某金属矿采场结构优化研究

某金属矿采场结构优化研究为进一步优化某铜矿采场的稳定性，使研究成果更加安全可靠，本文在前人相似模拟研究的基础上，采用数值计算分析方法，对大直径深孔嗣后充填采矿方法的采场结构进行再次优化研究。

通过利用有限元分析软件FLAC3D，结合某铜矿实际生产情况，在10m、12m采场宽度结构下，计算不同条件下开挖后的应力和位移分布来寻找最优化的采场结构。

数值模拟计算结果表明：长锚索加固技术和充填技术对优化采场结构的稳定起着十分重要的作用；10m采场顶部和12m 采场顶部和矿房两臂均出现较小范围的拉应力区，且矿房中部单元和上盘，尤其是围岩上盘，采场围岩位移都最大；不同的是，同工况条件下12m采场围岩变形，应力集中现象和充填体改善应力集中效果比10m采场更加明显。

标签：数值计算分析方法大直径深孔嗣后充填采矿方法采场结构FLAC3D 长锚索加固技术充填技术1前言对采场结构参数的研究和设计是采矿工程领域中十分重要的内容之一[1]。

随着国内绝大多数金属矿山浅埋矿脉的不断采出，我国早已步入了深部开采的行列。

开采深度的逐步延伸，开采规模的不断扩大，使得对采场结构的优化开采要求越来越高，如何最优化采场结构参数，成为了现在工程技术人员普遍关注的焦点[2-3]。

目前，确定采场结构参数的方法主要有经验类比法、物理模拟实验法和数值分析法。

前两者通常在生产实践中使用。

然而，经验类比法过于主观，难以得出真实可靠的结论；物理模拟实验法结论基本可靠，却耗时、耗力、耗费[4]。

随着现代科学技术的发展和计算机的普及，数值模拟在工程实践中的应用越来越频繁。

它具有较广泛的适用性，不仅能模拟岩体复杂的力学与结构特性，也可很方便地分析各种边值问题和施工过程，并对工程进行预测和预报[5]。

因此，岩石力学数值分析方法成为了解决岩土工程问题的新一代有效工具。

本文在前人相似模拟研究的基础上[6]，利用有限元分析软件ANSYS[7]，对大直径深孔嗣后充填采矿方法[8]的采场结构进行再次优化研究，一方面可与前人研究结果进行相互验证，形成优势互补；另一方面，即利用数值计算的强大分析能力，对各种方案和设计做出灵活快速的模拟，这是室内模拟实验所不具备的，通过选取所要研究的采场结构，建立相应的数值模型，对其进行分析计算，从而获得最优化的采场结构参数。

2工程地质概况本文主要以某铜矿600m中段以下Ⅰ号矿体倒转翼段为研究对象，其地质概况简化为矿体上盘围岩为凝灰岩，矿体厚度取30m，下盘为玄武岩，岩层倾角78.8°。

根据现场工程地质调查结果，该采场采用大直径深孔嗣后充填采矿方法进行回采，矿体和玄武岩均为质量较好岩体，凝灰岩岩体质量较差，RMR值分别为76，75和41。

3数值模型的建立数值模拟的可靠性在一定程度上取决于所选取的计算模型[9]。

本次数值模拟从解决工程实际问题的角度出发作了如下一些必要的假设：（1）视岩体为连续均质、各向同性的介质；（2）忽略软弱夹层对采场洞室稳定性影响；（3）不考虑地下水、地震和爆破振动力对地下采场洞室稳定性的影响；（4）因矿体埋藏深度比较大，忽略地表地形对地下采场洞室围岩应力分布的影响。

基于假设，根据矿体的赋存条件、地下采场洞室的位置以及开挖的影响范围，建立了沿矿体走向（x 向）取150m，垂直矿体走向（z向）取150m，沿铅直方向（y向）取150m的三维计算模型（如图 3.1）。

