范文濤 劉雷磊

摘要：采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化選擇對(duì)礦山的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益有著重要意義。以內(nèi)蒙古某銀多金屬礦為背景，結(jié)合礦山的采礦方法和開(kāi)采技術(shù)條件，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，針對(duì)采場(chǎng)進(jìn)路的長(zhǎng)、寬、高設(shè)計(jì)了9種不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬方案，利用Rhinoceros建模軟件耦合Flac3D軟件對(duì)這9種方案進(jìn)行一步采和二步采數(shù)值模擬分析，并對(duì)9種方案的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行極差分析，結(jié)果表明：進(jìn)路的高度對(duì)這些指標(biāo)的影響較大，其次是寬度和長(zhǎng)度。從安全、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面綜合考慮，確定方案5：進(jìn)路長(zhǎng)度25 m、進(jìn)路寬度3.5 m、進(jìn)路高度3.5 m的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)表明：方案5效果良好，采礦損失率8 %，礦石貧化率5 %，提高了出礦效率，回采時(shí)能夠有效控制地壓，確保了回采過(guò)程的安全、經(jīng)濟(jì)、高效。

關(guān)鍵詞：采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù);正交試驗(yàn)設(shè)計(jì);數(shù)值模擬;拉應(yīng)力;塑性區(qū)

中圖分類號(hào)：TD853.34文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2021）08-0036-06doi：10.11792/hj20210808

引 言

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選就是對(duì)采場(chǎng)中礦房的布置及巷道的尺寸進(jìn)行研究，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的大小對(duì)采場(chǎng)的應(yīng)力狀態(tài)、出礦量、設(shè)備選擇等都有著很重要的影響，對(duì)礦山生產(chǎn)安全及經(jīng)濟(jì)效益均具有重要意義[1]。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選方面的研究取得了一些成果。例如：宋衛(wèi)東等[2]采用物理知識(shí)結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬放礦的方法，確定分段高度、進(jìn)路間距和崩礦步距之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算出程潮鐵礦最優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù);陶干強(qiáng)等[3]利用隨機(jī)介質(zhì)放礦理論建立數(shù)學(xué)模型優(yōu)化采場(chǎng)的進(jìn)路間距，并在礦山進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用;李俊平等[4]利用Flac3D軟件模擬二里河鉛鋅礦不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響，得出最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及巷道布置位置;秦健春等[5]利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)后觀音山鐵礦充填采礦法兩步回采的不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了模擬，得出最優(yōu)方案;趙國(guó)彥等[6]構(gòu)建了Vague-RSM-AFSA模型對(duì)某銀礦的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù);彭超等[7]結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)三山島金礦深部采場(chǎng)建立采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)模糊綜合評(píng)價(jià)模型，最終得到了最優(yōu)參數(shù)，保證安全生產(chǎn)。

綜上所述，這些學(xué)者采用不同的方法優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，都得到了比較理想的結(jié)果。然而，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選是一個(gè)典型的多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題，往往同一指標(biāo)具有多種不同的水平，在進(jìn)行數(shù)值模擬或理論計(jì)算時(shí)需進(jìn)行大量的數(shù)值模擬和計(jì)算工作，工作量大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)[8]。鑒于此，本文提出利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，然后利用Flac3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，將得到的結(jié)果進(jìn)行極差分析，以解決內(nèi)蒙古某銀多金屬礦的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。

1 工程概況

1.1 開(kāi)采技術(shù)條件

內(nèi)蒙古某銀多金屬礦處于內(nèi)蒙古—興安成礦區(qū)，內(nèi)構(gòu)造線總體方向?yàn)镹E向、NWW向、近EW向。其主要構(gòu)造為斷裂，褶皺不發(fā)育。礦區(qū)共圈出工業(yè)礦體19條。其中，1號(hào)和2號(hào)礦體規(guī)模最大，為主礦體，礦體主要元素為銀，伴生有銅、鉛、鋅。主礦體位于NWW向構(gòu)造蝕變破碎帶中，呈大脈狀產(chǎn)出，沿走向總體為舒緩波狀，走向294°～302°，傾向NE，傾角53°～87°，平均傾角70°。礦體長(zhǎng)1 200 m，最大斜深754 m，埋深317 m。礦體平均厚度5.14 m（中厚礦體），局部礦體厚度超過(guò)20 m，屬于典型的急傾斜破碎中厚礦體。礦體上盤圍巖二長(zhǎng)花崗巖RQD值為85 %，為良好型，巖石普氏硬度系數(shù)為10～12;礦體下盤圍巖泥質(zhì)板巖RQD值為65 %，為中等穩(wěn)固，巖石普氏硬度系數(shù)為7～9，巖石中等穩(wěn)固。圍巖主要是由蝕變黑云二長(zhǎng)花崗巖及少量蝕變泥質(zhì)板巖組成的碎裂巖經(jīng)成礦熱液充填、交代而成。礦巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 采礦方法

