基于生產(chǎn)計(jì)劃編制的深部中段回采順序優(yōu)化研究

唐 碩,譚浪浪

(1.中條山有色金屬集團(tuán)有限公司， 山西 垣曲縣 043700；2.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

基于生產(chǎn)計(jì)劃編制的深部中段回采順序優(yōu)化研究

唐 碩1,譚浪浪2

(1.中條山有色金屬集團(tuán)有限公司， 山西 垣曲縣 043700；2.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

針對(duì)某地下金屬礦山深部開(kāi)采地壓顯現(xiàn)的現(xiàn)狀，運(yùn)用三維礦業(yè)軟件DIMINE對(duì)該礦山某深部中段所有備采采場(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃編制，排出3種合理的生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃方案；再分別對(duì)這些方案進(jìn)行數(shù)值分析，對(duì)比各方案的地壓顯現(xiàn)效果，最終得到地壓效果最佳的方案。為礦山提供了合理的回采順序。

生產(chǎn)計(jì)劃編制；數(shù)值分析；回采順序

0 前 言

地下采礦本身是在地應(yīng)力作用下進(jìn)行的，而開(kāi)挖時(shí)造成圍巖應(yīng)力重新分布的基本原因是不同回采順序?qū)a(chǎn)生不同的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。某礦山由于礦山資源的不斷開(kāi)采，淺層礦體已經(jīng)越來(lái)越少，礦山開(kāi)采不斷向著深部發(fā)展。現(xiàn)在開(kāi)采深度最深已經(jīng)達(dá)到-700 m水平。一般情況下開(kāi)采深度越深，采場(chǎng)所受到的地壓越大。因此，開(kāi)采順序不能再套用淺部采場(chǎng)的回采順序的模式。本文根據(jù)該礦山下一年的出礦量計(jì)劃，運(yùn)用三維礦業(yè)軟件DIMINE對(duì)該礦山典型深部-650 m中段所有備采采場(chǎng)為例，進(jìn)行采場(chǎng)進(jìn)度計(jì)劃編制，選出三種合理的回采順序的方案；再對(duì)這些方案分別進(jìn)行數(shù)值分析，對(duì)比分析結(jié)果，選出最優(yōu)開(kāi)采方案。

當(dāng)前很多學(xué)者運(yùn)用FLAC3D有限差分法軟件對(duì)巖體進(jìn)行數(shù)值分析，可FLAC3D軟件的前處理功能相對(duì)較復(fù)雜，對(duì)構(gòu)建復(fù)雜而大量的計(jì)算模型有困難。本文運(yùn)用Midas強(qiáng)大的前處理功能建立數(shù)值分析所需的分析模型，其建立的網(wǎng)格模型如圖1所示，將Midas模型導(dǎo)入FLAC3D,結(jié)合巖石力學(xué)參數(shù)，對(duì)不同的回采順序方案進(jìn)行開(kāi)挖模擬。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上分析采場(chǎng)在各種回采順序情況下的力學(xué)特點(diǎn)，最終選擇地壓顯現(xiàn)效果最佳的方案。

1 進(jìn)度計(jì)劃方案產(chǎn)生

1.1 DIMINE生產(chǎn)計(jì)劃編制依據(jù)

利用DIMINE軟件的數(shù)字建模為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)，以礦山工程與采場(chǎng)的三維實(shí)體模型作為生產(chǎn)場(chǎng)地各種屬性的載體。生產(chǎn)計(jì)劃編制模塊將用戶輸入的計(jì)劃參數(shù)與前期建立的三維實(shí)體模型結(jié)合，生成生產(chǎn)任務(wù)，再按用戶定義的約束要求對(duì)任務(wù)進(jìn)行排序，編制成生產(chǎn)計(jì)劃。

主要依據(jù)為：礦山地質(zhì)資源情況及采掘工程現(xiàn)狀；人財(cái)物投入計(jì)劃：各作業(yè)工區(qū)及地點(diǎn)的施工隊(duì)伍情況、工作天數(shù)等；各類(lèi)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)參數(shù)的選取：各類(lèi)掘進(jìn)設(shè)備的臺(tái)班效率，支護(hù)臺(tái)班效率，淺孔，中深孔施工臺(tái)班效率，供礦臺(tái)班效率，充填臺(tái)班效率等；礦山2017年生產(chǎn)計(jì)劃；礦山的前期相關(guān)建模資料。

