上向進路充填采礦法采場結構參數優化研究

陳 燦

（銅陵有色設計研究院，安徽銅陵 244000）

上向進路充填采礦法采場結構參數優化研究

陳 燦

（銅陵有色設計研究院，安徽銅陵 244000）

采用MIDAS－GTS有限元軟件，以某礦山為背景，建立三維數值模型，對不同采場結構參數進行了模擬，并對模擬結果進行詳細分析，最終確定上向水平分層進路充填法采用進路規格3 m、長度為22 m的礦體結構，其為最優結構參數。

進路規格；數值模擬；三維模型

合理的地下采場結構參數是礦山進行高效生產的前提。傳統確定采場結構參數的方法主要有3種研究方法：相似材料模擬試驗方法、工程地質力學方法、力學理論分析法及數值模擬法［1］，傳統確定采場結構參數的方法有模型試驗及現場工業試驗，這些方法往往耗費了巨大資源，而且難以對各種回采方案下的參數進行對比分析研究。

MIDAS／GTS［2］是當前工程模擬軟件中采用最新技術的一種，它被廣泛地應用于巖土工程、隧道和橋梁工程等特殊結構的領域，它可以對十分復雜的幾何模型進行建模，模型具有可視化，十分直觀［3］。本文運用有限元軟件MIDAS－GTS數值分析軟件，建立三維立體模型，模擬上向水平進路分層充填法不同進路尺寸參數下，礦房拉應力、壓應力情況，從而確定合理的開采技術方案參數，給礦山實際生產提供指導。

1 礦山概況及采礦方案簡介

礦區圍巖蝕變主要有：石英巖化、硅化、絹云母化、碳酸鹽化。其中石英巖化、硅化與礦化關系密切，石英巖化與鎢礦化的正相關系尤為明顯。礦體形態受含礦構造裂隙組的影響，裂隙組發育較好的地方，礦體厚大而簡單；裂隙組不發育的地方，礦體尖滅側現、分支復合現象普遍。礦體傾向43°～111°，傾角17°～59°；傾向72°，傾角36°。

由于該礦區的半風化礦體受構造節理裂隙的影響，礦體易破碎，圍巖及礦體的穩固性很差，相對上向水平分層充填法，雖然成本較低，生產能力大，工藝簡單，可是其暴露面積相比較大，不能保證安全回采。下向水平分層進路充填法成本最高，構筑人工假底成本高，工藝復雜，生產能力低，最后從經濟、安全高效等幾方面綜合考慮，選用上向水平分層進路充填采礦法，其相關采礦方法如圖1所示。

2 三維模型的建立

2.1 基本假設

地下礦山的地質結構以及節理的分布相當復雜，影響采場穩定的因素很多，為保證計算結果可靠，在計算過程中必須做一些假設和簡化：

1.假定圍巖和礦巖的組成是各項同性的均質材料，且為理想的彈塑性體［4］。

2.由于充填材料的沉降性，因而充填體最終一般難以接頂，在計算中忽略此因素。

3.在計算中僅考慮地應力及重力的作用，忽略構造應力等對圍巖穩定性的影響。

2.2 巖體物理力學參數

本次模擬考慮到實際回采過程中，采用兩步回采礦體，即第一步先回采礦房，再進行尾砂膠結充填，第二步回采礦柱，再進行尾砂非膠結充填。因此，本次模擬根據礦區地質條件，選用5種力學模擬介質，即花崗巖、原生礦體、半分化礦體、膠結充填體、非膠結充填體。采用的礦巖物理力學參數見表1。

圖1 上向水平進路充填采礦法

表1 礦巖力學參數

2.3 模型建立及邊界條件

根據以下原則，建立數值模型：

1.深部地質情況復雜，需根據礦體產狀、回采礦體賦存深度、回采過程和采空區狀況，進行必要的簡化。

2.模擬的采空區高度即為回采過程中的最大采區高度3 m。

3.考慮到在實際回采過程中，上向水平分層充填進路法采用不同的結構參數，因此，模擬時，采用不同的采場跨度和長度的組合方式。

4.巖體開挖后，空區四周應力發生變化，一般認為其影響的范圍為空區的3～5倍，為保證模擬的準確性，本次模擬的模型尺寸取為空區的5倍［5～7］。

2.4 三維有限元模型建立

上向水平分層進路充填法，主要觀察頂板礦體和人工膠結礦柱的穩定性情況，必須保證其處于安全狀態下。因此，本次模擬與實際情況相符，模擬在16個礦房第一步回采同時開采及在第一步礦房回采膠結充填采空區后，16個礦柱同時回采。按照不同采場長度、跨度（進路寬度）建立4個模型（見表2），進行數值分析，以供擇優選擇。三維模型實體如圖2所示。

表2 進路充填法數值模擬參數結構

輸入各種材料的屬性，對實體的局部進行尺寸控制，使劃分的網格相對較小，這樣模擬的結果會更準確。然后進行實體網格劃分，整體網格劃分如圖3所示、礦體網格劃分如圖4所示。

