基于正交試驗設計的采場結構參數優化及應用

范文濤 劉雷磊

摘要：采場結構參數的優化選擇對礦山的安全生產和經濟效益有著重要意義。以內蒙古某銀多金屬礦為背景，結合礦山的采礦方法和開采技術條件，利用正交試驗設計方法，針對采場進路的長、寬、高設計了9種不同采場結構參數的數值模擬方案，利用Rhinoceros建模軟件耦合Flac3D軟件對這9種方案進行一步采和二步采數值模擬分析，并對9種方案的各個指標進行極差分析，結果表明：進路的高度對這些指標的影響較大，其次是寬度和長度。從安全、經濟和技術方面綜合考慮，確定方案5：進路長度25 m、進路寬度3.5 m、進路高度3.5 m的采場結構參數最優。現場工業試驗表明：方案5效果良好，采礦損失率8 %，礦石貧化率5 %，提高了出礦效率，回采時能夠有效控制地壓，確保了回采過程的安全、經濟、高效。

關鍵詞：采場結構參數;正交試驗設計;數值模擬;拉應力;塑性區

中圖分類號：TD853.34文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）08-0036-06doi：10.11792/hj20210808

引 言

采場結構參數優選就是對采場中礦房的布置及巷道的尺寸進行研究，采場結構參數的大小對采場的應力狀態、出礦量、設備選擇等都有著很重要的影響，對礦山生產安全及經濟效益均具有重要意義[1]。

近些年來，國內外學者在采場結構參數優選方面的研究取得了一些成果。例如：宋衛東等[2]采用物理知識結合計算機模擬放礦的方法，確定分段高度、進路間距和崩礦步距之間的數學關系，計算出程潮鐵礦最優的采場結構參數;陶干強等[3]利用隨機介質放礦理論建立數學模型優化采場的進路間距，并在礦山進行實際應用;李俊平等[4]利用Flac3D軟件模擬二里河鉛鋅礦不同采場結構參數對采場穩定性的影響，得出最優采場結構參數及巷道布置位置;秦健春等[5]利用ANSYS有限元分析軟件對后觀音山鐵礦充填采礦法兩步回采的不同采場結構參數進行了模擬，得出最優方案;趙國彥等[6]構建了Vague-RSM-AFSA模型對某銀礦的采場結構參數進行優化，得到最佳的采場結構參數;彭超等[7]結合數值模擬結果，對三山島金礦深部采場建立采場結構參數模糊綜合評價模型，最終得到了最優參數，保證安全生產。

綜上所述，這些學者采用不同的方法優化采場結構參數，都得到了比較理想的結果。然而，采場結構參數的優選是一個典型的多指標綜合評價問題，往往同一指標具有多種不同的水平，在進行數值模擬或理論計算時需進行大量的數值模擬和計算工作，工作量大，計算時間長[8]。鑒于此，本文提出利用正交試驗設計試驗方案，然后利用Flac3D軟件進行數值模擬，將得到的結果進行極差分析，以解決內蒙古某銀多金屬礦的采場結構參數優化問題。

1 工程概況

1.1 開采技術條件

內蒙古某銀多金屬礦處于內蒙古—興安成礦區，內構造線總體方向為NE向、NWW向、近EW向。其主要構造為斷裂，褶皺不發育。礦區共圈出工業礦體19條。其中，1號和2號礦體規模最大，為主礦體，礦體主要元素為銀，伴生有銅、鉛、鋅。主礦體位于NWW向構造蝕變破碎帶中，呈大脈狀產出，沿走向總體為舒緩波狀，走向294°～302°，傾向NE，傾角53°～87°，平均傾角70°。礦體長1 200 m，最大斜深754 m，埋深317 m。礦體平均厚度5.14 m（中厚礦體），局部礦體厚度超過20 m，屬于典型的急傾斜破碎中厚礦體。礦體上盤圍巖二長花崗巖RQD值為85 %，為良好型，巖石普氏硬度系數為10～12;礦體下盤圍巖泥質板巖RQD值為65 %，為中等穩固，巖石普氏硬度系數為7～9，巖石中等穩固。圍巖主要是由蝕變黑云二長花崗巖及少量蝕變泥質板巖組成的碎裂巖經成礦熱液充填、交代而成。礦巖物理力學參數見表1。

1.2 采礦方法

根據礦體賦存特點和開采技術條件，擬定的采礦方法為盤區機械化上向進路充填采礦法（見圖1）。采場沿礦體走向布置，長100 m，寬為礦體水平厚度，回采中段高50 m，分段回采高度分別為3.5 m、10.5 m、10.5 m、10.5 m、10.5 m，上部留有4.5 m頂柱。采場采用自下而上的回采順序，每個盤區有3個采場，當礦體寬度較大時，采用多條進路回采方式，進路隔一采一。該采礦方法能否成功實施的關鍵在于采場結構參數的確定。

