基于生產(chǎn)計劃編制的深部中段回采順序優(yōu)化研究

唐 碩,譚浪浪

(1.中條山有色金屬集團有限公司， 山西 垣曲縣 043700；2.湖南有色冶金勞動保護研究院， 湖南 長沙 410012)

基于生產(chǎn)計劃編制的深部中段回采順序優(yōu)化研究

唐 碩1,譚浪浪2

(1.中條山有色金屬集團有限公司， 山西 垣曲縣 043700；2.湖南有色冶金勞動保護研究院， 湖南 長沙 410012)

針對某地下金屬礦山深部開采地壓顯現(xiàn)的現(xiàn)狀，運用三維礦業(yè)軟件DIMINE對該礦山某深部中段所有備采采場進行生產(chǎn)進度計劃編制，排出3種合理的生產(chǎn)進度計劃方案；再分別對這些方案進行數(shù)值分析，對比各方案的地壓顯現(xiàn)效果，最終得到地壓效果最佳的方案。為礦山提供了合理的回采順序。

生產(chǎn)計劃編制；數(shù)值分析；回采順序

0 前 言

地下采礦本身是在地應(yīng)力作用下進行的，而開挖時造成圍巖應(yīng)力重新分布的基本原因是不同回采順序?qū)a(chǎn)生不同的應(yīng)力場和位移場。某礦山由于礦山資源的不斷開采，淺層礦體已經(jīng)越來越少，礦山開采不斷向著深部發(fā)展?，F(xiàn)在開采深度最深已經(jīng)達到-700 m水平。一般情況下開采深度越深，采場所受到的地壓越大。因此，開采順序不能再套用淺部采場的回采順序的模式。本文根據(jù)該礦山下一年的出礦量計劃，運用三維礦業(yè)軟件DIMINE對該礦山典型深部-650 m中段所有備采采場為例，進行采場進度計劃編制，選出三種合理的回采順序的方案；再對這些方案分別進行數(shù)值分析，對比分析結(jié)果，選出最優(yōu)開采方案。

當(dāng)前很多學(xué)者運用FLAC3D有限差分法軟件對巖體進行數(shù)值分析，可FLAC3D軟件的前處理功能相對較復(fù)雜，對構(gòu)建復(fù)雜而大量的計算模型有困難。本文運用Midas強大的前處理功能建立數(shù)值分析所需的分析模型，其建立的網(wǎng)格模型如圖1所示，將Midas模型導(dǎo)入FLAC3D,結(jié)合巖石力學(xué)參數(shù)，對不同的回采順序方案進行開挖模擬。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上分析采場在各種回采順序情況下的力學(xué)特點，最終選擇地壓顯現(xiàn)效果最佳的方案。

1 進度計劃方案產(chǎn)生

1.1 DIMINE生產(chǎn)計劃編制依據(jù)

利用DIMINE軟件的數(shù)字建模為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，以礦山工程與采場的三維實體模型作為生產(chǎn)場地各種屬性的載體。生產(chǎn)計劃編制模塊將用戶輸入的計劃參數(shù)與前期建立的三維實體模型結(jié)合，生成生產(chǎn)任務(wù)，再按用戶定義的約束要求對任務(wù)進行排序，編制成生產(chǎn)計劃。

主要依據(jù)為：礦山地質(zhì)資源情況及采掘工程現(xiàn)狀；人財物投入計劃：各作業(yè)工區(qū)及地點的施工隊伍情況、工作天數(shù)等；各類經(jīng)濟指標(biāo)參數(shù)的選取：各類掘進設(shè)備的臺班效率，支護臺班效率，淺孔，中深孔施工臺班效率，供礦臺班效率，充填臺班效率等；礦山2017年生產(chǎn)計劃；礦山的前期相關(guān)建模資料。

圖1 Midas網(wǎng)格模型

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備主要包括對生產(chǎn)路徑、三維實體和塊段模型三類數(shù)據(jù)的處理。首先按2017年計劃采出礦量的要求建立所有計劃采場的實體模型和路徑線文件。在塊體模型建立時，用每個采場對塊段模型進行約束，并賦予各采場實際的品位與比重，使得不同采場的信息在塊段模型中得到真實的反映，以便進行儲量計算，確保設(shè)計和生產(chǎn)管理的需要。三維地質(zhì)塊段模型建立后，便可以用于生產(chǎn)計劃編制時提取有關(guān)信息作為屬性加載到每一個任務(wù)中。

