卧虎山铁矿采场极限暴露面积回归优化模型

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.04.503

卧虎山铁矿采场极限暴露面积回归优化模型

胡建华^,¹, 任启帆¹, 亓中华², 张纪伟²

1中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083

2山东华联矿业股份有限责任公司，山东沂源 256119

Regress Optimize Model of Limit Exposure Area to Stope in Wohushan Iron Mine

HU Jianhua^,¹, REN Qifan¹, QI Zhonghua², ZHANG Jiwei²

1School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China

2Shandong Hualian Mining Co.，Ltd.，Yiyuan 256119，Shandong，China

收稿日期: 2018-03-31 修回日期: 2018-05-23

基金资助:

国家自然科学基金项目“深部采动下地质结构体跨尺度时变力学行为试验及机理”. 41672298
和湖南省自然科学基金项目“深部采动下的多尺度力学行为机理及其试验研究”. 2016JJ21

Received: 2018-03-31 Revised: 2018-05-23

作者简介 About authors

胡建华（1975-），男，湖南衡阳人，教授，从事高效安全采矿技术与工程稳定性的研究工作hujh21@126.com , E-mail：hujh21@126.com

摘要

地下矿山开采中，合理的采场暴露面积是保障采矿作业安全的前提，采场暴露面积作为地下采场的主要结构参数需要进行优化。以卧虎山矿27-31线为研究对象，运用3DMine-Midas- Flac^3D耦合建模技术，构建了地表、矿体和采场的精细化模型，在采场长度参数为30 m和40 m的条件下，设计了10种采场暴露面积计算方案，通过数值模拟获得采场顶板最大拉应力和两帮最大压应力，基于此建立了采场暴露面积与顶板最大拉应力及两帮最大压应力的回归优化模型，在有安全系数的保障下确定了采场极限暴露面积。研究结果表明：（1）经采场稳定分析，最大压应力主要出现在采场两帮的围岩，而最大拉应力出现在顶底板；（2）通过建立采场暴露面积与最大拉应力和最大压应力的回归函数关系曲线，获得暴露面积与应力的关系规律，即在相同采场暴露面积条件下，采场越长则拉应力越小，而在相同拉压应力限值情况下，采场越长则极限暴露面积越大；（3）以矿山生产安全系数1.3为基数，通过回归函数曲线规律，根据采场矿体的赋存条件，以30 m和40 m的采场长度值，确定卧虎山矿的极限暴露面积分别为450 m²和600 m²。当岩体力学参数改变时，亦可采用回归函数曲线规律自适应判定采场极限暴露面积和采场跨度。

关键词： 采场稳定性 ; 结构参数 ; 采场暴露面积 ; 精细化建模 ; 数值模拟 ; 线性回归 ; 优化模型 ; 安全系数

Abstract

In the mining of underground mines，the reasonable exposure area of stope is precondition to ensure the safety of mining operation.As the main structural parameter of underground mines，it is necessary for exposure area to be optimized.Taking Wohushan mine 27-31 line as the research object，a refined model of surface，orebody and stope model was built by using 3DMine-Midas-Flac^3Dcoupling modeling technology was built by .10 calculation schemes of stope exposure area were designed under the length conditions of 30 m and 40 m for stope.Maximum tension stress of stope roof and maximum compressive stress of wall rock were obtained through numerical simulation.The regression optimization model of exposure area with tensile stress of roof and compressive stress of wall rock was established to determine the reasonable limit exposure area of stope under the protection of safety factor.The results showed that：（1）Maximum compressive stress mainly occurs in stope pillar and maximum tensile stress appears in stope roof by stope stability analysis；（2）The relationship between exposure accumulation and stress was obtained by establishing regression function curve of exposed area and maximum tensile stress and maximum compressive stress of stope.Under the same stope exposure area condition，the longer the stope，the smaller tensile stress.With same stress limit case，the longer the stope，the bigger exposure limit；（3）Taking the mine production safety coefficient of 1.3 as the base，according to occurrence condition of orebody and stope，the limit exposed area of Wohushan mine was determined to be 450 m²and 600 m²by the regression function curve using 30 m and 40 m length of stope. When rock mass mechanical parameters change，the limit exposure area and span value of stope was confirmed through adaptive decision of the regression function curve.

