基于數(shù)值分析的中深孔爆破采場結構優(yōu)化研究

譚 軍，史秀志，陳佳耀

(1.深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦，廣東韶關市 512000；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙 410083)

基于數(shù)值分析的中深孔爆破采場結構優(yōu)化研究

譚 軍1，史秀志2，陳佳耀2

(1.深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦，廣東韶關市 512000；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙 410083)

針對凡口鉛鋅礦回采礦體過程中面臨的安全性問題大、回采效率低、采礦成本高等問題，運用數(shù)值模擬軟件FLAC3D及其自帶的匯編語言，對影響采場結構參數(shù)的長度L、寬度D、高度H 3個基本變量進行模擬組合，并結合安全系數(shù)等傳統(tǒng)的評價指標進行空區(qū)關鍵點的位移、塑性區(qū)等情況統(tǒng)計，最終對井下多變量采場參數(shù)進行綜合分析，研究表明：位移值與L、D、H 3個參數(shù)均成非線性正相關，其中位移值最小對應的參數(shù)是L＝20 m，D＝6 m，H＝6 m，最大值對應的參數(shù)是L＝40 m，D＝10 m，H＝8 m，該參數(shù)下的安全系數(shù)F≥1.239；由塑性區(qū)面積與各參數(shù)的單因素分析得，參數(shù)值與塑性區(qū)的相關性大，其中模擬的最大參數(shù)對應的塑性區(qū)貫通現(xiàn)象明顯，需對局部圍巖性質復雜地域進行支護，以保證回采的安全；結合礦山機械化上向中深孔采礦法的實際，通過實測分析得出該采場回采過程中能保持相對較高的安全性和生產(chǎn)效率的結論，與模擬統(tǒng)計的結果相一致，具有相對較大的指導意義。

機械上向中深孔采礦法；結構參數(shù)；數(shù)值模擬；位移監(jiān)測；塑性區(qū)

0 引 言

地下采礦過程中，采場結構參數(shù)是長期影響礦山規(guī)劃、生產(chǎn)連續(xù)性、產(chǎn)能效益的重要因素，也是礦山安全研究的重要課題之一。近年來，隨著采礦方法的豐富、設備的先進，采場參數(shù)的綜合研究也成為了研究者關注的焦點，傳統(tǒng)的參數(shù)獲得常采用經(jīng)驗類比或工程相似等原理[1]，該方法對于定量研究參數(shù)有很大的局限性，同時研究者的主觀選擇干預大，難以科學的分析問題。隨著計算機科學的不斷發(fā)展，國內外許多專家在采場參數(shù)等方面獲得了大量的研究成果。其中，鄧紅衛(wèi)[2]等利用正交設計和滿意度評價等綜合研究采場結構參數(shù)對采場穩(wěn)定性的影響；王洪武[3]等就采場結構優(yōu)化提出一種關于正交有限元-模糊可靠度-遺傳算法的綜合研究方法；王新民[4]等通過采用層次分析及模糊數(shù)學(FAHP)的綜合理論對影響采場的動態(tài)、靜態(tài)、定量、定性指標進行評價研究。以上的分析雖明顯優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)驗類比法，但在研究過程中沒有直觀反映出采場結構參數(shù)變化引起的應力、應變云圖等信息，對相關關系的函數(shù)圖像研究較少。

采場穩(wěn)定性是評價采場結構參數(shù)最直觀準確的指標，本文根據(jù)凡口鉛鋅礦盤區(qū)機械化上向中深孔爆破嗣后充填采礦法的實際情況，利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對凡口鉛鋅礦井下采場結構參數(shù)進行研究，該方法對于直觀的模擬真實采場的穩(wěn)定性特征有巨大的優(yōu)勢，結合模擬過程中應力應變情況進行采場參數(shù)的評價，該研究對于仿真研究有重要的指導意義[5-8]。

1 采場結構參數(shù)與數(shù)值模擬

1.1 采場結構參數(shù)確定

凡口鉛鋅礦為提高采場生產(chǎn)能力，采用盤區(qū)機械化上向中深孔爆破嗣后充填采礦法進行回采，利用鑿巖臺車進行上向打孔，采用切割槽作為自由面進行側向崩礦，機械化水平高，如圖1所示。

隨著礦山的不斷發(fā)展，大量的采準設計需要持續(xù)進行，為加快工程進度，提高生產(chǎn)效率，采場結構參數(shù)需要進一步的摸索和改進，本文對采場的長、寬、高3個主要因素進行數(shù)值模擬研究，由于采場的常規(guī)寬度受到礦山規(guī)劃的影響，預設采場寬度D＝6，8，10 m，長度L＝20，30，40 m做研究；高度H由于受到設備等限制，采用H＝6，7，8 m。通過取值的相互協(xié)調進行模擬數(shù)組的確定。

圖1 盤區(qū)機械化上向中深孔爆破嗣后充填采礦法示意

1.2 采場模型的建立

根據(jù)表1提供的參數(shù)建立采場模型，見圖2，模型共包含54390個單元，32100個節(jié)點，對Y方向進行全約束，X方向不約束，Z方向在模型的頂?shù)撞咳s束以實現(xiàn)對模型形狀的保持。模擬過程中通過最大不平衡率判定系統(tǒng)平衡狀態(tài)，并利用多步驟的模擬分析采場開挖狀態(tài)，并采用history write命令對數(shù)據(jù)進行記錄、提取和篩選[9]。

表1 凡口鉛鋅礦巖體物理力學參數(shù)

圖2 采場模型

對采場的長、寬、高進行綜合研究分析，設計模擬步驟主要包括2步驟：沿著模型長度方向開挖，在中間進行巷道的掘進和采場的劃分；利用后退式采礦技術，對不同長度的采場進行10 m為單位的回采，同時進行寬度方向上2 m為單位的延伸，以及高度方向上2 m為單位的延伸。

