基于FLAC3D的分段空场嗣后充填法采场结构参数优化

基于FLAC3D的分段空场嗣后充填法采场结构参数优化
发布时间：2022-05-12T05:37:26.971Z 来源：《科学与技术》2022年第3期作者：罗代祺
[导读] 为实现矿山安全高效生产，确定合理采场结构参数成为矿山生产首要任务
罗代祺
云南铜业股份有限公司，云南昆明650000
摘要：为实现矿山安全高效生产，确定合理采场结构参数成为矿山生产首要任务。

将经验法与数值模拟法相结合，基于Mathews稳定图法初步稳定性分析以及FLAC3D数值模拟6种方案，选取顶板位移、最大主应力作为评价因子，确定最优采场结构参数。

研究结果表明，落凼矿区最佳分段空场嗣后充填法采场结构参数为采矿跨度15m，采场长度32m，间柱宽度5m；暴露面积越小，顶板位移和最大主应力越小；暴露面积相等情况下，采场跨度越小，顶板位移和最大主应力越小。

关键字：分段空场嗣后充填法；采场；结构参数；数值模拟
0引言
在矿山生产中，采场结构参数与采场稳定性息息相关，直接影响采矿工作人员生命安全，也关乎矿山生产能力和企业效益。

数值模拟法确定最优采购结构参数具备多方案、可重复、可视化等优点，徐帅[1]基于FLAC3D进行数值计算，建立SOM模型对深埋厚大矿体采场结构参数进行优化研究。

郝益民[2]运用FLAC3D对4种方案进行数值模拟研究，确定了有利于阶段空场嗣后充填采场的结构参数。

陈晖[3]采用FLAC3D开展“三软”条件下金矿采场结构参数优化。

江飞飞[4]基于三维离散元程序3DEC对不同的一、二步骤采场宽度组合方案进行了模拟，确定了合理的采场结构参数。

龙科明[5]运用ANSYS对不同采场结构参数进行了数值模拟分析，确定了采场最优宽高组合。

因此，结合经验类比法，依靠数值模拟来确定采场结构参数，能够为拉拉铜矿采矿稳定性分析提供可靠依据。

1工程概况
拉拉铜矿落凼矿区深部矿段矿体按倾角分为三类，＜15°的水平至缓倾斜矿体、15°~35°的缓倾斜至倾斜矿体以及＞35°的倾斜至急倾斜矿体。

其中厚度为7～8m以上的单层矿体，采用分段空场嗣后充填法开采。

2Mathews稳定图法稳定性分析
Mathews稳定图法属于一种经验预测，得到的是岩体质量、开采深度、采场尺寸和稳定性之间的关系。

设计过程以两个因子——稳定性指数N和形状因子（或水力半径）S的计算为基础，然后将这两个因子绘制在划分为“预测稳定区”、“潜在不稳定区或破坏区”和“潜在崩落区”的图上。

2.1指标的获取
指标是按Q系统分类方法，其和SRF都设为1后求得的，其结果如下表 1所示。

2.2稳定性指数N的计算
稳定性指数N代表岩体在给定应力条件下维持稳定的能力，定义为：
式中A为岩石强度因子，B为节理方向调整系数，C为重力调整因子。

按Mathews稳定图法进行分析，拉拉铜矿地下开采各岩组的稳定性指数如下表 2所示。

2.3矿房结构参数分析
水力半径S则反映了采空区的尺寸和形状，结合公式，可计算各岩组的极限水力半径S如下表 3所示。

由此可大致确定该矿区采用分段空场嗣后充填法时，顶板及上下盘围岩的最大允许暴露面积。

①按顶板稳定的水力半径S=5.11以及矿山现有采场长度为100m计算，跨度应不得超过11.4m；②按边墙钠长岩稳定的水力半径S=16.45以及采场长度为100m计算，采场高度20m是稳定的；③按边墙片岩稳定的水力半径S=12.56以及采场长度为100m计算，采场高度20m也是稳定的。

以100m采场长度确定的跨度最大值为11.4m，不便于采矿作业，因此提出采场宽度为15m和18m的优化方案，在此基础上①按顶板稳定的水力半径S=5.11，得出采场长度极限值为32m和23m；②按边墙钠长岩稳定的水力半径S=16.45和边墙片岩稳定的水力半径S=12.56计算，采场高度20m均是稳定的。

3数值模拟方案
3.1模型参数
模型模拟物理力学参数基于室内岩石力学试验可得到岩石力学参数，再经过折减得到岩体力学参数，见表4。

3.2模型构建
根据落凼矿区矿床开采技术条件，结合矿体实际赋存形态，运用FLAC3D建立三维有限元模型。

根据采场跨度、间柱尺寸、暴露面积建立对比方案如下表 5所示。

外附围岩尺寸按矿体尺寸的3倍建立，模型总尺寸为742m×196m×280m，如下图 1所示。

图 1 数值模拟模型示意图
3.3边界条件
1）初始地应力场。

落凼矿区矿体埋深较浅，竖直应力取自重应力。

式中为矿岩容重，，g取9.81m/s2，N/m3；为埋深，m。

水平应力随深度按梯度变化。

式中为泊松比。

2）模型边界条件。

模型的四个侧面和底面均采用固定速度约束。

4计算结果分析
在各个方案模型外形尺寸、采矿方法均一致，只改变采场结构参数的情况下，根据FLAC3D数值模拟结果，分析各个方案的采场顶板
竖向位移、最大主应力、最小主应力情况，从而分析各个采场的稳定性。

4.1顶板位移分析
各个方案顶板竖向位移对比如下所示。

通过6个方案的对比（见图 2）可知，暴露面积越小，顶板位移越小；同等暴露面积下，采场跨度越小，顶板位移越小。

图 2 顶部位移对比
4.2最大主应力分析
各个方案最大主应力分布对比如下所示。

通过6个方案的对比（见图 3、图 4）可知，暴露面积越小，最大主应力越小；同等暴露面积下，采场跨度越小，最大主应力越小。

5结论与展望
本文的研究表明，经验法和数值模拟法的结合使用能对落凼矿区分段空场嗣后充填法的采场结构参数进行优化，指导矿山安全高效生产。

1）基于经验法对矿山现有分段空场嗣后充填法的采场结构进行分析，考虑到采矿作业实际生产等问题，提出优化方案：将原有的采场跨度更改为15m和18m。

2）基于FLAC3D数值模拟，将顶板竖向位移、最大主应力作为评判指标，得到落凼矿区最优结构参数为：采矿跨度15m，采场长度32m，间柱宽度5m。

3）对于同等暴露面积间柱宽度相等的情况下，采场跨度越小，最大主应力越小，采场顶部位移和拉应力越小，采场越稳定。

6参考文献
[1]徐帅,安龙,李元辉,等.基于SOM的深埋厚大矿体采场结构参数优化研究[J].采矿与安全工程学报,2015,32(6):883-888.
[2]郝益民,宋卫东,张凯,等.阶段空场嗣后充填采场结构参数优化研究[J].矿业研究与开发,2020,40(3):15-19.
[3]陈晖,王腾,马振乾,等.“三软”条件下金矿采场结构参数优化研究[J].中国矿业,2020,29(4):141-145.
[4]江飞飞,李向东,张融江,等.基于3DEC的两步骤空场嗣后充填采场结构参数优化[J].地下空间与工程学报,2016,12(S2):805-810.
[5]龙科明,王李管.基于ANSYS-R法的采场结构参数优化[J].黄金科学技术,2015,23(6):81-86.。