張茂盛，白立遠(yuǎn)，王平

（1.酒泉鋼鐵集團(tuán)公司鏡鐵山礦，甘肅嘉峪關(guān)735100；2.河北省唐山市環(huán)境監(jiān)測中心站，河北唐山063000；3.東北大學(xué)，沈陽110004）

某鐵礦采礦方法優(yōu)選及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

張茂盛1，白立遠(yuǎn)2，王平3

（1.酒泉鋼鐵集團(tuán)公司鏡鐵山礦，甘肅嘉峪關(guān)735100；2.河北省唐山市環(huán)境監(jiān)測中心站，河北唐山063000；3.東北大學(xué)，沈陽110004）

以某鐵礦為工程實例，根據(jù)該礦的開采技術(shù)條件，初選了垂直深孔球狀藥包落礦階段礦房法、階段強(qiáng)制崩落法、無底柱分段崩落法三種初選方案。然后運(yùn)用雙基點決策理論選取相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合比對三種方案，確定最適合該礦的采礦方法。最后運(yùn)用數(shù)值模擬方法對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。研究結(jié)果表明，運(yùn)用雙基點法決策理論對采礦方法進(jìn)行選擇，能避免采礦方法選擇的主觀性，同時經(jīng)現(xiàn)場實踐證明所選取的采礦方法有效，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)合理。這些研究成果可供礦巖條件類似礦山借鑒使用。

雙基點法；采礦方法選擇；技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；數(shù)值模擬

采礦方法的選擇對礦山安全有效開采有至關(guān)重要的作用，選擇與礦床地質(zhì)條件和開采技術(shù)經(jīng)濟(jì)相適應(yīng)的采礦方法是地下采礦的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的采礦方法選擇對各影響因素只做定性分析，由于選擇的多樣性、復(fù)雜性以及采礦工程師的主觀性，很難得到最優(yōu)的采礦方法。本文運(yùn)用雙基點法［1］對初選的采礦方法進(jìn)行對比，將定性和定量分析結(jié)合［2］，克服了傳統(tǒng)方法的不足，選擇的采礦方法更加合理有效。同時運(yùn)用數(shù)值模擬方法對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可有效控制地壓，減少地壓災(zāi)害。

1 礦體開采技術(shù)條件

礦區(qū)內(nèi)含礦巖組呈西傾的單斜構(gòu)造，由南向北逐漸變薄。淺部產(chǎn)狀陡峻，構(gòu)成直立片理帶傾角70°～80°，深部產(chǎn)狀變緩，局部有變厚的趨勢，同時深部還有向上翹起的趨勢。礦體均被第四系覆蓋，蓋層平均厚度122.80m，全礦床控制長度380m，寬105m，控制下限埋深距地表205m，控制斜長距古地表41～667m。

礦石中的鐵礦物主要為鏡鐵礦、磁鐵礦，偶有少量的赤鐵礦、褐鐵礦等，呈次生或氧化物產(chǎn)出。礦體中原生礦穩(wěn)定性好，氧化礦及風(fēng)化程度高的礦體穩(wěn)定性差。礦體頂板巖性主要有黑云斜長片麻巖、角閃黑云斜長片麻巖、斜長黑云片巖及鐵閃片巖等，北部巖體完整性、穩(wěn)定性較好，向南漸變差。礦體底板巖性主要為白云石大理巖，巖芯完整，巖體完整性、穩(wěn)定性好。影響采礦方法初選的因素除了礦床地質(zhì)條件外，還有開采技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件如下［3］：

選擇的采礦方法必須保證生產(chǎn)安全、作業(yè)條件良好。由于該礦體夾帶巖石層，在回采時極易混入巖石，選用的采礦方法需保證損失貧化率低，以滿足加工部門對礦石品質(zhì)的要求。選用的采礦方法必須滿足礦石回采率高的要求，可最大限度回采礦石。采礦方法需滿足生產(chǎn)能力大、勞動生產(chǎn)率高并且能多礦塊同時回采，以保證達(dá)到礦山對產(chǎn)量的要求，同時也需采礦工藝及地壓管理簡單，技術(shù)成熟可靠［3］。

