基于數(shù)值分析的中深孔爆破采場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

譚 軍，史秀志，陳佳耀

(1.深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦，廣東韶關(guān)市 512000；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

基于數(shù)值分析的中深孔爆破采場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

譚 軍1，史秀志2，陳佳耀2

(1.深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦，廣東韶關(guān)市 512000；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

針對(duì)凡口鉛鋅礦回采礦體過(guò)程中面臨的安全性問(wèn)題大、回采效率低、采礦成本高等問(wèn)題，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件FLAC3D及其自帶的匯編語(yǔ)言，對(duì)影響采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的長(zhǎng)度L、寬度D、高度H 3個(gè)基本變量進(jìn)行模擬組合，并結(jié)合安全系數(shù)等傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行空區(qū)關(guān)鍵點(diǎn)的位移、塑性區(qū)等情況統(tǒng)計(jì)，最終對(duì)井下多變量采場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行綜合分析，研究表明：位移值與L、D、H 3個(gè)參數(shù)均成非線性正相關(guān)，其中位移值最小對(duì)應(yīng)的參數(shù)是L＝20 m，D＝6 m，H＝6 m，最大值對(duì)應(yīng)的參數(shù)是L＝40 m，D＝10 m，H＝8 m，該參數(shù)下的安全系數(shù)F≥1.239；由塑性區(qū)面積與各參數(shù)的單因素分析得，參數(shù)值與塑性區(qū)的相關(guān)性大，其中模擬的最大參數(shù)對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)貫通現(xiàn)象明顯，需對(duì)局部圍巖性質(zhì)復(fù)雜地域進(jìn)行支護(hù)，以保證回采的安全；結(jié)合礦山機(jī)械化上向中深孔采礦法的實(shí)際，通過(guò)實(shí)測(cè)分析得出該采場(chǎng)回采過(guò)程中能保持相對(duì)較高的安全性和生產(chǎn)效率的結(jié)論，與模擬統(tǒng)計(jì)的結(jié)果相一致，具有相對(duì)較大的指導(dǎo)意義。

機(jī)械上向中深孔采礦法；結(jié)構(gòu)參數(shù)；數(shù)值模擬；位移監(jiān)測(cè)；塑性區(qū)

0 引 言

地下采礦過(guò)程中，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是長(zhǎng)期影響礦山規(guī)劃、生產(chǎn)連續(xù)性、產(chǎn)能效益的重要因素，也是礦山安全研究的重要課題之一。近年來(lái)，隨著采礦方法的豐富、設(shè)備的先進(jìn)，采場(chǎng)參數(shù)的綜合研究也成為了研究者關(guān)注的焦點(diǎn)，傳統(tǒng)的參數(shù)獲得常采用經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比或工程相似等原理[1]，該方法對(duì)于定量研究參數(shù)有很大的局限性，同時(shí)研究者的主觀選擇干預(yù)大，難以科學(xué)的分析問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家在采場(chǎng)參數(shù)等方面獲得了大量的研究成果。其中，鄧紅衛(wèi)[2]等利用正交設(shè)計(jì)和滿意度評(píng)價(jià)等綜合研究采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響；王洪武[3]等就采場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出一種關(guān)于正交有限元-模糊可靠度-遺傳算法的綜合研究方法；王新民[4]等通過(guò)采用層次分析及模糊數(shù)學(xué)(FAHP)的綜合理論對(duì)影響采場(chǎng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、定量、定性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。以上的分析雖明顯優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法，但在研究過(guò)程中沒(méi)有直觀反映出采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化引起的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D等信息，對(duì)相關(guān)關(guān)系的函數(shù)圖像研究較少。

采場(chǎng)穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)最直觀準(zhǔn)確的指標(biāo)，本文根據(jù)凡口鉛鋅礦盤(pán)區(qū)機(jī)械化上向中深孔爆破嗣后充填采礦法的實(shí)際情況，利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)凡口鉛鋅礦井下采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，該方法對(duì)于直觀的模擬真實(shí)采場(chǎng)的穩(wěn)定性特征有巨大的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合模擬過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行采場(chǎng)參數(shù)的評(píng)價(jià)，該研究對(duì)于仿真研究有重要的指導(dǎo)意義[5-8]。

1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與數(shù)值模擬

1.1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

凡口鉛鋅礦為提高采場(chǎng)生產(chǎn)能力，采用盤(pán)區(qū)機(jī)械化上向中深孔爆破嗣后充填采礦法進(jìn)行回采，利用鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行上向打孔，采用切割槽作為自由面進(jìn)行側(cè)向崩礦，機(jī)械化水平高，如圖1所示。

