三山島金礦西山深部北區礦體采場結構參數優化

摘要：為優化三山島金礦西山深部北區上向進路充填采礦法的采場結構參數，基于礦體的開采技術條件，初步選擇了10種采場結構參數，利用ABAQUS軟件對10種采場結構參數進行數值模擬分析，再結合模糊數學方法對10種模擬結果進行優化。經過綜合對比分析，推薦方案2作為三山島金礦西山深部北區SL06154盤區采場的結構參數，即一步進路采場寬度8 m，二步進路采場寬度6 m，進路采高4.5 m，采用隔一采一的方式。

關鍵詞：深部礦體；上向進路；充填采礦法；數值模擬分析；采場結構參數；模糊數學

中圖分類號：TD853.34 文章編號：1001-1277（2024）09-0017-06

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240904

引 言

礦山在開采過程中，采場開采不僅是一個動態開挖過程，也是一個復雜的系統工程，受到多個因素綜合影響［1-3］。而采場的穩定性對于回采作業安全至關重要，采場穩定性影響因素十分復雜，這是因為每個礦山的地質條件和開采技術條件有差異，采場穩定性一方面跟采場礦巖的物理力學性質相關，另一方面還與采場結構參數有關［4-5］。因此，開展采場結構參數優化研究直接關系到采場的穩定性，也影響整個礦山的安全及經濟效益，對于礦山開采意義重大［6-7］。

學者常采用數值模擬、數學方法等手段開展采場結構參數優化研究，取得了不錯的效果。例如：高博等［8］針對山東某金礦采用上向水平分層充填采礦法面臨的上盤礦體破碎問題，采用Flac3D軟件對采場結構參數進行了數值模擬分析；王文勝等［9］基于夏甸金礦開采技術條件，采用數值分析軟件對上向進路充填采礦法的采場結構參數進行了模擬，獲得了最優的采場結構參數；李加州等［10］針對某礦山的礦巖情況，采用AHP-TOPSIS模型對采場結構參數進行了優選，獲得了最佳的采礦方法；王邦雁［11］采用數值模擬方法對緩傾斜厚大礦體采場結構參數進行了研究；孫星等［12］采用UDEC軟件對深部急傾斜厚大礦體采用階段空場嗣后充填采礦法的采場結構參數進行了優化研究，結果表明，采場長度50 m和跨度20 m是最優的；安傲清［13］采用ANSYS軟件對山東玲瓏金礦采用的上向進路充填采礦法采場結構參數進行研究，確定了進路寬度4 m為最優的采場結構參數。

本文以山東黃金礦業（萊州）有限公司三山島金礦（下稱“三山島金礦”）西山深部北區礦體為研究對象，根據西山深部北區礦體的開采技術條件，采用上向進路充填采礦法開采。為研究西山深部北區礦體的采場結構參數，采用ABAQUS軟件對10種采場結構參數方案進行數值模擬分析，利用模糊數學方法對數值模擬結果進行優化分析，最終得到最佳的采場結構參數。

1 工程背景

三山島金礦西山深部北區礦體主要賦存于地下1 000～2 000 m，從目前西山深部北區礦井下采場及巷道揭露巖體的情況可知，礦體上盤圍巖穩固性差，多為碎裂巖，易冒落。礦體下盤圍巖為絹英巖化花崗質碎裂巖，其內亦發育相互交錯的裂隙節理，造成局部圍巖破碎，尤其是煌斑巖處及兩側，特別破碎。西山深部北區礦巖巖性均為黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖、絹英巖化花崗巖，下盤推測可能出現破碎斷裂帶，掘進施工至此易產生掉塊和塌方；同時深部礦體存在高地壓、巖爆等工程地質問題，工程地質條件復雜程度為復雜。西山深部北區礦體不同等級礦（巖）體物理力學參數見表1。

通過分析西山深部北區礦體產狀特征得出：該區域礦體整體展布于F1斷層以下，偶有F1斷層穿入礦體情況，屬于緩傾斜—傾斜極厚大礦體，中間夾有15～20 m（水平厚度）廢石，以此為界自然地分成了上盤礦體、下盤礦體。-1 050 m中段下盤主體礦體

厚度為16.35～60.29 m，平均厚度約為28 m。上盤礦體相對較薄，主體礦體厚度為16.35～60.29 m，平均厚度約為28 m。上盤礦體較為破碎，下盤礦體完整度較高。目前，擬采用上向進路充填采礦法開采西山深部北區礦體，開采方式采用隔一采一的形式，階段高度設置為45 m，采場寬度為礦體厚度，約30 m，采場長度為50 m，采場中進路沿礦體走向布置。該方法為工作面循環作業，鑿巖爆破、出礦、充填和護頂完成一個循環后，進行下一分層的循環；回采空間和范圍可以控制，人員、設備在暴露的頂板下作業，需有效控制頂板。