2 正交試驗數值模擬

2.1 正交試驗設計

正交試驗設計是最常用的工藝優化試驗設計和分析方法，是以概率論、數理統計和實踐經驗為基礎，利用標準化正交表設計試驗方案，并對結果進行分析，最終迅速找到最優方案的一種高效處理多因素多水平優化問題的科學設計方法[9]。正交試驗設計的基本特點是可以實現以最少的試驗次數達到與大量全面試驗等效的結果。

進路法開采的采場結構參數主要包括進路長度、進路寬度和進路高度3個方面。由于礦區首采中段礦巖破碎，對采場進路的結構參數要求嚴格，采場結構參數過大，會增加開采過程中的風險，容易發生不安全事故;采場結構參數過小，會導致開采效率降低且增加回采時間，影響礦山效益。因此，在方案設計過程中，需要以進路長度、進路寬度和進路高度3個因素作為優選參數，頂板最大沉降量、底板最大回彈量、頂板最大拉應力、頂板塑性區分布情況等作為評價指標進行采場結構參數的優選。

根據國內外盤區機械化上向進路充填采礦法的采場結構布置經驗及礦山的開采特點，利用正交試驗設計方法原理，選取合理的采場結構參數，構建L9（33）變量因素水平表（見表2）。

每個因素有3個數值，若是將各個因素每個水平的數值進行組合，共有27種組合方案，試驗方案之間的信息交叉比較大，導致工作量變大。因此，本文選擇使用正交試驗設計方法從27種組合中選出具有代表性的模擬方案，可以實現以最少的試驗次數達到與大量全面試驗等效的結果。利用正交試驗設計方法選取的9種數值模擬方案見表3。

2.2 數值模擬

基于Rhinoceros軟件出色、便捷的建模設計功能及Flac3D軟件計算數值分析功能，本文嘗試將Rhinoceros-Flac3D耦合對各方案進行采場進路開挖和充填模擬分析。數值模型尺寸依據圣維南原理，以開挖范圍的3～5倍為宜[10]。充分考慮圍巖受擾動的影響及邊界條件的影響，最終確定模型計算尺寸為x×y×z=100 m×130 m×30 m，模型共有425 136個四面體單元，76 806個節點。數值模型見圖2。

2.3 數值模擬結果

本次數值模擬依據盤區機械化上向進路充填采礦法的回采順序：進路從礦體上盤向下盤退采，隔一采一，進路回采完畢后立即進行充填，采用從左向右的采充方向，且進路回采后充填體強度滿足規定要求后，再開始下一進路回采。對9種方案進行數值模擬，由于9種方案數值模擬圖片過多，限于篇幅，本文只展示方案1模擬效果圖。方案1模擬的進路參數是長度20 m，寬度3.0 m，高度4.0 m，即共布置7條進路。一步采和二步采的豎直方向位移云圖、最大主應力云圖和塑性區分布云圖見圖3。

參考9種方案的數值模擬結果，將各個方案的頂板最大拉應力、頂板最大下沉量、底板最大回彈量、塑性區體積及塑性區貫通情況進行匯總，結果見表4。不同方案兩步回采頂板最大主應力、頂板最大下沉量、底板最大回彈量和塑性區體積結果見圖4～7。

2.4 數值模擬結果極差分析

根據各個模擬方案的結果，對進路頂板最大拉應力、底板最大回彈量、頂板最大下沉量和塑性區體積進行極差分析。極差分析法比較直觀形象、簡單易懂，即通過簡單的運算和判斷就可以得出試驗的優化成果——主次因素、最優水平、最優搭配及最優組合，一般在試驗誤差不大、精度要求不高的情況下，尋求最優生產條件、最佳工藝、最佳配方等科研生產中得到廣泛的應用[11]。

1）進路頂板最大拉應力極差分析，結果見表5。

由表5可知：RA=0.004，RB=0.006，RC=0.007，可以判斷各因素對頂板最大拉應力的影響從大到小依次為C（進路高度）、B（進路寬度）、A（進路長度）。隨著開采進路高度的增大，頂板最大拉應力隨之增大，而這3個因素對頂板的拉應力影響不是很大，因為模擬過程中進路采完立即進行充填，充填體會對頂板有一定的支撐作用，使得頂板的拉應力得到有效控制。

2）進路底板最大回彈量極差分析，結果見表6。

由表6可知：RA=1.09，RB=1.35，RC=1.60，可以判斷各因素對進路底板最大回彈量的影響從大到小依次為C（進路高度）、B（進路寬度）、A（進路長度）。通過極差結果可以得出，進路高度對底板鼓起作用有較大影響，隨著進路高度的增大，底板最大回彈量也逐漸增大。從生產實際與工程應用來看，進路底板最大回彈量對采礦的影響不是很大，但在支護時仍要多加考慮。