隨著礦山的不斷發(fā)展，大量的采準(zhǔn)設(shè)計(jì)需要持續(xù)進(jìn)行，為加快工程進(jìn)度，提高生產(chǎn)效率，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)需要進(jìn)一步的摸索和改進(jìn)，本文對(duì)采場(chǎng)的長(zhǎng)、寬、高3個(gè)主要因素進(jìn)行數(shù)值模擬研究，由于采場(chǎng)的常規(guī)寬度受到礦山規(guī)劃的影響，預(yù)設(shè)采場(chǎng)寬度D＝6，8，10 m，長(zhǎng)度L＝20，30，40 m做研究；高度H由于受到設(shè)備等限制，采用H＝6，7，8 m。通過(guò)取值的相互協(xié)調(diào)進(jìn)行模擬數(shù)組的確定。

圖1 盤(pán)區(qū)機(jī)械化上向中深孔爆破嗣后充填采礦法示意

1.2 采場(chǎng)模型的建立

根據(jù)表1提供的參數(shù)建立采場(chǎng)模型，見(jiàn)圖2，模型共包含54390個(gè)單元，32100個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)Y方向進(jìn)行全約束，X方向不約束，Z方向在模型的頂?shù)撞咳s束以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型形狀的保持。模擬過(guò)程中通過(guò)最大不平衡率判定系統(tǒng)平衡狀態(tài)，并利用多步驟的模擬分析采場(chǎng)開(kāi)挖狀態(tài)，并采用history write命令對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、提取和篩選[9]。

表1 凡口鉛鋅礦巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖2 采場(chǎng)模型

對(duì)采場(chǎng)的長(zhǎng)、寬、高進(jìn)行綜合研究分析，設(shè)計(jì)模擬步驟主要包括2步驟：沿著模型長(zhǎng)度方向開(kāi)挖，在中間進(jìn)行巷道的掘進(jìn)和采場(chǎng)的劃分；利用后退式采礦技術(shù)，對(duì)不同長(zhǎng)度的采場(chǎng)進(jìn)行10 m為單位的回采，同時(shí)進(jìn)行寬度方向上2 m為單位的延伸，以及高度方向上2 m為單位的延伸。

2 模擬計(jì)算及數(shù)據(jù)分析

2.1 位移分析

通過(guò)模擬9組不同采場(chǎng)參數(shù)條件下的采場(chǎng)模型，通過(guò)監(jiān)測(cè)采場(chǎng)中心點(diǎn)的豎向變形量，同時(shí)應(yīng)用FLAC3D自帶fish語(yǔ)言進(jìn)行安全系數(shù)的統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。在9組試驗(yàn)中，位移最小對(duì)應(yīng)的采場(chǎng)參數(shù)是L＝20 m，D＝6 m，H＝6 m，位移量為2.31 mm，該采場(chǎng)參數(shù)下的安全系數(shù)較高，能保證回采過(guò)程中的絕對(duì)安全。位移最小對(duì)應(yīng)的參數(shù)數(shù)組是L＝40 m，D＝10 m，H＝8 m，位移值為9.13 mm，該參數(shù)下的安全系數(shù)相對(duì)較小，應(yīng)進(jìn)一步分析該條件下的安全性。就單因素分析而言，長(zhǎng)度L與豎向位移存在非線性正相關(guān)關(guān)系，與安全系數(shù)成反函數(shù)關(guān)系；豎向位移值隨著寬度D的增加而增大，安全系數(shù)始終和位移值成反函數(shù)關(guān)系，高度H與位移值呈現(xiàn)非線性增函數(shù)關(guān)系。

表2 不同參數(shù)下的采場(chǎng)模擬位移、安全系數(shù)及塑性區(qū)情況

圖3表示在其他參數(shù)均相同的情況下，不同采場(chǎng)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的等值位移云圖。圖3顯示，等值位移曲線呈現(xiàn)弧形，在采空區(qū)中間位置附近會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較大值，符合監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的常規(guī)原則，不同的采場(chǎng)規(guī)模對(duì)應(yīng)的弧形弧度不同，且在中心點(diǎn)的位移值差異較大。

2.2 塑性區(qū)分析

為進(jìn)一步研究采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響，通過(guò)FLAC3D匯編語(yǔ)言進(jìn)行塑性區(qū)中間截面面積的計(jì)算，對(duì)沿著長(zhǎng)度方向的采場(chǎng)塑性區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將結(jié)果匯總于表3。根據(jù)結(jié)果，在L＝20 m，D＝6 m，H

＝6 m對(duì)應(yīng)的采場(chǎng)規(guī)模下，塑性區(qū)面積量較小，為50.74 m2，證明在該條件下的采場(chǎng)穩(wěn)定性較好，塑性區(qū)分布少，從安全角度上能夠得到滿意值；在L＝40 m，D＝10 m，H＝8 m對(duì)應(yīng)的采場(chǎng)規(guī)模下，塑性區(qū)面積達(dá)到134.93 m2，塑性區(qū)圖顯示，在該條件下塑性區(qū)局部貫通，安全性相對(duì)較差，在圍巖復(fù)雜地域需進(jìn)行局部支護(hù)，以保證回采過(guò)程中的安全。