圖1 Midas網(wǎng)格模型

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備主要包括對(duì)生產(chǎn)路徑、三維實(shí)體和塊段模型三類(lèi)數(shù)據(jù)的處理。首先按2017年計(jì)劃采出礦量的要求建立所有計(jì)劃采場(chǎng)的實(shí)體模型和路徑線文件。在塊體模型建立時(shí)，用每個(gè)采場(chǎng)對(duì)塊段模型進(jìn)行約束，并賦予各采場(chǎng)實(shí)際的品位與比重，使得不同采場(chǎng)的信息在塊段模型中得到真實(shí)的反映，以便進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算，確保設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理的需要。三維地質(zhì)塊段模型建立后，便可以用于生產(chǎn)計(jì)劃編制時(shí)提取有關(guān)信息作為屬性加載到每一個(gè)任務(wù)中。

1.3 生產(chǎn)計(jì)劃編制

本文根據(jù)礦山2017年的年度生產(chǎn)計(jì)劃，運(yùn)用DIMINE軟件對(duì)所有計(jì)劃開(kāi)采采場(chǎng)開(kāi)采量進(jìn)行分配，并進(jìn)行回采順序的優(yōu)選，初選出中段內(nèi)部?jī)煞N合理的回采順序。以深部sh-650 m中段為例，中段采場(chǎng)三視圖如圖2所示。運(yùn)用DIMINE軟件的生產(chǎn)計(jì)劃編制功能初步確定3種可選回采順序的方案，如圖3所示。

圖2 Sh-650 m中段采場(chǎng)三視圖

由圖3可知，DIMINE軟件生產(chǎn)計(jì)劃編制功能排出的Sh-650 m中段采場(chǎng)回采順序分別是：由兩翼往中間回采；由中間往兩翼回采；由北向南等距同向回采。

2 分析模型構(gòu)建

2.1 建立分析模型

由于FLAC3D對(duì)采場(chǎng)分布無(wú)規(guī)律的多個(gè)采場(chǎng)前處理模型建模相對(duì)較為困難，而Midas軟件能很好而快捷的建立本論文所研究的中段采場(chǎng)的分析模型。因此，將SURPAC 建立的sh-650 m中段所有備采采場(chǎng)的實(shí)體模型保存為dxf格式導(dǎo)入Midas軟件后形成實(shí)體模型，并對(duì)其采場(chǎng)分組劃分網(wǎng)格，圍巖的網(wǎng)格單元尺寸按4 m，采場(chǎng)部分網(wǎng)格單元塊按1 m的單元尺寸進(jìn)行劃分。將其單元信息和節(jié)點(diǎn)信息通過(guò)接口程序轉(zhuǎn)換成FLAC3D能接收的格式，模型的單元塊數(shù)共299155個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)共61343個(gè)。采用本構(gòu)模型。

2.2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

該礦有5種力學(xué)介質(zhì)，即膠結(jié)充填體、膠面充填體、礦體圍巖D3tb、尾砂體和礦體，力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3 初始應(yīng)力場(chǎng)和邊界條件

原巖應(yīng)力參數(shù)由長(zhǎng)沙礦山研究院于2000年12月所做的該礦山深部地壓研究報(bào)告提供的參數(shù)，最大主應(yīng)力方向基本上與礦體走向一致。垂直應(yīng)力值接近于單位面積上覆巖的自重，見(jiàn)表2。

圖3 回采順序方案

表2 測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)主應(yīng)力表(方位角為α，傾角為β)

由于實(shí)測(cè)的主應(yīng)力的方向不是沿著嚴(yán)格的X、Y、Z方向，為了在施加初始應(yīng)力時(shí)能把應(yīng)力分解到X、Y、Z方向上，更方便地施加初始應(yīng)力，將測(cè)量的各主應(yīng)力結(jié)果，將地應(yīng)力的大小和方向進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下：

σX=σ1sinα1cosβ1+σ2sinα2cosβ2+σ3sinα3cosβ3

(1)

σY=σ1cosα1cosβ1+σ2cosα2cosβ2+σ3cosα3cosβ3

(2)

