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        千家坪釩礦采礦方法優(yōu)化研究

        2014-04-02 03:51:22胡龍飛劉建偉喻圓圓羅福友
        中國礦業(yè) 2014年2期
        關(guān)鍵詞:底柱采場塑性

        鄧 飛,胡龍飛,朱 明,劉建偉 ,喻圓圓,羅福友

        (1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州 341000;2.蘭州有色冶金設(shè)計研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000)

        千家坪釩礦礦體屬于厚大的層狀礦體,傾角范圍為65°~86°,屬于急傾斜礦體。礦體沿東西走向長約為2600m,礦體平均水平厚度為12.70m,平均品位V2O5為1.04%。礦體頂板巖石主要由白云巖組成。圍巖整體較穩(wěn)固,但礦體穩(wěn)固性較差。主要礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上,無較大工程環(huán)境地質(zhì)問題。礦山采用水平扇形深孔階段礦房法。由于該法尚處研究階段,所以在礦山正式投產(chǎn)前,進(jìn)一步完善采礦方法優(yōu)化試驗研究,為千家坪釩礦安全高效的達(dá)產(chǎn)提供保障。

        1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下采場穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

        由于礦體較規(guī)則,采場均沿走向布置,礦塊寬即為礦體厚度,因此影響采場穩(wěn)定性的主要因素[1]有四個,分為頂?shù)字穸取㈤g柱寬度、階段高度及礦塊長度。本文對方案進(jìn)行正交設(shè)計,正交方案表中每列各水平重復(fù)數(shù)相同,每兩列各不同的水平搭配出現(xiàn)的次數(shù)相同[2],見表1、表2。

        表1 正交因素

        模型的模擬范圍東西長650m,南北寬300m,模擬開挖模型中部845m及其上下3個中段。礦柱、采場及礦體網(wǎng)格精度取5m,采場附近上盤圍巖網(wǎng)格精度取10m,遠(yuǎn)離采場的上下盤巖體網(wǎng)格精度取20m,利用摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則來處理。限于篇幅,本文僅給出方案Ⅱ數(shù)值分析得出的圖片,分析對象主要為開挖前后頂?shù)字?、頂板及間柱的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布規(guī)律等內(nèi)容[3]。

        表2 備選方案參數(shù)

        1.1 應(yīng)力分布規(guī)律

        由圖1、圖2可看出,礦體開挖后采空區(qū)頂板及頂柱中央形成了等值應(yīng)力跡線拱,靠近頂板或頂柱中央為拉應(yīng)力,往上等值跡線拱徑遂漸變大,拉應(yīng)力減小,最終變?yōu)閴簯?yīng)力,越往上拱徑越大且壓應(yīng)力越大。

        圖1 初始狀態(tài)下最大主應(yīng)力σ3云圖(X=325m)

        圖2 方案Ⅱ礦體開挖后最大主應(yīng)力σ3云圖(X=325m)

        圖3 方案Ⅱ礦體開挖后頂板最大拉應(yīng)力分布

        圖4 方案Ⅱ礦體開挖后間柱最大壓應(yīng)力分布

        1) 根據(jù)采場失穩(wěn)機(jī)理,頂板所受的拉應(yīng)力是影響采場穩(wěn)定性的重要因素[4]。由計算結(jié)果可以看出,采場開挖以后,巖體原有的平衡狀態(tài)遭到破壞,頂板暴露面中央的巖層拉應(yīng)力最大,上部中段頂板的最大拉應(yīng)力一般大于下部中段。

        2) 對于間柱:各方案間柱應(yīng)力分布規(guī)律大致相似,最大壓應(yīng)力主要分布于間柱和上盤圍巖同底柱的接觸角點,間柱同上下盤接觸的地帶應(yīng)力大于間柱中間位置,底部中段間柱的應(yīng)力明顯大于上部中段間柱應(yīng)力。對于頂?shù)字和敯孱愃?,空區(qū)上部頂柱形成了等值應(yīng)力跡線拱,靠近中央為拉應(yīng)力,愈往上拱徑愈大,拉應(yīng)力愈小,最終變?yōu)閴簯?yīng)力,各中段最大壓應(yīng)力一般出現(xiàn)在頂?shù)字g柱或頂?shù)装宕罱犹?。無論頂?shù)字艿降淖畲罄瓚?yīng)力還是壓應(yīng)力,都較頂板及間柱要大。

