基于FLAC3D模型的上向進路采場結構參數優化

王炳文，黎 林，張書金，武茂超

(1.中國礦業大學(北京)能源與礦業學院，北京 100083；2.山東黃金礦業(玲瓏)有限公司，山東 招遠 265419)

上向進路充填法是金屬礦山內常用的一種采礦方法，因礦石回收率高、貧化率低等優點被廣泛應用[1]。同時，許多礦山由于采場的跨度過于保守，也存在著生產效率低、出礦成本較高等缺點[2]。因此，上向進路充填法擁有一個合理的采場結構參數是十分必要的。

在采場結構參數優化方面，許多學者進行了相關的研究。歐任澤等[3]基于3D-σ有限元法對礦山可能采用的四種采場結構參數方案在不同埋藏深度時的穩定性進行了數值模擬研究，獲得了不同埋藏深度時最佳采場結構參數；杜宇翔等[4]運用成本分析模型對程潮鐵礦崩落法采場就應優化，得到了開采經濟效益最優的結構參數；程文文等[5]應用多因素層次分析法對金山金礦淺孔房柱采礦法采場結構參進行了數優化，解決了采場生產能力較低、貧損指標不理想等問題；陳順滿等[6]基于響應面法對破碎圍巖條件下的采場結構參數進行優化，實現了白牛廠礦破碎圍巖條件下安全、高效回采；葛文杰等[7]、毛貴林[8]利用MIDAS-GTS得到了采場結構參數的最優方案；易善華等[9]基于ANSYS和模糊評價對采場結構參數進行優化，得到了礦房和礦柱寬度的最優組合方案；李寧等[10]運用正交試驗原理對某厚大鐵礦采場進行參數優化，實現了高效經濟開采。

玲瓏金礦東風礦區采用上向進路膠結充填采礦法，生效率低，工人勞動強度大。針對玲瓏金礦的現場情況，采用FLAC3D軟件分別模擬采場跨度為4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m時的頂板應力位移分布，并結合實際情況，得出最合理的采場跨度參數。

1 工程背景

東風礦區內的礦脈主要表現為沿斷裂破碎帶充填交代形成的蝕變帶。 主礦脈為171號脈，分布于160線至56線間，礦脈長2 600 m，寬300 m左右，走向NE60°～70°，傾向SE，傾角35°～45°。礦脈中賦存有1711號主礦體，呈大脈狀，嚴格受斷裂構造控制。其上盤次級裂隙發育，巖石也較破碎，由碎裂狀花崗巖、絹英巖化碎裂巖等組成；下盤巖石相對完整，由絹英巖及絹英巖質碎裂巖、花崗質碎裂巖組成。局部具有明顯的裂面，在主裂面發育有斷層泥。區內地層簡單，主要為第四系陸相沉積，沿山間谷地分布。區內構造為脆性斷裂構造,受多期次的區域性構造作用，礦區內斷裂構造發育。北東向斷裂是主要的斷裂構造，控制著含金礦脈的分布，北西向斷裂構造次之。按地下水類型及富水特征，劃分為第四系松散巖類孔隙水、基巖風化裂隙水、構造裂隙水和隔水層(體)。

根據現場調查所知，現有開采方法采場跨度為3.3 m，由于采場結構參數過于保守，導致了采場生產能力低、生產成本高等問題，且采場斷面過小，無法引入大型機械化鑿巖鉆孔設備，降低了工作效率。因此，需要對現場結構參數進行優化，提高礦山的生產效率。

2 數值模擬分析

利用FLAC3D軟件進行數值模擬，分析不同跨度采場的頂板應力和位移分布，對玲瓏金礦東風礦區的采場結構參數進行優化

2.1 模型建立

計算模型的幾何范圍，垂直礦體走向400 m，礦體走向500 m，豎直方向-570 m到-770 m，高度為200 m。模擬區域礦體傾角平均40°，礦體厚度取40 m。模型尺寸為500 m×400 m×200 m，如圖1所示。其中，坐標軸Z方向為豎直方向，坐標軸Y方向沿礦體走向，坐標軸X方向垂直礦體走向。

結合實際情況，邊界條件確定如下：充填采礦法的采動影響范圍有限，在采場水平四周和較遠處的巖體移動值將很小，計算域邊界采用位移約束，模型的4個側面X方向和Z方向位移約束為零，模型底面Y方向位移約束為零，上部平面承受21.6 MPa的面載荷。采場埋置較深，礦區主應力屬于水平構造應力主導的高應力場，因此，計算域初始條件考慮原巖構造應力場和自重應力場的共同作用。

