不同地質條件下的采場結構參數優化

羊羽翔 付建新 宋衛東

(北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

不同地質條件下的采場結構參數優化

羊羽翔 付建新 宋衛東

(北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

為了確定不同地質條件下較為合理的采場結構參數，采用理論計算與數值模擬相結合的方法，對不同礦巖穩定性條件下的采場跨度進行選擇與優化。以程潮鐵礦西區作為研究的工程背景，采用簡支梁理論、礦房寬度計算公式對合理跨度與臨界跨度進行了計算，并通過FLAC3D數值模擬軟件對不同跨度參數的采場穩定性進行了分析。結果表明：礦巖條件為穩固、中等穩固、穩固性較差時的礦房合理跨度分別為18.87、14.93、8.08 m。多礦房回采，位移及拉應力的最大值通常出現在區域中間部位，且礦房跨度的增加極易引起開采區域最大沉降值的迅速增加。礦柱頂板沉降值對礦房跨度也非常敏感。數值模擬結果與理論計算值相符，這表明數值模擬能很好地反映地下開采的真實狀態，為采場結構參數確定提供依據。

采場跨度 數值模擬 地質條件 最小主應力 塑性區

對于礦山實際回采工作而言，合理的采場參數需根據不同礦山的不同開采條件來確定，但即使在同一礦山的開采范圍內，也存在著不盡相同的地質條件，因此同一礦山不同開采區域內的采場參數也不能一概而論。合理的采場參數有利于提高采礦效率，而采場參數過大則會帶來安全隱患。

針對采場合理跨度的選擇前人做了很多研究，在合理跨度的理論計算方面，結構力學和材料力學中的梁理論[1]將采區看作巖梁，計算時將其簡化為平面彈性力學問題，從而可以計算出采場最大允許的跨度。根據普通房柱法礦房寬度的計算公式[2]也能算出礦房的合理寬度。

在數值模擬實際開采的研究中，主要使用的方法有有限單元法、離散單元法以及有限差分法等等。唐巨鵬等人[3]通過ansys軟件建立煤礦的開采模型，計算了地表沉陷曲線和最大沉陷位置，指出了隨開采推進沉陷位移和影響范圍。付建新等人[4-7]通過FLAC3D軟件模擬了礦山回采過程，分析了開采過程中的地壓問題，確定了合理的采場布置及開采順序。

本研究以程潮鐵礦西區作為研究的工程背景，在已有礦巖穩定性分級的成果上，考慮將程潮西區礦巖體劃分為好、一般、較差3種分類，并分別進行礦房礦柱合理跨度的設計。首先運用簡支梁理論以及礦房寬度計算公式計算得出不同地質條件下礦房礦柱的最大允許跨度，接著運用FLAC3D數值模擬軟件分析采區內的拉應力、頂板位移以及塑性區分布的情況，對所選定的采場參數進行優化，以理論力學研究與數值模擬分析相結合的方式，確定程潮鐵礦西區不同地質條件下適宜的采場跨度參數。

1 采場允許跨度理論分析

1.1 礦區概況及及礦巖穩定性評價

程潮鐵礦是國內特大型的金屬礦山，在-500 m水平以上采用分段高度17.5 m，進路間距15 m的無底柱分段崩落法進行開采，在轉入-500 m以下開采后考慮采用分段空場嗣后充填法進行開采，在使用充填法試采的5采場中，采用了礦房寬度13 m，礦柱寬度7 m的采場布置參數，由于礦柱較窄而開采形成的空區較大，出現了地壓顯現，錨噴支護層出現開裂、脫落等不安全現象。因此確定合適的采場參數顯得尤為重要，將直接影響到采礦的效率與安全。

RMR分類方法主要以巖體的單軸抗壓強度、巖芯質量指標RQD值、節理間距、節理條件、地下水情況等5個指標作為評判的依據，將巖體劃分為非常好的巖體、好巖體、一般巖體、不好的巖體、非常不好的巖體5類，程潮鐵礦各巖體的具體分類情況見表1。

