王磊 閆剛 付佳杰 鐘健

收稿日期：2023-12-26； 修回日期：2024-02-15

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年項目（52004053）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)專項資金資助-國防重大培育項目（N2101040）

作者簡介：王? 磊（1980—），男，工程師，從事礦山安全管理工作；E-mail：hdjkahk@163.com

*通信作者：鐘? 健（1999—），男，碩士研究生，從事地表巖層移動機理研究工作；E-mail：1184729590@qq.com

摘要：為了探究礦床開采順序?qū)Φ乇沓料莸挠绊?，以某金礦的生產(chǎn)實際問題為工程背景，擬定不同開采方案，并采用Flac3D軟件數(shù)值模擬的方法，將地表監(jiān)測的變形量及塑性區(qū)體積作為評價指標(biāo)，分析不同回采方案下的地表移動規(guī)律。研究結(jié)果表明：2個中段同時開采產(chǎn)生的擾動會對地表移動有較大影響，第七中段與第八中段同時回采時，地表沉陷量最?。凰苄詤^(qū)破壞體積與開采順序有較大的關(guān)系，同時開采的中段總體積越小，礦山整體開采結(jié)束后被破壞的塑性區(qū)體積越小。研究結(jié)果為礦山安全高效開采提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：充填采礦；回采順序；數(shù)值模擬；地表移動；地表沉陷

中圖分類號：TD853.34????????? 文章編號：1001-1277（2024）06-0011-05

文獻標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240603

引? 言

礦產(chǎn)資源開采引起的地表沉陷給后續(xù)的生產(chǎn)與安全帶來了一系列消極影響，在開采過程中合理的回采—充填過程能夠有效減緩地表的沉陷，不僅能夠降低礦石回采的成本，更能提高礦山采礦效率與安全水平。國內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值模擬的方式對回采順序優(yōu)化進行了大量研究，取得了豐碩的成果［1-8］。楊八九等［9］基于數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分開采區(qū)域有應(yīng)力集中現(xiàn)象，安全隱患極大，通過多方案的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序論證，優(yōu)化了后續(xù)開采方案，提高了開采安全系數(shù)。楊海彬等［10］針對某金礦深部開采地壓顯現(xiàn)問題，對不同礦房、礦柱跨度與分層采高的方案進行模擬，分別從應(yīng)力、位移、塑性區(qū)進行分析，確定了最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方案。郭進平等［11］為分析四方金礦深部礦體由空場采礦法轉(zhuǎn)崩落采礦法回采時的地壓活動規(guī)律，對不同回采方案的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)分布規(guī)律進行了研究，確定了地壓活動最小的最優(yōu)回采方案。張瑞明等［12］在不同采場跨度和不同回采順序條件下對采場進行了穩(wěn)定性模擬分析，確定了最優(yōu)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序。吳振坤等［13］通過正交試驗結(jié)果建立了多指標(biāo)綜合評價模型，在綜合滿意度最優(yōu)條件下確定了最優(yōu)回采順序與采場跨度。陳順滿等［14］建立了多指標(biāo)的響應(yīng)面回歸模型，基于整體滿意度準(zhǔn)則利用非線性目標(biāo)優(yōu)化算法對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。GUO等［15］運用理論分析法對復(fù)雜傾斜薄礦體的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。BAI等［16］提出了網(wǎng)絡(luò)流的方法，提高了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化效率。

某金礦主要有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦體，估算礦石資源儲量達30.387 6萬t，平均金品位1.96 g/t。礦體總體走向NE50°，傾向NW，傾角約30°，礦塊平均長度126 m，平均水平厚度18.5 m，礦體總體呈大透鏡狀，賦存標(biāo)高為-420～-380 m。根據(jù)礦體賦存特征、開采技術(shù)條件和礦山開采現(xiàn)狀，采用上向水平分層充填采礦法回采礦體。根據(jù)礦體賦存情況布置礦房，礦塊長20～40 m，寬為礦體厚度，高為中段高30～40 m，分段高10 m，分層高2.5 m，底柱高5 m，不留頂柱和間柱。爆破通風(fēng)后進行頂板和上盤排險工作，局部不穩(wěn)固地段采用錨桿金屬網(wǎng)支護，錨桿長度一般為1.5～2.0 m，安裝網(wǎng)度為1.0 m×1.0 m～0.5 m×0.5 m，與錨桿同時安裝。

