基于FLAC3D的二步采場結構參數優化及工程應用

劉志義 張麗春 趙國彥 任賀旭 盧宏建

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

基于FLAC3D的二步采場結構參數優化及工程應用

劉志義1張麗春1趙國彥2任賀旭1盧宏建1

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

為了保證三山島金礦二步采場的生產能力和開采安全性， 采用三維有限元方法對不同結構參數的二步采場開采穩定性進行分析，優選安全合理的采場參數。通過計算和分析不同結構參數的二步采場在開采過程中頂板和上盤圍巖的應力、位移變化特征，得出不同參數的采場穩定情況。結果表明：當采場高度為12 m時，頂板和上盤圍巖的拉應力和位移都較大，采場的穩定性較差；當采場寬度大于10 m時，頂板和上盤圍巖的拉應力和位移的變化率呈增長趨勢，采場穩定性逐漸變差。因此，建議二步采場寬度為10 m，高度10 m。將優化結果應用于工程實踐，表明該參數安全合理，保證了礦山安全高效開采。

二步采場 采場結構參數 有限元計算 工程應用

隨著國家對礦產資源的不斷需求及采礦技術的提高和先進設備的應用，很多礦山逐漸向大規模開采發展[1]。然而，大規模開采的采場在開采過程中暴露面積較大，加大了采場的危險性，與提高采場生產能力相矛盾，即采場的結構參數對采場的穩定性有直接影響作用。因此，選擇合理的采場結構參數對采場的生產能力和穩定性都有很大的影響[2]。

三山島金礦是我國首個瀕海大型地下開采礦山，礦體厚度變化較大，用盤區法回采一步礦房時生產能力較大，作業安全性較好。但回采二步礦房時，由于采場的應力集中、礦巖受爆破振動影響完整性遭受破壞、礦體強度的下降及兩側充填體強度低等使其穩定性大幅下降，礦塊作業安全性下降，回采強度大幅下降，難以適應公司對礦山增產擴能的需要。同時，采用目前的盤區分層充填采礦法開采時一次落礦量小，鏟運機出礦效率低；爆落礦石與充填面接觸次數較多，加大了礦石的損失貧化；膠結層較多，使水泥的耗量加大，增加了充填成本；同時采場支護次數較多，加大了支護工作量，增加了礦石開采成本，進而影響礦山的經濟效益。

因此，針對礦山二步采場礦石開采過程中存在的以上問題，結合國內外開采技術，改進二步采場開采方法，并對該二步采場的結構參數采用FLAC3D進行優化，提出合理的參數，并將該參數應用到工程實際中，為礦山安全高效生產提供支撐。

1 工程概況

三山島金礦床[3-5]是最早發現的破碎帶蝕變巖型特大型金礦床，即焦家式金礦床。礦石主要為含金黃鐵絹英巖及含金絹英巖化碎裂巖，自然類型為原生礦石。礦體主要賦存在黃鐵絹英巖化碎裂巖和黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖等蝕變巖內，裂隙不發育，巖石一般較完整。下盤為礦體，F1斷層面上斷層泥一般厚5～10 cm，靠近F1斷層的巖石破碎，節理、裂理較發育，工程揭露后易坍塌。礦巖穩固性系數f≥6，屬半堅硬巖石。西山礦區553#盤區采場礦體厚60～70 m，傾角40°左右。

根據礦體的開采技術條件，結合礦山對采場生產能力的要求，就二步采場存在的問題，設計采用預控頂中深孔上向鑿巖分段充填采礦法進行開采。該方法通過在二步采場底部的鑿巖巷道到達上盤，采用國內先進的中深孔鑿巖設備DL330-5進行鑿巖，同時在采場的頂部掘進切割巷道，對頂板進行預支護，待支護完成后，使用改性粒狀銨油炸藥、非電毫秒差導爆管、復式起爆系統起爆進行崩礦，每次爆破2～4排，后退式開采。

2 有限元模擬方案及模型

2.1 計算模型的建立

根據三山島金礦西山礦區553#盤區礦體的開采情況，礦體劃分為礦房礦柱，礦房采用上向分層充填法開采，采場采用水泥尾砂膠結充填，灰砂比1∶8，分層內充填澆面灰砂比1∶4～1∶6，厚0.3～0.5 m。礦柱采用預控頂中深孔上向鑿巖分段充填采礦法開采，采用灰砂比1∶20或非膠結尾砂充填。因此，模型分為5個部分，分別是上盤巖體、下盤巖體、采場頂板、采場礦體及采場底板，如圖1所示。模型中，x方向為礦體走向，y方向為礦體水平厚度方向即采場開挖方向，z方向為礦體豎直方向。

