基于數(shù)值模擬對礦塊結構參數(shù)優(yōu)化研究

陳資南

摘 要：礦塊結構參數(shù)選擇是否合理直接影響到礦山回采的安全和效益，而礦塊結構參數(shù)是否合理必須綜合考慮礦巖穩(wěn)定性、開采過程的安全性和開采后的充填體穩(wěn)定性。基于此，文章在分析初步設計礦塊結構參數(shù)可能存在的安全隱患的基礎上，提出礦塊結構參數(shù)優(yōu)化建議方案，并且運用數(shù)值模擬計算方法對采場結構參數(shù)優(yōu)化方案進行穩(wěn)定性分析。

關鍵詞：礦塊參數(shù)；數(shù)值模擬；采場優(yōu)化；采場穩(wěn)定

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.066

0 引言

一般來說，礦塊結構參數(shù)的選擇首先考慮的是采場結構參數(shù)的穩(wěn)定性，通常研究巖體工程結構參數(shù)及其穩(wěn)定性的主要手段是數(shù)值模擬計算，數(shù)值模擬方法實際上是利用計算機對原型實物進行的一種數(shù)值模型試驗[1]。它通用性強，可以模擬各種復雜情況，方便靈活，便于修改，能反復進行試驗，并且耗資少，適合礦山開采導致井下復雜的工程環(huán)境。本文于數(shù)值模擬方法為基礎，建立礦塊模型對采場參數(shù)穩(wěn)定性進行分析研究從而提出合適的礦塊結構參數(shù)建議。

1 數(shù)值模擬計算方案

力學模型中的采區(qū)結構形式為盤區(qū)礦柱的兩旁各有五房四柱，即總共有10個礦房，8個礦柱，另外，中央還有1個盤區(qū)礦柱[2]。

采用沿開挖洞周釋放荷載的內加載模型，第一步按給定的邊界條件及載荷條件，對初始應力場進行再現(xiàn)，從第二步開始進行模擬計算。為了得到接近實際的計算結果，開挖步驟要做到盡可能與實際的開采步驟相一致。

礦房寬30～40m，礦房及礦柱長35m或80m，高度為120m。由于采礦方法為空場回采嗣后非膠結充填，需要探討的是空場條件下的采場結構參數(shù)，充填體的受力情況有專門的章節(jié)進行敘述，這里只需要一個開挖步驟即可滿足研究目標的要求。本力學模型中的每個計算方案均按如下2個計算步驟進行：第1步，計算初始應力場；第2步，回采礦房，留下中間的礦柱。

2 數(shù)值模擬計算與結果分析

方案的特點是采場高度120m，永久礦柱寬14m，礦房寬40m，改變采場長度。該組中3個計算方案的編號是方案一、方案二和方案三。每個方案有2個計算步驟，第一步計算每個方案完全一樣，第二步每個方案互不相同。第二步計算采場周圍各個方案的7個特征參量（主應力σ1、σ2、σ3，剪應力τyz和位移分量Ux、Uy、Uz ）的有關計算結果見表1。

表1中給出的是各參量的數(shù)值范圍，即最大和最小值的范圍，數(shù)據(jù)多、看上去較復雜，下面抽取其中的特征參量（最大拉應力、最大壓應力、最大剪應力和x方向最大位移）進行比較。之所以選擇比較x方向的位移值，是因為間柱的軸線方向為x方向，其主要作用在于限制x方向的位移。通過特征值比較可知三種方案，無間柱方案 → 間柱隔一留一方案 → 連續(xù)間柱方案，即每個礦房都留間柱 ，應力和位移值均逐漸減小，表明穩(wěn)定性逐漸變好。隨著間柱留設比例的增加，較為明顯的變化在于最大壓應力的降低及塑性區(qū)與拉應力區(qū)范圍的減小；對于減小位移值的貢獻相對不太明顯。

3 結論

針對一步驟回采方案改善采場穩(wěn)定性的三種方式，運用有限單元法進行了數(shù)值模擬計算比較，得到的主要結果如下。

（1）可以根據(jù)現(xiàn)場巖體穩(wěn)固性確定留設間柱的比例，當巖體穩(wěn)固性較好時，不留設間柱；巖體穩(wěn)固性中等時，間柱按隔一留一的方式留設；巖體穩(wěn)固性較差時，連續(xù)留設間柱。

（2）對于兩步驟回采方案，參照一步驟回采方案的計算結果進行間柱留設。當巖體穩(wěn)固性較好時，一步采（高度120m、采寬20m）和二步采（高度120m分為兩段采，采寬34m）80m長的采場中間均不留間柱；當巖體穩(wěn)固性中等時，一步采不留間柱，二步采留間柱；當巖體穩(wěn)固性較差時，一步采和二步采均留間柱。

參考文獻：

[1]鄧紅衛(wèi)，胡普侖，周科平，楊念哥.采場結構參數(shù)敏感性正交數(shù)值模擬試驗研究[J].中南大學學報（自然科學版），2013（06）：2463-2469.

[2]羅周全，管佳林，馮富康，徐海.盤區(qū)隔離礦柱采場結構參數(shù)數(shù)值優(yōu)化[J].采礦與安全工程學報，2012（02）：261-264.endprint