        以上九種方案,不能直接將得出的頂?shù)字淖畲髩簯?yīng)力進(jìn)行兩兩對比。本文對其進(jìn)行正交極差分析,以確定其主要影響因素[5]。

        由表3可看出階段高度對頂板底柱所受的最大拉應(yīng)力影響作用是最大的,然后依次是頂?shù)字穸?,間柱寬度,礦塊長度。

        1.2 位移分布分析

        由位移分布圖(圖5~7)可看出,礦體開挖后,空區(qū)頂?shù)装迨軕?yīng)力作用,均向空區(qū)移動,造成頂板沉降,底板上鼓,在采空區(qū)周邊圍巖區(qū)域成位移等值線拱,離空區(qū)越近,拱徑越小,位移越大。對于頂板,出現(xiàn)最大沉降位移的區(qū)域一般位于整個采空區(qū)中部采場頂板中央。對于間柱,由靠近上盤圍巖側(cè)到靠近下盤圍巖側(cè),位移值由負(fù)值逐漸向正值轉(zhuǎn)變,間柱受上下盤圍巖的共同作用向中部擠壓。對于頂?shù)字?,空區(qū)上部中央部分由于受拉應(yīng)力作用有一定的豎向沉降量,靠近底板處由于底板擠壓而有一定的上升位移。

        表3 各因素對頂?shù)字畲髩簯?yīng)力影響的正交極差分析

        圖5 方案Ⅱ礦體開挖后間柱垂直位移分布

        圖6 方案Ⅱ礦體開挖后頂板垂直位移分布

        圖7 方案Ⅱ礦體開挖后頂?shù)字怪蔽灰品植?/p>

        綜上,同一方案中頂板和間柱的最大垂直沉降量相近,變化趨勢基本相同,間柱及頂?shù)字捎诘装鍞D壓而產(chǎn)生的最大抬升量相近。各方案位移變化趨勢也基本相同,只頂?shù)字畲蟠怪背两盗窟@個指標(biāo)數(shù)值遠(yuǎn)大于其他指標(biāo)。

        通過正交極差分析可知各因素對頂?shù)字畲蟠怪背两滴灰屏康挠绊懽饔么笮∫来螢椋旱V塊長度、頂?shù)字穸?、階段高度及間柱寬度。

        1.3 塑性區(qū)分布規(guī)律

        從圖8來看,各方案頂板均沒有出現(xiàn)塑性變形。塑性區(qū)主要集中分布于頂?shù)字伴g柱上面,表明采場的可能失穩(wěn)部位主要是頂?shù)字伴g柱。通過觀測各方案礦柱的塑性區(qū)域可知,除方案Ⅲ頂?shù)字乃苄詤^(qū)上下貫通外,其余各方案的塑性區(qū)多呈零星狀小范圍出現(xiàn)。頂?shù)字霈F(xiàn)塑性區(qū)的地方明顯多于間柱,頂?shù)字撞克苄詤^(qū)多位于與底盤圍巖交接處,頂?shù)字喜克苄詤^(qū)多為于中央或者靠近上盤圍巖的地方。

        圖8 方案Ⅱ礦體開挖后礦柱塑性區(qū)域分布狀態(tài)

        由表4可看出:礦房回采后,圍巖應(yīng)力得到釋放,采場頂板及頂柱中央都出現(xiàn)了不同程度的拉應(yīng)力,空區(qū)暴露面積越大,拉應(yīng)力越大。對于間柱,最大壓應(yīng)力主要分布于與上盤圍巖同底柱的接觸角點處,間柱同上下盤接觸的地帶應(yīng)力大于間柱中間位置,底部中段間柱的應(yīng)力明顯大于上部中段間柱應(yīng)力。礦房開挖后,空區(qū)頂?shù)装迨軕?yīng)力作用,均向空區(qū)移動,造成頂板沉降,底板上鼓,離空區(qū)越近,位移越大。

        通過對表4正交極差分析可知,各因素對頂板底柱所受的最大壓應(yīng)力影響作用由大到小順序依次為階段高度、頂?shù)字穸取㈤g柱寬度、礦塊長度;對頂?shù)字畲蟠怪背两滴灰屏康挠绊懽饔靡来螢榈V塊長度、頂?shù)字穸?、階段高度、間柱寬度;對塑性區(qū)體積大小的影響作用依次為頂?shù)字穸取⒌V塊長度,階段高度,間柱寬度。據(jù)此,可看出頂?shù)字暮穸茸兓瘜Σ蓤鲫P(guān)鍵部位的穩(wěn)定性影響作用較強(qiáng),間柱寬度的影響作用較弱。