2.2 模擬方案

模型計算采用莫爾-庫倫強度準則，對已開挖巖體賦予空殼模型。根據玲瓏金礦地質調查結果及室內巖石力學參數試驗，礦巖體力學參數見表1。根據現場調查可知，礦區內采場高度統一為3.2 m，因此本次模擬只對采場跨度進行優化，共分為6個方案，各方案參數見表2。

圖1 礦體FLAC3D模型Fig.1 FLAC3D model of ore deposit

表1 模型計算力學參數Table 1 The mechanical parameters of model calculation

表2 各模擬方案采場結構參數Table 2 Stope structure parameters of each simulation scheme

2.3 各方案模擬結果分析

根據所模擬的結果采場對頂板應力分布和位移分布進行分析，鑒于篇幅，僅給出方案5(跨度8 m)和方案6(跨度9 m)的頂板應力位移分布圖以及各方案匯總的曲線圖。

2.3.1 應力分析

從模擬結果可以看出，隨著采場跨度的增大，頂板拉應力也越來越大，當超過礦體的抗拉強度時，頂板就會發生破壞。圖2和圖3分別為方案5(跨度8 m)和方案6(跨度9 m)的應力分布圖，當采場跨度為8 m時，開挖后，采場頂板迅速出現應力集中，最大拉應力為2.40 MPa，十分接近礦體的最大抗拉強度；當采場跨度為9 m時，頂板的最大拉應力為2.70 MPa，已經超過礦體的最大抗拉強度，頂板發生破壞。

從圖4中的頂板最大拉應力曲線可以看出，頂板最大拉應力的總體變化趨勢是隨著采場跨度的增大而增加，在跨度超過6 m后增長較為明顯，當跨度超過8 m后，頂板發生破壞。

圖2 方案5(跨度8 m)應力分布Fig.2 Scheme 5 (span 8 m) stress distribution

圖3 方案6(跨度9 m)應力分布Fig.3 Scheme 6 (span 9 m) stress distribution

圖4 頂板最大拉應力和最大下沉量變化曲線Fig.4 Curve of maximum tensile stress and maximum subsidence of roof

2.3.2 位移分析

頂板的最大位移量也是評價采場穩定性的一個重要指標，因為，通過觀察頂板的位移量也可以了解頂板此時的穩定狀態。

圖5和圖6分別為方案5(跨度8 m)和方案6(跨度9 m)的位移分布圖。結合圖4中的頂板最大下沉量曲線可以看出，在進行開挖之后，頂板會出現不同程度的下移，總體趨勢是隨著采場跨度的擴大下沉量不斷增加；從圖4中還可以看出，跨度為4 m到6 m時下沉量增加較快，6 m到7 m時趨于平緩，7 m之后又快速增加。

圖5 方案5(跨度8 m)位移分布Fig.5 Scheme 5 (span 8 m) displacement distribution

圖6 方案6(跨度9 m)位移分布圖Fig.6 Scheme 6 (span 9 m) displacement distribution

2.3.3 分析結論

由模擬結果可以看出，目前技術條件下采場跨度8 m為極限跨度，但由于數值模擬的簡化性以及下場施工條件的復雜性，建議生產時采場跨度不得超過6 m。

3 工程應用

3.1 現場試驗情況

東風礦區上向水平分層大斷面進路膠結充填采礦工業試驗采場位于-260水平三分段，136勘探線附近，礦體平均厚度18 m，走向30°左右，傾向NE，傾角31°左右，平均品味1.2 g/t。根據試驗地點采場巖體穩定性，將原來設計的采場跨度3.3 m更改為6 m，進路沿著走向布置，爆破方式為聚能光面爆破，從現場施工情況來看，采場壁面光滑整潔，部分破碎區域需要支護，試驗效果良好。

3.2 技術經濟對比

采場跨度變更為6 m后，對試驗點的技術經濟指標進行了統計，并與之前跨度為3.3 m時進行了對比，具體數據見表3。

表3 試驗前后技術經濟指標對照Table 3 Comparison of technical and economic index before and after the test

從表3可以看出，采場跨度擴大到6 m后，損失率和貧化率明顯降低，出礦量增加，生產成本減小，實現礦山的高效經濟開采，具有很大的實用價值。

4 結 論

1) FLAC3D軟件模擬結果表明，在該礦山地質條件下，8 m為采場的極限跨度，超過8 m頂板就會發生破壞，鑒于模擬的簡化性，建議現場采場跨度不得超過6 m。

2) 現場工業試驗表明，采場跨變更為6 m后，損失率和貧化率明顯降低，出礦效率提高，效果良好；斷面擴大后引進的大型鑿巖鉆孔設備，減輕了工人的勞動強度，實現了礦山的安全、高效、經濟開采。