1.3 生產(chǎn)計劃編制

本文根據(jù)礦山2017年的年度生產(chǎn)計劃，運用DIMINE軟件對所有計劃開采采場開采量進行分配，并進行回采順序的優(yōu)選，初選出中段內(nèi)部兩種合理的回采順序。以深部sh-650 m中段為例，中段采場三視圖如圖2所示。運用DIMINE軟件的生產(chǎn)計劃編制功能初步確定3種可選回采順序的方案，如圖3所示。

圖2 Sh-650 m中段采場三視圖

由圖3可知，DIMINE軟件生產(chǎn)計劃編制功能排出的Sh-650 m中段采場回采順序分別是：由兩翼往中間回采；由中間往兩翼回采；由北向南等距同向回采。

2 分析模型構(gòu)建

2.1 建立分析模型

由于FLAC3D對采場分布無規(guī)律的多個采場前處理模型建模相對較為困難，而Midas軟件能很好而快捷的建立本論文所研究的中段采場的分析模型。因此，將SURPAC 建立的sh-650 m中段所有備采采場的實體模型保存為dxf格式導(dǎo)入Midas軟件后形成實體模型，并對其采場分組劃分網(wǎng)格，圍巖的網(wǎng)格單元尺寸按4 m，采場部分網(wǎng)格單元塊按1 m的單元尺寸進行劃分。將其單元信息和節(jié)點信息通過接口程序轉(zhuǎn)換成FLAC3D能接收的格式，模型的單元塊數(shù)共299155個，節(jié)點數(shù)共61343個。采用本構(gòu)模型。

2.2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

該礦有5種力學(xué)介質(zhì)，即膠結(jié)充填體、膠面充填體、礦體圍巖D3tb、尾砂體和礦體，力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 初始應(yīng)力場和邊界條件

原巖應(yīng)力參數(shù)由長沙礦山研究院于2000年12月所做的該礦山深部地壓研究報告提供的參數(shù)，最大主應(yīng)力方向基本上與礦體走向一致。垂直應(yīng)力值接近于單位面積上覆巖的自重，見表2。

圖3 回采順序方案

表2 測點實測主應(yīng)力表(方位角為α，傾角為β)

由于實測的主應(yīng)力的方向不是沿著嚴(yán)格的X、Y、Z方向，為了在施加初始應(yīng)力時能把應(yīng)力分解到X、Y、Z方向上，更方便地施加初始應(yīng)力，將測量的各主應(yīng)力結(jié)果，將地應(yīng)力的大小和方向進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下：

σX=σ1sinα1cosβ1+σ2sinα2cosβ2+σ3sinα3cosβ3

(1)

σY=σ1cosα1cosβ1+σ2cosα2cosβ2+σ3cosα3cosβ3

(2)

σZ=σ1sinβ1+σ2sinβ2+σ3sinβ3

(3)

在模型的前后、左右和底邊邊界均以位移邊界為零來約束，上邊界施以上邊界上部的巖層自重應(yīng)力。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 主應(yīng)力分布

由圖4所知，3個開采方案中，當(dāng)采用方案A的回采順序(即兩翼往中間回采)回采到最后時，最大主應(yīng)力值最高達到32.1 M，明顯大于圍巖的最大抗壓強度31.2 M；當(dāng)采用方案B(中間往兩翼回采)時，最大主應(yīng)力為30.2 M；當(dāng)采用方案C(由北向南等距同向開采)時，最大主應(yīng)力為32.1 M，也大于圍巖的單軸抗壓強度。相比較而言，A、C兩方案最大主應(yīng)力都大于圍巖的最大抗壓強度，只有B方案最大主應(yīng)力小于圍巖的最大抗壓強度。通過主應(yīng)力分析比較可以看出，方案B最優(yōu)。

