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        高峰礦深部厚大礦體回采順序設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        2020-08-08 03:35:30韋軍河池五吉有限責(zé)任公司廣西河池547000
        化工管理 2020年21期
        關(guān)鍵詞:采場(chǎng)高峰標(biāo)高

        韋軍(河池五吉有限責(zé)任公司,廣西 河池 547000)

        0 引言

        深部高應(yīng)力環(huán)境下合理的礦體回采順序可以有效改善圍巖應(yīng)力分布,避免巖體發(fā)生應(yīng)力集中或變形導(dǎo)致的采場(chǎng)頂板失穩(wěn)垮塌等工程災(zāi)害,從而能保證礦山安全高效生產(chǎn)。針對(duì)采場(chǎng)回采順序優(yōu)化問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者從理論分析[1]、數(shù)值模擬[2-4]及數(shù)值模擬與智能算法相結(jié)合[5-7]三方面開展了大量研究工作,取得了較好的研究成果,為礦體回采順序優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

        廣西高峰礦經(jīng)過多年開采深度已達(dá)1000m,目前主要開采105 號(hào)礦體采用的采礦方法為機(jī)械化上向水平分層充填法,階段高度48m,分段高度12m,分層高度4m[8]。主要開采的兩個(gè)中段位于-103~-200m 水平之間, 主要開拓中段位于-200~-250m水平之間。為滿足礦山產(chǎn)量要求,-103~-200m 兩個(gè)中段內(nèi)礦體回采順序被打亂,-103m、-108m、-128m、-132m、-127m、-161m水平的礦體基本都在充填體下采礦。由于充填體強(qiáng)度相對(duì)較低,回采過程中受爆破影響充填體容易失穩(wěn)垮塌,增加了回采作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重威脅到工人的安全;除此之外,垮塌的充填體混入礦石將造成貧化,嚴(yán)重影響出礦品位,增加了礦山的采選成本。為了避免類似問題在現(xiàn)主要開拓中段出現(xiàn),有必要對(duì)高峰礦-200~-250m 水平之間的礦體開展回采順序優(yōu)化,可為礦山安全高效回采提供科學(xué)指導(dǎo)。

        1 模型構(gòu)建與方案設(shè)計(jì)

        1.1 模型建立

        為了保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,根據(jù)高峰礦深部-200~-250m水平之間厚大礦體的賦存條件和圣維南原理,可得數(shù)值計(jì)算模型的尺寸為長(zhǎng)(1160m)×寬(1130m)×高(524m),數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型如圖1 所示。為了有效施加邊界條件,模型標(biāo)高需與礦體賦存標(biāo)高相一致,根據(jù)模型標(biāo)高和礦體賦存標(biāo)高可推算出模型底部標(biāo)高-224 與礦山實(shí)際標(biāo)高-474m 水平相等。

        圖1 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型

        1.2 回采順序設(shè)計(jì)

        高峰礦深部厚大礦體采用機(jī)械化上向水平分層充填法回采,采場(chǎng)垂直礦體走向布置,采場(chǎng)長(zhǎng)度為礦體厚度,采場(chǎng)劃分示意圖如圖2 所示。根據(jù)高峰礦深部厚大礦體的賦存條件和采礦方法,本次模擬設(shè)計(jì)了3 種回采順序。順序一從一端向另外一端連續(xù)推進(jìn),即開采1#采場(chǎng)→充填1#采場(chǎng)→開采2#采場(chǎng)→充填2#采場(chǎng)→開采3#采場(chǎng)→充填3#采場(chǎng)→開采4#采場(chǎng)→充填4#采場(chǎng)→開采5#采場(chǎng)→充填5#采場(chǎng);順序二從中間向兩端間隔回采,即開采2#和4#采場(chǎng)→充填2#和4#采場(chǎng)→開采1#、3#和5#采場(chǎng)→充填開采1#、3#和5#采場(chǎng);順序三從中間向兩端連續(xù)推進(jìn),即開采3#采場(chǎng)→充填3#采場(chǎng)→開采2#和4#采場(chǎng)→充填2#和4#采場(chǎng)→開采1#和5#采場(chǎng)→充填開采1#和5#采場(chǎng)。通過對(duì)以上三種回采順序進(jìn)行數(shù)值模擬仿真,比較分析各回采順序采充循環(huán)過程中采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力變化情況得出適合高峰礦深部厚大礦體的最優(yōu)回采順序,確保礦山安全、高效回采。

        1.3 計(jì)算參數(shù)確定

        為了準(zhǔn)確獲取數(shù)值計(jì)算所需的參數(shù),對(duì)已充填至井下的充填體和-250~-200m 水平之間的礦巖取芯和現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查,結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果和巖石強(qiáng)度折減系數(shù)法獲得了數(shù)值計(jì)算所需的參數(shù),結(jié)果見表1。

