陳 燦

（銅陵有色設(shè)計(jì)研究院，安徽銅陵 244000）

上向進(jìn)路充填采礦法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

陳 燦

（銅陵有色設(shè)計(jì)研究院，安徽銅陵 244000）

采用MIDAS－GTS有限元軟件，以某礦山為背景，建立三維數(shù)值模型，對(duì)不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，最終確定上向水平分層進(jìn)路充填法采用進(jìn)路規(guī)格3 m、長度為22 m的礦體結(jié)構(gòu)，其為最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

進(jìn)路規(guī)格；數(shù)值模擬；三維模型

合理的地下采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是礦山進(jìn)行高效生產(chǎn)的前提。傳統(tǒng)確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法主要有3種研究方法：相似材料模擬試驗(yàn)方法、工程地質(zhì)力學(xué)方法、力學(xué)理論分析法及數(shù)值模擬法［1］，傳統(tǒng)確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法有模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，這些方法往往耗費(fèi)了巨大資源，而且難以對(duì)各種回采方案下的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析研究。

MIDAS／GTS［2］是當(dāng)前工程模擬軟件中采用最新技術(shù)的一種，它被廣泛地應(yīng)用于巖土工程、隧道和橋梁工程等特殊結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域，它可以對(duì)十分復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行建模，模型具有可視化，十分直觀［3］。本文運(yùn)用有限元軟件MIDAS－GTS數(shù)值分析軟件，建立三維立體模型，模擬上向水平進(jìn)路分層充填法不同進(jìn)路尺寸參數(shù)下，礦房拉應(yīng)力、壓應(yīng)力情況，從而確定合理的開采技術(shù)方案參數(shù)，給礦山實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 礦山概況及采礦方案簡(jiǎn)介

礦區(qū)圍巖蝕變主要有：石英巖化、硅化、絹云母化、碳酸鹽化。其中石英巖化、硅化與礦化關(guān)系密切，石英巖化與鎢礦化的正相關(guān)系尤為明顯。礦體形態(tài)受含礦構(gòu)造裂隙組的影響，裂隙組發(fā)育較好的地方，礦體厚大而簡(jiǎn)單；裂隙組不發(fā)育的地方，礦體尖滅側(cè)現(xiàn)、分支復(fù)合現(xiàn)象普遍。礦體傾向43°～111°，傾角17°～59°；傾向72°，傾角36°。

由于該礦區(qū)的半風(fēng)化礦體受構(gòu)造節(jié)理裂隙的影響，礦體易破碎，圍巖及礦體的穩(wěn)固性很差，相對(duì)上向水平分層充填法，雖然成本較低，生產(chǎn)能力大，工藝簡(jiǎn)單，可是其暴露面積相比較大，不能保證安全回采。下向水平分層進(jìn)路充填法成本最高，構(gòu)筑人工假底成本高，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)能力低，最后從經(jīng)濟(jì)、安全高效等幾方面綜合考慮，選用上向水平分層進(jìn)路充填采礦法，其相關(guān)采礦方法如圖1所示。

2 三維模型的建立

2.1 基本假設(shè)

地下礦山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及節(jié)理的分布相當(dāng)復(fù)雜，影響采場(chǎng)穩(wěn)定的因素很多，為保證計(jì)算結(jié)果可靠，在計(jì)算過程中必須做一些假設(shè)和簡(jiǎn)化：

1.假定圍巖和礦巖的組成是各項(xiàng)同性的均質(zhì)材料，且為理想的彈塑性體［4］。

2.由于充填材料的沉降性，因而充填體最終一般難以接頂，在計(jì)算中忽略此因素。

3.在計(jì)算中僅考慮地應(yīng)力及重力的作用，忽略構(gòu)造應(yīng)力等對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。

2.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

本次模擬考慮到實(shí)際回采過程中，采用兩步回采礦體，即第一步先回采礦房，再進(jìn)行尾砂膠結(jié)充填，第二步回采礦柱，再進(jìn)行尾砂非膠結(jié)充填。因此，本次模擬根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)條件，選用5種力學(xué)模擬介質(zhì)，即花崗巖、原生礦體、半分化礦體、膠結(jié)充填體、非膠結(jié)充填體。采用的礦巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 上向水平進(jìn)路充填采礦法

表1 礦巖力學(xué)參數(shù)

2.3 模型建立及邊界條件

根據(jù)以下原則，建立數(shù)值模型：

1.深部地質(zhì)情況復(fù)雜，需根據(jù)礦體產(chǎn)狀、回采礦體賦存深度、回采過程和采空區(qū)狀況，進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。

2.模擬的采空區(qū)高度即為回采過程中的最大采區(qū)高度3 m。

3.考慮到在實(shí)際回采過程中，上向水平分層充填進(jìn)路法采用不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此，模擬時(shí)，采用不同的采場(chǎng)跨度和長度的組合方式。

4.巖體開挖后，空區(qū)四周應(yīng)力發(fā)生變化，一般認(rèn)為其影響的范圍為空區(qū)的3～5倍，為保證模擬的準(zhǔn)確性，本次模擬的模型尺寸取為空區(qū)的5倍［5～7］。

2.4 三維有限元模型建立

上向水平分層進(jìn)路充填法，主要觀察頂板礦體和人工膠結(jié)礦柱的穩(wěn)定性情況，必須保證其處于安全狀態(tài)下。因此，本次模擬與實(shí)際情況相符，模擬在16個(gè)礦房第一步回采同時(shí)開采及在第一步礦房回采膠結(jié)充填采空區(qū)后，16個(gè)礦柱同時(shí)回采。按照不同采場(chǎng)長度、跨度（進(jìn)路寬度）建立4個(gè)模型（見表2），進(jìn)行數(shù)值分析，以供擇優(yōu)選擇。三維模型實(shí)體如圖2所示。