Keywords： stability of stope ; structural parameters ; stope exposure area ; fine modeling ; numerical simulation ; linear regression ; optimize model ; safety factor

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本文引用格式

胡建华, 任启帆, 亓中华, 张纪伟. 卧虎山铁矿采场极限暴露面积回归优化模型. 黄金科学技术[J], 2018, 26(4): 503-510 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.04.503

HU Jianhua, REN Qifan, QI Zhonghua, ZHANG Jiwei. Regress Optimize Model of Limit Exposure Area to Stope in Wohushan Iron Mine. Gold Science and Technology[J], 2018, 26(4): 503-510 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.04.503

为扩大生产能力和提高生产效率，矿山采取的方法主要是扩大采场的结构尺寸参数，即采场暴露面积^{［1,2,3,4］}。通常情况下，当采场暴露面积过小时，采场生产效率低，矿石损失量大，矿山经济效益降低；而暴露面积过大，会增加大规模地压活动的概率，降低采场稳定性^{［5,6,7,8］}。因此，若要提高矿山的生产效率必须在保障安全生产的前提下，尽可能地扩大采场结构尺寸，即优化采场暴露面积，计算采场极限暴露面积。目前，采场极限暴露面积的确定主要采用经验类比法和Mathews稳定图法^{［9,10,11］}。这2种方法确定的参数范围大，人为影响程度高，难以从矿山开采的力学行为和工程响应来确定极限暴露面积^［12,13］。此外，数值模拟分析方法常用于采场结构参数和开采顺序的优化^{［14,15,16］}，可获得合适的采场暴露面积，但受到计算模型的限制，难以高效确定采场极限暴露面积。

利用数值模拟采场暴露面积下的拉应力和压应力分布规律，建立暴露面积与最大拉应力、最大压应力的回归模型，可以有效减少计算工作量，高效确定采场极限暴露面积。采场暴露面积优化模型以采场顶板最大拉应力和两帮最大压应力与采场暴露面积之间的关系为基础，基于矿山岩体力学参数限值，在确定的合理安全值条件下，可用于回归优化采场极限暴露面积。

1 矿山概况

卧虎山矿床赋存于雁翎关组顶部含铁片岩中，由多个带状矿层组成，带状矿层呈NW-SE向展布，总体走向330°，倾向SW，倾角23°～68°，平均倾角为48°，长1 400 m，厚度一般为21～50 m，平均厚度为32 m，属于典型的倾斜中厚矿体。采用上向高分层预控顶嗣后充填采矿法（图1）。矿房垂直矿体走向布置，采场阶段高度为60 m，分4个分段回采，高度为15 m，矿房跨度为12.5 m，长度为矿体厚度。在每个矿房顶板进行锚杆支护，即预控顶，预控顶高度为3 m。每100 m设置间柱，间柱宽度为12 m，矿房不留顶底柱。矿房采用“隔一采一”的方式，矿房回采结束后采用上向高分层预控顶嗣后充填采矿法回采间柱。落矿采用CS-100D高风压潜孔钻机施工下向平行孔，采场出矿采用1 m³电铲和2 m³油铲，矿房回采完成后即进行充填。

图1

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图1 上向高分层预控顶嗣后充填采矿法

1-锚杆；2-人工假顶；3-胶结充填体；4-分层底板；5-炮孔；6-切割天井；7-穿脉；8-矿石；9-充填挡墙；10-分层联络道；11-阶段斜坡道；12-阶段运输巷道；13-出矿巷道；14-分层溜井；15-阶段溜井