        表4 各方案塑性區(qū)體積

        2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

        2.1 評價指標(biāo)體系的的建立

        本次的決策目標(biāo)是選取合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù),由于各方案使用的采礦方法相同,故工藝的復(fù)雜程度,炸藥單耗,鑿巖功效等優(yōu)選采礦方法的指標(biāo)基本相同,故不作為優(yōu)選采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的評價參考指標(biāo),只考慮8個影響因素[6]:①安全指標(biāo):頂?shù)字畲髩簯?yīng)力、頂?shù)字畲蟠怪背两盗俊⑺苄詤^(qū)分布情況(安全系數(shù));②技術(shù)指標(biāo):采場生產(chǎn)能力、礦石損失率、采切比、對原有巷道的利用情況;③經(jīng)濟(jì)指標(biāo):采礦作業(yè)成本。

        確定因素集{μ1,μ2,μ3,μ4,μ5,μ6,μ7,μ8}={頂?shù)字畲髩簯?yīng)力,頂?shù)字畲蟠怪背两盗?,安全系?shù),采場生產(chǎn)能力,礦石損失率,采切比,對探礦巷道的利用情況,采礦作業(yè)成本}。

        根據(jù)前文分析,方案Ⅲ為不安全方案,故以其他8個方案為評價對象,即X={X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8}={方案Ⅰ,方案Ⅱ,方案Ⅲ,方案Ⅳ,方案Ⅴ,方案Ⅵ,方案Ⅶ,方案Ⅷ,方案Ⅸ}。

        2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定及評價指標(biāo)值的量化

        2.2.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

        把每一個具有向下隸屬關(guān)系的元素做為判斷矩陣的第一個元素置于左上角,隸屬于它的各個元素依次排列在其后的第一行和第一列。假設(shè)當(dāng)前層次上的因素為X1,X2,…,Xn,相關(guān)的上一層因素為Y,則針對因素Y,可對所有因素X1,X2,…,Xn進(jìn)行兩兩比較,對其重要性程度按1~9賦值[7],如果比為由此得判斷矩陣X,按定義

        表5 判斷矩陣標(biāo)度值及含義

        矩陣的最大特征根λmax對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化后的向量w=(w1,w2,…wn)中的w1,w2,…wn即為該層元素X1,X2,…,Xn對于上一層次相應(yīng)元素Y的權(quán)值。

        構(gòu)造判斷矩陣時,受分析者個人知識及主觀經(jīng)驗的限制,難免出現(xiàn)一定的誤差,為使判斷大體上一致,判斷結(jié)果盡可能完全符合實際狀況,必須對判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗[8]。檢驗公式如下所示。

        式中:CI為致性指標(biāo);n為矩陣階數(shù);CR為致性比例;RI為隨機(jī)一次性比例(取值見表6)。

        當(dāng)CR<0.1時,認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性,不需要調(diào)整。

        依據(jù)上述方法,構(gòu)建目標(biāo)層對應(yīng)于一級指標(biāo)層(準(zhǔn)則層)的判斷矩陣(表7),二級指標(biāo)層(子準(zhǔn)則層)對應(yīng)于一級指標(biāo)層(準(zhǔn)則層)的判斷矩陣(表8、表9)[9]。

        表6 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)取值

        表7 O-B 判斷矩陣

        表8 B1-u 判斷矩陣

        表9 B2-u判斷矩陣

        表10 層次總排序表

        由表10可得出組合權(quán)重向

        W=(0.1465,0.0806,0.2662,0.0677,0.0701,0.0339,0.0240,0.3108)

        對其進(jìn)行總排序一致性檢驗

        CI=0.0268×0.4934+0.0046×0.1958+0.0344×0.3108=0.0248

        RI=0.58×0.4934+0.9×0.1958+0×0.3108=0.4624

        CR=0.0248/0.4624=0.05<0.1,滿足一致性檢驗條件。

        表11 定性指標(biāo)9級標(biāo)準(zhǔn)賦值

        2.2.2 指標(biāo)值的確定

        各方案對原探礦巷道的利用情況及頂?shù)字踩詢芍笜?biāo)采用9級標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行賦值。對于其他定量指標(biāo),則以實際值為準(zhǔn)。

        為將頂?shù)字陌踩赃M(jìn)行更好的描述,根據(jù)數(shù)值分析得出的塑性區(qū)變形情況,制定了表12。

        表12 頂?shù)字踩远ㄐ悦枋黾岸繕?biāo)度

        表13 綜合評價指標(biāo)

        2.2.3 構(gòu)建隸屬度矩陣

        上表中不同指標(biāo)的單位不同,不具可比性,為此需對其進(jìn)行無量綱化,以[0,1]之間的數(shù)值表示各指標(biāo)值[10]。對收益性指標(biāo),以式(1)作為其隸屬度函數(shù),對消耗性指標(biāo),以公式(2)作為其隸屬度函數(shù)。

