出現在頂底柱同間柱或頂底板搭接處。無論頂底柱受到的最大拉應力還是壓應力，都較頂板及間柱要大。

以上九種方案，不能直接將得出的頂底柱的最大壓應力進行兩兩對比。本文對其進行正交極差分析，以確定其主要影響因素[5]。

由表3可看出階段高度對頂板底柱所受的最大拉應力影響作用是最大的，然后依次是頂底柱厚度，間柱寬度，礦塊長度。

1.2 位移分布分析

由位移分布圖(圖5～7)可看出，礦體開挖后，空區頂底板受應力作用，均向空區移動，造成頂板沉降，底板上鼓，在采空區周邊圍巖區域成位移等值線拱，離空區越近，拱徑越小，位移越大。對于頂板，出現最大沉降位移的區域一般位于整個采空區中部采場頂板中央。對于間柱，由靠近上盤圍巖側到靠近下盤圍巖側，位移值由負值逐漸向正值轉變，間柱受上下盤圍巖的共同作用向中部擠壓。對于頂底柱，空區上部中央部分由于受拉應力作用有一定的豎向沉降量，靠近底板處由于底板擠壓而有一定的上升位移。

表3 各因素對頂底柱最大壓應力影響的正交極差分析

圖5 方案Ⅱ礦體開挖后間柱垂直位移分布

圖6 方案Ⅱ礦體開挖后頂板垂直位移分布

圖7 方案Ⅱ礦體開挖后頂底柱垂直位移分布

綜上，同一方案中頂板和間柱的最大垂直沉降量相近，變化趨勢基本相同，間柱及頂底柱由于底板擠壓而產生的最大抬升量相近。各方案位移變化趨勢也基本相同，只頂底柱最大垂直沉降量這個指標數值遠大于其他指標。

通過正交極差分析可知各因素對頂底柱最大垂直沉降位移量的影響作用大小依次為：礦塊長度、頂底柱厚度、階段高度及間柱寬度。

1.3 塑性區分布規律

從圖8來看，各方案頂板均沒有出現塑性變形。塑性區主要集中分布于頂底柱及間柱上面，表明采場的可能失穩部位主要是頂底柱及間柱。通過觀測各方案礦柱的塑性區域可知，除方案Ⅲ頂底柱的塑性區上下貫通外，其余各方案的塑性區多呈零星狀小范圍出現。頂底柱出現塑性區的地方明顯多于間柱，頂底柱底部塑性區多位于與底盤圍巖交接處，頂底柱上部塑性區多為于中央或者靠近上盤圍巖的地方。

圖8 方案Ⅱ礦體開挖后礦柱塑性區域分布狀態

由表4可看出：礦房回采后，圍巖應力得到釋放，采場頂板及頂柱中央都出現了不同程度的拉應力，空區暴露面積越大，拉應力越大。對于間柱，最大壓應力主要分布于與上盤圍巖同底柱的接觸角點處，間柱同上下盤接觸的地帶應力大于間柱中間位置，底部中段間柱的應力明顯大于上部中段間柱應力。礦房開挖后，空區頂底板受應力作用，均向空區移動，造成頂板沉降，底板上鼓，離空區越近，位移越大。

通過對表4正交極差分析可知，各因素對頂板底柱所受的最大壓應力影響作用由大到小順序依次為階段高度、頂底柱厚度、間柱寬度、礦塊長度；對頂底柱最大垂直沉降位移量的影響作用依次為礦塊長度、頂底柱厚度、階段高度、間柱寬度；對塑性區體積大小的影響作用依次為頂底柱厚度、礦塊長度，階段高度，間柱寬度。據此，可看出頂底柱的厚度變化對采場關鍵部位的穩定性影響作用較強，間柱寬度的影響作用較弱。

表4 各方案塑性區體積

2 采場結構參數優化

2.1 評價指標體系的的建立

本次的決策目標是選取合理的采場結構參數，由于各方案使用的采礦方法相同，故工藝的復雜程度，炸藥單耗，鑿巖功效等優選采礦方法的指標基本相同，故不作為優選采場結構參數的評價參考指標，只考慮8個影響因素[6]:①安全指標：頂底柱最大壓應力、頂底柱最大垂直沉降量、塑性區分布情況(安全系數)；②技術指標：采場生產能力、礦石損失率、采切比、對原有巷道的利用情況；③經濟指標：采礦作業成本。