圖1 計算模型

2.2 有限元數值模擬計算方案

根據國內外礦山開采經驗可知，一般二步采場的寬度為8～12 m，采高根據設備的鑿巖能力一般為10～15 m。由于三山島金礦西山礦區礦體上盤為F1斷裂構造，巖體較為破碎，且結合礦山現有的設備二步采場參數范圍為寬8～12 m，高10～12 m。因此，本模型根據礦柱的不同寬度和高度對采場的頂板和上盤圍巖的應力、位移進行分析計算，優選出二步采場合理的開采結構參數，計算方案如表1所示。

表1 計算方案

Table 1 Calculation scheme

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2.3 模型計算力學參數

通過對三山島金礦西山礦區巖體工程地質調查、礦體取樣測試及充填體強度試驗，有限元計算中選取的材料力學參數如表2所示。

表2 巖體和充填體力學參數

3 計算結果分析

研究表明，二步采場頂板主要有2種破壞形式[6]：一是在上部荷載作用較大，頂板巖層由于變形過大而導致的基礎本身的垮塌破壞；二是開挖過程中頂板巖層出現了超過巖體極限抗拉強度的拉應力而導致的拉伸破壞。因此，本研究主要對不同結構參數的二步采場的頂板位移及應力變化進行分析，提出安全合理的采場結構參數。

3.1 采場頂底板應力應變分析

(1)應力分析。不同采場結構參數的應力計算結果如圖2所示。由圖2中可知：采場頂板的拉應力隨采場寬度的增加基本呈線性增長；采場高度為12 m時的拉應力明顯比高度為10 m時的要大，且當采場寬度為12 m時，拉應力幾乎接近1.8 MPa，即要超過采場礦體的抗拉強度。因此從安全性考慮，要適當降低采場的寬度和高度。

圖2 各方案采場頂板拉應力變化特征

由圖3可知：采場頂板的拉應力區域隨著寬度的增加而逐漸變大，且拉應力區域主要分布在采場頂板與上盤交匯處和采場的頂板中部；當采場高度為12 m時，采場的底板也逐漸出現了明顯的拉應力區。

圖3 采場頂板應力云圖

(2)位移分析。不同采場結構參數的頂板位移變化如圖4所示。由圖4中可知：采場頂板的沉降位移量隨著采場寬度的增加而不斷變大，且當寬度超過10 m時，位移變化率變大，即單位寬度的采場位移變化量變大；同時，采場高度為12 m時的位移量明顯比采場高度為10 m的大，且根據國內外礦山開采的工程實際經驗可知，當采場寬度較大時，若采場頂板的位移量接近或超過50 mm，則其自身穩定性較差。因此，從安全性考慮，建議采場高度選擇10 m。

不同采場結構參數的底板底鼓位移變化如圖5所示。由圖5可知：采場高度為12 m的采場底板底鼓比采場高度為10 m的位移量要大很多；采場底板底鼓位移量隨著采場寬度的增加而不斷增加，且當采高為12 m，寬度大于10 m時采場底板底鼓位移量變化率變大。

圖4 各方案采場頂板沉降位移變化特征

圖5 各方案采場底板底鼓位移變化特征

3.2 上盤圍巖應力應變分析

(1)應力分析。不同采場結構參數上盤圍巖應力變化計算結果如圖6所示。由圖6可知：采場高度為12 m時上盤圍巖拉應力比采場高度為10 m時的大；采場高度為12 m時上盤圍巖拉應力變化率比采場高度為10 m時的大，且變化較大，采場高為10 m時拉應力變化率較小且平穩；當采場高度為12 m時不同寬度的采場上盤圍巖的拉應力均大于上盤巖石的抗拉強度，即上盤巖石發生了破壞。

圖6 各方案上盤圍巖拉應力變化特征

由圖7可知：上盤圍巖應力區域隨著寬度的增加不斷擴大，拉應力區主要分布在上盤圍巖中部偏上；當采場高度為12 m時，拉應力分布區域明顯擴大，且與頂板相交匯基本交匯；當采場高度為10 m時，拉應力區分布相對較小，且主要分布在上盤圍巖中部偏上。因此，在生產中應在位置加強支護。

