邱景平 王 振,2 邢 軍 孫曉剛

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819;2.金誠信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 101500)

南非Dilokong鉻礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

邱景平1王 振1,2邢 軍1孫曉剛1

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819;2.金誠信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 101500)

南非Dilokong鉻礦礦體含鉻品位較高，為典型的緩傾斜薄礦體，設(shè)計采用房柱采礦法進行回采。針對Dilokong鉻礦緩薄礦體的開采技術(shù)條件及采礦難題，為探求其合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場的安全、高效開采，研究采用正交數(shù)值模擬試驗，選取了礦房長度、礦房跨度、點柱尺寸和點柱間距4個因素，正交設(shè)計了4因素3水平9種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)模型的試驗方案。通過FLAC3D軟件對不同方案的圍巖應(yīng)力及位移分布數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析，研究各參數(shù)對采場穩(wěn)定性的影響及優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。試驗結(jié)果表明，礦房跨度及點柱尺寸是影響采場應(yīng)力集中和位移變形的重要參數(shù)，并確定了合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，即礦房長度50 m、礦房跨度26 m、點柱尺寸5 m×5 m及點柱間距2 m，研究結(jié)果對現(xiàn)場下階段礦體的回采具有指導(dǎo)借鑒意義。

鉻礦 緩薄礦體 數(shù)值模擬 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

1 Dilokong鉻礦開采條件

Dilokong鉻礦為中鋼集團在南非投資開發(fā)的鉻礦礦床，礦體呈單一層狀產(chǎn)出，形狀較規(guī)整，埋深約在300～400 m，頂板巖石以斜長巖為主、底板巖石以輝巖為主[1]。Dilokong鉻礦目前開采的資源為LG6鉻礦層，Cr2O3品位為43%～47%。LG6鉻礦層由2部分組成，輝巖將其分成LG6主礦層和LG6a礦層。LG6主礦層厚度1.1～1.3 m，平均厚度1.12 m，上覆有0.33～0.35 m厚的LG6a礦層，平均厚度0.34 m，中間輝巖厚度大約0.6 m，如圖1所示。LG6礦層屬于沉積型緩傾斜薄礦體，傾角為9～13°，礦體走向、傾向、傾角變化不大，礦石密度為4.25 t/m3。

Dilokong鉻礦礦體劃分為盤區(qū)進行開采，盤區(qū)內(nèi)以中心受礦槽為中心向礦體兩邊推進，采用傳統(tǒng)房柱采礦法進行回采，即采場房柱式布置，采場長度方向與礦體走向一致約90 m，采場寬度約20 m，間柱寬度約6 m，采場內(nèi)采用木柱支護[2]。隨著礦體不斷回采，Dilokong鉻礦空區(qū)面積不斷增大，同時由于采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理，采場暴露面積過大且采場內(nèi)僅采用木柱支護，導(dǎo)致井下地壓活動頻繁且明顯，采場片幫及冒頂事故時有發(fā)生，直接威脅到井下采掘作業(yè)安全并影響礦山生產(chǎn)能力。因此迫切需要進行Dilokong鉻礦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，為礦山的安全、高效生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 南非Dilokong鉻礦層斷面示意Fig.1 Section schematic diagram of Dilokong chromium ore bed in South Africa

2 計算模型

利用Ansys軟件建立計算模型，并采用有限差分軟件FLAC3D作為優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的模擬分析工具[3]，數(shù)值計算中假定所有材料均符合摩爾-庫倫準則，各巖層之間為整合接觸，巖體為各向同性的連續(xù)介質(zhì)[4]，原巖地應(yīng)力僅考慮靜載荷即巖體自重對模型的影響。

2.1 模型建立

根據(jù)礦體賦存狀況，模型的礦體賦存條件：上盤圍巖為斜長巖，下盤圍巖為輝巖，礦體傾角10°。最終按照礦體工程實際，建模參數(shù)：礦體傾角10°，模型尺寸的長寬高范圍為600 m×300 m×200 m，礦體水平厚度2 m，控制礦塊沿傾向60 m，沿走向101 m，如圖2所示。對模型加載垂直向下的重力加速度，將模型上邊界以上的巖層重量作為應(yīng)力邊界條件施加在模型的上邊界。模型的下部邊界條件簡化為固定邊界條件?？紤]模型的側(cè)部邊界條件時，施加滾動邊界條件，即在模型的側(cè)部邊界水平方向的位移等于零，垂直方向可以運動。

圖2 Ansys模型圖Fig.2 Ansys model diagram

2.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬所采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

2.3 計算方案

設(shè)計方案時，各因素的取值需要在合理的范圍之內(nèi)。礦房長度的取值依照電耙合理的耙礦距離取值；礦房的跨度通過地下無支護空間等效尺寸與質(zhì)量指標間的關(guān)系(跨度=等效尺寸×開挖體支護比)求得；點柱尺寸及其間距根據(jù)地下礦山點柱的布置方式確定。各因素選取分別選取3個水平，如表2所示。