        (1)

        (2)

        式中:rij為j方案i指標(biāo)的評判;ximin為i指標(biāo)的下限值;ximax為i指標(biāo)的上限值;d為極差,d=(Ximax-Xmin)/(1-0.1)。

        由上可得隸屬度矩陣

        R=

        2.2.4 優(yōu)選方案

        以上計算得出的權(quán)重及隸屬度矩陣得綜合評判向量

        B=W·R=(0.5291,0.6665,0.6454,0.5970,0.4105,0.5895,0.5033,0.3694)。

        據(jù)上,可得八種方案的優(yōu)劣次序為:方案Ⅱ→方案Ⅳ→方案Ⅴ→方案Ⅶ→方案Ⅰ→方案Ⅷ→方案Ⅵ→方案Ⅸ。最終得出了最佳方案為方案Ⅱ,其具體參數(shù)為間柱寬6m、頂?shù)字?0m、階段高50m、礦塊長50m。

        3 結(jié)論

        本文應(yīng)用正交試驗理論,構(gòu)建了千家坪釩礦九種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)組合方案,通過FLAC3D數(shù)值模擬,掌握了各方案的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布規(guī)律。經(jīng)正交極差分析發(fā)現(xiàn),頂?shù)字暮穸茸兓瘜Σ蓤鲫P(guān)鍵部位的穩(wěn)定性影響作用較強(qiáng),而間柱寬度的影響作用較弱。基于以上分析,建立了該礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合評判模型,分析得出了對本礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)有影響作用的重要指標(biāo),通過層次分析法獲得了各指標(biāo)權(quán)值,并對各可行方案進(jìn)行模糊綜合評價,最終得出采場穩(wěn)定最優(yōu)方案:間柱寬10m,頂?shù)字?m,階段高50m,礦塊長50m。

        [1] 鄧代強(qiáng),姚中亮.復(fù)雜條件下礦體開采方法及采場頂板維護(hù)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2006(1):9-10.

        [2] 姚高輝,吳愛祥,王貽明,等.破碎圍巖條件下采場留存礦柱穩(wěn)定性分析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報,2011(4):400-405.

        [3] 于德海,彭建兵,臧士勇,等.地下洞室動態(tài)開挖的三維數(shù)值分析及優(yōu)化研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2005(4):502-507.

        [4] 劉培正,張傳信,胡永泉,等.厚大礦體分段空場嗣后充填采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].金屬礦山,2009(11):10-13,123.

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        二氧化碳地質(zhì)儲存鎖定15處目標(biāo)靶區(qū)

        中國地質(zhì)調(diào)查局水環(huán)地調(diào)中心《重點地區(qū)二氧化碳地質(zhì)儲存適宜性與選址調(diào)查評價》項目組日前全面完成2013年度工作任務(wù),在四川盆地和鄂爾多斯盆地共初選出15處目標(biāo)靶區(qū)。

        該項目2013年度共完成了1∶10萬遙感解譯6000km2,1∶10萬綜合地質(zhì)調(diào)查3000km,可控源音頻大地電磁測深300點,建立了目標(biāo)靶區(qū)級評價指標(biāo)體系和方法,探索了場地選址調(diào)查評價方法,總結(jié)了低孔低滲克拉通型盆地潛力與適宜性評價流程。

        該項目確定了四川盆地的川中平緩褶皺帶、鄂爾多斯盆地的天環(huán)凹陷和伊陜斜坡為適宜儲存二氧化碳區(qū)塊。針對重慶碳源區(qū)在川中地區(qū)初選出了目標(biāo)靶區(qū)3處,靶區(qū)均為平緩背斜構(gòu)造,斷層不發(fā)育,斷距多小于50m,封堵性較好。儲集層系主要集中在須家河組須2、須4、須6段的水下分流河道、河口壩垂向疊置的巨厚砂體儲層中以及雷口坡組1段、嘉陵江組2段巖溶斜坡帶的碳酸鹽巖孔隙-裂縫性儲層中。針對寧東、榆林、慶陽、延安、鄂爾多斯工業(yè)區(qū)的碳源初選出了目標(biāo)靶區(qū)12處,靶區(qū)均為巖性圈閉構(gòu)造,面積400~16000km2。儲集層系主要分布在奧陶系古巖溶系統(tǒng)的碳酸鹽巖儲層以及二疊系山西組砂巖、石盒子組砂巖以及三疊系的延長組砂巖中。

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