基于PFC2D軟件的太平礦業(yè)公司自然崩落采礦法拉底方式優(yōu)選

摘要：針對太平礦業(yè)公司自然崩落采礦法回采工藝中不同拉底方式優(yōu)選問題，采用PFC2D軟件進行對比模擬分析。模擬不同拉底方式下，不同拉底推進距離對應的應力變化規(guī)律，最終確定太平礦業(yè)公司最優(yōu)拉底方式為前拉底，拉底推進距離25～30 m，該距離范圍內(nèi)底部結(jié)構(gòu)及出礦工程所受壓力相對較小，底部結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好，有利于支護成本的降低，可為礦山下一步安全高效回采提供理論指導。

關(guān)鍵詞：自然崩落采礦法;PFC2D軟件;數(shù)值模擬;拉底方式;推進距離

中圖分類號：TD853.36文獻標志碼：A開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2022）03-0040-04doi：10.11792/hj20220309

引 言

內(nèi)蒙古太平礦業(yè)有限公司（下稱“太平礦業(yè)公司”）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏拉特中旗新忽熱蘇木地區(qū)。太平礦業(yè)公司經(jīng)過多年大規(guī)模的露天開采，保有儲量日漸減少，礦區(qū)整體地質(zhì)品位較低，礦巖破碎，開采難度較大，急需從露天轉(zhuǎn)入地下進行開采，擬采用自然崩落采礦法對深部資源進行開采，而自然崩落采礦法底部結(jié)構(gòu)是整個采礦方法的重要組成部分，底部結(jié)構(gòu)的破壞將對礦山的生產(chǎn)及人員的安全造成不可估量的影響。因此，研究回采過程中不同拉底方式及拉底過程中底部結(jié)構(gòu)應力變化規(guī)律對整個工藝應用的成敗起著至關(guān)重要的作用。

近年來，隨著計算機技術(shù)的應用越來越普及，數(shù)值模擬法已成為國內(nèi)外學者研究自然崩落采礦法拉底過程中底部結(jié)構(gòu)應力變化的有效手段。本文以太平礦業(yè)公司為例，采用PFC2D軟件建立模型，依據(jù)巖石試驗數(shù)據(jù)，并基于實際拉底進度模擬開挖，研究礦山自然崩落采礦法不同拉底方式下、不同拉底推進距離對應的應力變化，確定最優(yōu)拉底方式，為后續(xù)現(xiàn)場工藝設(shè)計及應用提供技術(shù)支撐[1-2]。

1 工程背景

太平礦業(yè)公司礦體地質(zhì)構(gòu)造較為復雜，構(gòu)造線呈北東向展布，但延伸不明顯。礦區(qū)分為東、西2個礦段，東礦段分布在11100勘探線—9200勘探線，礦化帶長1 860 m，最寬304 m，最窄10 m，平均寬度183 m。礦化帶形態(tài)：在9300勘探線—9700勘探線走向NEE65°，長460 m，平均寬170 m;在9700勘探線—11000勘探線走向NE50°，長1 400 m，平均寬190 m，北東向延伸。礦脈傾向北西，傾角70°～87°。根據(jù)礦體開采技術(shù)條件，擬采用自然崩落采礦法進行回采，拉底方式分為后拉底、預拉底和前拉底。

2 拉底方式數(shù)值模擬

PFC（Particle Flow Code，PFC）系列軟件由ITASCA咨詢集團（設(shè)有ITASCA中國公司）開發(fā)，是一種顆粒流分析程序，分為PFC2D、PFC3D 2種。其主要是用于模擬任意形狀、大小的二維圓盤或三維球體集合體的運行及其相互作用的強大顆粒分析程序。除了應用于大體積流動和混合材料的力學研究以外，該系列軟件更適合于描述在固體材料中微觀/宏觀裂紋擴展、破壞累積并斷裂、破壞沖擊和微震響應等高水平課題的深化研究。

2.1 物理力學參數(shù)

太平礦業(yè)公司首采區(qū)拉底方式數(shù)值模擬采用PFC2D軟件[3]，在模擬顆粒微觀參數(shù)與宏觀參數(shù)沒有直接對應關(guān)系的前提下，利用模擬試驗與室內(nèi)試驗對比反算結(jié)果，采用PFC2D軟件對各數(shù)值模擬試驗賦相應的微觀參數(shù)[4]，結(jié)果見表1。單軸壓縮試驗結(jié)果及參數(shù)見表2。

巖石抗拉強度按照式（1）進行計算。

σt=2pπDh（1）

式中：σt為巖石抗拉強度（MPa）;p為破壞荷載（kN）;D為試件直徑（m）;h為試件高度（m）。

經(jīng)計算，巴西劈裂試驗抗拉強度σt=7.12 MPa。模擬試驗得到的巖石物理力學參數(shù)與礦山提供的巖石實際物理力學參數(shù)對照結(jié)果見表3。

2.2 數(shù)值模型建立

本次數(shù)值模擬模型尺寸高250 m，寬250 m。共生成顆粒57 698個，顆粒半徑0.4 m，孔隙率0.12。初始模型見圖1。

2.3 數(shù)值模擬方案

模型建立后，通過在底層設(shè)置測量圓，同時記錄出礦水平頂板受力情況。在模擬崩落過程中，通過逐步刪除拉底區(qū)域的模型顆粒，模型上部巖體在自重作用下逐漸發(fā)生自然垮落，實時追蹤記錄測量圓的受力情況。分析內(nèi)容主要針對自然崩落采礦法開采過程中，在采用不同的拉底推進距離時，前部巷道底部區(qū)域相應的應力變化規(guī)律。拉底方式主要分為后拉底、預拉底、前拉底3種，分別對這3種方式進行模擬分析[5-6]，以獲得最優(yōu)的拉底方式。