表2 進(jìn)路充填法數(shù)值模擬參數(shù)結(jié)構(gòu)

輸入各種材料的屬性，對(duì)實(shí)體的局部進(jìn)行尺寸控制，使劃分的網(wǎng)格相對(duì)較小，這樣模擬的結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確。然后進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格劃分如圖3所示、礦體網(wǎng)格劃分如圖4所示。

3 數(shù)值模擬分析

圖2 三維模型實(shí)體圖

圖3 整體網(wǎng)格劃分圖

圖4 礦體網(wǎng)格劃分圖

合理的礦房、礦柱跨度，應(yīng)能在充分保證采場(chǎng)穩(wěn)定性的前提下，盡量提高采場(chǎng)生產(chǎn)能力、增大回收率、降低貧化率。上向水平進(jìn)路采礦法在實(shí)際回采過程中，在第一步回采礦房及第二步膠結(jié)礦柱，回采礦柱的過程中，礦巖頂板容易發(fā)生崩落，因此，在數(shù)值模擬過程中，主要分析第一步回采礦房后頂板的受力狀況及在礦房已經(jīng)膠結(jié)情況下，人工膠結(jié)礦柱的受力狀態(tài)。

對(duì)4種采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行橫縱向?qū)Ρ取?shù)值模擬各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)下的應(yīng)力情況如圖5～圖12所示，模擬結(jié)果匯總見表3。

圖5 礦體頂板最大拉應(yīng)力圖（模型1）

圖6 礦體頂板最大壓應(yīng)力圖（模型1）

圖7 進(jìn)路充填體最大拉應(yīng)力圖（模型1）

圖8 進(jìn)路充填體最大壓應(yīng)力圖（模型1）

圖9 礦體頂板最大拉應(yīng)力圖（模型2）

圖10 礦體頂板最大壓應(yīng)力圖（模型2）

圖11 進(jìn)路充填體最大拉應(yīng)力圖（模型2）

圖12 進(jìn)路充填體最大壓應(yīng)力圖（模型2）

表3 上向水平分層進(jìn)路充填法模擬結(jié)果MPa

經(jīng)過比較，總結(jié)出應(yīng)力應(yīng)變?cè)?種進(jìn)路參數(shù)結(jié)構(gòu)下的變化規(guī)律：

1.各模型采場(chǎng)上盤圍巖頂板和礦體直接頂板上都出現(xiàn)了拉應(yīng)力，上盤圍巖頂板的最大拉應(yīng)力為1.43 MPa（4號(hào)模型）、但各模型上盤圍巖頂板和礦體直接頂板最大拉應(yīng)力均未超過各自的抗拉強(qiáng)度，均處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.隨著進(jìn)路跨度的增大、各個(gè)模型的礦體頂板的最大拉壓力逐漸增大，說明采場(chǎng)的穩(wěn)定性與進(jìn)路跨度成反比關(guān)系。從表3可以看出，當(dāng)進(jìn)路跨度分別為2.8m、3.0 m、3.5m、4.0 m時(shí)，相應(yīng)礦體頂板拉應(yīng)力為0.76 MPa、0.81 MPa、0.83 MPa、0.83 MPa。其跨度越大，拉應(yīng)力越大，其對(duì)應(yīng)的采場(chǎng)的穩(wěn)定性越小。

3.從人工膠結(jié)礦房所受到的最大拉壓力可以看出，其最大值為0.009 MPa，此是因?yàn)槟z結(jié)充填體自身材料有關(guān)，充填體所受到的強(qiáng)度較低，安全系數(shù)較高，完全滿足礦塊的第二步礦柱的回采強(qiáng)度。

4.人工膠結(jié)充填礦柱模型1和模型3的拉應(yīng)力比其它的大，對(duì)于礦體頂板拉應(yīng)力，模型4的比模型2的稍大，考慮到進(jìn)路法是獨(dú)頭作業(yè)，光面爆破，該礦山常采用巷道斷面規(guī)格是3 m×3 m，施工技術(shù)較為成熟、管理較為方便。選定進(jìn)路為3 m為最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，其長度為22 m。

4 結(jié) 論

1.礦體頂板及膠結(jié)充填體的最大拉應(yīng)力是維持采場(chǎng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，且頂板及膠結(jié)充填體的最大拉應(yīng)力隨進(jìn)路的暴露面積增大而呈逐漸增大的趨勢(shì)。

2.通過數(shù)值模擬研究，上向水平分層進(jìn)路充填法采用進(jìn)路跨度為3 m時(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)因素，其參數(shù)為礦體結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)。

3.通過三維數(shù)值軟件MIDAS／GTS模擬采場(chǎng)回采過程中最危險(xiǎn)的情況，得出最優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可為同類礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇提供一定的指導(dǎo)意義。

［1］ 王東華.上向分層全尾砂膠結(jié)充填法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

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The Structure Parameters Optim ization Research of the Intaking Cement Filling M ethod on a M ine

CHEN Can
（Tongling Nonferrous Design and Research Institute，Tongling 244000，China）

In this paper，it takes somemine as the background to establish three-dimensional numericalmodel，then to simulate in differentmine structure parameters，and the simulation results are analyzed in detail.Ultimately the upward horizontal cut and fillmethod adopts approach roads specifications 3 m and the length of 22 m as the structure parameters，which is proved to be the optimal structure parameters.

approach roads specifications；numerical simulation；three-dimensionalmodel

TD853.34

：A

：1003－5540（2014）05－0007－04

2014－08－05

陳 燦（1986－），男，助理工程師，主要從事采礦設(shè)計(jì)工作。