基于FLAC3D的采礦方法優(yōu)選及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化①

羅來和，夏國進(jìn)，王 沉，朱獲天

（1.貴州紫金礦業(yè)股份有限公司，貴州 貞豐562200；2.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽550025）

數(shù)值模擬分析作為洞悉巖體、土體內(nèi)部破壞機(jī)制的一種可視手段，為分析人員提供了強(qiáng)有力幫助。FLAC3D數(shù)值模擬軟件適用于巖體、土體等連續(xù)介質(zhì)漸進(jìn)破壞和崩塌等現(xiàn)象的研究。

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)影響礦山安全生產(chǎn)、礦石損失率和貧化率等開采經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和礦山開采效率，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是礦山開采中非常重要的環(huán)節(jié)。目前越來越多的學(xué)者采用計(jì)算機(jī)編程或計(jì)算機(jī)模擬的方法實(shí)現(xiàn)采礦方法優(yōu)選和參數(shù)優(yōu)化，采用各種數(shù)值模擬軟件實(shí)現(xiàn)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬及優(yōu)化研究［1-5］，其中FLAC3D、ANSYS、三維仿真是應(yīng)用較多的數(shù)值模擬軟件或方法，且分析效果較好［6-9］。本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對上向進(jìn)路充填采礦法、上向水平分層充填采礦法、下向分層充填采礦法等3種不同采礦方法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化，得出合理采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 工程概況

簸箕田金礦位于貴州省貞豐縣城北西約20 km，主要礦體為埋深200 m以上的卡林型金礦，水平標(biāo)高633.0～1 106.0 m。簸箕田金礦礦體似層狀分布，主要含礦層為較堅(jiān)硬的灰?guī)r及粉砂巖，頂?shù)装鍑鷰r為巖質(zhì)較軟的黏土巖、黏土質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)黏土巖及炭質(zhì)巖。礦體內(nèi)斷層發(fā)育，水文地質(zhì)條件及工程地質(zhì)條件復(fù)雜程度均為中等。

2 采場失穩(wěn)依據(jù)與模擬結(jié)果分析

2.1 模型的建立與失穩(wěn)依據(jù)

根據(jù)礦體賦存條件建立數(shù)值模擬模型，通過對礦山地質(zhì)資料的收集和實(shí)際調(diào)研，礦體頂?shù)装鍨轲ね翈r，礦體為石灰?guī)r?；贔LAC3D數(shù)值模擬軟件所建模型的走向與傾向長度均為100 m，傾角15°。該模型本構(gòu)關(guān)系采用摩爾?庫倫準(zhǔn)則，根據(jù)上覆200 m巖層質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)力學(xué)參數(shù)由現(xiàn)場采樣試驗(yàn)測得。模型初始單元網(wǎng)格見圖1。

圖1 礦體初始模型

根據(jù)文獻(xiàn)［10-11］對采場失穩(wěn)機(jī)理的研究所提出的容許下沉量，充填法下頂板穩(wěn)定性與回采過程中頂板下沉量關(guān)系如表1所示。

表1 充填法下采場頂板下沉量與穩(wěn)定性的關(guān)系

2.2 應(yīng)力場分布對比分析

圖2 為3種采礦方法開挖后采場頂板和圍巖沿分段方向的應(yīng)力分布情況，作為分析3種采礦方法采場穩(wěn)定性的指標(biāo)。

由圖2可知，采場開挖后，圍巖巖體受到采動影響，其內(nèi)部應(yīng)力場發(fā)生了新的變化，主要表現(xiàn)為：分段頂?shù)装鍘r體和兩幫巖體呈現(xiàn)出最大應(yīng)力降低的情況。上向水平分層充填采礦法和下向分層充填采礦法最大主應(yīng)力均勻變化，相對較平穩(wěn)；上向進(jìn)路充填采礦法最大應(yīng)力集中在采場中部頂?shù)装迳?，拉?yīng)力約1.02 MPa，采場兩端分布較小。3種采礦法最大主應(yīng)力變化都較平穩(wěn)，其中上向進(jìn)路充填采礦法的分段采場頂?shù)装遄畲罄瓚?yīng)力小于其他2種采礦方法，采場相對更穩(wěn)定。

圖2 3種采礦方法最大應(yīng)力分布云圖

2.3 位移場大小對比分析

位移場主要分析各采礦方法的采場頂板下沉量，是判斷采場穩(wěn)定性的重要依據(jù)。3種采礦方法位移場云圖見圖3。

從圖3可以看出，3種采礦方法的采場位移最大值均在分段采場中部，依次為3.03 mm，3.72 mm和4.05 mm；上向進(jìn)路充填采礦法采場位移分布在分段采場中部；上向水平分層充填采礦法采場位移分散在整個分段采場中；下向分層充填采礦法位移沿分段采場中部向采場兩端分散，其值逐漸降低。因此，上向進(jìn)路充填采礦法分段采場頂?shù)装逑鄬Ψ€(wěn)定。

