基于数值分析的中深孔爆破采场结构优化研究

2016-12-13史秀志陈佳耀

采矿技术 2016年6期

关键词：铅锌矿炮孔采场

谭军，史秀志，陈佳耀

(1.深圳市中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌矿，广东韶关市 512000；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083)

基于数值分析的中深孔爆破采场结构优化研究

谭军1，史秀志2，陈佳耀2

(1.深圳市中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌矿，广东韶关市 512000；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083)

针对凡口铅锌矿回采矿体过程中面临的安全性问题大、回采效率低、采矿成本高等问题，运用数值模拟软件FLAC3D及其自带的汇编语言，对影响采场结构参数的长度L、宽度D、高度H 3个基本变量进行模拟组合，并结合安全系数等传统的评价指标进行空区关键点的位移、塑性区等情况统计，最终对井下多变量采场参数进行综合分析，研究表明：位移值与L、D、H 3个参数均成非线性正相关，其中位移值最小对应的参数是L＝20 m，D＝6 m，H＝6 m，最大值对应的参数是L＝40 m，D＝10 m，H＝8 m，该参数下的安全系数F≥1.239；由塑性区面积与各参数的单因素分析得，参数值与塑性区的相关性大，其中模拟的最大参数对应的塑性区贯通现象明显，需对局部围岩性质复杂地域进行支护，以保证回采的安全；结合矿山机械化上向中深孔采矿法的实际，通过实测分析得出该采场回采过程中能保持相对较高的安全性和生产效率的结论，与模拟统计的结果相一致，具有相对较大的指导意义。

机械上向中深孔采矿法；结构参数；数值模拟；位移监测；塑性区

0 引言

地下采矿过程中，采场结构参数是长期影响矿山规划、生产连续性、产能效益的重要因素，也是矿山安全研究的重要课题之一。近年来，随着采矿方法的丰富、设备的先进，采场参数的综合研究也成为了研究者关注的焦点，传统的参数获得常采用经验类比或工程相似等原理[1]，该方法对于定量研究参数有很大的局限性，同时研究者的主观选择干预大，难以科学的分析问题。随着计算机科学的不断发展，国内外许多专家在采场参数等方面获得了大量的研究成果。其中，邓红卫[2]等利用正交设计和满意度评价等综合研究采场结构参数对采场稳定性的影响；王洪武[3]等就采场结构优化提出一种关于正交有限元-模糊可靠度-遗传算法的综合研究方法；王新民[4]等通过采用层次分析及模糊数学(FAHP)的综合理论对影响采场的动态、静态、定量、定性指标进行评价研究。以上的分析虽明显优于传统经验类比法，但在研究过程中没有直观反映出采场结构参数变化引起的应力、应变云图等信息，对相关关系的函数图像研究较少。

采场稳定性是评价采场结构参数最直观准确的指标，本文根据凡口铅锌矿盘区机械化上向中深孔爆破嗣后充填采矿法的实际情况，利用数值模拟软件FLAC3D对凡口铅锌矿井下采场结构参数进行研究，该方法对于直观的模拟真实采场的稳定性特征有巨大的优势，结合模拟过程中应力应变情况进行采场参数的评价，该研究对于仿真研究有重要的指导意义[5-8]。

1 采场结构参数与数值模拟

1.1 采场结构参数确定

凡口铅锌矿为提高采场生产能力，采用盘区机械化上向中深孔爆破嗣后充填采矿法进行回采，利用凿岩台车进行上向打孔，采用切割槽作为自由面进行侧向崩矿，机械化水平高，如图1所示。

随着矿山的不断发展，大量的采准设计需要持续进行，为加快工程进度，提高生产效率，采场结构参数需要进一步的摸索和改进，本文对采场的长、宽、高3个主要因素进行数值模拟研究，由于采场的常规宽度受到矿山规划的影响，预设采场宽度D＝6，8，10 m，长度L＝20，30，40 m做研究；高度H由于受到设备等限制，采用H＝6，7，8 m。通过取值的相互协调进行模拟数组的确定。