圖7 上盤圍巖應力云圖

(2)位移分析。不同采場結構參數上盤圍巖應力變化計算結果如圖8所示。由圖8可知：采場高度為12 m的采場上盤圍巖位移量比采場高度為10 m的大很多；當采場寬度大于10 m時，上盤圍巖位移變化率呈增長趨勢，且采高為12 m的增加率大于采高10 m的。

圖8 各方案上盤圍巖位移變化特征

綜上分析并結合強度理論判據和容許極限位移量判據，選取二步采場寬度為10 m、高度為10 m。

4 工程應用

將設計的二步采場結構參數應用到三山島金礦553#盤區7號采場。該采場位于1 550～1 650勘探線間，標高為-555～-510 m。采場礦體厚70 m，傾角40°左右。采場采用中深孔爆破開采技術進行開采。采用DL330-5鑿巖臺車鉆鑿上向扇形中深孔，孔距2.2 m，排距1.4 m，最大孔深8.5 m(含超深0.8 m)，最小孔深3.0 m，每排炮孔長3.0～8.5m，炮孔總長69.84 m，所有炮孔總長3 212.64 m。各排炮孔按扇形中深孔布置，如圖9所示。

圖9 排面扇形中深孔布置

所有炮孔裝散裝銨油炸藥，孔內全長鋪設導爆索。每排⑤、⑦、⑨號炮孔孔口不裝藥長度為2.2 m，其余炮孔孔口不裝藥長度為1.2 m，不裝藥炮孔與裝藥炮孔交錯布置。

爆破采用所有炮孔全長鋪設導爆索，各炮孔之間通過導爆索形成復式爆破網絡，如圖10所示。

圖10 爆破網絡

二步采場爆破結束后，其頂板較為穩定，局部頂板需要支護，兩幫充填體破壞程度較小，采場整個穩定性較好，如圖11所示。

綜上所述，二步采場寬10 m、高10 m的結構參數能有效保證采場生產能力和穩定性。

5 結 論

(1)該礦區二步采場的穩定性受采場高度的影響較為明顯，當采場高度為12 m時，采場頂板及上盤圍巖的應力、位移量均較大，且上盤圍巖產生的拉應力超出了圍巖自身的抗拉強度，采場穩定性較差；當采場寬度大于10 m時，采場頂板及上盤圍巖的應力、位移變化率呈增長趨勢，采場的穩定性較差。

圖11 爆破后采場

(2)建議礦山二步采場寬度選取10 m，高度選取10 m。將此優選參數應用到工程實際中，采場穩定性較好。采用中深孔爆破進行崩礦，采場兩側炮孔孔底不裝藥，可有效降低爆破對兩側充填體的損傷，降低采場礦石貧化率，保證采場的穩定性。

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(責任編輯 石海林)

Structural Parameters Optimization and Engineering Applicationof the Second-step Stope Based on FLAC3D

Liu Zhiyi1Zhang Lichun1Zhao Guoyan2Ren Hexu1Lu Hongjian1

(1.SchoolofMiningEngineering，NorthChinaUniversityofScienceandTechnology，Tangshan063009，China;2.SchoolofResourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

In order to ensure production capacity and mining safety of the second-step stope，3D-FEM was conducted to analyze the stability of the second-step stope with different structure parameters to select the safe and reasonable stope parameters.Stress and displacement of roof and hanging-side rock with different structure parameters were calculated and analyzed to judge the stability of the stope.Result showed that，the stress and displacement of roof and hanging-side rock was large when the height of the stope was 12 meter，and the stability of the stope was poor；the change rate of the stress and displacement of roof and hanging-side rock was a growing trend，and the stability of the stope was worse with width increase.So the safe and reasonable width and height of the second-step stope was 10meter.The results of the analysis applied to practical engineering showed that the parameters are safe and reasonable，and safe and efficient mining of the mine was guaranteed.

Second-step stope，Stope structural parameters，FEM simulation，Engineering application

2015-05-04

河北省自然科學基金項目(編號：E2014209093),華北理工大學青年基金項目(編號：Z201407)。

劉志義(1987—),男,助教,碩士。

TD853

A

1001-1250(2015)-10-006-05