Fig.1 Pre-control top-to-high stratified filling mining method

2 采场极限暴露面积计算方案

2.1 计算模型

根据卧虎山矿体的实际赋存条件，计算模型中选取矿体平均倾角为48°，以27-31线为研究对象。其中，研究对象长62.5 m，高15 m，宽为矿体厚度，包括5个采场。根据圣维南原理，数值模型（长 $\times$ 宽）为600 m $\times$ 300 m，上部加地表，底部最低标高为-60 m，采用摩尔—库仑强度准则。按照卧虎山矿山工程实际，最终建立的三维数值计算模型如图2所示。模型侧面及底面为固定边界，上表面为自由面。依据点荷载试验、室内岩石力学实验和Hoek-Brown强度准则^［17］确定矿岩岩体力学参数如表1所示。

图2

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图2 三维数值计算模型

Fig.2 Three-dimensional numerical calculation model

表1 卧虎山矿岩岩体力学参数

Table 1 Mechanical parameters of rock mass in Wohushan mine

岩体名称	弹性模量（E）/GPa	泊松比（ $μ$ ）	抗拉强度/MPa	抗压强度/MPa	内聚力（ $C$ ）/MPa	内聚力（ $φ$ ）/（°）	密度（ $ρ$ ）/（kg·m^-3）
矿体	11.67	0.25	3.5	23.30	4.32	29.42	3 490
围岩	11.67	0.26	1.5	10.54	3.20	27.48	2 680
夹石	4.22	0.26	0.5	1.03	0.32	25.56	2 680

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2.2 计算方案

在对采场结构参数进行优化之前，需掌握该地质条件下采场顶的板极限暴露面积，以指导采场参数的确定。由于在地质、水文等开采条件相同的情况下，采场暴露面积主要受采场长度和宽度的影响，因此分别对采场沿倾向长度（即采场长度）为30 m和40 m 2种情况进行模拟，计算采场沿走向长（即采场跨度）分别为10.0，12.5，15.0，17.5，20.0 m时的采场极限暴露面积，模拟方案见表2。由表可知，10种模拟方案的采场暴露面积在300～800 m²之间。

表2 回采方案设计

Table 2 Stoping scheme design

方案编号	因素
方案编号	采场长度/m	采场跨度/m	采场暴露面积/m²
1	30	10	300
2	30	12.5	375
3	30	15	450
4	30	17.5	525
5	30	20	600
6	40	10	400
7	40	12.5	500
8	40	15	600
9	40	17.5	700
10	40	20	800

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3 模拟结果分析

3.1 计算结果

该矿山矿体赋存于浅部，模型顶部最大标高为312 m，上部分距离取平均值。将自重应力平衡后作为采场初始应力场，计算底部最大应力为8.6 MPa，上覆岩层的自重应力为8.67 MPa，模型底部和自重应力相互验证模拟结果的可信度。

采场的稳定性直接影响着作业环境的安全性和采矿作业效率等^{［18,19,20］}，通过分析采场沿倾向方向最大最小主应力情况，评价每种方案的采场稳定性。数值模拟计算部分结果见图3统计数据见表3。

图3

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图3 4种方案沿倾向主应力云图

$σ_{c m a x}$ 为最小主应力； $σ_{t m a x}$ 为最大主应力

Fig.3 Principal stress cloud along inclination of four schemes

表3 10种方案沿倾向应力值

Table 3 Stress value along inclination of ten schemes

方案编号	顶板最大拉应力/MPa	两帮最大压应力/MPa
1	1.87	14.44
2	2.41	15.96
3	2.60	17.51
4	2.82	19.02
5	3.19	21.47
6	1.43	13.79
7	2.19	15.06
8	2.70	17.35
9	3.14	20.11
10	3.94	21.91