該金礦Ⅰ、Ⅱ號礦體賦存高度差較大且礦體走向相似，在開采設(shè)計時可一同考慮設(shè)計開采第一至第七中段。Ⅲ號礦體距Ⅰ、Ⅱ號礦體較遠，賦存高度差較小，在回采時需單獨考慮設(shè)計開采第八中段，Ⅲ號礦體中段可與Ⅰ、Ⅱ號礦體的其中一個中段同時回采。若回采過程中采動疊加影響過大，會影響地表建（構(gòu)）筑物等的安全，而按照中段順序進行逐中段開采會導(dǎo)致礦區(qū)生產(chǎn)能力小、成本高等問題。為降低采動疊加效應(yīng)對地表的影響，保障礦山安全、高效生產(chǎn)，需對中段回采順序進行研究。本文為探究Ⅲ號礦體中段的最佳開采順序，利用Flac3D軟件數(shù)值模擬分析礦體不同回采方案的回采—充填過程對地表移動規(guī)律的影響，對礦山回采順序進行優(yōu)化，以提高回采順序的合理性，為安全、高效回采提供保證。

1? 礦區(qū)模型建立及回采方案設(shè)計

1.1? 計算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

根據(jù)巖體構(gòu)造特點和礦區(qū)地形地貌，建立三維數(shù)值模型（見圖1）。根據(jù)圣維南原理，圍巖區(qū)域應(yīng)取采空區(qū)范圍的3～5倍來消除局部效應(yīng)的影響［17］。本文三維數(shù)值模型研究的尺寸為長×寬×高=1 200 m×1 100 m×700 m。模型共分1 183 137個四面體單元，984 844個節(jié)點。

1.2? 邊界條件和初始條件

本次模擬邊界條件采用位移約束，即模型的前后、左右邊界施加水平約束，邊界水平初始位移為零；模型的底面邊界施加水平和垂直約束，邊界水平和垂直初始位移為零；模型頂面邊界為自由面，不施加約束條件。計算初始條件考慮自重應(yīng)力場，重力加速度取9.81 m/s2，對模型進行計算，平衡后將位移場、速度場、塑性區(qū)清零。

1.3? 巖體力學(xué)參數(shù)和本構(gòu)模型

巖石是一種脆性材料，當(dāng)荷載達到屈服強度后將發(fā)生破壞、弱化，屬于彈塑性體。本次計算模擬的礦體及圍巖本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖彈塑性模型，其破壞準(zhǔn)則為［18］：

fs=σ1-σ31+sin φ1-sin φ-2C1+sin φ1-sin φ （1）

式中：σ1、σ3分別為最大和最小主應(yīng)力（MPa）；C、φ分別為內(nèi)聚力（MPa）和內(nèi)摩擦角（°）。

當(dāng)fs>0時，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖體的抗拉強度很低。因此，可根據(jù)抗拉強度準(zhǔn)則判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。

數(shù)值模擬模型的礦巖及充填體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

1.4? 回采方案設(shè)計

為確定Ⅲ號礦體的最佳回采順序，根據(jù)礦區(qū)礦體實際情況，采用自上而下的下行式開采，模擬Ⅲ號礦體第八中段分別與前7個中段同時回采的7種不同回采方案，見表2。各中段位置關(guān)系見圖2。

2? 回采方案優(yōu)化分析

把地表監(jiān)測的變形量及塑性區(qū)體積作為評價指標(biāo)對各個方案進行評價，對不同模擬結(jié)果進行分析，計算結(jié)果見表3。

2.1? 地表位移分析

不同方案地表總位移云圖見圖3。由圖3可知：方案5的地表總位移最大，為44.847 mm，方案7的地表總位移最小，為43.350 mm。這說明，第五中段與第八中段同時開采對地表沉降的影響最大，第七中段與第八中段同時開采對地表沉降的影響最小。在實際生產(chǎn)中，每個中段開采后的采空區(qū)體積均不同，在模擬計算中，每個中段的橫截面積設(shè)置為相同尺寸，僅采場長度不同。前7個中段所采礦體體積中第五中段體積最大，為8.4×105 m3；第七中段體積最小，為4.5×105 m3。在模擬方案中，2個中段同時開采產(chǎn)生的擾動會對地表移動有較大影響，其中體積最大的第五中段與體積最小的第七中段分別對應(yīng)了地表沉陷量最大值與最小值。結(jié)合實際中段采空區(qū)體積，對比不同方案下的地表位移情況，方案7中第八中段與采空區(qū)體積最小的第七中段同時開采，產(chǎn)生的擾動影響最低，對地表的保護作用最好。

2.2? 塑性區(qū)分析

不同方案中段采空區(qū)與塑性區(qū)體積分布見圖4。由圖4可知：塑性區(qū)體積與開采順序有較大的關(guān)系。其中，方案5開采后的塑性區(qū)體積最大，為11.46×105 m3，方案7開采后的塑性區(qū)體積最小，為7.9×105 m3。同時，開采的中段體積越小，礦山整體開采結(jié)束后被破壞的塑性區(qū)體積越小。結(jié)合塑性區(qū)分布圖（見圖5），從整體上看，被破壞的塑性區(qū)體積較小，僅在第三中段產(chǎn)生了較多的塑性區(qū)域，沒有出現(xiàn)大面積的塑性貫通現(xiàn)象。因此，可以認(rèn)為礦山開采后的圍巖穩(wěn)定。為了減少第三中段被破壞的塑性區(qū)體積，在第三中段充填時，可以適當(dāng)提高充填體強度，提高第三中段的充填體承載能力，保障后續(xù)中段的安全生產(chǎn)。

