张茂盛，白立远，王平

（1.酒泉钢铁集团公司镜铁山矿，甘肃嘉峪关735100；2.河北省唐山市环境监测中心站，河北唐山063000；3.东北大学，沈阳110004）

某铁矿采矿方法优选及采场结构参数优化

张茂盛1，白立远2，王平3

（1.酒泉钢铁集团公司镜铁山矿，甘肃嘉峪关735100；2.河北省唐山市环境监测中心站，河北唐山063000；3.东北大学，沈阳110004）

以某铁矿为工程实例，根据该矿的开采技术条件，初选了垂直深孔球状药包落矿阶段矿房法、阶段强制崩落法、无底柱分段崩落法三种初选方案。然后运用双基点决策理论选取相应的技术经济指标综合比对三种方案，确定最适合该矿的采矿方法。最后运用数值模拟方法对采场结构参数进行优化。研究结果表明，运用双基点法决策理论对采矿方法进行选择，能避免采矿方法选择的主观性，同时经现场实践证明所选取的采矿方法有效，采场结构参数合理。这些研究成果可供矿岩条件类似矿山借鉴使用。

双基点法；采矿方法选择；技术经济指标；数值模拟

采矿方法的选择对矿山安全有效开采有至关重要的作用，选择与矿床地质条件和开采技术经济相适应的采矿方法是地下采矿的关键。传统的采矿方法选择对各影响因素只做定性分析，由于选择的多样性、复杂性以及采矿工程师的主观性，很难得到最优的采矿方法。本文运用双基点法［1］对初选的采矿方法进行对比，将定性和定量分析结合［2］，克服了传统方法的不足，选择的采矿方法更加合理有效。同时运用数值模拟方法对采场结构参数进行优化，可有效控制地压，减少地压灾害。

1 矿体开采技术条件

矿区内含矿岩组呈西倾的单斜构造，由南向北逐渐变薄。浅部产状陡峻，构成直立片理带倾角70°～80°，深部产状变缓，局部有变厚的趋势，同时深部还有向上翘起的趋势。矿体均被第四系覆盖，盖层平均厚度122.80m，全矿床控制长度380m，宽105m，控制下限埋深距地表205m，控制斜长距古地表41～667m。

矿石中的铁矿物主要为镜铁矿、磁铁矿，偶有少量的赤铁矿、褐铁矿等，呈次生或氧化物产出。矿体中原生矿稳定性好，氧化矿及风化程度高的矿体稳定性差。矿体顶板岩性主要有黑云斜长片麻岩、角闪黑云斜长片麻岩、斜长黑云片岩及铁闪片岩等，北部岩体完整性、稳定性较好，向南渐变差。矿体底板岩性主要为白云石大理岩，岩芯完整，岩体完整性、稳定性好。影响采矿方法初选的因素除了矿床地质条件外，还有开采技术经济条件如下［3］：

选择的采矿方法必须保证生产安全、作业条件良好。由于该矿体夹带岩石层，在回采时极易混入岩石，选用的采矿方法需保证损失贫化率低，以满足加工部门对矿石品质的要求。选用的采矿方法必须满足矿石回采率高的要求，可最大限度回采矿石。采矿方法需满足生产能力大、劳动生产率高并且能多矿块同时回采，以保证达到矿山对产量的要求，同时也需采矿工艺及地压管理简单，技术成熟可靠［3］。

针对该矿矿岩物理力学性质以及开采技术经济条件，结合矿体赋存条件等方面，初步选择采矿方法为垂直深孔球状药包落矿阶段矿房法（VCR法）、阶段强制崩落法［4］、无底柱分段崩落法三种方案。

2 采矿方法决策

2.1 双基点法决策步骤

在双基点法计算中共设有n个比较方案，每种比较方案有m种性能指标。评价工作按照以下步骤进行：

第一步：构造属性矩阵珡A，属性矩阵中每个元素为珔aij，其中珔aij表示第j个比较方案的第i项性能，假设各元素均非负。

第二步：对属性矩阵进行规格化。将上述矩阵珡A规格化为规格化矩阵A′，A′矩阵中的元素a′ij计算方式如下：

式中：I1—收益性指标或者属性下标的集合。收益性指标主要包括矿块生产能力、采矿利润等。I2—损失性指标或者属性下标的集合。损失性指标主要包括采矿费用、坑木炸药的消耗量、采矿成本等。

