基于MIDAS/GTS的上向水平分層充填法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

毛貴林

(衡陽(yáng)遠(yuǎn)景鎢業(yè)有限公司， 湖南 衡陽(yáng)市 421000)

0 引 言

楊林坳礦區(qū)位于湖南衡南縣川口鎮(zhèn)境內(nèi)，主要為石英細(xì)脈帶型白鎢礦床。由于楊林坳礦區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，礦體形態(tài)多變，原有的采礦方法造成了回采率低，貧化率高的現(xiàn)狀。因此，為了解決低效、低產(chǎn)能等問(wèn)題，楊林坳礦區(qū)根據(jù)已有的地質(zhì)資料情況對(duì)采場(chǎng)的具體參數(shù)進(jìn)行重新確定。通過(guò)MIADAS/GTS數(shù)值模擬方法，對(duì)不同的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及采場(chǎng)頂板及充填體的應(yīng)力、變形情況進(jìn)行模擬分析，通過(guò)科學(xué)的方法確定適合楊林坳礦體開(kāi)采的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 基本假設(shè)

鑒于楊林坳礦區(qū)礦體復(fù)雜多變，為便于建模和分析計(jì)算，做出如下假設(shè)[2]：

(1) 礦巖體均為理想的彈塑性體，當(dāng)其達(dá)到屈服極限以后，隨著塑性流動(dòng)，礦巖體強(qiáng)度與體積無(wú)改變；

(2) 礦巖體均為局部均質(zhì)、各向同性材料，塑性流動(dòng)不變材料[3]；

(3) 考慮到礦巖體的脆性，各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析所涉及到的所有物理量均不與時(shí)間相關(guān)；

(4) 在計(jì)算與分析過(guò)程中均不考慮礦巖體的硬化或軟化；

(5) 用作計(jì)算的數(shù)值模型為底部約束，模型的側(cè)面只考慮豎直方向上的應(yīng)變變形。

1.2 礦巖及充填體力學(xué)參數(shù)

MIDAS/GTS軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析的可靠性很大一部分在于準(zhǔn)確的礦巖體力學(xué)參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，采場(chǎng)頂板主要的破壞形式為拉伸破壞，因此在數(shù)值模擬的過(guò)程中將礦巖的抗拉強(qiáng)度設(shè)置為通過(guò)實(shí)驗(yàn)室三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)得的最小值，而抗壓強(qiáng)度則實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的平均值，這樣可以在一定程度上減少巖體折減造成不準(zhǔn)確情況的產(chǎn)生，同時(shí)還能為正常施工提供安全保證。但是，在實(shí)際的地質(zhì)情況下由于節(jié)理、裂隙、地質(zhì)弱面等巖體性質(zhì)的存在，真實(shí)的礦巖體抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度值等參數(shù)明顯低于實(shí)驗(yàn)室通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定的礦巖石力學(xué)參數(shù)。為了保障評(píng)價(jià)的真實(shí)性，可采用安全系數(shù)法對(duì)采場(chǎng)頂板以及充填礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。礦山應(yīng)用中安全系數(shù)的定義為礦巖及充填體能承受的最大抗壓強(qiáng)度與實(shí)際所受的最大壓應(yīng)力之比[3]。用于本次數(shù)值模擬計(jì)算應(yīng)用的礦巖力學(xué)參數(shù)及充填體的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 采場(chǎng)數(shù)值模擬物理力學(xué)參數(shù)

2 上向水平分層充填法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 礦巖及充填體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)以下原則，建立數(shù)值模型：

(1) 本次模擬主要觀察回采過(guò)程及采空區(qū)狀況，因此對(duì)礦體產(chǎn)狀及礦巖特性進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的計(jì)算模型礦體平均厚度為15 m，傾角36°；

(2) 通過(guò)對(duì)不同礦房中礦柱的不同寬度、高度等因素及每種回采間隔的模擬，判斷出整個(gè)生產(chǎn)期間最危險(xiǎn)的狀況；

(3) 為了保證模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)相對(duì)應(yīng)，結(jié)合彈塑性力學(xué)及分析力學(xué)中，開(kāi)挖后應(yīng)力變化的影響范圍為所開(kāi)挖范圍的3～5倍。因此，本次計(jì)算采用的模型尺寸取為所開(kāi)挖范圍的5倍；