3）進路頂板最大下沉量極差分析，結果見表7。由表7可知：RA=3.21，RB=7.45，RC=8.22，可以判斷各因素對進路頂板最大下沉量的影響從大到

4）進路頂板塑性區體積極差分析，結果見表8。

由表8可知：RA=165.08，RB=190.34，RC=132.85，

可以判斷各因素對塑性區體積的影響從大到小依次為B（進路寬度）、A（進路長度）、C（進路高度）。通過極差結果可以得出，進路寬度對限制塑性區體積擴展起主要作用。

3 最優采場結構參數確定及應用

當采場結構參數過小時，會降低采礦效率，降低礦山效益;采場結構參數過大時，會給礦體開采帶來一定風險。根據上述分析結果，方案5、方案6和方案9都能滿足安全生產要求，而方案5的進路寬度是3.5 m，方案6和方案9的進路寬度都是4.0 m，根據礦區的生產條件，選擇寬3.5 m的進路可以多布置幾條進路同時進行作業，增加生產效率，提升企業效益。因此，最優的采場結構參數為進路長度25 m、進路寬度3.5 m、進路高度3.5 m。

通過現場工業試驗驗證，該方案效果良好，采礦損失貧化明顯降低，出礦效率提高，回采時能夠有效控制地壓，確保回采過程安全，采場技術經濟指標見表9。該方案迅速在礦山各中段推廣使用，實現了礦山的安全、經濟、高效開采。

4 結 論

1）根據內蒙古某銀多金屬礦采用的盤區機械化上向進路充填采礦法，為了確定最佳的采場結構參數，結合正交試驗設計方法，針對進路的長、寬、高設計了9種不同采場結構參數的數值模擬方案，然后在滿足基本假設的前提下，利用Rhinoceros-Flac3D耦合對這9種方案進行一步采和二步采數值模擬分析。

2）通過對各個模擬方案的頂板最大拉應力、底板最大回彈量、頂板最大下沉量和塑性區體積進行極差分析，考慮進路不同因素即長度、高度和寬度對各個指標的影響，最終的分析結果是：進路高度對這些指標的影響較大，其次是進路寬度和進路長度。

3）通過對各個模擬方案一步采和二步采的應力、位移和塑性區分布進行分析，一步采的頂板應力和位移均小于二步采，開采過程中頂板的破壞以剪切破壞為主。結果顯示，只有方案5、方案6和方案9的塑性區未發生貫通，其余方案都有貫通。從安全、經濟和技術方面綜合考慮，確定方案5的采場結構參數最優，故最優采場結構參數為進路長度25 m、進路寬度3.5 m、進路高度3.5 m。該方案經過現場工業試驗，取得了良好的技術經濟指標，并在礦山各中段進行推廣使用，實現了礦山的安全、高效、經濟開采。

[參 考 文 獻]

[1] 劉龍瓊，周樂，溫聳.急傾斜中厚破碎礦體采場結構參數的優化及應用[J].黃金，2020，41（10）：40-45.

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[4] 李俊平，葉浩然，李宗利，等.二里河鉛鋅礦采場結構參數及巷道布置研究[J].地下空間與工程學報，2019，15（3）：902-910.

[5] 秦健春，王新民，駱小芳，等.充填法兩步回采采場結構參數優化[J].礦冶工程，2012，32（4）：1-4.

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Optimization of stope structure parameters based

on orthogonal experimental design and its application

Fan Wentao1，Liu Leilei2

（1.Shandong Gold Mining Co.，Ltd.; 2.School of Resource and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：Optimal selection of stope structure parameters is of great significance to safety production and economic benefits of mines.This paper，taking a silver polymetallic deposit in Inner Mongolia as an example，based on the mining method and mining technical conditions of the mine and using the orthogonal experiment design method，9 numerical simulation schemes with different stope structure parameters are designed based on the length，width and height，and Rhinoceros modeling software coupled Flac3D simulation analysis software is used to numerically simulate and analyze the one-step and two-step mining methods in the 9 schemes.Range analysis was conducted for each index of the 9 simulation schemes.The results showed that the height of the approach has a greater impact on these indicators，followed by width and length.Finally，comprehensive considerations of the safety，economy and technology determined the stope structural parameters of Scheme 5，in which the approach length is 25 m，width is 3.5 m，height is 3.5 m，to be the best.Field industrial test shows that the Scheme 5 is the best，with mining loss rate to be 8 %，ore dilution rate 5 %，and increased ore drawing efficiency.Besides，the ground pressure can be effectively controlled during extraction，and the safety，economy and efficiency are ensured.

Keywords：stope structure parameters;orthogonal experimental design;numerical simulation;tensile stress;plastic zone