針對該礦礦巖物理力學(xué)性質(zhì)以及開采技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，結(jié)合礦體賦存條件等方面，初步選擇采礦方法為垂直深孔球狀藥包落礦階段礦房法（VCR法）、階段強(qiáng)制崩落法［4］、無底柱分段崩落法三種方案。

2 采礦方法決策

2.1 雙基點法決策步驟

在雙基點法計算中共設(shè)有n個比較方案，每種比較方案有m種性能指標(biāo)。評價工作按照以下步驟進(jìn)行：

第一步：構(gòu)造屬性矩陣珡A，屬性矩陣中每個元素為珔aij，其中珔aij表示第j個比較方案的第i項性能，假設(shè)各元素均非負(fù)。

第二步：對屬性矩陣進(jìn)行規(guī)格化。將上述矩陣珡A規(guī)格化為規(guī)格化矩陣A′，A′矩陣中的元素a′ij計算方式如下：

式中：I1—收益性指標(biāo)或者屬性下標(biāo)的集合。收益性指標(biāo)主要包括礦塊生產(chǎn)能力、采礦利潤等。I2—損失性指標(biāo)或者屬性下標(biāo)的集合。損失性指標(biāo)主要包括采礦費用、坑木炸藥的消耗量、采礦成本等。

第三步：將規(guī)格化矩陣A′加權(quán)。設(shè)權(quán)向量ω＝（ω1，ω2，…，ωm）T，規(guī)格化矩陣中aij＝a′ijωi，則加權(quán)后的矩陣A為：

第四步：求理想點p＊。在加權(quán)矩陣中，找出每一列最大的元素作為理想點。

第五步：計算被評價對象到理想點的距離d＊j。得到評價對象與理想點之間的距離之后計算相對貼近度。在加權(quán)規(guī)格化屬性空間中，被評價對象與理想點的相對貼近度表示為Tj。計算方法如下所示：

第六步：綜合評價與排序。根據(jù)計算出的Tj對各評價對象進(jìn)行排序，Tj值越小說明該采礦方法越適用于該礦。

2.2 采礦方法選擇

雙基點決策法計算方法如上所示，根據(jù)該礦的礦巖物理力學(xué)性質(zhì)，綜合考慮礦體賦存條件以及礦山對生產(chǎn)量的要求，初步選擇以下三種方案：

方案一：垂直深孔球狀藥包落礦階段礦房法（VCR法）

方案二：階段強(qiáng)制崩落法

方案三：無底柱分段崩落法

這三種采礦方法礦塊生產(chǎn)能力較大，國內(nèi)外均有應(yīng)用的實例可供參照。初選采礦方法的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 各采礦方法主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Table 1 The main technology and economic indexes for mining methods

在采礦方法選擇時，力求礦塊的生產(chǎn)能力大，礦石損失率、貧化率以及采礦成本，炸藥消耗量較?。?］。三種采礦方法比較方案中，總共選擇了7個主要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，見表1。運(yùn)用雙基點法對三種方案進(jìn)行比較，按照各技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對決策的影響得到權(quán)重向量。在計算中，表1中各技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)自上而下權(quán)重向量依次為ω＝（0.20 0.125 0.125 0.15 0.20 0.05 0.15）T，現(xiàn)將三種方案的計算結(jié)果列入表2中。

表2 計算結(jié)果比較Table 2 The comparison of the calculation results

由表2的計算結(jié)果可以看出，方案一為最優(yōu)方案。即選擇垂直深孔球狀藥包落礦階段礦房法為該礦的采礦方法。綜合考慮該鐵礦生產(chǎn)規(guī)模大，礦體較規(guī)整，經(jīng)過對中深孔、深孔多種布置形式對比研究，再結(jié)合VCR采礦法具有礦石破碎質(zhì)量好、效率高、成本低、工藝簡單等一系列優(yōu)點，VCR采礦法明顯優(yōu)于其他采礦法，更適用于該礦。