模型上盘围岩为凝灰岩，下盘为玄武岩，矿体厚度30m，倾角78.8°，采场垂直矿体走向布置在400中段中部（模型中央）。

3.1数值模型的基本参数通过分析地质资料和实际工况，在现场取样与室内岩石力学实验的基础上，采用RMR岩体工程质量分级法[10]，结合霍克—布朗公式[11]估算了某铜矿主要岩组岩石力学参数，如表3.1所示。

模型中长锚索[12]和充填体力学参数如表3.2所示下：3.2数值模型的本构关系岩石、混凝土和土壤等材料都属于颗粒型材料，其受压屈服强度远大于受拉屈服强度，且在材料受剪时，颗粒会发生膨胀，即所谓的剪胀现象。

在土力学中，常用的屈服准则有M-C准则，另一个能更准确地描述此类材料强度准则的是D-P 准则，并把使用D-P准则的材料成为DP材料[13]。

在岩石类材料和土壤的有限元分析中，采用D-P准則可以得到较精确的结果。

因此，在ANSYS程序中，采用D-P准则。

D-P准则为：F=αI1+■-K=0式中，I1——应力张量第一不变量；J2——应力张量第二不变量；C——材料介质的内聚力；φ——材料介质的内摩擦角。

3.3数值模型的边界条件模型底部采用位移限制，其余面上施加根据现场实测的地应力为外部荷载。

根据课题前期的地应力实测结果和应力方位相对模型的空间关系，模型上表面施加垂直应力为11.2MPa，沿矿体走向施加最小主应力为9.2MPa，垂直矿体走向方向施加最大主应力为22.1MPa。

4数值计算结果分析通过2种不同方案，3种不同计算模式（如表4.1所示），分析在原岩应力场中某铜矿采用大直径深孔嗣后充填采矿方法采场结构的稳定性，获取最优化的采场结构参数。

4.1方案一（10m采场）（1）矿房中部垂直方向上位移分布云图（2）矿房中部垂直方向上垂直应力分布云图图4.1 不同条件下采场10m采场云图分布由a-c图可知，各计算模式下的矿房两壁围岩位移均是从下往上逐渐增加，矿房顶部位移达到最大。

不同的是，开挖后的围岩位移呈开挖后充填<充填后开挖<单体开挖。

表明了开挖后支护的重要性。

由支护后开挖的围岩位移比开挖后充填的要大，说明了充填整体性的稳定作用比锚索支护局部性的大，这同工程实际情况应该是吻合的，并可预计，锚索加充填对围岩位移的改善效果将更大。

由d-f图可知，单独开挖后造成了较小范围内的围岩卸压，但卸压外围圈较大范围内出现了应力集中现象，并在矿房顶底板中部开始出现了局部的拉伸应力。

而后两者的围岩应力均表现为压应力，表明了支护对围岩压力分布的改善。

不同的是，锚索支护对垂直应力的改善作用不及充填体。

4.2方案二（12m采场）（1）矿房中部垂直方向上位移分布云图（2）矿房中部垂直方向上垂直应力分布云图图4.2 不同条件下采场12m采场云图分布由位移分布云图g-i，及垂直应力分布云图j-l可知，方案二内部之间的比较与方案一的几乎相同。

4.3比较方案一与方案二为了进一步定量分析采场的稳定性，特地在模型中选择了一些关键单元点，结合位移云图和应力云图，分析比较其在结构中的变形情况及对比不同开挖条件下的变形和应力分布。

关键单元点的选择原则是容易发生应力集中的单元点，如图4.3所示。

在不同工况下开挖后关键单元点的位移和应力如表4.2所示。

由于每个单元节点信息量很大，限于篇幅，不能一一列出，位移统计只考虑总体位移，应力只统计垂直向应力。

表中A1、B1、C1，A2、B2、C2代表分别在10m采场和12m 采场宽度下，单独开挖，开挖后充填和支护开挖三种工况。

由表4.2数据可知：矿房具有几何对称性，各点变形规律上盘变形大于下盘，采场上部变形大于下部，这同样也是上述云图所得到的结论。

通过表中数据比较10m、12m采场两种方案，得知：位移方面，在采场相同工况条件下，12m采场围岩变形大于10m采场；应力方面，12m采场围岩应力集中现象相比10m更为明显，如在下盘出现了较强的角隅效应和较大的围岩应力；充填体对降低围岩应力、改善应力集中十分显著；位置9在工况A时出现了不利于围岩稳定的更大的拉伸应力。