2 模擬計算及數(shù)據(jù)分析

2.1 位移分析

通過模擬9組不同采場參數(shù)條件下的采場模型，通過監(jiān)測采場中心點的豎向變形量，同時應用FLAC3D自帶fish語言進行安全系數(shù)的統(tǒng)計，統(tǒng)計結果見表2。在9組試驗中，位移最小對應的采場參數(shù)是L＝20 m，D＝6 m，H＝6 m，位移量為2.31 mm，該采場參數(shù)下的安全系數(shù)較高，能保證回采過程中的絕對安全。位移最小對應的參數(shù)數(shù)組是L＝40 m，D＝10 m，H＝8 m，位移值為9.13 mm，該參數(shù)下的安全系數(shù)相對較小，應進一步分析該條件下的安全性。就單因素分析而言，長度L與豎向位移存在非線性正相關關系，與安全系數(shù)成反函數(shù)關系；豎向位移值隨著寬度D的增加而增大，安全系數(shù)始終和位移值成反函數(shù)關系，高度H與位移值呈現(xiàn)非線性增函數(shù)關系。

表2 不同參數(shù)下的采場模擬位移、安全系數(shù)及塑性區(qū)情況

圖3表示在其他參數(shù)均相同的情況下，不同采場長度對應的等值位移云圖。圖3顯示，等值位移曲線呈現(xiàn)弧形，在采空區(qū)中間位置附近會出現(xiàn)相對較大值，符合監(jiān)測點布置的常規(guī)原則，不同的采場規(guī)模對應的弧形弧度不同，且在中心點的位移值差異較大。

2.2 塑性區(qū)分析

為進一步研究采場結構參數(shù)對采場穩(wěn)定性的影響，通過FLAC3D匯編語言進行塑性區(qū)中間截面面積的計算，對沿著長度方向的采場塑性區(qū)進行統(tǒng)計，將結果匯總于表3。根據(jù)結果，在L＝20 m，D＝6 m，H

＝6 m對應的采場規(guī)模下，塑性區(qū)面積量較小，為50.74 m2，證明在該條件下的采場穩(wěn)定性較好，塑性區(qū)分布少，從安全角度上能夠得到滿意值；在L＝40 m，D＝10 m，H＝8 m對應的采場規(guī)模下，塑性區(qū)面積達到134.93 m2，塑性區(qū)圖顯示，在該條件下塑性區(qū)局部貫通，安全性相對較差，在圍巖復雜地域需進行局部支護，以保證回采過程中的安全。

圖3 不同采場長度對應的位移等值云圖

為分析單因素對塑性區(qū)的影響，本文僅對不同采場寬度下的塑性區(qū)情況進行示例，如圖4所示。該圖可以直觀定性的分析出塑性區(qū)面積情況，在其他參數(shù)保持不變的情況下，采場寬度D越大，塑性區(qū)面積不斷增大。在D＝8 m時，塑性區(qū)局部貫通，包括采場進路及對應的平巷位置均有不同程度的塑性區(qū)分布。

圖4 不同采場寬度對應的位移等值云圖

3 工程實例

凡口鉛鋅礦-280 m中段83-01＃采場的的長、寬、高分別為30.3，7.9，6.1 m。根據(jù)該尺寸監(jiān)測各點位移值，測得豎向位移值為6.13 mm，同表2參數(shù)下的模擬值相差較小，對該采場進行炮孔設計見圖5。

圖5 凡口鉛鋅礦試驗采場炮孔布置

另外，扇形孔布置的原則主要包括：根據(jù)輪廓線控制爆破范圍，確定炮孔長度及個數(shù)；保證較合理的孔底距及炮孔深度；為減小礦石在回采過程中的損失，應根據(jù)圍巖性質合理布置傾斜炮孔，以保證回采的安全。由于該采場所在的圍巖巖石條件復雜，在采場東邊端部布置拉槽區(qū)，拉槽區(qū)布置相對較密的炮孔，孔間距0.5 m×0.5 m，拉槽區(qū)以外區(qū)域孔間距適當增加，排距為1.5 m，孔底距保持0.5～0.8 m，采場在該炮孔設計下爆破效果良好，塊度均勻，炸藥單耗0.34，實踐證明該采場參數(shù)能保證采礦安全的同

時，也能有較高的回采效率。

4 結 論

通過對凡口鉛鋅礦井下采場長、寬、高3個基本結構參數(shù)(L、D、H)分9組進行模擬研究，得出以下幾點結論。

(1)采場豎向位移值與L、D、H 3個參數(shù)均成非線性正相關，其中位移值最小對應的參數(shù)是L＝20 m，D＝6 m，H＝6 m，最大值對應的參數(shù)是L＝40 m，D＝10 m，H＝8 m，但該參數(shù)下采場仍能保證較大的安全系數(shù)。

(2)由塑性區(qū)面積統(tǒng)計得，塑性區(qū)面積同參數(shù)相關性大，其中，L＝40 m，D＝10 m，H＝8 m對應的塑性區(qū)貫通現(xiàn)象明顯，需對局部圍巖性質復雜地域進行支護，以保證回采的安全。

(3)結合凡口鉛鋅礦機械化上向中深孔采礦法的實際，通過對試驗采場的實測分析得出采場回采過程中能保持相對較高的安全性和生產(chǎn)效率的結論，與模擬統(tǒng)計的結果相一致，具有相對較大的指導意義。

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2016-07-17)

譚 軍(1974-)，男，湖南茶陵縣人，采礦高級工程師，主要從事有色金屬礦山采礦技術及管理工作，Email：190166653＠qq.com。