基于FLAC3D模型的上向進路采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

王炳文，黎 林，張書金，武茂超

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

上向進路充填法是金屬礦山內(nèi)常用的一種采礦方法，因礦石回收率高、貧化率低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)參數(shù)是十分必要的。

在采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面，許多學者進行了相關(guān)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(jié)構(gòu)參數(shù)方案在不同埋藏深度時的穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬研究，獲得了不同埋藏深度時最佳采場結(jié)構(gòu)參數(shù)；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(yīng)優(yōu)化，得到了開采經(jīng)濟效益最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；程文文等[5]應(yīng)用多因素層次分析法對金山金礦淺孔房柱采礦法采場結(jié)構(gòu)參進行了數(shù)優(yōu)化，解決了采場生產(chǎn)能力較低、貧損指標不理想等問題；陳順滿等[6]基于響應(yīng)面法對破碎圍巖條件下的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)方案；易善華等[9]基于ANSYS和模糊評價對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，得到了礦房和礦柱寬度的最優(yōu)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(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)了高效經(jīng)濟開采。

玲瓏金礦東風礦區(qū)采用上向進路膠結(jié)充填采礦法，生效率低，工人勞動強度大。針對玲瓏金礦的現(xiàn)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(yīng)力位移分布，并結(jié)合實際情況，得出最合理的采場跨度參數(shù)。

1 工程背景

東風礦區(qū)內(nèi)的礦脈主要表現(xiàn)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(gòu)造控制。其上盤次級裂隙發(fā)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(zhì)碎裂巖、花崗質(zhì)碎裂巖組成。局部具有明顯的裂面，在主裂面發(fā)育有斷層泥。區(qū)內(nèi)地層簡單，主要為第四系陸相沉積，沿山間谷地分布。區(qū)內(nèi)構(gòu)造為脆性斷裂構(gòu)造,受多期次的區(qū)域性構(gòu)造作用，礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育。北東向斷裂是主要的斷裂構(gòu)造，控制著含金礦脈的分布，北西向斷裂構(gòu)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(gòu)造裂隙水和隔水層(體)。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查所知，現(xiàn)有開采方法采場跨度為3.3 m，由于采場結(jié)構(gòu)參數(shù)過于保守，導(dǎo)致了采場生產(chǎn)能力低、生產(chǎn)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(shè)備，降低了工作效率。因此，需要對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，提高礦山的生產(chǎn)效率。

2 數(shù)值模擬分析

利用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，分析不同跨度采場的頂板應(yīng)力和位移分布，對玲瓏金礦東風礦區(qū)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)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(qū)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(jié)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(cè)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(qū)主應(yīng)力屬于水平構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)的高應(yīng)力場，因此，計算域初始條件考慮原巖構(gòu)造應(yīng)力場和自重應(yīng)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(jù)玲瓏金礦地質(zhì)調(diào)查結(jié)果及室內(nèi)巖石力學參數(shù)試驗，礦巖體力學參數(shù)見表1。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查可知，礦區(qū)內(nèi)采場高度統(tǒng)一為3.2 m，因此本次模擬只對采場跨度進行優(yōu)化，共分為6個方案，各方案參數(shù)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(shù)Table 1 The mechanical parameters of model calculation

表2 各模擬方案采場結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Stope structure parameters of each simulation scheme

2.3 各方案模擬結(jié)果分析

根據(jù)所模擬的結(jié)果采場對頂板應(yīng)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(yīng)力位移分布圖以及各方案匯總的曲線圖。

2.3.1 應(yīng)力分析

從模擬結(jié)果可以看出，隨著采場跨度的增大，頂板拉應(yīng)力也越來越大，當超過礦體的抗拉強度時，頂板就會發(fā)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(yīng)力分布圖，當采場跨度為8 m時，開挖后，采場頂板迅速出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)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(yīng)力為2.70 MPa，已經(jīng)超過礦體的最大抗拉強度，頂板發(fā)生破壞。

從圖4中的頂板最大拉應(yīng)力曲線可以看出，頂板最大拉應(yīng)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(fā)生破壞。

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

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

圖4 頂板最大拉應(yīng)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(wěn)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(wěn)定狀態(tài)。

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(jié)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(xiàn)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(jié)論

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

3 工程應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場試驗情況

東風礦區(qū)上向水平分層大斷面進路膠結(jié)充填采礦工業(yè)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(jù)試驗地點采場巖體穩(wěn)定性，將原來設(shè)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(xiàn)場施工情況來看，采場壁面光滑整潔，部分破碎區(qū)域需要支護，試驗效果良好。

3.2 技術(shù)經(jīng)濟對比

采場跨度變更為6 m后，對試驗點的技術(shù)經(jīng)濟指標進行了統(tǒng)計，并與之前跨度為3.3 m時進行了對比，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 試驗前后技術(shù)經(jīng)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(chǎn)成本減小，實現(xiàn)礦山的高效經(jīng)濟開采，具有很大的實用價值。

4 結(jié) 論

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

2) 現(xiàn)場工業(yè)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(shè)備，減輕了工人的勞動強度，實現(xiàn)了礦山的安全、高效、經(jīng)濟開采。