基于正交試驗與數(shù)值模擬的馬郡城鐵礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

孟凡明，匡 鑫，王 禎，袁 龍，孫曉剛，邱景平

(1.罕王實業(yè)集團(tuán)(撫順)礦業(yè)有限公司，遼寧 撫順 113000；2.撫順市馬郡城鐵礦有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113007；3.招金礦業(yè)股份有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400；4.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，沈陽 110819)

在地下開采過程中，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)影響著礦山的經(jīng)濟(jì)效益和采場穩(wěn)定性[1]，并且關(guān)系到礦山企業(yè)能否安全高效生產(chǎn)，因此采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取顯得極其重要[2]。針對馬郡城鐵礦窯崗采區(qū)東南角礦段埋藏較淺且地表有重要建構(gòu)筑物和水體的情況，如果采場結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計過大，使得地表沉降增大，影響構(gòu)建筑物的安全；若參數(shù)設(shè)計過小則會造成生產(chǎn)成本增加，生產(chǎn)效益低下等問題，因此有必要對采區(qū)東南角礦段采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定進(jìn)行研究。對于采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取，主要包括工程類比法[3]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[4]、遺傳算法[5]等。隨著模擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，使數(shù)值分析法在采礦領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，因此也為復(fù)雜條件下采場參數(shù)的選取提供了一種新的技術(shù)手段[6]。曹帥等[7]基于彈性力學(xué)平面應(yīng)變基本假設(shè)，建立階段嗣后膠結(jié)充填體礦柱力學(xué)模型并確定了礦房極限寬度和高度。蘭明等[8]采用彈性理論分析和數(shù)值模擬等方法優(yōu)化了望兒山金礦采場參數(shù)。陳順滿等[9]在破碎圍巖條件下，基于響應(yīng)面法對白牛廠礦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。ZHANG等[10]基于改進(jìn)的Mathews圖解法的概率模型，并結(jié)合有限元數(shù)值分析，計算出采掘條帶的有效寬度。羅淦華等[11]利用Mathews圖解法估算出采場開采極限跨度，為薩熱克銅礦的采場參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。鄧紅衛(wèi)等[12]基于多指標(biāo)正交數(shù)值模擬試驗綜合評價模型，研究了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)對采場穩(wěn)定性的影響。徐帥等[13]利用正交試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，確定了思山嶺鐵礦深埋厚大礦體的采場參數(shù)。

本研究以馬郡城鐵礦為工程背景，為確保礦區(qū)10線以東礦段地下開采活動不會對地表建筑等造成影響。本文運用正交試驗法設(shè)計不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的方案，利用FLAC3D分析不同方案的巖體力學(xué)響應(yīng)特征、采場應(yīng)力應(yīng)變的變化情況和地表沉陷規(guī)律，并對模擬結(jié)果進(jìn)行綜合分析，最終確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，為該礦段下階段的開采提供參考依據(jù)。

1 工程背景

馬郡城鐵礦窯崗采區(qū)內(nèi)共圈定9條礦體，均賦存較淺，地表不允許塌陷。礦體賦存于太古界鞍山群通什村組中，估算鐵礦石資源儲量達(dá)138.196萬t，平均品位TFe 34.25%，礦體總體走向為北西向，南西傾。礦區(qū)巖石穩(wěn)定性較好，礦體圍巖裂隙不發(fā)育，礦區(qū)內(nèi)無大構(gòu)造斷裂。礦區(qū)10線以東范圍內(nèi)有馬郡河、地板廠等建筑物，該區(qū)域內(nèi)以開采Fe1礦體為主。

Fe1礦體走向為北西-南東，傾向210°～229°，傾角35°～75°；厚度1.03～31.49 m，厚度變化系數(shù)為82.38%，平均厚度8.22 m；礦石品位TFe 20.77%～40.21%；品位變化系數(shù)12.67%，平均品位TFe 35.22%；礦體呈似層狀，賦存標(biāo)高為95～220 m。為確保地表河流和建筑物的安全，該礦段設(shè)計采用淺孔留礦嗣后充填法，無底柱開采，沿走向布置礦塊，采場結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—中段；2—裝礦穿脈巷道；3—天井聯(lián)絡(luò)巷；4—拉底巷道；5—人行通風(fēng)天井；6—天井橫巷圖1 淺孔留礦嗣后充填法采場結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of stope structure with shallow hole shrinkage and subsequent filling method

對于礦區(qū)10線以東礦段采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計，若設(shè)計過大，會影響地表構(gòu)建筑物等的安全，而結(jié)構(gòu)參數(shù)過小則會導(dǎo)致采場生產(chǎn)能力小從而造成生產(chǎn)成本高等問題。因此為降低地下開采活動對地表河流和建筑物的影響，同時又能滿足礦山安全高效生產(chǎn)的需求，需對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究。本文采用正交試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式在原有設(shè)計的基礎(chǔ)上對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確保該礦段的安全高效生產(chǎn)。