表1 主要礦巖穩定性分類結果

由表1可知，總體圍巖處在中等穩固到穩固，對于具體礦段應根據實際情況分析。

1.2 不同地質條件下采場跨度理論計算

由地質條件的分析可知西區礦石的穩固性較好，上下盤圍巖的穩固性有一定差別。根據這些巖性分級的情況，考慮設計3個方案對不同礦巖穩定性條件及采場結構參數條件下的采場圍巖破壞情況進行研究。方案Ⅰ為礦體穩固，上下盤圍巖穩固性較差，考慮上下盤圍巖為蝕變矽卡巖、綠泥石化閃長巖。方案Ⅱ為礦體穩固，上下盤中等穩固，考慮上下盤巖體為鐵礦石、硬石膏、閃長玢巖。方案Ⅲ為礦體與上下盤圍巖都穩固，考慮上下盤圍巖為閃長巖、花崗巖、大理巖等。各方案的力學參數如表2所示。

表2 各方案力學參數

1.2.1 簡支梁理論

場頂板可假設為兩端簡支梁，根據材料力學，巖梁中性軸上、下表面上任意一點的應力為

(1)

式中，α為礦體傾角，(°)；l為巖梁跨度，m；h為巖梁高度，m；γ為巖體容重，kN/m3。

最大拉應力發生在x=L/2+htanα/6處巖梁中性軸的下表面，最大拉應力為

(2)

因此，頂板傾向的最大允許跨度為

(3)

頂板垂直走向的最大允許跨度為

(4)

式中,σt為巖體抗拉強度。

1.2.2 合理礦房礦柱寬度計算

對于階段空場嗣后充填法開采的采場，根據采場回采的安全保障及生產能力，可以確定礦房的寬度。在采場安全得到保障的情況下，礦房的寬度和高度越大，采場的生產能力也越大。礦房寬度計算式如下：

(5)

以方案Ⅲ為例，將H=500 m，γ=26.2 kN/m3，σt=4.1MPa代入式(5)中，可得階段嗣后充填采場的礦房寬度為L=18.87m。

由于礦柱相應參數一致，故礦柱合理寬度與礦房一致。

1.2.3 計算結果

將各方案的參數分別代入式(4)和式(5)，各方案的最大允許跨度見表3。

表3 各方案允許的空場跨度

從表3中可以看出，簡支梁理論所計算的結果是相應礦巖條件下的最大允許跨度，因而結果偏大，在實際應用中應以合理礦房寬度的計算結果為參考，最大不能超過簡支梁理論的計算結果。

2 采場跨度數值模擬分析優化

2.1 數值模擬方案設計與采場建模

為了研究不同采場結構參數條件下采場圍巖的破壞情況，驗證理論計算的合理性，且考慮到程潮西區大部分的礦巖條件與方案Ⅱ接近，故在方案Ⅱ的基礎上對應設計了3種數值模擬方案：方案1，礦房、礦柱寬度均為8 m；方案2，礦房礦柱寬度均為15 m；方案3，礦房、礦柱寬度均為18 m。

數值模擬的力學參數取值如表4所示。

表4 數值模擬力學參數取值

模型示意圖如圖1所示。本次模擬計算選取了3個礦房開采作為模擬對象，根據礦山生產的實際開采流程(圖1中1～9)，一個礦房開采結束并充填完畢后再進行下一個礦房的開采，同水平3個礦房依次開采，通過數值模擬分析圍巖的應力、位移、塑性區變化規律。

圖1 回采順序(單位：m)

2.2 采場穩定性分析

由圖2可知，開采結束后，礦房二監測點沉降值最大，而兩側的礦房一和三則相差較小。進行擬合可知，隨著開采的進行，礦房二監測點沉降值呈指數增加，而兩側的礦房一和三則呈現線性增加。從圖2中可以看出，多礦房回采，最終最大值通常出現在區域中間部位，且礦房跨度的增加極易引起開采區域最大沉降值的迅速增加。

圖2 各方案礦房最大沉降值

由圖3可知，礦柱頂板沉降值對礦房跨度非常敏感，隨著開采的進行，不同方案礦柱頂板監測點位移均呈指數增加，且礦柱二位移偏大。

圖3 各方案礦柱最大沉降值

由巖體的力學性質可知，巖體通常的抗拉強度比其抗壓強度要小許多，因此在最大主應力小于其抗壓強度的情況下主要考慮其最小主應力中是否出現了拉應力。圖4為不同開采方案結束后，3個礦房頂板最小主應力條形圖及其擬合曲線。由圖4可知，隨著跨度的增加，3個礦房頂板均出現了拉應力，且隨跨度增加而變大，不同區域的礦房增加規律不同，中間區域的礦房二則呈對數增加，兩側則呈多項式增加。對比可知，方案2中，礦房三的拉應力最小，說明此時對圍巖擾動規律較小。綜合來看，方案1最小主應力沒有明顯增加，之后開始出現較大程度增加。