2.3? 地表移動安全性綜合評價

對于地表移動的安全性評價，反映地表變形沉降和移動特征的指標(biāo)除了地表垂直沉降位移和水平移動位移，一般還有地表的傾斜變形、曲率、水平變形［19］。

1）地表傾斜變形。相鄰點在豎直方向的相對移動量與相鄰兩點間水平距離的比值。它反映地表沿某一方向的坡度，通常以i表示。

iAB=WB-WAlAB=ΔWABlAB（2）

式中：iAB為傾斜值（mm/m）；WA、WB分別為地表觀測點A、B的下沉值（mm）；lAB為地表觀測點A、B點間的水平距離（m）。

2）地表曲率。兩相鄰線段的傾斜差和兩線段中點間水平距離的比值。它反映了觀測線斷面上的彎曲程度，以K表示，地表下沉曲線上凸為正、下凹為負(fù)。

KB=iBC-iAB12（lBC+lAB）=2ΔiA-B-ClBC+lAB（3）

式中：KB為曲率（10-3/m）；iAB、iBC分別為地表A、B點間和B、C點間的平均斜率（mm/m）；lAB、lBC分別為地表A、B點間和B、C點間的水平距離（m）。

3）地表水平變形。相鄰兩點的水平移動差值與兩點間水平距離的比值。它反映相鄰兩觀測點間單位長度的水平移動差值，通常以ε表示。水平變形正值表示拉伸，分布在移動盆地拐點和邊界；負(fù)值表示壓縮，分布在移動盆地兩拐點之間。

εAB=UB-UAlAB=ΔUABlAB（4）

式中：εAB為水平變形值（mm/m）；UA、UB分別為地表觀測點A、B的水平移動值（mm）。

對地表沉陷量最小及被破壞塑性區(qū)體積最小的方案7的地表監(jiān)測點位移規(guī)律進行分析，結(jié)果見圖6。由圖6可知：開采充填后的地表最大傾斜變形i=-0.735 mm/m，最大水平變形ε=-0.316 mm/m，最大曲率K=0.037×10-3/m，均符合GB 50771—2012 《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》允許的地表變形值。

3? 結(jié)? 論

1）在模擬方案中，兩個中段同時開采產(chǎn)生的擾動會對地表移動有較大影響，第七中段與第八中段同時回采時，地表沉陷量最小，對地表的保護作用最好。

2）塑性區(qū)體積與開采順序有較大關(guān)系，同時開采的中段體積越小，礦山整體開采結(jié)束后被破壞的塑性區(qū)體積越小。為了減少被破壞的塑性區(qū)體積，在充填時可以適當(dāng)提高充填體強度及承載能力。

3）基于最優(yōu)回采順序的模擬結(jié)果，得出地表最大傾斜變形i=-0.735 mm/m，最大水平變形ε=-0.316 mm/m，最大曲率K=0.037×10-3/m，均符合GB 50771—2012 《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》允許的地表變形值，地下開采活動對地表河流及建（構(gòu)）筑物影響在安全范圍內(nèi)。

4）礦山采用優(yōu)選出的第七、第八中段回采順序方案，極大地降低了礦山開采過程中的安全風(fēng)險，并提高了回采率，為礦山企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益。

［參 考 文 獻］

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Numerical experimental study on optimization

of mining scheme in a gold mine based on Flac3D

Wang Lei1，Yan Gang1，F(xiàn)u Jiajie1，Zhong Jian2

（1.Canzhuang Gold Mine，Zhaojin Mining Industry Co.，Ltd.;

2.School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University）

Abstract：In order to explore the effect of mining sequence on surface subsidence，taking the practical production problems of a gold mine as the engineering background，different mining schemes were designed.The Flac3D software was used for numerical simulation，with surface deformation magnitude and plastic zone volume monitored as evaluation indicators to analyze the movement patterns of the surface under different mining schemes.The research results indicate that disturbances generated by simultaneous mining of two levels have a significant impact on surface movement，and the smallest surface subsidence occurs when the seventh and eighth levels are simultaneously mined.The volume of plastic zone damaged is closely related to the mining sequence，and the smaller the total volume of levels mined simul-taneously，the smaller the volume of plastic zones damaged after the completion of overall mining in the mine.The research findings provide a reference basis for safe and efficient mining in the mine.

Keywords：filling mining;mining sequence;numerical simulation;surface movement;surface subsidence