2 正交方案設(shè)計

2.1 正交試驗設(shè)計

本次主要研究礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)對地表沉降的影響，因此需在原有設(shè)計的基礎(chǔ)上對礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選擇礦塊長度(因素A)、礦塊高度(因素B)及間柱寬度(因素C)三個主要影響因素進(jìn)行正交試驗研究，各因素水平選取見表1。

表1 因素與水平表

2.2 制定正交試驗表

正交試驗設(shè)計共有3個試驗因素，每個因素有3個不同的水平。根據(jù)正交試驗原理，采用三因素三水平的正交試驗方案對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行研究，根據(jù)地表的沉陷規(guī)律和采場的應(yīng)力應(yīng)變的變化情況，最終分析各因素對地表構(gòu)建筑物安全的影響。正交試驗方案如表2所示。

表2 正交試驗設(shè)計表

3 數(shù)值模擬分析

利用FLAC3D軟件，根據(jù)提供資料建立窯崗采區(qū)10線以東礦段三維數(shù)值模型，通過對不同正交試驗方案的模擬，確定+100 m中段在開采充填條件下地表河流、建筑物的穩(wěn)定性及第四系底部的圍巖變形性破壞特征。結(jié)合塑性區(qū)分布、采場應(yīng)力應(yīng)變的變化情況和地表沉陷規(guī)律，綜合判斷出最佳的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 模型建立

建立模型的主要區(qū)域為窯崗采區(qū)10線以東礦段，沿礦體走向從10線到12線，長300 m，高100 m，寬40 m。采礦方法為淺孔留礦嗣后充填法，沿走向布置礦塊。此模型包括馬郡河、第四系、圍巖以及埋藏的礦體，位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 礦段三維模型Fig.2 Three-dimensional model of ore section

模型邊界條件采用位移約束：模型的前后施加Y方向的位移、速度約束；左右施加X方向的位移與速度約束；模型的底面邊界施加三個方向的位移和速度約束，邊界各方向的初始位移均為零。采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，計算過程中對不同的分組賦予不同的材料參數(shù)值，具體見表3。

表3 材料物理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

對表2中的不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方案分別進(jìn)行模擬，由于模擬方案較多且應(yīng)力云圖、位移云圖等在分布規(guī)律、變化趨勢等上大致相同，難以通過直接對比進(jìn)行分析，因此在模型地表以及礦塊的頂板處設(shè)置監(jiān)測點，通過應(yīng)力、位移等監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，綜合評價不同方案的優(yōu)劣。監(jiān)測點布置如圖3所示，地表監(jiān)測點從馬郡河開始布置間隔10 m，共布置21個監(jiān)測點，同一礦塊內(nèi)頂板監(jiān)測點間隔距離相同，共布置15個，監(jiān)測點數(shù)據(jù)見表4。

表4 正交試驗結(jié)果

圖3 監(jiān)測點布置圖Fig.3 Layout of monitoring points

把頂板應(yīng)力與沉降量、地表位移量以及塑性區(qū)體積作為評價指標(biāo)對各個方案進(jìn)行評價，對6個不同指標(biāo)模擬結(jié)果進(jìn)行極差分析，計算結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗結(jié)果分析

1)頂板最大主應(yīng)力分析

依據(jù)表4、表5中正交試驗結(jié)果，繪制出采場頂板最大主應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的柱狀圖，如圖4所示。從圖中可以看出，在采場開挖并充填后，采場頂板的最大主應(yīng)力隨礦塊長度的增加而明顯增加，且增幅也隨著礦塊長度的增加而增大，最大增幅為24.8%，說明礦塊越長采場穩(wěn)定性越差；頂板最大主應(yīng)力隨著礦塊高度的增加而略微減小，這主要是由于在只考慮自重條件下，礦塊高度的增加使得上覆巖層厚度減小，導(dǎo)致最大主應(yīng)力有略微減小，同時也說明采場穩(wěn)定性受礦塊的高度影響較??；隨著間柱寬度的增加，頂板的最大主應(yīng)力有明顯的減小，但減小的幅度隨寬度的增加而減小，最大的減小幅度達(dá)17.2%，因此適當(dāng)增加間柱的寬度，可以有效地改善頂板應(yīng)力分布情況。綜合分析表5中極差數(shù)據(jù)以及圖4，各因素對頂板最大主應(yīng)力影響的主次順序為：礦塊長度>間柱寬度>礦塊高度。僅考慮頂板最大主應(yīng)力的條件下，礦塊長度40 m、礦塊高度45 m、間柱寬度8 m為最優(yōu)的采場參數(shù)。