2 基于ABAQUS軟件數值模擬分析

2.1 采場結構參數模擬方案

為研究上向進路充填采礦法的采場結構參數，采用ABAQUS軟件進行數值模擬分析［14-15］。擬采用進路采場的各項結構參數為：一步進路采場寬度為7 m、8 m、9 m，二步進路采場寬度為5 m、6 m、7 m，進路高度為3.5 m、4.5 m、5.5 m，開采方式采用隔一采一的形式，同時開采進路采場的數量為1個、2個、3個、4個。對以上參數進行組合，共有10種數值模型用來分析進路開采頂板及圍巖的位移、應力與采場長度之間的關系。采場結構參數計算方案見表2。

2.2 模擬結果及分析

2.2.1 等效應力分布規律

為了方便理解，對方案2的進路采場開挖形成空區后建立數值模型分析。其中，上覆巖層壓力為27 MPa，得到采場頂板、兩幫及圍巖等效應力分布，結果見圖1。

由圖1可知：整個盤區的等效應力為0.3～123 MPa，應力集中區域明顯分布在一步進路采場頂板角落，而一步進路采場底板角落僅存在較少的應力集中區域。除應力集中區域外，整個盤區圍巖的等效應力為0.3～82 MPa，二步進路采場主要存在著高應力分布情況，一步進路采場的頂板和底板圍巖存在著地應力分布的情況，說明開挖導致了應力重新分布，一步進路采場頂底板圍巖的應力得到一定程度的釋放，而兩幫圍巖應力呈現一定程度增加。

同理，對采空區充填后建立數值模型并分析，得到進路采場頂板、兩幫及圍巖的等效應力分布，結果見圖2。

由圖2可知：盤區整體的等效應力為0.9～122 MPa。其中，一步進路采場頂板角落存在應力集中區域，但是，相比采空區的應力集中范圍有所減少。充填后，一步進路采場底板角落存在少量的應力集中現象。除應力集中區域外，其他圍巖的等效應力為0.9～82 MPa，高應力區域仍然分布在二步進路采場，但是分布范圍有所減少，低應力區域分布在一步進路采場頂板和底板圍巖中，范圍有所增加（尤其底板圍巖）。

2.2.2 塑性應變及沉降變形分析

圍巖塑性應變及y方向上變形見圖3～5。由圖3～5可知，方案2的上覆巖層壓力為27 MPa。

根據應變云圖：一步進路采場頂板及兩幫在x方向塑性應變為6.658×10-5～4.983×10-4，一步進

路采場頂板角落出現相對較大的塑性應變，應變值達到1.085×10-3。y方向塑性應變為1.576×10-4～8.367×10-4，一步進路采場頂板角落出現相對較大塑性應變，應變值達到5.809×10-3。根據y方向上沉降云圖，一步進路采場頂板在y方向沉降量相對較大，在數值模擬過程中監測其變形值，得到頂板沉降曲線和兩幫變形曲線見圖6、圖7。

對采空區充填后建立數值模型并分析，得到采場圍巖的塑性應變及y方向上的變形（見圖8～10）。

根據云圖：采場充填后，一步進路采場頂板及兩幫在x方向的塑性應變為1.015×10-5～5.327×10-4，一步進路采場頂板角落出現相對較大塑性應變，應變值達到9.602×10-4。在y方向的塑性應變為1.334×10-4～3.063×10-2，一步進路采場頂板角落出現相對較大塑性應變，應變值達到1.012×10-2。根據y方向上的沉降云圖，頂板在y方向沉降量相對較大。為進一步精準研究采場頂板沉降量和兩幫變形量，在數值模擬過程中監測其變形值，得到頂板沉降曲線和兩幫變形曲線，見圖11、圖12。

由于采用ABAQUS軟件得到10種方案的數值模擬結果不易進行優選，故決定采用模糊數學方法對10種方案的模擬結果進行優選。

3 基于模糊數學優選

基于數值模擬結果分析，結合模糊數學方法對10種方案進行了優選［16-17］，選取各方案的最大等效應力（S1）、頂板沉降量（S2）、左幫變形量（S3）、右幫變形量（S4）、與工程地質條件適應性（S5）、二步采的相對難易程度（S6）和相對生產能力（S7）等指標進行分析。其中，對定性指標（S5 和S6）進行定量賦值，各指標參數見表3。