        數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性除了需要提供巖體力學(xué)參數(shù),還需準(zhǔn)確生成初始地應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù)長(zhǎng)沙礦山研究院對(duì)高峰礦深部地應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果,回歸分析得到了高峰礦地應(yīng)力與深度之間的關(guān)系[9]:

        式中:H為豎直方向深度(m);σx為東西方向主應(yīng)力(MPa);σy為南北方向主應(yīng)力(MPa);σz為垂直應(yīng)力(MPa)。

        初始應(yīng)力場(chǎng)生成過程中水平應(yīng)力的施加根據(jù)模型中模型底部標(biāo)高-224 與礦體實(shí)際標(biāo)高-250m 水平等同及礦山地表標(biāo)高,求出模型底部標(biāo)高-224 處的σx和σy后,結(jié)合σx和σy隨高程的變化梯度施加到模型前后邊界和左右邊界;垂直應(yīng)力的施加根據(jù)模型頂部標(biāo)高+280 與礦體實(shí)際標(biāo)高+30m 水平等同及礦山地表標(biāo)高,求出模型頂部的σz施加到模型上表面,并考慮模型自重應(yīng)力。

        2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

        圖3 為不同回采順序采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力隨回采步數(shù)的變化曲線。由圖3(A)可知,順序一回采1#采場(chǎng)時(shí)采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力基本保持穩(wěn)定,回采2#、3#、4#和5#采場(chǎng)時(shí)采場(chǎng)頂板拉應(yīng)力先升高后降低;整個(gè)回采過程中,回采1#、2#、3#和4#采場(chǎng)時(shí)采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力均在安全界線以下,頂板垮落可能性較小,但回采5# 采場(chǎng)時(shí)采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力超過了安全界線,頂板垮落可能性較大。由圖3(B)可知,順序二同時(shí)回采2#和4#。

        圖2 采場(chǎng)劃分示意圖

        表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

        圖3 采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力隨回采步數(shù)的變化曲線

        采場(chǎng)時(shí)采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力先保持穩(wěn)定后升高,同時(shí)回采1#、3#和5#采場(chǎng)時(shí)采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力先保持穩(wěn)定后降低;整個(gè)回采過程中,同時(shí)回采2#和4#采場(chǎng)、1#、3#和5#采場(chǎng)時(shí)采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力均在安全界線以下,頂板垮落可能性較小。由圖3(C)可知,順序三回采3#采場(chǎng)時(shí)采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力先保持穩(wěn)定后升高,同時(shí)回采2#和4#采場(chǎng)和1#和5#采場(chǎng)時(shí)采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力均保持降低;整個(gè)回采過程中,回采3#采場(chǎng)和同時(shí)回采2# 和4#采場(chǎng)時(shí)采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力在安全界線以下,頂板垮落可能性較小,但同時(shí)回采1#和5#采場(chǎng)時(shí)采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力超過了安全界線,頂板垮落可能性較大。

        綜上分析可知,順序一和順序三在整個(gè)回采過程中采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力超過了安全界線,頂板垮落可能性較大,順序二在整個(gè)回采過程中采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力均低于安全界線,頂板垮落可能性較小。機(jī)械化上向水平分層充填法整個(gè)回采作業(yè)環(huán)節(jié)都在頂板之下,所以順序一和順序三回采作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)較高,順序二回采作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)較低。因此,對(duì)于高峰礦深部厚大礦體的整體回采順序建議采用順序二,即先回采 2# 和 4#采場(chǎng),充填 2#和 4#采場(chǎng),再開采 1#、3#和 5#采場(chǎng),再充填 1#、3#和 5#采場(chǎng)。

        3 結(jié)語

        (1)根據(jù)高峰礦深部厚大礦體的賦存條件和工程實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了三種回采順序,順序一為一端向另一端連續(xù)推進(jìn);順序二為中間向兩端間隔回采;順序三為中間向兩端連續(xù)推進(jìn)。

        (2)通過對(duì)三種回采順序進(jìn)行Flac3d 數(shù)值仿真分析,發(fā)現(xiàn)順序一和順序三在整個(gè)回采過程中采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力超過了安全界線,順序二在整個(gè)回采過程中采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力均低于安全界線。建議采用順序二對(duì)高峰礦深部厚大礦體進(jìn)行回采,即先回采2#和4#采場(chǎng),充填2#和4#采場(chǎng),再開采1#、3#和5#采場(chǎng),再充填1#、3#和5#采場(chǎng)。

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