圖4 頂板最大主應(yīng)力柱狀圖Fig.4 Roof maximum principal stress histogram

2)位移結(jié)果分析

依據(jù)正交試驗結(jié)果，繪制出頂板沉降量、地表沉降量以及水平變形量隨采場結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的柱狀圖，如圖5所示。從圖中可以看出各項位移量均隨著礦塊長度的增加而明顯增加，其中頂板的最大沉降量為34.6 mm，地表最大沉降量為29.3 mm，地表最大水平變形量為12.6 mm，當(dāng)?shù)V塊長度為50 m時增幅最大，分別為24.4%、27.7%、18.4%，即采場長度超過一定限度后，使得頂板和上盤圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致位移量迅速增加，同時對比增幅量，說明礦塊長度的增加對地表沉降的影響更大；對比礦塊高度的結(jié)果，各項位移量均呈增加的趨勢，但由于隨著礦塊高度的增加使得上覆巖層厚度減小，在僅考慮自重的條件下，頂板和上盤圍巖的應(yīng)力狀態(tài)改變不大，導(dǎo)致位移增加量隨著礦塊高度的增加而減小，即礦塊高度為40 m時增幅最大，分別為12.4%、14.4%、13.1%，因此礦塊高度的增加對各項位移量的影響較小；隨著間柱寬度的增加，各項位移量呈減小的趨勢，且相鄰間柱寬度間的位移減小量大致相同。通過對比不同礦塊參數(shù)下的各項位移情況，礦塊長度對整體位移量的影響相對較為顯著，其次是間柱寬度，最后是礦塊高度。從整體位移隨采場結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的情況看，礦塊長度40 m、礦塊高度35 m、間柱寬度8 m為最優(yōu)的采場參數(shù)。

圖5 位移柱狀圖Fig.5 Displacement histogram

3)塑性區(qū)分析

采場塑性區(qū)體積隨采場結(jié)構(gòu)參數(shù)變化特征如圖6所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，礦塊長度對拉伸破壞塑性區(qū)的體積影響較大，并且隨著礦塊長度的增加而增加，但增加量有所減小，而剪切破壞塑性區(qū)的體積在采場長度大于45 m時才有較明顯的增量；通過礦塊高度的改變，可以看出當(dāng)?shù)V塊高度小于40 m時，塑性區(qū)體積變化不大，但當(dāng)超過40 m時，體積會有明顯的增加，剪切破壞和拉伸破壞的塑性區(qū)體積最大值分別為2.85×105m3、1.68×105m3，同時塑性區(qū)的范圍已經(jīng)延伸到第四系中，即第四系底部巖層發(fā)生破壞，因此采場高度達(dá)到45 m時，巖體的穩(wěn)定性存在安全隱患；隨著間柱寬度的增加，剪切破壞塑性區(qū)的體積有起伏波動，但變化率不大，而拉伸破壞塑性區(qū)的體積隨間柱寬度的增加而減小，且減小的幅度逐漸增大，因此從整體來看，間柱寬度的適當(dāng)增加有利于采場的穩(wěn)定。結(jié)合表5中塑性區(qū)體積的極差值與圖6變化特征，可以看出礦塊高度對塑性區(qū)體積的影響十分顯著，其次是礦塊長度和間柱寬度。從塑性區(qū)體積隨采場結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的情況看，礦塊長度40 m、礦塊高度35 m、間柱寬度8 m為最優(yōu)的采場參數(shù)。

圖6 塑性區(qū)體積柱狀圖Fig.6 Plastic zone volume histogram

通過上述頂板應(yīng)力、整體位移以及塑性區(qū)體積等評價指標(biāo)的分析結(jié)果，并結(jié)合表4中正交試驗的結(jié)果，考慮礦山生產(chǎn)的安全與經(jīng)濟(jì)效益，最終確定方案二的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為最優(yōu)，即礦塊長度40 m、礦塊高度40 m、間柱寬度6 m。

對于地表河流以及構(gòu)建筑物的安全性評價，一般采用的指標(biāo)包括傾斜變形、曲率、水平變形。因此對方案二的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)地表監(jiān)測點的位移規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。得出對窯崗采區(qū)10線以東礦段進(jìn)行開采充填后的地表最大傾斜i=-0.48 mm/m，最大水平變形ε=0.73 mm/m，最大曲率k=0.037×10-3/m，均符合《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》(GB-50771—2012)等規(guī)程允許的地表變形值。

圖7 地表監(jiān)測點變形值Fig.7 Deformation value of surface monitoring points

4 結(jié)論

通過正交試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，綜合確定了窯崗采區(qū)10線以東礦段安全開采的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出主要結(jié)論如下：

1)正交試驗?zāi)M結(jié)果的極差分析表明：三因素對采場頂板應(yīng)力和整體位移影響的主次順序為礦塊長度>間柱寬度>礦塊高度；對塑性區(qū)體積影響較顯著的因素是礦塊高度，其次是礦塊長度，最后是間柱寬度。對馬郡城鐵礦下步開采的采場設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

2)通過正交試驗?zāi)M結(jié)果的多評價指標(biāo)綜合分析，并考慮礦山生產(chǎn)的安全與經(jīng)濟(jì)效益，最終確定礦塊長度40 m、礦塊高度40 m、間柱寬度6 m的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為最優(yōu)。

3)基于最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的模擬結(jié)果，得出地表最大傾斜i=-0.48 mm/m，最大水平變形ε=0.73 mm/m，最大曲率k=0.037×10-3/m，均符合《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》(GB-50771—2012)的地表允許變形值，地下開采活動對地表河流及構(gòu)建筑物影響在安全范圍內(nèi)。