表2 因素水平表Table 2 Factor levels table

研究設(shè)計了9種方案的L9(34)正交試驗，研究4個因素3個水平對采場圍巖穩(wěn)定性的影響，詳見表3。

表3 L9(34)模擬分析正交試驗表Table 3 L9(34) Simulation experiments based on orthogonal analysis

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

模擬結(jié)果主要根據(jù)應(yīng)力與位移分布情況進行分析。鑒于篇幅的原因，僅給出方案Ⅴ(礦房跨度26 m，礦房長度為50 m，礦柱尺寸5 m×5 m，礦柱間距2 m)沿采場長軸中央與礦柱中央的計算結(jié)果剖面圖以及各方案的計算結(jié)果匯總圖加以分析。

3.1 應(yīng)力分布規(guī)律

對于房柱式的采場，保證其采場的穩(wěn)定性應(yīng)使頂?shù)装宀怀霈F(xiàn)拉應(yīng)力或使出現(xiàn)的拉應(yīng)力低于頂?shù)装鍘r體的抗拉強度。同時應(yīng)使礦柱的壓應(yīng)力低于其抗壓強度。選取采場頂?shù)装鍑鷰r及礦柱作為分析的關(guān)鍵部位，將采場頂?shù)装鍑鷰r最大拉應(yīng)力和礦柱最大壓應(yīng)力作為分析采場穩(wěn)定性狀況的應(yīng)力指標。

由應(yīng)力云圖3可知，礦房開挖后，在頂?shù)装灞┞睹孢吘壧幘霈F(xiàn)了拉應(yīng)力；因轉(zhuǎn)角處形狀的不連續(xù)性，產(chǎn)生了切向壓應(yīng)力集中區(qū)；礦柱受壓產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。各方案頂?shù)装寮暗V柱應(yīng)力值如圖4顯示，各方案的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)選取的不同，所產(chǎn)生的頂?shù)装寮暗V柱的應(yīng)力各不相同，且差距較大。通過極差分析可得：各因素對頂?shù)装謇瓚?yīng)力及礦柱壓應(yīng)力大小影響重要性順序分別為B>D>A>C與C>A>D>B，影響頂?shù)装謇瓚?yīng)力大小的主要因素為礦房跨度；影響礦柱壓應(yīng)力大小的主要因素為礦柱的尺寸。

圖3 頂?shù)装遄畲罄瓚?yīng)力與礦柱最大壓應(yīng)力Fig.3 Maximum tensile stress of roof & floor and maximum compressive stress of pillar

圖4 各方案頂?shù)装寮暗V柱應(yīng)力值Fig.4 Stress value of roof & floor and pillar of each scheme▲—頂?shù)装遄畲罄瓚?yīng)力；■—礦柱最大壓應(yīng)力

從圖4可以看出方案Ⅴ的頂?shù)装謇瓚?yīng)力及礦柱壓應(yīng)力均較小，具有明顯的優(yōu)勢。

3.2 位移分布規(guī)律分析

采場的穩(wěn)定性可以通過頂?shù)装鍘r層的位移變形量體現(xiàn)。若采場圍巖變形量過大，超過其容許的極限位移值，采場就有可能失穩(wěn)。故可以選取位移變形量作為判斷采場穩(wěn)定的指標。

從圖5豎向位移云圖可以看出：礦體開挖后，空區(qū)頂?shù)装迨軕?yīng)力作用，均向空區(qū)方向移動，造成了采場頂板的沉降與底板的底鼓；礦柱上下盤圍巖中分別出現(xiàn)了一定的豎向沉降量及上升位移量，在靠近礦柱附近處位移較小。

圖5 頂?shù)装寮暗V柱豎向位移Fig.5 Vertical displacement of roof & floor and pillar

通過圖6各方案的比較發(fā)現(xiàn)頂?shù)装宄霈F(xiàn)的最大位移值均不相同，但根據(jù)其位移云圖可知出現(xiàn)最大位移的區(qū)域一般位于采空區(qū)中部采場頂板中央的位置。通過極差分析可得：各因素對頂?shù)装寮暗V柱板豎向沉降量大小影響的主次順序為B>A>C>D，即礦房跨度對豎向沉降量影響較為顯著。從圖6可以看出，方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅶ豎向位移結(jié)果均較小，具有較好的試驗效果。

圖6 各方案頂?shù)装寮暗V柱豎向位移值Fig.6 Vertical displacement of roof & floor and pillar of each scheme■—頂板最大下沉值；●—底板最大底鼓值；▲—礦柱最大位移值