图1 盘区机械化上向中深孔爆破嗣后充填采矿法示意

1.2 采场模型的建立

根据表1提供的参数建立采场模型，见图2，模型共包含54390个单元，32100个节点，对Y方向进行全约束，X方向不约束，Z方向在模型的顶底部全约束以实现对模型形状的保持。模拟过程中通过最大不平衡率判定系统平衡状态，并利用多步骤的模拟分析采场开挖状态，并采用history write命令对数据进行记录、提取和筛选[9]。

表1 凡口铅锌矿岩体物理力学参数

图2 采场模型

对采场的长、宽、高进行综合研究分析，设计模拟步骤主要包括2步骤：沿着模型长度方向开挖，在中间进行巷道的掘进和采场的划分；利用后退式采矿技术，对不同长度的采场进行10 m为单位的回采，同时进行宽度方向上2 m为单位的延伸，以及高度方向上2 m为单位的延伸。

2 模拟计算及数据分析

2.1 位移分析

通过模拟9组不同采场参数条件下的采场模型，通过监测采场中心点的竖向变形量，同时应用FLAC3D自带fish语言进行安全系数的统计，统计结果见表2。在9组试验中，位移最小对应的采场参数是L＝20 m，D＝6 m，H＝6 m，位移量为2.31 mm，该采场参数下的安全系数较高，能保证回采过程中的绝对安全。位移最小对应的参数数组是L＝40 m，D＝10 m，H＝8 m，位移值为9.13 mm，该参数下的安全系数相对较小，应进一步分析该条件下的安全性。就单因素分析而言，长度L与竖向位移存在非线性正相关关系，与安全系数成反函数关系；竖向位移值随着宽度D的增加而增大，安全系数始终和位移值成反函数关系，高度H与位移值呈现非线性增函数关系。

表2 不同参数下的采场模拟位移、安全系数及塑性区情况

图3表示在其他参数均相同的情况下，不同采场长度对应的等值位移云图。图3显示，等值位移曲线呈现弧形，在采空区中间位置附近会出现相对较大值，符合监测点布置的常规原则，不同的采场规模对应的弧形弧度不同，且在中心点的位移值差异较大。

2.2 塑性区分析

为进一步研究采场结构参数对采场稳定性的影响，通过FLAC3D汇编语言进行塑性区中间截面面积的计算，对沿着长度方向的采场塑性区进行统计，将结果汇总于表3。根据结果，在L＝20 m，D＝6 m，H

＝6 m对应的采场规模下，塑性区面积量较小，为50.74 m2，证明在该条件下的采场稳定性较好，塑性区分布少，从安全角度上能够得到满意值；在L＝40 m，D＝10 m，H＝8 m对应的采场规模下，塑性区面积达到134.93 m2，塑性区图显示，在该条件下塑性区局部贯通，安全性相对较差，在围岩复杂地域需进行局部支护，以保证回采过程中的安全。

图3 不同采场长度对应的位移等值云图

为分析单因素对塑性区的影响，本文仅对不同采场宽度下的塑性区情况进行示例，如图4所示。该图可以直观定性的分析出塑性区面积情况，在其他参数保持不变的情况下，采场宽度D越大，塑性区面积不断增大。在D＝8 m时，塑性区局部贯通，包括采场进路及对应的平巷位置均有不同程度的塑性区分布。

图4 不同采场宽度对应的位移等值云图

3 工程实例

凡口铅锌矿-280 m中段83-01＃采场的的长、宽、高分别为30.3，7.9，6.1 m。根据该尺寸监测各点位移值，测得竖向位移值为6.13 mm，同表2参数下的模拟值相差较小，对该采场进行炮孔设计见图5。

图5 凡口铅锌矿试验采场炮孔布置

另外，扇形孔布置的原则主要包括：根据轮廓线控制爆破范围，确定炮孔长度及个数；保证较合理的孔底距及炮孔深度；为减小矿石在回采过程中的损失，应根据围岩性质合理布置倾斜炮孔，以保证回采的安全。由于该采场所在的围岩岩石条件复杂，在采场东边端部布置拉槽区，拉槽区布置相对较密的炮孔，孔间距0.5 m×0.5 m，拉槽区以外区域孔间距适当增加，排距为1.5 m，孔底距保持0.5～0.8 m，采场在该炮孔设计下爆破效果良好，块度均匀，炸药单耗0.34，实践证明该采场参数能保证采矿安全的同

时，也能有较高的回采效率。