根據(jù)礦體賦存特點(diǎn)和開(kāi)采技術(shù)條件，擬定的采礦方法為盤區(qū)機(jī)械化上向進(jìn)路充填采礦法（見(jiàn)圖1）。采場(chǎng)沿礦體走向布置，長(zhǎng)100 m，寬為礦體水平厚度，回采中段高50 m，分段回采高度分別為3.5 m、10.5 m、10.5 m、10.5 m、10.5 m，上部留有4.5 m頂柱。采場(chǎng)采用自下而上的回采順序，每個(gè)盤區(qū)有3個(gè)采場(chǎng)，當(dāng)?shù)V體寬度較大時(shí)，采用多條進(jìn)路回采方式，進(jìn)路隔一采一。該采礦方法能否成功實(shí)施的關(guān)鍵在于采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。

2 正交試驗(yàn)數(shù)值模擬

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是最常用的工藝優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法，是以概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用標(biāo)準(zhǔn)化正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，最終迅速找到最優(yōu)方案的一種高效處理多因素多水平優(yōu)化問(wèn)題的科學(xué)設(shè)計(jì)方法[9]。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)以最少的試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到與大量全面試驗(yàn)等效的結(jié)果。

進(jìn)路法開(kāi)采的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括進(jìn)路長(zhǎng)度、進(jìn)路寬度和進(jìn)路高度3個(gè)方面。由于礦區(qū)首采中段礦巖破碎，對(duì)采場(chǎng)進(jìn)路的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求嚴(yán)格，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)過(guò)大，會(huì)增加開(kāi)采過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，容易發(fā)生不安全事故;采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)采效率降低且增加回采時(shí)間，影響礦山效益。因此，在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要以進(jìn)路長(zhǎng)度、進(jìn)路寬度和進(jìn)路高度3個(gè)因素作為優(yōu)選參數(shù)，頂板最大沉降量、底板最大回彈量、頂板最大拉應(yīng)力、頂板塑性區(qū)分布情況等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外盤區(qū)機(jī)械化上向進(jìn)路充填采礦法的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)布置經(jīng)驗(yàn)及礦山的開(kāi)采特點(diǎn)，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法原理，選取合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，構(gòu)建L9（33）變量因素水平表（見(jiàn)表2）。

每個(gè)因素有3個(gè)數(shù)值，若是將各個(gè)因素每個(gè)水平的數(shù)值進(jìn)行組合，共有27種組合方案，試驗(yàn)方案之間的信息交叉比較大，導(dǎo)致工作量變大。因此，本文選擇使用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法從27種組合中選出具有代表性的模擬方案，可以實(shí)現(xiàn)以最少的試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到與大量全面試驗(yàn)等效的結(jié)果。利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法選取的9種數(shù)值模擬方案見(jiàn)表3。

2.2 數(shù)值模擬

基于Rhinoceros軟件出色、便捷的建模設(shè)計(jì)功能及Flac3D軟件計(jì)算數(shù)值分析功能，本文嘗試將Rhinoceros-Flac3D耦合對(duì)各方案進(jìn)行采場(chǎng)進(jìn)路開(kāi)挖和充填模擬分析。數(shù)值模型尺寸依據(jù)圣維南原理，以開(kāi)挖范圍的3～5倍為宜[10]。充分考慮圍巖受擾動(dòng)的影響及邊界條件的影響，最終確定模型計(jì)算尺寸為x×y×z=100 m×130 m×30 m，模型共有425 136個(gè)四面體單元，76 806個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)值模型見(jiàn)圖2。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

本次數(shù)值模擬依據(jù)盤區(qū)機(jī)械化上向進(jìn)路充填采礦法的回采順序：進(jìn)路從礦體上盤向下盤退采，隔一采一，進(jìn)路回采完畢后立即進(jìn)行充填，采用從左向右的采充方向，且進(jìn)路回采后充填體強(qiáng)度滿足規(guī)定要求后，再開(kāi)始下一進(jìn)路回采。對(duì)9種方案進(jìn)行數(shù)值模擬，由于9種方案數(shù)值模擬圖片過(guò)多，限于篇幅，本文只展示方案1模擬效果圖。方案1模擬的進(jìn)路參數(shù)是長(zhǎng)度20 m，寬度3.0 m，高度4.0 m，即共布置7條進(jìn)路。一步采和二步采的豎直方向位移云圖、最大主應(yīng)力云圖和塑性區(qū)分布云圖見(jiàn)圖3。