(4) 本次模擬不考慮頂?shù)装宓淖兓虼嗽诨夭蛇^(guò)程中采空區(qū)的最大空頂高度為實(shí)際開(kāi)采高度；

(5) 本次模擬共對(duì)12種不同采場(chǎng)規(guī)格的上向水平分層充填法進(jìn)行計(jì)算，具體規(guī)格如表2所示。

根據(jù)上述原則，建立尺寸為X(寬)×Y(高)×Z(長(zhǎng))=440 m×360 m×2300 m的采場(chǎng)模型。見(jiàn)圖1。

表2 上向水平分層充填法礦房礦柱規(guī)格數(shù)值模型幾何尺寸

圖1 采場(chǎng)模型

2.2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化是確定合理的礦房尺寸和礦柱寬度，并在此基礎(chǔ)上分析采空區(qū)礦房頂板及充填礦柱的穩(wěn)定性，以選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)模擬，得到各礦房、礦柱的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力及垂直位移(見(jiàn)表3、表4)，模型數(shù)值模擬云圖如圖2所示，根據(jù)模擬結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

表3 采場(chǎng)頂板數(shù)值分析應(yīng)力變形數(shù)據(jù)

表4 充填礦柱數(shù)值分析應(yīng)力變形數(shù)據(jù)

(1) 開(kāi)采完畢后，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹饕鲁羺^(qū)集中在上盤位置，其中大部分呈現(xiàn)下沉狀態(tài)，且分布均勻，地表豎直方向的位移量均未出現(xiàn)大的差別，均在1～3 cm之間變化，充填體對(duì)采空區(qū)地表下沉起到了良好的控制作用。

(2) 模擬過(guò)程中，在不同跨度的采場(chǎng)中，拉應(yīng)力及壓應(yīng)力隨著采場(chǎng)的跨度增大而增大，但并不呈現(xiàn)線性關(guān)系。同時(shí)，采場(chǎng)豎直方向的位移量也隨著采場(chǎng)跨度的增大而出現(xiàn)了極大的變化，隨采場(chǎng)跨度的增大豎直位移量也隨之增加。這種情況則說(shuō)明，隨著采場(chǎng)跨度增大，采場(chǎng)穩(wěn)定性越來(lái)越差。

(3) 在未充填前，采場(chǎng)上部圍巖和采空區(qū)頂板均顯現(xiàn)了拉應(yīng)力的變化，雖然拉應(yīng)力波動(dòng)未超過(guò)其極限強(qiáng)度，但部分?jǐn)?shù)值計(jì)算模型中表現(xiàn)出來(lái)的安全系數(shù)均不足1.1，這也表明采場(chǎng)存在安全隱患，安全性較差。

(4) 在整個(gè)模型開(kāi)采模擬穩(wěn)定后，大部分空區(qū)頂?shù)装寮俺涮铙w礦柱主要受到拉應(yīng)力破壞，因此在考慮最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力值的條件下，認(rèn)為安全系數(shù)η1≥1.15時(shí)頂板及礦柱抗拉穩(wěn)定性較好；而安全系數(shù)η2只要大于1.0即可認(rèn)為頂板及礦柱抗壓穩(wěn)定性好[5]。根據(jù)以上條件判斷，6～12號(hào)模型模擬結(jié)果不能滿足安全生產(chǎn)要求。根據(jù)開(kāi)采效率及生產(chǎn)收益等因素，5號(hào)模型，即礦柱寬10 m、礦房寬15 m的安全可靠性較好，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也較理想，因此推薦該礦區(qū)采用礦柱寬10 m、礦房寬15 m作為上向水平分層充填法的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。如果在開(kāi)采過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)部分地段穩(wěn)固性較差，可適當(dāng)減小采場(chǎng)規(guī)格[6]。

圖2 4號(hào)模型模擬結(jié)果

3 上向進(jìn)路充填法進(jìn)路規(guī)格優(yōu)化

3.1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)以下原則，建立數(shù)值模型：

(1) 上向分層進(jìn)路充填法的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是進(jìn)路規(guī)格，由于半風(fēng)化礦體穩(wěn)固性較差，根據(jù)礦山實(shí)際開(kāi)挖經(jīng)驗(yàn)，空區(qū)高度不宜超過(guò)3 m[7]。因此，為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，固定進(jìn)路高度為3 m，模擬4種不同進(jìn)路寬度(見(jiàn)表5)；