圖3 不同采場(chǎng)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的位移等值云圖

為分析單因素對(duì)塑性區(qū)的影響，本文僅對(duì)不同采場(chǎng)寬度下的塑性區(qū)情況進(jìn)行示例，如圖4所示。該圖可以直觀定性的分析出塑性區(qū)面積情況，在其他參數(shù)保持不變的情況下，采場(chǎng)寬度D越大，塑性區(qū)面積不斷增大。在D＝8 m時(shí)，塑性區(qū)局部貫通，包括采場(chǎng)進(jìn)路及對(duì)應(yīng)的平巷位置均有不同程度的塑性區(qū)分布。

圖4 不同采場(chǎng)寬度對(duì)應(yīng)的位移等值云圖

3 工程實(shí)例

凡口鉛鋅礦-280 m中段83-01＃采場(chǎng)的的長(zhǎng)、寬、高分別為30.3，7.9，6.1 m。根據(jù)該尺寸監(jiān)測(cè)各點(diǎn)位移值，測(cè)得豎向位移值為6.13 mm，同表2參數(shù)下的模擬值相差較小，對(duì)該采場(chǎng)進(jìn)行炮孔設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

圖5 凡口鉛鋅礦試驗(yàn)采場(chǎng)炮孔布置

另外，扇形孔布置的原則主要包括：根據(jù)輪廓線控制爆破范圍，確定炮孔長(zhǎng)度及個(gè)數(shù)；保證較合理的孔底距及炮孔深度；為減小礦石在回采過(guò)程中的損失，應(yīng)根據(jù)圍巖性質(zhì)合理布置傾斜炮孔，以保證回采的安全。由于該采場(chǎng)所在的圍巖巖石條件復(fù)雜，在采場(chǎng)東邊端部布置拉槽區(qū)，拉槽區(qū)布置相對(duì)較密的炮孔，孔間距0.5 m×0.5 m，拉槽區(qū)以外區(qū)域孔間距適當(dāng)增加，排距為1.5 m，孔底距保持0.5～0.8 m，采場(chǎng)在該炮孔設(shè)計(jì)下爆破效果良好，塊度均勻，炸藥單耗0.34，實(shí)踐證明該采場(chǎng)參數(shù)能保證采礦安全的同

時(shí)，也能有較高的回采效率。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)凡口鉛鋅礦井下采場(chǎng)長(zhǎng)、寬、高3個(gè)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)(L、D、H)分9組進(jìn)行模擬研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)采場(chǎng)豎向位移值與L、D、H 3個(gè)參數(shù)均成非線性正相關(guān)，其中位移值最小對(duì)應(yīng)的參數(shù)是L＝20 m，D＝6 m，H＝6 m，最大值對(duì)應(yīng)的參數(shù)是L＝40 m，D＝10 m，H＝8 m，但該參數(shù)下采場(chǎng)仍能保證較大的安全系數(shù)。

(2)由塑性區(qū)面積統(tǒng)計(jì)得，塑性區(qū)面積同參數(shù)相關(guān)性大，其中，L＝40 m，D＝10 m，H＝8 m對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)貫通現(xiàn)象明顯，需對(duì)局部圍巖性質(zhì)復(fù)雜地域進(jìn)行支護(hù)，以保證回采的安全。

(3)結(jié)合凡口鉛鋅礦機(jī)械化上向中深孔采礦法的實(shí)際，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)采場(chǎng)的實(shí)測(cè)分析得出采場(chǎng)回采過(guò)程中能保持相對(duì)較高的安全性和生產(chǎn)效率的結(jié)論，與模擬統(tǒng)計(jì)的結(jié)果相一致，具有相對(duì)較大的指導(dǎo)意義。

[1] 劉松偉.普通房柱法礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算及設(shè)計(jì)尺寸推薦[J].湖南有色金屬，2001，17(3)：4-7.

[2] 鄧紅衛(wèi)，胡普侖，等.采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性正交數(shù)值模擬試驗(yàn)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013(06)：2463-2469.

[3] 王洪武，吳愛(ài)祥，楊仕教，等.基于GA-模糊可靠度的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(09)：89-92.

[4] 王新民，李潔慧，張欽禮，等.基于FAHP的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(02)：163-168.

[5] 羅周全，管佳林，馮富康，等.盤(pán)區(qū)隔離礦柱采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值優(yōu)化[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012(02)：261-264.

[6] 陶干強(qiáng)，劉振東，任鳳玉，等.無(wú)底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010(08)：1269-1272.

[7] 葉海旺，常 劍，周 磊.基于FLAC～(3D)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].金屬礦山，2010(12)：6-8，26.

[8] 劉 欽，劉志祥，劉愛(ài)華，等.金礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)混沌優(yōu)化[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010(04)：548-552.

[9] 劉培慧.基于應(yīng)力邊界法厚大礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

2016-07-17)

譚 軍(1974-)，男，湖南茶陵縣人，采礦高級(jí)工程師，主要從事有色金屬礦山采礦技術(shù)及管理工作，Email：190166653＠qq.com。