根據模糊數學方法對以上10種采場結構參數模擬結果各項指標方案進行計算，可得方案隸屬度向量

R=（0.769 1，0.834 5，0.811 1，0.787 5，0.687 4，0.723 1，0.754 3，0.768 9，0.790 5，0.801 2）。即各方案優先順序為：方案2（一步進路寬8 m、二步進路寬6 m、采高4.5 m）>方案3>方案10>方案9>方案4>方案1>方案8>方案7>方案6>方案5。

因此，經過綜合分析，推薦采用方案2作為三山島金礦西山深部北區礦體的采場結構參數，即一步采場寬度8 m，二步采場寬度6 m，采高4.5 m，隔一采一的方式回采礦體。

4 結 論

1）根據三山島金礦西山深部北區礦體的開采技術條件，為研究采用不同采場結構參數時，采場圍巖應力應變演化規律，設計了10組進路采場的結構參數，采用ABAQUS數值分析軟件對10種采場結構參數方案進行數值模擬分析，得到了采場頂板及圍巖位移、應力與采場長度之間的關系。

2）基于模糊數學方法，綜合考慮最大等效應力（S1）、頂板沉降量（S 2）、左幫變形量（S 3）、右幫變形量（S 4）、與工程地質條件適應性（S 5）、二步采的相對難易程度（S 6）和相對生產能力（S 7）等七大指標，對10個數值模型進行對比分析。研究結果表明：基于穩妥、可靠的原則，方案2最優，推薦三山島金礦西山深部北區礦體的采場結構參數為：一步進路采場寬度8 m，二步進路采場寬度6 m，進路采高4.5 m，采用隔一采一的方式回采。

［參 考 文 獻］

［1］ 周永濤.阿舍勒銅礦采場結構參數優化研究［J］.礦業研究與開發，2023，43（3）：22-25.

［2］ 胡建釗.某銅礦采場結構參數優化［J］.采礦技術，2023，23（1）：7-11.

［3］ 夏文浩，宋衛東.某金礦上向水平分層充填采礦參數優化研究［C］∥中國金屬學會.第十三屆中國鋼鐵年會論文集——礦業工程.北京：冶金工業出版社，2022.

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［5］ 余一松，李華華，劉家明.緩傾斜中厚鋁土礦采場參數優化及試驗研究［J］.采礦技術，2023，23（4）：10-16.

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［7］ 李翠，張良兵，陳濤，等.基于Mathews和FLAC3D的采場結構參數優化研究［J］.鋼鐵釩鈦，2023，44（5）：41-47.

［8］ 高博，李佳建.上向水平分層充填法采場結構參數優化的數值模擬研究［J］.礦業研究與開發，2023，43（8）：19-25.

［9］ 王文勝，張忠傳，秦秀合，等.上向進路充填采礦法采場結構參數優化研究［J］.采礦技術，2023，23（5）：22-28.

［10］ 李加州，馬俊杰.基于AHP-TOPSIS模型的某礦采場結構參數優選［J］.金屬礦山，2023（8）：189-195.

［11］ 王邦雁.基于FLAC3D緩傾斜厚大礦體采場結構參數優化研究［J］.山西冶金，2023，46（9）：93-95.

［12］ 孫星，安龍.深部低品位資源階段空場嗣后充填采礦法采場結構優化與穩定性控制［J］.黃金，2023，44（7）：75-82.

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［14］ 黃旭利，王筱添，景岳，等.基于數值模擬的采場結構參數與充填強度匹配性研究［J］.采礦技術，2023，23（3）：139-142.

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［16］ 王梓安.基于層次分析和模糊數學綜合判定的某金礦采礦方法優選［J］.黃金，2023，44（6）：24-29.

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Optimization of stope structural parameters for the orebody in the north area deep

in Xishan area of Sanshandao Gold Mine

Wang Yunsheng

（Sanshandao Gold Mine，Shandong Gold Mining Industry （Laizhou）Co.，Ltd.）

Abstract：Based on the mining technical conditions of the orebody in the north area deep in Xishan area of Sanshandao Gold Mine，this study aims to optimize the stope structural parameters for the upward approach cut-and-fill mining method.10 preliminary stope structural parameters were selected and analyzed using ABAQUS software for numerical simulation.These simulation results were further optimized using fuzzy mathematics.Through comprehensive comparison and analysis，Scheme 2 is recommended for the structural parameters of the stope in the SL06154 panel of the north area deep in Xishan area of Sanshandao Gold Mine.The scheme involves a first-step stope width of 8 m，a second-step stope width of 6 m，and a stope height of 4.5 m，with an alternate mining approach for the orebody in the north area deep in Xishan area of Sanshandao Gold Mine.

Keywords：deep orebody;upward approach;cut-and-fill mining;numerical simulation analysis;stope structural para-meters;fuzzy mathematics