3 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

本文采用目前廣泛使用的有限差分軟件FLAC3D作為研究優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的模擬工具［6］。原巖地應(yīng)力僅考慮靜載荷即巖體自重對模型的影響，巖體為各向同性的連續(xù)介質(zhì)。數(shù)值計算中假定所有材料均符合摩爾—庫倫準(zhǔn)則。

表3 礦體頂、底板圍巖物理力學(xué)性質(zhì)Table 3 The rock mechanics parameters of the top and bottom of ore body

3.1 模型建立

為了確定垂直深孔球狀藥包階段礦房法礦房長度的極限值，文章綜合國內(nèi)外同類工程的成功［7］案例，確定了從20～70m不同礦房長度的方案，礦房寬度為礦體水平厚度，階段高度依據(jù)礦巖條件確定為50m。根據(jù)階段間的礦體形態(tài)，建立了三維計算模型進(jìn)行計算。為了消除邊界效應(yīng)對計算模型的影響，模型水平向長度為200m，模型上下高度為140 m，厚度為100m，共計20 625個節(jié)點，33 848個單元。

3.2 計算結(jié)果分析

對現(xiàn)場的開采過程進(jìn)行了仿真模擬，通過計算獲取了礦巖體位移場與塑性區(qū)的分布規(guī)律，并對不同礦房長度的計算結(jié)果進(jìn)行了分析比較。

1）位移場分析

由于礦體埋深不大，礦區(qū)以自重應(yīng)力場為主，因此巖體變形主要以頂板的下沉為主。計算顯示，進(jìn)路頂板的下沉量大致在2.3～7.6mm。圖1為礦房長度50m時的豎直方向位移云圖。為了掌握進(jìn)路跨度增加對進(jìn)路頂板下沉量的影響，建立了一個礦房長度與下沉量之間的關(guān)系圖，參見圖3。通過該圖可以直觀發(fā)現(xiàn)：當(dāng)?shù)V房長度由20m增加到50 m時，采場頂板的下沉量隨長度增加呈線性遞增；當(dāng)?shù)V房長度超過50m后，采場頂板與底板的變形隨長度增加急劇增長，表明礦房長度達(dá)到50m后，表層礦巖體進(jìn)入了塑性狀態(tài)。

圖1 礦房長度為50m時豎直方向位移云圖Fig.1 Vertical displacement in the span of 50m

2）塑性區(qū)分析

圖2為礦房長度50m時塑性區(qū)云圖。塑性區(qū)的計算結(jié)果顯示（參見圖3），進(jìn)路頂板與底板礦巖主要以巖體的拉張破壞為主，破壞深度在0.5～1.0 m。當(dāng)?shù)V房長度在20～50m范圍時，巖體塑性區(qū)體積基本上隨跨度增加呈線性遞增，當(dāng)?shù)V房長度超過50m后，巖體的塑性區(qū)體積急劇增加，表明表層礦巖的穩(wěn)定性急劇惡化，存在巖體失穩(wěn)的可能。

圖2 礦房長度為50m時塑性區(qū)云圖Fig.2 Plastic zone when stope length is 50m

對礦巖體位移與塑性區(qū)的綜合分析可見：當(dāng)?shù)V房長度小于50m時，進(jìn)路圍巖基本處于彈性狀態(tài)；當(dāng)?shù)V房長度超過50m，其周邊礦巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)，巖體局部存在潛在垮塌風(fēng)險。因此判斷礦房長度50m左右是巖體失穩(wěn)的臨界跨度區(qū)間。

圖3 不同工況下頂板的變形值與塑性區(qū)體積曲線圖Fig.3 The curves of roof deformation value and plastic area volume in different conditions