參考9種方案的數(shù)值模擬結(jié)果，將各個(gè)方案的頂板最大拉應(yīng)力、頂板最大下沉量、底板最大回彈量、塑性區(qū)體積及塑性區(qū)貫通情況進(jìn)行匯總，結(jié)果見(jiàn)表4。不同方案兩步回采頂板最大主應(yīng)力、頂板最大下沉量、底板最大回彈量和塑性區(qū)體積結(jié)果見(jiàn)圖4～7。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果極差分析

根據(jù)各個(gè)模擬方案的結(jié)果，對(duì)進(jìn)路頂板最大拉應(yīng)力、底板最大回彈量、頂板最大下沉量和塑性區(qū)體積進(jìn)行極差分析。極差分析法比較直觀形象、簡(jiǎn)單易懂，即通過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)算和判斷就可以得出試驗(yàn)的優(yōu)化成果——主次因素、最優(yōu)水平、最優(yōu)搭配及最優(yōu)組合，一般在試驗(yàn)誤差不大、精度要求不高的情況下，尋求最優(yōu)生產(chǎn)條件、最佳工藝、最佳配方等科研生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用[11]。

1）進(jìn)路頂板最大拉應(yīng)力極差分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知：RA=0.004，RB=0.006，RC=0.007，可以判斷各因素對(duì)頂板最大拉應(yīng)力的影響從大到小依次為C（進(jìn)路高度）、B（進(jìn)路寬度）、A（進(jìn)路長(zhǎng)度）。隨著開(kāi)采進(jìn)路高度的增大，頂板最大拉應(yīng)力隨之增大，而這3個(gè)因素對(duì)頂板的拉應(yīng)力影響不是很大，因?yàn)槟M過(guò)程中進(jìn)路采完立即進(jìn)行充填，充填體會(huì)對(duì)頂板有一定的支撐作用，使得頂板的拉應(yīng)力得到有效控制。

2）進(jìn)路底板最大回彈量極差分析，結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知：RA=1.09，RB=1.35，RC=1.60，可以判斷各因素對(duì)進(jìn)路底板最大回彈量的影響從大到小依次為C（進(jìn)路高度）、B（進(jìn)路寬度）、A（進(jìn)路長(zhǎng)度）。通過(guò)極差結(jié)果可以得出，進(jìn)路高度對(duì)底板鼓起作用有較大影響，隨著進(jìn)路高度的增大，底板最大回彈量也逐漸增大。從生產(chǎn)實(shí)際與工程應(yīng)用來(lái)看，進(jìn)路底板最大回彈量對(duì)采礦的影響不是很大，但在支護(hù)時(shí)仍要多加考慮。

3）進(jìn)路頂板最大下沉量極差分析，結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知：RA=3.21，RB=7.45，RC=8.22，可以判斷各因素對(duì)進(jìn)路頂板最大下沉量的影響從大到

4）進(jìn)路頂板塑性區(qū)體積極差分析，結(jié)果見(jiàn)表8。

由表8可知：RA=165.08，RB=190.34，RC=132.85，

可以判斷各因素對(duì)塑性區(qū)體積的影響從大到小依次為B（進(jìn)路寬度）、A（進(jìn)路長(zhǎng)度）、C（進(jìn)路高度）。通過(guò)極差結(jié)果可以得出，進(jìn)路寬度對(duì)限制塑性區(qū)體積擴(kuò)展起主要作用。

3 最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定及應(yīng)用

當(dāng)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)過(guò)小時(shí)，會(huì)降低采礦效率，降低礦山效益;采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)過(guò)大時(shí)，會(huì)給礦體開(kāi)采帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)上述分析結(jié)果，方案5、方案6和方案9都能滿足安全生產(chǎn)要求，而方案5的進(jìn)路寬度是3.5 m，方案6和方案9的進(jìn)路寬度都是4.0 m，根據(jù)礦區(qū)的生產(chǎn)條件，選擇寬3.5 m的進(jìn)路可以多布置幾條進(jìn)路同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，增加生產(chǎn)效率，提升企業(yè)效益。因此，最優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為進(jìn)路長(zhǎng)度25 m、進(jìn)路寬度3.5 m、進(jìn)路高度3.5 m。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方案效果良好，采礦損失貧化明顯降低，出礦效率提高，回采時(shí)能夠有效控制地壓，確保回采過(guò)程安全，采場(chǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表9。該方案迅速在礦山各中段推廣使用，實(shí)現(xiàn)了礦山的安全、經(jīng)濟(jì)、高效開(kāi)采。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)內(nèi)蒙古某銀多金屬礦采用的盤區(qū)機(jī)械化上向進(jìn)路充填采礦法，為了確定最佳的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，針對(duì)進(jìn)路的長(zhǎng)、寬、高設(shè)計(jì)了9種不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬方案，然后在滿足基本假設(shè)的前提下，利用Rhinoceros-Flac3D耦合對(duì)這9種方案進(jìn)行一步采和二步采數(shù)值模擬分析。