圖4最大主應(yīng)力云圖

3.2 位移分布

從圖5可以看出，當(dāng)使用方案A的回采順序時，最大位移在采空區(qū)頂板位置，位移方向垂直采空區(qū)頂板指向下，其值為1.02 cm；當(dāng)使用方案B的回采順序時，最大位移也是發(fā)生在相鄰采場采空區(qū)的頂板位置，最大值約為1.07 cm；當(dāng)使用方案C的回采順序時，最大位移同樣是發(fā)生在相鄰采場采空區(qū)的頂板位置，最大值約為1.06 cm。三方案在位移控制方面都做得比較好，在這方面比較中3個方案都可取，且位移控制效果不錯。

由于每個采場開采的高度相對較小，各采場均未產(chǎn)生明顯的塑性區(qū)，因此，可不對塑性區(qū)進行比較。

綜合以上分析得出，方案B在力學(xué)效果控制方面明顯優(yōu)于其他兩方案，所以最終確定采用方案B的回采順序，即采用中間往兩翼的回采順序開采Sh-650 m中段的采場。

圖5垂直方向位移云圖

4 結(jié) 論

(1) DIMINE三維礦山軟件有著良好的生產(chǎn)計劃編制功能。按照礦山對Sh-650 m中段采場年計劃開采礦量要求，運用DIMINE軟件對礦山該中段進行生產(chǎn)計劃編制，精確得出中段內(nèi)各個采場的出礦量，同時排出3種較為合理的回采順序，為最終回采順序的優(yōu)選做準(zhǔn)備。

(2) 按照排產(chǎn)的礦量要求在SURPAC三維礦山軟件中折算出各采場2012年所需開采高度并據(jù)此建立計劃中段開采模型。將其導(dǎo)入MIDAS軟件中建立并劃分網(wǎng)格模型，通過MIDAS網(wǎng)格模型與FLAC3D分析模型間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將MIDAS里建立的網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化為FLAC3D的分析模型，成功解決了FLAC3D前處理能力不足的問題，為復(fù)雜計算模型建模找到一條新思路。

(3) 運用FLAC3D對DIMINE生產(chǎn)計劃編制功能編制出來的3種相對較為合理的回采順序進行數(shù)值模擬，經(jīng)過對比分析得出，方案B的回采順序，即中間往兩翼回采的回采順序更為合理，力學(xué)效果更佳，最終確定選擇方案B進行該中段的回采順序，為礦山深部中段開采回采順序的確定提供了一條新思路。

[1]馬長年，徐國元，倪 彬，等.金川二礦區(qū)厚大礦體開采新技術(shù)研究[J].礦冶工程，2010,30(6)：6-9.

[2]古德生，李夕兵，等.現(xiàn)代金屬礦床開采科學(xué)金屬[M].北京：冶金出版社，2006.

[3]Luo Yi zhong，Wu Ai-xiang，Liu Xiang ping，et al. Stability and reliability of pit slopes in surface mining combined with underground mining in Tonglushan mine[J].Journal of Central South University of Technology， 2004，11(4)：434-439.

[4]Midas Corporation. Midas GTS User Manual(Version2.6)[M].Korea: Midas Corporation，2002.

[5]Luo Zhou quan, LIU Xiao ming, Zhang Bao, et al. Cavity 3d modeling and correlative techniques based on cavity monitoring[J]. Journal of central south university of technology, 2008,15(5):639-644.

[6]荊永濱.地下礦山生產(chǎn)計劃三維可視化編制技術(shù)研究[D].長沙:中南大學(xué),2007.

[7]徐少游,畢 林,王李管.基于DIMINE軟件的地下金屬礦山生產(chǎn)計劃編制系統(tǒng)[J].金屬礦山，2010(11):51-55.

[8]羅周全，楊 彪，劉曉明，等.基于CMS實測及Midas-FLAC3D耦合的復(fù)雜空區(qū)群穩(wěn)定性分析[J].礦冶工程，2010,30(6):1-5.

2016-12-16)

唐 碩(1988-)，男，湖南岳陽人，采礦工程師，碩士，主要從事礦山地壓及其控制方面的工作，Email：379210339@qq.com。