由圖5可知，隨著跨度的增加，3個礦房開采并充填結束后中間礦柱處在塑性區的比例也就越大，即礦柱破壞也就越嚴重，最終回采并充填完畢后，圍巖的塑性區也就越大，尤其是開采區域的上方。圖5顯示，方案1僅僅出現少量塑性區，方案2塑性區比方案1有所增加，而方案3礦柱中破壞區域大大增加，出現了塑性區貫通的破壞狀態，造成后面回采礦柱時難度大大增加，因此不宜采用。

圖4 各方案頂板拉應力值

圖5 各方案塑性區示意

綜合方案1、2及3，考慮程潮西區大部分區域礦巖穩定性較好，屬于方案Ⅱ所描述的地質類型，最終確定方案2為最優方案，符合理論計算的結果。現場可根據實際地質情況，靈活調整參數，但最大不宜超過18 m。

3 結 論

(1)通過程潮西區礦巖穩定性分級結果將礦區地質條件歸納為3種方案，并根據簡支梁理論與礦房寬度計算公式計算了各方案的礦房最大允許跨度以及合理跨度。礦巖條件穩固時礦房合理跨度為18.87 m，最大允許跨度為30.22 m；礦巖條件中等穩固時礦房合理跨度為14.93 m，最大允許跨度為26.93 m；礦巖條件穩固性較差時礦房合理跨度為8.08 m，最大允許跨度為15.93 m。

(2)從數值模擬的結果來看，多礦房回采，最終位移的最大值以及拉應力的最大值通常出現在區域中間部位，且礦房跨度的增加極易引起開采區域最大沉降值的迅速增加。礦柱頂板沉降值對礦房跨度也非常敏感。由塑性區可知，隨著礦房跨度的增加，塑性區也不斷增加，直至方案3礦柱中破壞區域出現了塑性區貫通的破壞狀態，說明方案3不宜采用。

(3)對比數值模擬與理論計算的結果可知，方案3礦房跨度18 m過大，產生了塑性區貫通破壞，而方案1礦房跨度8 m則影響實際生產的效率與開采成本，15 m的礦房跨度即方案2為3個方案中的最優方案，這與理論計算的合理跨度14.93 m相符。

(4)數值模擬相對于理論計算考慮的因素更多，結果更加直觀，而理論計算則可以確定計算結果的大方向，使數值計算的結果不至于偏離實際，因此理論計算結合數值模擬來確定礦塊參數提高了結果的可信度，更加接近工程實際。

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(責任編輯 石海林)

Stope Structural Parameter Optimization under Different Geological Conditions

Yang Yuxiang Fu Jianxin Song Weidong

(SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

In order to determine the more reasonable stope structural parameters under different geological conditions,theoretical calculation and numerical simulation methods are adopted to select and optimize the stope width under different stability.With the western area of Chengchao Iron Mine as engineering background,the simply supported beam theory and the stope width calculation formula are used to calculate out the reasonable span and the critical span.And the stope stability under different stope width was analyzed by FLAC3Dsoftware.The results indicated that when rock keeps stable,moderately stable or less stable,the reasonable stope width needs to be 18.87 m,14.93 m and 8.08 m separately.In multi-stope mining,maximum displacement and tensile stress usually occurs in the middle of the area,and the increase of stope span can easily cause a rapid increase of maximum displacement.The subsidence of pillar roof also greatly impacted the stope span.The simulation results were consistent with the theoretical value,which indicates that the numerical simulation can well reflect the real state of underground mining,and provide the basis for determining stope structural parameters.

Stope width，Numerical simulation，Geological condition，Minimum principle stress，Plastic zone

2015-07-28

國家自然科學基金項目(編號：51274023， 51374033)。

羊羽翔(1991—)，男,碩士研究生。通訊作者 宋衛東(1966—)，男，教授，博士研究生導師。

TD853

A

1001-1250(2015)-10-029-04