(2) 進(jìn)路長(zhǎng)度取半風(fēng)化礦體平均厚度22 m；

(3) 為了保證模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)相對(duì)應(yīng)，結(jié)合彈塑性力學(xué)及分析力學(xué)，開(kāi)挖后應(yīng)力變化的影響范圍為所開(kāi)挖范圍的3～5倍。因此，本次計(jì)算采用的模型尺寸取為所開(kāi)挖范圍的5倍。

據(jù)此確定模型的尺寸X(長(zhǎng))×Y(高)×Z(寬)為1460 m×260 m×250 m。

表5 上向進(jìn)路充填法進(jìn)路規(guī)格數(shù)值模擬幾何尺寸

3.2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)MIDAS分析計(jì)算，部分進(jìn)路規(guī)格條件下的應(yīng)力情況如圖3所示。各個(gè)進(jìn)路模擬結(jié)果見(jiàn)表6。

根據(jù)模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，礦體頂板以及人工膠結(jié)礦柱所反映出的最大壓應(yīng)力及最大拉應(yīng)力均符合安全生產(chǎn)的要求；同時(shí)模擬的各模型中礦體頂板所受到的最大拉應(yīng)力均小于其抗拉強(qiáng)度，可以滿足安全生產(chǎn)的要求；而4號(hào)模型計(jì)算結(jié)果顯示，充填后的人工膠結(jié)礦柱所受到的最大拉應(yīng)力超過(guò)其所能承受的抗拉強(qiáng)度。3號(hào)模型計(jì)算結(jié)果顯示，人工膠結(jié)礦柱的最大拉應(yīng)力接近抗拉強(qiáng)度，因此并不能保障安全生產(chǎn)的要求。我國(guó)大部分金屬礦山巷道斷面均為3 m×3 m，因此最終選定2號(hào)模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即半風(fēng)化礦體上向進(jìn)路充填法進(jìn)路規(guī)格為3 m×3 m。在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要適當(dāng)調(diào)整進(jìn)路尺寸，以提高進(jìn)路采礦效率和生產(chǎn)能力。

圖3 模型2模擬結(jié)果

模型序號(hào)礦體頂板最大壓應(yīng)力/MPa最大拉應(yīng)力/MPa人工膠結(jié)礦柱最大壓應(yīng)力/MPa最大拉應(yīng)力/MPa18．040．760．6070．01027．440．810．6160．01537．760．830．6170．01947．840．830．6120．023

4 結(jié) 論

利用數(shù)值模擬手段，對(duì)楊林坳礦區(qū)上向水平進(jìn)路充填法的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出該采礦方法的進(jìn)路規(guī)格為3 m×3 m；采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為礦柱寬10 m、礦房寬15 m。重新確定的參數(shù)對(duì)礦山未來(lái)的生產(chǎn)提供科學(xué)的指導(dǎo)作用，同時(shí)可以提升生產(chǎn)期間的安全性，使礦山生產(chǎn)更加規(guī)范高效。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉曉明，羅周全，張 保，等.上向分層回采釆場(chǎng)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究[J].礦冶工程,2009,29(4):10-13.

[2]王長(zhǎng)貴,楊依鋒,馮浩楠.大廣山鐵礦開(kāi)拓及采礦方法的變更[J].采礦技術(shù),2013,13(06):4-6.

[3]遠(yuǎn) 洋.某含銅磁鐵礦采礦方法改進(jìn)[J].金屬礦山,2013(07):26-30.

[4]何洪濤,周 磊,王湖鑫.上向水平進(jìn)路充填采礦法在和睦山鐵礦的應(yīng)用研究[J].有色金屬(礦山部分),2012,64(01):13-16.

[5]林 友,況世華,王育軍,等.上向分層進(jìn)路充填采礦法在木利銻礦的應(yīng)用[J].昆明冶金高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2011,27(05):9-17.

[6]胡道喜.上向進(jìn)路與上向分層充填法在李官集鐵礦的應(yīng)用[J].金屬礦山,2011(04):21-23.

[7]朱宏偉.上向進(jìn)路充填采礦法在哈圖金礦的應(yīng)用[J].新疆有色金屬,2010,33(05):19-21.

[8]程 健.川口鎢礦楊林坳礦區(qū)傾斜中厚礦體開(kāi)采技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014.

[9]周登輝.川口鎢礦半風(fēng)化礦脈群難采礦體采礦方法研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014.