確定因素集{μ1，μ2，μ3，μ4，μ5，μ6，μ7，μ8}={頂底柱最大壓應力，頂底柱最大垂直沉降量，安全系數，采場生產能力，礦石損失率，采切比，對探礦巷道的利用情況，采礦作業成本}。

根據前文分析，方案Ⅲ為不安全方案，故以其他8個方案為評價對象，即X={X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8}={方案Ⅰ，方案Ⅱ，方案Ⅲ，方案Ⅳ，方案Ⅴ，方案Ⅵ，方案Ⅶ，方案Ⅷ，方案Ⅸ}。

2.2 指標權重的確定及評價指標值的量化

2.2.1 指標權重的確定

把每一個具有向下隸屬關系的元素做為判斷矩陣的第一個元素置于左上角，隸屬于它的各個元素依次排列在其后的第一行和第一列。假設當前層次上的因素為X1，X2，…，Xn，相關的上一層因素為Y，則針對因素Y，可對所有因素X1，X2，…，Xn進行兩兩比較，對其重要性程度按1～9賦值[7]，如果比為由此得判斷矩陣X，按定義

表5 判斷矩陣標度值及含義

矩陣的最大特征根λmax對應的標準化后的向量w=(w1,w2,…wn)中的w1,w2,…wn即為該層元素X1，X2，…，Xn對于上一層次相應元素Y的權值。

構造判斷矩陣時，受分析者個人知識及主觀經驗的限制，難免出現一定的誤差，為使判斷大體上一致，判斷結果盡可能完全符合實際狀況，必須對判斷矩陣的一致性進行檢驗[8]。檢驗公式如下所示。

式中：CI為致性指標；n為矩陣階數；CR為致性比例；RI為隨機一次性比例(取值見表6)。

當CR<0.1時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性，不需要調整。

依據上述方法，構建目標層對應于一級指標層(準則層)的判斷矩陣(表7)，二級指標層(子準則層)對應于一級指標層(準則層)的判斷矩陣(表8、表9)[9]。

表6 平均隨機一致性指標取值

表7 O-B 判斷矩陣

表8 B1-u 判斷矩陣

表9 B2-u判斷矩陣

表10 層次總排序表

由表10可得出組合權重向

W=(0.1465，0.0806，0.2662，0.0677，0.0701，0.0339，0.0240，0.3108)

對其進行總排序一致性檢驗

CI=0.0268×0.4934+0.0046×0.1958+0.0344×0.3108=0.0248

RI=0.58×0.4934+0.9×0.1958+0×0.3108=0.4624

CR=0.0248/0.4624=0.05<0.1，滿足一致性檢驗條件。

表11 定性指標9級標準賦值

2.2.2 指標值的確定

各方案對原探礦巷道的利用情況及頂底柱安全性兩指標采用9級標準對其進行賦值。對于其他定量指標，則以實際值為準。

為將頂底柱的安全性進行更好的描述，根據數值分析得出的塑性區變形情況，制定了表12。

表12 頂底柱安全性定性描述及定量標度

表13 綜合評價指標

2.2.3 構建隸屬度矩陣

上表中不同指標的單位不同，不具可比性，為此需對其進行無量綱化，以[0，1]之間的數值表示各指標值[10]。對收益性指標，以式(1)作為其隸屬度函數，對消耗性指標，以公式(2)作為其隸屬度函數。

(1)

(2)

式中：rij為j方案i指標的評判；ximin為i指標的下限值；ximax為i指標的上限值；d為極差,d=(Ximax-Xmin)/(1-0.1)。

由上可得隸屬度矩陣

R=

2.2.4 優選方案

以上計算得出的權重及隸屬度矩陣得綜合評判向量

B=W·R=(0.5291，0.6665，0.6454，0.5970，0.4105，0.5895，0.5033，0.3694)。

據上，可得八種方案的優劣次序為：方案Ⅱ→方案Ⅳ→方案Ⅴ→方案Ⅶ→方案Ⅰ→方案Ⅷ→方案Ⅵ→方案Ⅸ。最終得出了最佳方案為方案Ⅱ，其具體參數為間柱寬6m、頂底柱厚10m、階段高50m、礦塊長50m。