σZ=σ1sinβ1+σ2sinβ2+σ3sinβ3

(3)

在模型的前后、左右和底邊邊界均以位移邊界為零來(lái)約束，上邊界施以上邊界上部的巖層自重應(yīng)力。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 主應(yīng)力分布

由圖4所知，3個(gè)開(kāi)采方案中，當(dāng)采用方案A的回采順序(即兩翼往中間回采)回采到最后時(shí)，最大主應(yīng)力值最高達(dá)到32.1 M，明顯大于圍巖的最大抗壓強(qiáng)度31.2 M；當(dāng)采用方案B(中間往兩翼回采)時(shí)，最大主應(yīng)力為30.2 M；當(dāng)采用方案C(由北向南等距同向開(kāi)采)時(shí)，最大主應(yīng)力為32.1 M，也大于圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度。相比較而言，A、C兩方案最大主應(yīng)力都大于圍巖的最大抗壓強(qiáng)度，只有B方案最大主應(yīng)力小于圍巖的最大抗壓強(qiáng)度。通過(guò)主應(yīng)力分析比較可以看出，方案B最優(yōu)。

圖4最大主應(yīng)力云圖

3.2 位移分布

從圖5可以看出，當(dāng)使用方案A的回采順序時(shí)，最大位移在采空區(qū)頂板位置，位移方向垂直采空區(qū)頂板指向下，其值為1.02 cm；當(dāng)使用方案B的回采順序時(shí)，最大位移也是發(fā)生在相鄰采場(chǎng)采空區(qū)的頂板位置，最大值約為1.07 cm；當(dāng)使用方案C的回采順序時(shí)，最大位移同樣是發(fā)生在相鄰采場(chǎng)采空區(qū)的頂板位置，最大值約為1.06 cm。三方案在位移控制方面都做得比較好，在這方面比較中3個(gè)方案都可取，且位移控制效果不錯(cuò)。

由于每個(gè)采場(chǎng)開(kāi)采的高度相對(duì)較小，各采場(chǎng)均未產(chǎn)生明顯的塑性區(qū)，因此，可不對(duì)塑性區(qū)進(jìn)行比較。

綜合以上分析得出，方案B在力學(xué)效果控制方面明顯優(yōu)于其他兩方案，所以最終確定采用方案B的回采順序，即采用中間往兩翼的回采順序開(kāi)采Sh-650 m中段的采場(chǎng)。

圖5垂直方向位移云圖

4 結(jié) 論

(1) DIMINE三維礦山軟件有著良好的生產(chǎn)計(jì)劃編制功能。按照礦山對(duì)Sh-650 m中段采場(chǎng)年計(jì)劃開(kāi)采礦量要求，運(yùn)用DIMINE軟件對(duì)礦山該中段進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃編制，精確得出中段內(nèi)各個(gè)采場(chǎng)的出礦量，同時(shí)排出3種較為合理的回采順序，為最終回采順序的優(yōu)選做準(zhǔn)備。

(2) 按照排產(chǎn)的礦量要求在SURPAC三維礦山軟件中折算出各采場(chǎng)2012年所需開(kāi)采高度并據(jù)此建立計(jì)劃中段開(kāi)采模型。將其導(dǎo)入MIDAS軟件中建立并劃分網(wǎng)格模型，通過(guò)MIDAS網(wǎng)格模型與FLAC3D分析模型間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將MIDAS里建立的網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化為FLAC3D的分析模型，成功解決了FLAC3D前處理能力不足的問(wèn)題，為復(fù)雜計(jì)算模型建模找到一條新思路。

(3) 運(yùn)用FLAC3D對(duì)DIMINE生產(chǎn)計(jì)劃編制功能編制出來(lái)的3種相對(duì)較為合理的回采順序進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析得出，方案B的回采順序，即中間往兩翼回采的回采順序更為合理，力學(xué)效果更佳，最終確定選擇方案B進(jìn)行該中段的回采順序，為礦山深部中段開(kāi)采回采順序的確定提供了一條新思路。

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2016-12-16)

唐 碩(1988-)，男，湖南岳陽(yáng)人，采礦工程師，碩士，主要從事礦山地壓及其控制方面的工作，Email：379210339@qq.com。