3.3 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合國內(nèi)外礦山經(jīng)驗［8］，最終確定礦房沿礦體走向布置。采場參數(shù)確定如下：礦房長度為40m，礦房寬度為礦體水平厚度，階段高度依據(jù)礦巖條件確定為50m。間柱寬度設(shè)置為10m，由于礦巖較穩(wěn)固頂柱厚度確定為8m。礦房的切割工程有切割平巷、拉底切割天井、拉底切割槽和拉底工程［9］。切割工程在實施的時候，要通過底部受礦平巷施工切割平巷，再通過切割平巷實施拉底切割天井，然后再切割巷內(nèi)和底部受礦平巷內(nèi)用YQ90中深孔鉆機(jī)（孔深15m，孔徑為60mm）鉆鑿上向扇形炮孔，進(jìn)行中深孔拉底。在以拉底切割天井為自由面爆破形成拉底切割槽，由采場中央拉底切割槽天井開始，向上下盤后退式爆破形成切割層，從而完成拉底工程。

3.4 回采工作

回采工藝使用T150CS100（50m，165mm）大孔機(jī)在礦房頂部的鑿巖硐室內(nèi)鉆鑿下向垂直傾斜深孔；使用多孔粒狀銨油炸藥，進(jìn)行人工間隔裝藥；使用非電導(dǎo)爆管復(fù)式起爆，進(jìn)行起爆切槽，側(cè)向爆破。爆破下來的礦石集中在采場底部用鏟運(yùn)機(jī)通過出礦進(jìn)路出礦。當(dāng)?shù)V房里的礦石出完以后再對采空區(qū)進(jìn)行充填。

4 結(jié)論

1）運(yùn)用雙基點法對初選三種方案進(jìn)行計算對比，最終確定垂直深孔球狀藥包落礦階段礦房法為最優(yōu)采礦方法。該采礦方法礦房生產(chǎn)能力大，滿足礦山對生產(chǎn)能力的要求。同時該法工藝簡單，各項作業(yè)可實現(xiàn)機(jī)械化，減輕了工人的勞動強(qiáng)度。

2）礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)礦巖物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合國內(nèi)外其他礦山應(yīng)用的經(jīng)驗，對該礦進(jìn)行數(shù)值模擬，采場參數(shù)確定為礦房長度為40m，礦房寬度為礦體水平厚度，階段高度依據(jù)礦巖條件確定為50m。

3）該礦使用垂直深孔球狀藥包落礦階段礦房法在真正意義上實現(xiàn)了高效采礦。該采礦方法應(yīng)用的經(jīng)驗可供國內(nèi)類似礦山使用。

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Optimization of mining method and stope structure parameters in an iron mine

ZHANG Maosheng1，BAI Liyuan2，WANG Ping3
（1.Jingtieshan Mine of Jiuquan Iron and Steel Group Company，Jiayuguan Gansu 735100，China；2.Environmental Monitoring Center Station of Tangshan of Hebei Province，Tangshan Hebei 063000，China；3.Northeastern University，Shenyang 110004，China）

The paper takes an iron mine as engineering example，according to the mining conditions，selected VCR method，stage forced caving mining method and non－pillar sublevel caving mining method as initial selections.Then the paper uses the dual－base point method compared technology and economic indexes for the three mining methods and determines optimal mining method for this mine.Finally，numerical simulation method is used to optimize structure parameters of the stope.Using the dual－base point method to select mining method can avoid subjectivity，simultaneously it has been proved by engineering practice that the VCR mining method is effective，and the stope structure parameters are reasonable.This research can be used in other mines which have the similar mine and ore conditions.

dual－base point method；selection of mining method；technology and economic indexes；numerical simulation

TD853.36

Α

1671－4172（2015）02－0015－04

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.004

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2011BAB07B02）

張茂盛（1972－），男，工程師，采礦工程專業(yè)。