第三步：将规格化矩阵A′加权。设权向量ω＝（ω1，ω2，…，ωm）T，规格化矩阵中aij＝a′ijωi，则加权后的矩阵A为：

第四步：求理想点p＊。在加权矩阵中，找出每一列最大的元素作为理想点。

第五步：计算被评价对象到理想点的距离d＊j。得到评价对象与理想点之间的距离之后计算相对贴近度。在加权规格化属性空间中，被评价对象与理想点的相对贴近度表示为Tj。计算方法如下所示：

第六步：综合评价与排序。根据计算出的Tj对各评价对象进行排序，Tj值越小说明该采矿方法越适用于该矿。

2.2 采矿方法选择

双基点决策法计算方法如上所示，根据该矿的矿岩物理力学性质，综合考虑矿体赋存条件以及矿山对生产量的要求，初步选择以下三种方案：

方案一：垂直深孔球状药包落矿阶段矿房法（VCR法）

方案二：阶段强制崩落法

方案三：无底柱分段崩落法

这三种采矿方法矿块生产能力较大，国内外均有应用的实例可供参照。初选采矿方法的主要技术经济指标如表1所示。

表1 各采矿方法主要技术经济指标Table 1 The main technology and economic indexes for mining methods

在采矿方法选择时，力求矿块的生产能力大，矿石损失率、贫化率以及采矿成本，炸药消耗量较小［5］。三种采矿方法比较方案中，总共选择了7个主要的技术经济指标，见表1。运用双基点法对三种方案进行比较，按照各技术经济指标对决策的影响得到权重向量。在计算中，表1中各技术经济指标自上而下权重向量依次为ω＝（0.20 0.125 0.125 0.15 0.20 0.05 0.15）T，现将三种方案的计算结果列入表2中。

表2 计算结果比较Table 2 The comparison of the calculation results

由表2的计算结果可以看出，方案一为最优方案。即选择垂直深孔球状药包落矿阶段矿房法为该矿的采矿方法。综合考虑该铁矿生产规模大，矿体较规整，经过对中深孔、深孔多种布置形式对比研究，再结合VCR采矿法具有矿石破碎质量好、效率高、成本低、工艺简单等一系列优点，VCR采矿法明显优于其他采矿法，更适用于该矿。

3 采场结构参数确定

本文采用目前广泛使用的有限差分软件FLAC3D作为研究优化采场结构参数的模拟工具［6］。原岩地应力仅考虑静载荷即岩体自重对模型的影响，岩体为各向同性的连续介质。数值计算中假定所有材料均符合摩尔—库伦准则。

表3 矿体顶、底板围岩物理力学性质Table 3 The rock mechanics parameters of the top and bottom of ore body

3.1 模型建立

为了确定垂直深孔球状药包阶段矿房法矿房长度的极限值，文章综合国内外同类工程的成功［7］案例，确定了从20～70m不同矿房长度的方案，矿房宽度为矿体水平厚度，阶段高度依据矿岩条件确定为50m。根据阶段间的矿体形态，建立了三维计算模型进行计算。为了消除边界效应对计算模型的影响，模型水平向长度为200m，模型上下高度为140 m，厚度为100m，共计20 625个节点，33 848个单元。

3.2 计算结果分析

对现场的开采过程进行了仿真模拟，通过计算获取了矿岩体位移场与塑性区的分布规律，并对不同矿房长度的计算结果进行了分析比较。

1）位移场分析

由于矿体埋深不大，矿区以自重应力场为主，因此岩体变形主要以顶板的下沉为主。计算显示，进路顶板的下沉量大致在2.3～7.6mm。图1为矿房长度50m时的竖直方向位移云图。为了掌握进路跨度增加对进路顶板下沉量的影响，建立了一个矿房长度与下沉量之间的关系图，参见图3。通过该图可以直观发现：当矿房长度由20m增加到50 m时，采场顶板的下沉量随长度增加呈线性递增；当矿房长度超过50m后，采场顶板与底板的变形随长度增加急剧增长，表明矿房长度达到50m后，表层矿岩体进入了塑性状态。