圖3 3種采礦方法采場最大位移云圖

2.4 采礦方法優(yōu)選

從3種采礦方法采場回采數(shù)值模擬分析結(jié)果可以得出，3種采礦方法均能滿足安全采礦要求；從采礦方法安全與經(jīng)濟(jì)的角度考慮，上向進(jìn)路充填采礦法為優(yōu)選方案。

3 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

對上向進(jìn)路充填采礦法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。根據(jù)礦山開采方案的設(shè)計(jì)和類似礦山開采經(jīng)驗(yàn)，初步選定采場分段高度2～3 m、寬度4～6 m，模擬方案及模擬結(jié)果如表2所示。

表2 各采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下的模擬結(jié)果

模擬結(jié)果表明：

方案1采場最大主應(yīng)力變化較平穩(wěn)，采場頂部和底部都受最大主應(yīng)力影響，在采場中部較為集中，從最大主應(yīng)力來看，采場處于穩(wěn)定狀態(tài)；采場最大位移出現(xiàn)在采場兩幫；塑性區(qū)出現(xiàn)在采場頂?shù)装逯胁亢蛢蓭蜕喜?，但未出現(xiàn)破壞，采場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

續(xù)表2

方案2采場頂?shù)装逯胁亢筒蓤鰞蓭统霈F(xiàn)應(yīng)力集中，這主要是采場回采后，受上覆巖層的作用，導(dǎo)致頂板和底板中部處于拉伸狀態(tài)，出現(xiàn)上鼓趨勢；采場最大位移出現(xiàn)在采場側(cè)幫；塑性區(qū)出現(xiàn)在采場兩幫，比較集中，但未出現(xiàn)破壞，采場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

方案3采場最大主應(yīng)力分布在采場頂?shù)装搴筒蓤鰞蓚?cè)幫，集中在底板中部，表現(xiàn)為底板上鼓；采場最大位移出現(xiàn)在采場兩幫；塑性區(qū)出現(xiàn)在采場兩幫及底板，集中分布在底板，但底板未出現(xiàn)破壞，采場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

方案4采場應(yīng)力分布較均勻，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在采場頂?shù)装逯胁?；采場最大位移出現(xiàn)在采場頂板及兩幫和頂?shù)装褰唤犹帯Ｋ苄詤^(qū)出現(xiàn)在采場兩幫，未出現(xiàn)破壞，采場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

方案5采場中部是應(yīng)力集中部位；采場最大位移出現(xiàn)在采場頂板；塑性區(qū)出現(xiàn)在采場兩幫，采場側(cè)幫比較集中，但未出現(xiàn)破壞，采場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

方案6采場最大主應(yīng)力變化不大，采場處于穩(wěn)定狀態(tài)；采場最大位移出現(xiàn)在采場側(cè)幫和頂板交界處；塑性區(qū)出現(xiàn)在采場兩幫，集中分布在采場右?guī)?，采場兩幫未出現(xiàn)破壞，采場處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

方案7采場頂?shù)装逯胁砍霈F(xiàn)應(yīng)力集中，頂?shù)装鍍蓚?cè)應(yīng)力分布均勻，采場穩(wěn)定；采場最大位移出現(xiàn)在采場的側(cè)幫與頂板交界處。塑性區(qū)出現(xiàn)在采場頂?shù)装?，未出現(xiàn)破壞，采場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

方案8采場最大主應(yīng)力集中分布在采場頂?shù)装逯胁亢蛢蓚?cè)幫；采場最大位移出現(xiàn)在采場側(cè)幫；塑性區(qū)出現(xiàn)在采場頂?shù)装蹇拷鼉蓭吞?，未出現(xiàn)破壞，采場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

方案9采場最大主應(yīng)力集中在采場頂?shù)装逯胁?；采場最大位移出現(xiàn)在采場側(cè)幫；塑性區(qū)出現(xiàn)在采場頂?shù)装蹇拷鼉蓚?cè)幫處，未發(fā)生破壞，采場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，所選采場結(jié)構(gòu)參數(shù)均能滿足回采采場的穩(wěn)定性要求。在滿足安全開采的條件下，采場參數(shù)越大、掘進(jìn)工程量越小，結(jié)合礦石損失率、貧化率等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，最終選擇的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為分段高度3 m、寬度6 m。

4 結(jié) 論

1）通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對上向進(jìn)路充填采礦法、上向水平分層充填采礦法和下向分層充填采礦法3種充填采礦法進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示，最大主應(yīng)力未超過礦石和圍巖抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度，最大豎向位移量均在巖體穩(wěn)定范圍內(nèi)，采場都未發(fā)生破壞。優(yōu)選方案為上向進(jìn)路充填采礦法。

2）對上向進(jìn)路充填采礦法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了模擬和優(yōu)化。參考類似礦山開采，選擇分段高度2.0 m、2.5 m、3.0 m和寬度4 m、5 m、6 m進(jìn)行采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬軟件模擬結(jié)果表明，所選采場結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的分段采場都處于穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合礦山開采技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如礦石貧化率、礦石損失率、掘進(jìn)工程量等，最終選擇分段采場高度3 m、寬度6 m進(jìn)行開采。