3 數值模擬分析

圖2 三維模型實體圖

圖3 整體網格劃分圖

圖4 礦體網格劃分圖

合理的礦房、礦柱跨度，應能在充分保證采場穩定性的前提下，盡量提高采場生產能力、增大回收率、降低貧化率。上向水平進路采礦法在實際回采過程中，在第一步回采礦房及第二步膠結礦柱，回采礦柱的過程中，礦巖頂板容易發生崩落，因此，在數值模擬過程中，主要分析第一步回采礦房后頂板的受力狀況及在礦房已經膠結情況下，人工膠結礦柱的受力狀態。

對4種采場結構參數模型數值計算結果進行橫縱向對比。數值模擬各個結構參數下的應力情況如圖5～圖12所示，模擬結果匯總見表3。

圖5 礦體頂板最大拉應力圖（模型1）

圖6 礦體頂板最大壓應力圖（模型1）

圖7 進路充填體最大拉應力圖（模型1）

圖8 進路充填體最大壓應力圖（模型1）

圖9 礦體頂板最大拉應力圖（模型2）

圖10 礦體頂板最大壓應力圖（模型2）

圖11 進路充填體最大拉應力圖（模型2）

圖12 進路充填體最大壓應力圖（模型2）

表3 上向水平分層進路充填法模擬結果MPa

經過比較，總結出應力應變在4種進路參數結構下的變化規律：

1.各模型采場上盤圍巖頂板和礦體直接頂板上都出現了拉應力，上盤圍巖頂板的最大拉應力為1.43 MPa（4號模型）、但各模型上盤圍巖頂板和礦體直接頂板最大拉應力均未超過各自的抗拉強度，均處于相對穩定的狀態。

2.隨著進路跨度的增大、各個模型的礦體頂板的最大拉壓力逐漸增大，說明采場的穩定性與進路跨度成反比關系。從表3可以看出，當進路跨度分別為2.8m、3.0 m、3.5m、4.0 m時，相應礦體頂板拉應力為0.76 MPa、0.81 MPa、0.83 MPa、0.83 MPa。其跨度越大，拉應力越大，其對應的采場的穩定性越小。

3.從人工膠結礦房所受到的最大拉壓力可以看出，其最大值為0.009 MPa，此是因為膠結充填體自身材料有關，充填體所受到的強度較低，安全系數較高，完全滿足礦塊的第二步礦柱的回采強度。

4.人工膠結充填礦柱模型1和模型3的拉應力比其它的大，對于礦體頂板拉應力，模型4的比模型2的稍大，考慮到進路法是獨頭作業，光面爆破，該礦山常采用巷道斷面規格是3 m×3 m，施工技術較為成熟、管理較為方便。選定進路為3 m為最優采場結構參數，其長度為22 m。

4 結 論

1.礦體頂板及膠結充填體的最大拉應力是維持采場穩定性的關鍵因素，且頂板及膠結充填體的最大拉應力隨進路的暴露面積增大而呈逐漸增大的趨勢。

2.通過數值模擬研究，上向水平分層進路充填法采用進路跨度為3 m時，考慮經濟因素，其參數為礦體結構最優參數。

3.通過三維數值軟件MIDAS／GTS模擬采場回采過程中最危險的情況，得出最優的采場結構參數，可為同類礦山采場結構參數選擇提供一定的指導意義。

［1］ 王東華.上向分層全尾砂膠結充填法采場結構參數優化研究［D］.武漢：武漢理工大學，2014.

［2］ 盧洋，傅德勝，鄭關勝.基于MIDAS多層結構的構建與開發［J］.武漢理工大學學報，2004，28（1）：141－144.

［3］ CaiWen，Yang Chunyan，Wang Gaunghua.A new cross disciplineextenics［J］.Science Foundation in China，2005，（1）：55－61.

［4］ Fan Yunxiao，Luo Yun，Chen Qingshou.Extenicsmodel for evaluating vulnerable degree of regional sustaining hazard body［J］.Journal of China University of Geosciences，2004，（1）：116－118.

［5］ 王新民，鄢德波，柯愈賢，等.人工砼置換殘留礦柱采場結構參數優化［J］.廣西大學學報（自然科學版），2012，37（5）：985－989.

［6］ 易智.新橋硫鐵礦“三下”資源開采安全技術研究［D］.長沙：中南大學，2008.

［7］ 張學民，丁金剛，劉寶琛.豐山礦區充填開采過程的數值模擬研究［J］.金屬礦山，2007，367（1）：14－16，29.

The Structure Parameters Optim ization Research of the Intaking Cement Filling M ethod on a M ine

CHEN Can
（Tongling Nonferrous Design and Research Institute，Tongling 244000，China）

In this paper，it takes somemine as the background to establish three-dimensional numericalmodel，then to simulate in differentmine structure parameters，and the simulation results are analyzed in detail.Ultimately the upward horizontal cut and fillmethod adopts approach roads specifications 3 m and the length of 22 m as the structure parameters，which is proved to be the optimal structure parameters.

approach roads specifications；numerical simulation；three-dimensionalmodel

TD853.34

：A

：1003－5540（2014）05－0007－04

2014－08－05

陳 燦（1986－），男，助理工程師，主要從事采礦設計工作。