5结论与建议针对影响矿房结构稳定性的主要因素，在前人相似模拟研究的基础上应用数值模拟技术对某铜矿采场结构进行了优化研究，主要得到如下一些结论：（1）计算结果显示，在10m采场顶部和12m采场顶部和矿房两壁均出现了拉伸应力，尽管不足以引起围岩破坏，但表明围岩开始出现不稳定的状况。

此外，在计算中也可以看到，由于产生的拉应力区范围不是太大，对采场凿岩巷道顶部进行长锚索加固后，没有出现拉应力，表明长锚索加固较为明显地改善了采场围岩应力分布。

（2）计算表明，采场围岩位移最大地方是矿房中部单元和上盘，尤其是上盘围岩。

由于上盘围岩为岩体质量较差的凝灰岩，因此，建议对某些采场倾角较缓的采场（片帮危险增加）采用金川二矿区经验，为避免采场上盘冒落影响上盘回风巷道或正常生产及安全，在上盘掘进锚索硐室，以预应力钢绳锚索加固采场上盘围岩。

（3）考虑到采矿地质因素的复杂性和矿岩结构、物理力学性质空间分布的不均衡性，根据前面矿山工程地质调查、相似模型实验结果，结合某铜矿生产实践和VCR法在我国其他矿山的实践，认为某铜矿采场最佳结构应在8～12m之间。

在地质条件较好矿段，取上限，反之取下限。

由于没有考虑采场崩矿周期性爆破震动对围岩性质的劣化效应，建议在各种条件下都采用长锚索加固技术来加固采场顶板或上盘围岩。

参考文献[1]董雷.采场结构参数优化设计及可靠度分析[D].长沙：中南大学，2010.[2]唐绍辉. 安庆铜矿岩体稳定性的工程地质研究[J]. 矿业研究与开发，1997（1）：30～33.[3]崔少东，刘宝国.石人沟铁矿北区采场结构参数的优化[J]. 北方交通大学学报，2009，33（1）：131-134.[4]陶干强，孙冰，等.充填法采场结构参数优化设计[J].采矿与安全工程学报，2009，26（4）：460-464.[5]蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2002.[6]刘洋树，李安平，等.VCR法采场结构参数优化的相似模拟实验[J].有色矿冶，2011，27（2）：10-15.[7]赖永标，胡仁喜，黃书珍. ANASYS11.0-土木工程有限元分析典型范例[M].北京：电子工业出版社，2007.[8]王少泉.阶段空场嗣后充填采矿法采场结构参数的岩石力学分析[J].矿业工程，2007，5（1）：15-18.[9]崔茂金.上向分层胶结充填采场顶板稳定性分析[J].有色金属，2009，61（6）：51-55.[10]蔡斌，喻勇.《工程岩体分级标准》与Q分类法、RMR分类法的关系及变形参数估算[J].岩石力学与工程学报，2001，20（增）：1679-1681.[11]E.Hoek. Estimating Mohr-Coulomb Friction and Cohesion Values from the Hoek-Brown Failure Criterion[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstract，1990，27（3）：227-229.[12]金川VCR.法联合实验组.金川二矿区不稳固矿岩VCR采矿方法实验研究[J].长沙研究院季刊，1986，6（2）：1-15.[13]邓楚雄，何国杰，郑颖人.基于M-C准则的D-P系列准则在岩土工程中的应用研究[J].岩土工程学报，2006，28（6）：735-739.。