2）通過(guò)對(duì)各個(gè)模擬方案的頂板最大拉應(yīng)力、底板最大回彈量、頂板最大下沉量和塑性區(qū)體積進(jìn)行極差分析，考慮進(jìn)路不同因素即長(zhǎng)度、高度和寬度對(duì)各個(gè)指標(biāo)的影響，最終的分析結(jié)果是：進(jìn)路高度對(duì)這些指標(biāo)的影響較大，其次是進(jìn)路寬度和進(jìn)路長(zhǎng)度。

3）通過(guò)對(duì)各個(gè)模擬方案一步采和二步采的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布進(jìn)行分析，一步采的頂板應(yīng)力和位移均小于二步采，開(kāi)采過(guò)程中頂板的破壞以剪切破壞為主。結(jié)果顯示，只有方案5、方案6和方案9的塑性區(qū)未發(fā)生貫通，其余方案都有貫通。從安全、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面綜合考慮，確定方案5的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)，故最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為進(jìn)路長(zhǎng)度25 m、進(jìn)路寬度3.5 m、進(jìn)路高度3.5 m。該方案經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并在礦山各中段進(jìn)行推廣使用，實(shí)現(xiàn)了礦山的安全、高效、經(jīng)濟(jì)開(kāi)采。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 劉龍瓊，周樂(lè)，溫聳.急傾斜中厚破碎礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化及應(yīng)用[J].黃金，2020，41（10）：40-45.

[2] 宋衛(wèi)東，匡忠祥.程潮鐵礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究[J].金屬礦山，1999（2）：10-12.

[3] 陶干強(qiáng)，劉振東，任鳳玉，等.無(wú)底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（8）：1 269-1 272.

[4] 李俊平，葉浩然，李宗利，等.二里河鉛鋅礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及巷道布置研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2019，15（3）：902-910.

[5] 秦健春，王新民，駱小芳，等.充填法兩步回采采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].礦冶工程，2012，32（4）：1-4.

[6] 趙國(guó)彥，李振陽(yáng)，代俊成.基于Vague-RSM-AFSA模型的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].黃金科學(xué)技術(shù)，2019，27（4）：497-504.

[7] 彭超，郭奇峰，冀東，等.多重賦權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)在采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2014（4）：22-27.

[8] 陳輝，管偉明.基于多因素正交設(shè)計(jì)法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2013，29（8）：8-12.

[9] 劉瑞江，張業(yè)旺，聞崇煒，等.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27（9）：52-55.

[10] BRSAN M.On Saint-Venant’s principle in the theory of Cosserat elastic shells[J].International Journal of Engineering Science，2007，45（2）：187-198.

[11] 尹升華，吳愛(ài)祥，李希雯.礦柱穩(wěn)定性影響因素敏感性正交極差分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（增刊1）：48-52.

Optimization of stope structure parameters based

on orthogonal experimental design and its application

Fan Wentao1，Liu Leilei2

（1.Shandong Gold Mining Co.，Ltd.; 2.School of Resource and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：Optimal selection of stope structure parameters is of great significance to safety production and economic benefits of mines.This paper，taking a silver polymetallic deposit in Inner Mongolia as an example，based on the mining method and mining technical conditions of the mine and using the orthogonal experiment design method，9 numerical simulation schemes with different stope structure parameters are designed based on the length，width and height，and Rhinoceros modeling software coupled Flac3D simulation analysis software is used to numerically simulate and analyze the one-step and two-step mining methods in the 9 schemes.Range analysis was conducted for each index of the 9 simulation schemes.The results showed that the height of the approach has a greater impact on these indicators，followed by width and length.Finally，comprehensive considerations of the safety，economy and technology determined the stope structural parameters of Scheme 5，in which the approach length is 25 m，width is 3.5 m，height is 3.5 m，to be the best.Field industrial test shows that the Scheme 5 is the best，with mining loss rate to be 8 %，ore dilution rate 5 %，and increased ore drawing efficiency.Besides，the ground pressure can be effectively controlled during extraction，and the safety，economy and efficiency are ensured.

Keywords：stope structure parameters;orthogonal experimental design;numerical simulation;tensile stress;plastic zone