2022年第3期/第43卷 采礦工程采礦工程 黃 金

1）后拉底。后拉底方式是在出礦通道、出礦集中點、聚礦溝槽等工程整體形成后，再開始進行上方水平的拉底施工工作的拉底方式。

2）預拉底。預拉底方式是整體拉底工作需要在整個出礦水平施工作業(yè)開始前全部完成，或?qū)⒊龅V水平施工工作面滯后于拉底施工工作面一段距離。

3）前拉底。前拉底方式是將拉底的施工工作安排在部分已完成開拓施工的出礦水平上部進行，要求出礦水平的聚礦溝槽在形成拉底空間后的應力釋放區(qū)域進行施工。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 后拉底

為研究在后拉底方式下應力變化情況，選取拉底推進距離為10 m、15 m、30 m、45 m 4種情況，采用PFC2D軟件模擬拉底崩落過程。模擬過程中，分析應力變化相應規(guī)律發(fā)現(xiàn)：當拉底施工工作面形成及推進時，會在工作面前部區(qū)域發(fā)生應力集中，同時巖體支撐壓力會隨著工作面的前移而逐漸推進，而底部區(qū)域圍巖也在支撐壓力的作用下開始逐漸發(fā)生破壞。根據(jù)PFC2D軟件模擬拉底推進距離變化所得出的數(shù)據(jù)，可繪制相應的應力變化曲線，拉底推進距離為15 m時的應力變化曲線見圖2。根據(jù)模擬試驗得出了不同拉底推進距離所對應的最大應力，結(jié)果見表4。

通過分析不同拉底推進距離時的應力變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：在拉底空間開挖形成后，發(fā)生應力重新分布，在拉底空間兩側(cè)區(qū)域產(chǎn)生高壓應力及剪應力集中，從而使垂直應力大于水平應力。而當拉底推進線推進到距離底部結(jié)構(gòu)一定距離時，后者的應力受拉底過程的影響開始增加，且增加的幅度隨二者之間的距離縮短而顯著增大。3.2 預拉底

采用PFC2D軟件模擬預拉底方式下拉底崩落過程的應力變化情況，選取拉底推進距離為20 m、30 m、40 m、50 m 4種情況。預拉底方式拉底推進距離為30 m時的應力變化曲線見圖3，不同拉底推進距離對應的最大應力結(jié)果見表5。

由圖3可知：采用預拉底方式拉底巷道初步掘進時，應力變化較小，影響較小，隨著拉底推進距離的增加，拉底巷道應力逐漸增大，對出礦巷道的影響更為顯著，此時需考慮對出礦巷道進行支護。在事先形成的拉底層下，出礦巷道的應力大大降低，而預拉底方式正是利用這種去應力保護效應來保護回采水平，這樣就可以改善回采水平的作業(yè)條件，并降低風險。

3.3 前拉底

采用PFC2D軟件模擬前拉底方式下拉底崩落過程的應力變化情況，選取拉底推進距離為10 m、15 m、30 m、45 m 4種情況。前拉底方式拉底推進距離為15 m時的應力變化曲線見圖4，不同拉底推進距離對應的最大應力結(jié)果見表6。

采用前拉底方式時，由于在出礦水平開挖礦石的比例相對較少，且崩落礦堆被壓實后形成殘余誘導應力的可能性也相應減少，因此能夠加快投產(chǎn)進度。前拉底方式在拉底空間形成后的出礦水平還存在著部分需要繼續(xù)施工的開拓工程，聚礦槽的施工需要從出礦水平向拉底水平的碎石里掘進，因此整體進展相對較慢;而另一方面，前拉底方式能夠減少應力對出礦巷道的破壞及由此帶來的巷道修復工作。

根據(jù)3種拉底方式在不同拉底推進距離下的應力變化曲線規(guī)律，綜合考慮國內(nèi)外成功應用案例，最終確定太平礦業(yè)公司自然崩落采礦法拉底方式為前拉底，拉底推進距離25～30 m，在此拉底方式及拉底推進距離下，底部結(jié)構(gòu)及出礦工程所受壓力相對較小，底部結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好，有利于支護成本的降低，減少了因開拓滯后帶來的問題，能夠更快地投入生產(chǎn)[7]。

4 結(jié) 語

本文通過PFC2D軟件數(shù)值模擬分析了不同拉底方式下，不同的拉底推進距離對應的應力變化及崩落過程中拉底推進線前方受力變化規(guī)律。綜合考慮拉底方式分析模擬結(jié)果及國內(nèi)外成功應用案例，最終確定太平礦業(yè)公司自然崩落采礦法拉底方式為前拉底，拉底推進距離25～30 m，此時，底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相對較好，作業(yè)安全性高，有利于盡快投產(chǎn)。本文的研究方法對采用自然崩落采礦法開采的礦山工藝設(shè)計及現(xiàn)場應用也具有一定的指導意義。

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Optimized undercut means selection of block caving mining method

in Pacific Mining Company based on PFC2D software

Cheng Wenwen

（Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.）

Abstract：In view of the different undercut means in the block caving mining process of Pacific Mining Company，the PFC2D software is used for comparative simulation and analysis.By simulating the stress change law corresponding to different undercut advance distance，it is finally determined that the optimal undercut means is forward undercut for Pacific Mining Company，and the undercut advance distance is 25-30 m.Within the distance，the pressure on the bottom structure and ore-drawing engineering is relatively small，and the overall stability of the bottom structure is good，which is conducive to lowering support cost.The means can provide theoretical guidance for the next-step safe and efficient mining in mines.

Keywords：block caving mining method;PFC2D software;numerical simulation;undercut means;advance distance