從上述極差分析可得到各因素的重要程度，其中礦房的跨度及點柱的尺寸對采場的穩(wěn)定性影響最大。同時，通過各方案數(shù)值模擬計算結(jié)果可以看出：部分方案，如方案Ⅷ由于點柱過小，礦柱中的應(yīng)力超過其極限抗壓強度，產(chǎn)生了剪切破壞，礦柱中出現(xiàn)了大范圍的塑性屈服區(qū)域；如方案Ⅸ，由于礦房長度及跨度選取的值過大，頂?shù)装逯械睦瓚?yīng)力超過其巖體的極限抗拉強度，導(dǎo)致頂?shù)装逦灰七^大，產(chǎn)生了拉破壞；如方案Ⅰ、Ⅱ雖周邊圍巖的應(yīng)力狀況較好，但礦房的參數(shù)過小，會降低礦石回收率，造成礦石損失量大；而相對于方案Ⅶ，方案Ⅴ具有明顯的優(yōu)勢：頂?shù)装遄畲蟮睦瓚?yīng)力為4.33 MPa，礦柱中的最大壓應(yīng)力為36.1 MPa，均未超過其各自的抗拉強度及抗壓強度；頂?shù)装宓淖畲笪灰茷?.14 cm，采場的位移變形量較小。故確定方案Ⅴ為最優(yōu)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，即礦房長度為50 m、礦房跨度為26 m、點柱尺寸為5 m×5 m及點柱間距為2 m。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)礦山的開采技術(shù)條件及現(xiàn)狀，建立了數(shù)值分析模型，模型尺寸的長寬高范圍為600 m×300 m×200 m，其中礦體傾角10°，水平厚度2 m。

(2)選取了影響房柱式采場穩(wěn)定性的4種因素，各種因素依據(jù)計算或者經(jīng)驗選取了3個水平，并設(shè)計了4因素3水平9種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算方案。

(3)通過9種計算方案模型結(jié)果的應(yīng)力及位移的極差分析得到了適宜Dilokong鉻礦開采的最佳采場結(jié)構(gòu)參數(shù)：礦房長度50 m，礦房跨度26 m，點柱尺寸5 m×5 m，點柱間距為2 m。

(4)模擬結(jié)果說明：在采場長度一定的情況下，減小頂?shù)装謇瓚?yīng)力、豎向位移最有效的辦法是減少采場的跨度；減小礦柱中壓應(yīng)力最有效的辦法是增大點柱的尺寸；因此從減少頂?shù)装寮暗V柱的應(yīng)力、位移的角度進行采場設(shè)計，通過相對減小礦房跨度、增大點柱尺寸提高采場穩(wěn)定性是可行的。

[1] 周文略，連民杰，馬毅敏.南非Dilokong鉻礦采礦生產(chǎn)全流程技術(shù)評價[J].金屬礦山，2012(11):46-48. Zhou Wenlue，Lian Minjie，Ma Yimin.Technological evaluation on the overall flow of mining production in Dilokong Chromium Ore of South Africa[J].Metal Mine，2012(11)：46-48.

[2] 邢 軍，孫國權(quán).緩傾斜薄礦體鉻礦開采關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究[R].馬鞍山:中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，2013. Xing Jun，Sun Guoquan.Key Mining Technology and Equipment Research of Slowly Inclined Thin Orebody of Chrome Ore[R].Maanshan:Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.，Ltd.，2013.

[3] 甯瑜琳.深部緩傾斜薄礦體采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及采動沉陷特性研究[D].中南大學(xué)，2012. Ning Yulin.Research on Optimization of Stope Parameters of Deep Gently Inclined Thin Ore Body and Mining Subsidence Characteristics[D].Changsha:Central South University，2012.

[4] 楊清平，滕丙娟，胡文達,等.謙比西銅礦西礦體采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].金屬礦山，2012(5):1-4. Yang Qingping，Teng Bingjuan，Hu Wenda，et al.Stope structure parameters optimization of west orebody in Chambishi Copper Mine[J].Metal Mine,2012(5):1-4.

(責任編輯 石海林)

Stope Structure Parameters Optimizing on Dilokong Chromium Mine in South Africa

Qiu Jingping1Wang Zhen1，2Xing Jun1Sun Xiaogang1

(1.CollegeofResourcesandCivilEngineering,NortheasternUniversity，Shenyang110819，China;2.JchxMiningManagementCo.，Ltd.，Beijing101500，China)

Dilokong Chromium Mine in South Africa is a high grade deposit and it is the typical gently inclined thin bodies，the room-and-pillar stoping mining method was adopted.According to the mining conditions of gently inclined thin Chrome ore body and current mining problem of Dilokong chromium mine，in order to get the reasonable structure parameters and achieve safe & efficient mining，the paper adopted orthogonal numerical simulation experiments，which selecting four parameters including room length，room width，pillar dimension and pillar spacing，and orthogonally designed nine feasible stope structure models with four factors and three levels.Through FLAC3Dsimulation results comparing of stress status and surrounding rock displacement of different structure parameter schemes，the paper had studied influence of different parameters to stope stability and optimized stope structure parameter.The research result showed that room width and pillar dimension were the important influence parameters of stress concentration and displacement deformation，and the reasonable stope structure parameters were determined:the length of room is 50 m，the width of room is 26 m，the dimension of pillar is 5 m×5 m and the spacing of pillar is 2 m.The results will guide a significance to next mining of Dilokong Chromium Mine.

Chromium mine，Gently inclined thin ore body，Numerical simulation，Stope structure parameter

2014-06-09

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2011BAB07B02)。

邱景平(1975—)，男,副教授,博士。

TD853

A

1001-1250(2014)-10-009-04