3 結論

本文應用正交試驗理論，構建了千家坪釩礦九種采場結構參數組合方案，通過FLAC3D數值模擬，掌握了各方案的應力、位移、塑性區分布規律。經正交極差分析發現，頂底柱的厚度變化對采場關鍵部位的穩定性影響作用較強，而間柱寬度的影響作用較弱。基于以上分析，建立了該礦采場結構參數綜合評判模型，分析得出了對本礦采場結構參數有影響作用的重要指標，通過層次分析法獲得了各指標權值，并對各可行方案進行模糊綜合評價，最終得出采場穩定最優方案：間柱寬10m，頂底柱厚6m，階段高50m，礦塊長50m。

[1] 鄧代強,姚中亮.復雜條件下礦體開采方法及采場頂板維護研究[J].礦業研究與開發,2006(1):9-10.

[2] 姚高輝,吳愛祥,王貽明,等.破碎圍巖條件下采場留存礦柱穩定性分析[J].北京科技大學學報,2011(4):400-405.

[3] 于德海,彭建兵,臧士勇,等.地下洞室動態開挖的三維數值分析及優化研究[J].工程地質學報,2005(4):502-507.

[4] 劉培正,張傳信,胡永泉,等.厚大礦體分段空場嗣后充填采場結構參數優化研究[J].金屬礦山,2009(11):10-13，123.

[5] 尹升華,吳愛祥,李希雯.礦柱穩定性影響因素敏感性正交極差分析[J].煤炭學報,2012(S1):48-52.

[6] 任紅崗,譚卓英,蔡學峰,等.分段空場嗣后充填法采場結構參數AHP-Fuzzy優化[J].北京科技大學學報,2010(11):1383-1387.

[7] 陳沅江,尹進.基于AHP-TOPSIS的采礦方法優化[J].科技導報,2013(7):57-60.

[8] 劉玉龍,丁德馨,李廣悅,等.層次分析法在鈾礦山采礦方法優化選擇中的應用[J].礦業研究與開發,2011(6):8-10，112.

[9] 韓峰,盛建龍.模糊數學在采礦方法選擇中的應用[J].有色金屬：礦山部分,2011(5):75-78.

[10] 劉加冬,陸文,路洪斌.淺談采礦方法的優化選擇[J].化工礦物與加工,2009(1):25-27.

二氧化碳地質儲存鎖定15處目標靶區

中國地質調查局水環地調中心《重點地區二氧化碳地質儲存適宜性與選址調查評價》項目組日前全面完成2013年度工作任務，在四川盆地和鄂爾多斯盆地共初選出15處目標靶區。

該項目2013年度共完成了1∶10萬遙感解譯6000km2，1∶10萬綜合地質調查3000km，可控源音頻大地電磁測深300點，建立了目標靶區級評價指標體系和方法，探索了場地選址調查評價方法，總結了低孔低滲克拉通型盆地潛力與適宜性評價流程。

該項目確定了四川盆地的川中平緩褶皺帶、鄂爾多斯盆地的天環凹陷和伊陜斜坡為適宜儲存二氧化碳區塊。針對重慶碳源區在川中地區初選出了目標靶區3處，靶區均為平緩背斜構造，斷層不發育，斷距多小于50m，封堵性較好。儲集層系主要集中在須家河組須2、須4、須6段的水下分流河道、河口壩垂向疊置的巨厚砂體儲層中以及雷口坡組1段、嘉陵江組2段巖溶斜坡帶的碳酸鹽巖孔隙-裂縫性儲層中。針對寧東、榆林、慶陽、延安、鄂爾多斯工業區的碳源初選出了目標靶區12處，靶區均為巖性圈閉構造，面積400～16000km2。儲集層系主要分布在奧陶系古巖溶系統的碳酸鹽巖儲層以及二疊系山西組砂巖、石盒子組砂巖以及三疊系的延長組砂巖中。