图1 矿房长度为50m时竖直方向位移云图Fig.1 Vertical displacement in the span of 50m

2）塑性区分析

图2为矿房长度50m时塑性区云图。塑性区的计算结果显示（参见图3），进路顶板与底板矿岩主要以岩体的拉张破坏为主，破坏深度在0.5～1.0 m。当矿房长度在20～50m范围时，岩体塑性区体积基本上随跨度增加呈线性递增，当矿房长度超过50m后，岩体的塑性区体积急剧增加，表明表层矿岩的稳定性急剧恶化，存在岩体失稳的可能。

图2 矿房长度为50m时塑性区云图Fig.2 Plastic zone when stope length is 50m

对矿岩体位移与塑性区的综合分析可见：当矿房长度小于50m时，进路围岩基本处于弹性状态；当矿房长度超过50m，其周边矿岩体进入塑性状态，岩体局部存在潜在垮塌风险。因此判断矿房长度50m左右是岩体失稳的临界跨度区间。

图3 不同工况下顶板的变形值与塑性区体积曲线图Fig.3 The curves of roof deformation value and plastic area volume in different conditions

3.3 采场结构参数确定

根据数值模拟结果，结合国内外矿山经验［8］，最终确定矿房沿矿体走向布置。采场参数确定如下：矿房长度为40m，矿房宽度为矿体水平厚度，阶段高度依据矿岩条件确定为50m。间柱宽度设置为10m，由于矿岩较稳固顶柱厚度确定为8m。矿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］。切割工程在实施的时候，要通过底部受矿平巷施工切割平巷，再通过切割平巷实施拉底切割天井，然后再切割巷内和底部受矿平巷内用YQ90中深孔钻机（孔深15m，孔径为60mm）钻凿上向扇形炮孔，进行中深孔拉底。在以拉底切割天井为自由面爆破形成拉底切割槽，由采场中央拉底切割槽天井开始，向上下盘后退式爆破形成切割层，从而完成拉底工程。

3.4 回采工作

回采工艺使用T150CS100（50m，165mm）大孔机在矿房顶部的凿岩硐室内钻凿下向垂直倾斜深孔；使用多孔粒状铵油炸药，进行人工间隔装药；使用非电导爆管复式起爆，进行起爆切槽，侧向爆破。爆破下来的矿石集中在采场底部用铲运机通过出矿进路出矿。当矿房里的矿石出完以后再对采空区进行充填。

4 结论

1）运用双基点法对初选三种方案进行计算对比，最终确定垂直深孔球状药包落矿阶段矿房法为最优采矿方法。该采矿方法矿房生产能力大，满足矿山对生产能力的要求。同时该法工艺简单，各项作业可实现机械化，减轻了工人的劳动强度。

2）矿块结构参数根据矿岩物理力学性质，结合国内外其他矿山应用的经验，对该矿进行数值模拟，采场参数确定为矿房长度为40m，矿房宽度为矿体水平厚度，阶段高度依据矿岩条件确定为50m。

3）该矿使用垂直深孔球状药包落矿阶段矿房法在真正意义上实现了高效采矿。该采矿方法应用的经验可供国内类似矿山使用。

［1］谢贤平，杨鹏.采矿方法设计方案的评价与选择［J］.黄金，1996（6）：15－18.

［2］白广熙.试用价值工程FD法选择采矿方法［J］.金属矿山，1997（5）：14－17.

［3］解世俊.金属矿床地下开采［M］.2版.北京：冶金工业出版社，2008：100－126.

［4］王青.采矿学［M］.北京：冶金工业出版社，2002.

［5］Pariseau W G，Duan F，Schmuck C H.Numerical Assessment of the Influence of Anisotropy on Steeply Dipping VCR Stops［C］//Geomechanics Applications in Underground Hardrock Mining.New York：AIMM，1984.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences ＆Geomechanics Abstracts，1985，22（2）：A45.

［6］刘洋树，李安平.VCR法采场结构参数优化的相似模拟实验［J］.有色矿冶，2007（2）：10－15.

［7］杨德全，周国庆，侯克鹏，等.采矿方法选择及其数值模拟研究［J］.采矿技术，2009，9（3）：12－14.

［8］汪文明，毛市龙.VCR法采场结构参数优化研究［J］.采矿技术，2006，6（4）：1－4.

［9］杨清平，滕丙娟，胡文达，等.谦比西铜矿西矿体采场结构参数优化［J］.金属矿山，2012（5）：1－4.

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”国家科技支撑计划项目（2011BAB07B02）

张茂盛（1972－），男，工程师，采矿工程专业。