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3.2 结果分析

由图3和表3可知，矿体开挖后，矿体上盘与采场底板交点处，以及采场下盘与采场顶板交点处（图3红圈内）均出现压应力集中现象，采空区顶板和底板均出现拉应力集中现象，且采空区下部围岩中的压应力明显大于上部，这是由于采空区形成后，上覆岩层的自重应力转移到采空区周边围岩内，加之围岩的埋深较大，所以压应力主要集中在上盘下部。顶底板拉应力均匀分布在顶底板上，且呈现出由采空区附近向四周均匀减小的趋势，这是由于采场垂直于矿体走向布置，顶底板面轴线位置平齐。顶板拉应力区域分布比下盘多且拉应力更大，这是由于上部顶板的自重应力转移到底板的围岩中，一方面顶板围岩受到重力和弹塑性变形的影响将会引起较大的位移，从而造成拉应力较大，另一方面底板围岩受到水平方向的挤压作用和自重应力的影响，开挖后向上位移的趋势减缓从而造成拉应力较小。因此，采空区顶板的拉应力区域和拉应力值更大。

研究结果表明，当矿房沿倾向方向长度一定时，周边围岩的应力绝对值随跨度增加基本呈增大的趋势。方案5、方案9和方案10中围岩中最大拉应力值分别达到3.19，3.14，3.94 MPa，超过了围岩的抗拉强度值，很有可能发生拉伸破坏，对岩体稳定性构成潜在威胁，说明方案5、方案9和方案10在实际生产中不可行。

4 采场极限暴露面积模型

4.1 回归模型的构建

不同采场暴露面积条件下顶板最大拉应力变化曲线如图4所示，不同采场暴露面积条件下两帮最大压应力变化曲线如图5所示。对2种方案下拉压应力变化规律进行拟合，观察散点图可知，2种方案下拉压应力的变化规律基本遵循线性函数 $y = a x + b$ ，其中斜率越大表示应力的变化速率越大。

图4

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图4 不同采场暴露面积条件下顶板最大拉应力

Fig.4 Maximum tensile stress of roof under different exposure area of stope

图5

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图5 不同暴露面积条件下两帮最大压应力

Fig.5 Maximum compressive stress of wall rock under different exposure area of stope

由图4,5和表3、表4可知：（1）拟合结果的复相关系数R²都在95%以上，表明回归显著，拟合结果具有很高的精度和准确性，可用于计算不同暴露面积下采场的应力值和已知应力限值情况下反演采场暴露面积；（2）在相同的采场暴露面积和跨度（小于15 m）条件下，采场长30 m时的顶板最大压应力和两帮最大压应力均比采场长40 m时的大，表明相同条件下，增加采场长度会改善采场应力情况；（3）在采场长40 m的情况下，顶板最大拉应力变化速率更快，而两帮最大压应力的变化速率基本相同，表明顶板最大拉应力受采场长度的影响更大。

表4 暴露面积与最大拉应力、最大压应力线性拟合结果

Table 4 Linear fitting results between exposed area and maximum tensile stress and maximum compressive stress respectively

应力类型	采场长/m	斜率	截距	方差	规律模型
顶板最大拉应力	30	0.00407	0.748	0.955	$y = 0.0041 x + 0.748$
顶板最大拉应力	40	0.00597	-0.902	0.986	$y = 0.006 x - 0.902$
两帮最大压应力	30	0.02283	7.708	0.9849	$y = 0.0228 x + 7.708$
两帮最大压应力	40	0.02129	4.87	0.9834	$y = 0.0213 x + 4.87$

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4.2 采场暴露面积优化

基于顶板最大拉应力和两帮最大压应力随采场暴露面积的变化规律，在已知采场应力限值的情况下，可以通过反演计算来优化采场暴露面积，即计算采场极限暴露面积。依据表1可知，矿体的抗拉强度和抗压强度分别为3.5 MPa和23.3 MPa。由于采矿出矿等生产作业在采场内进行，为了保证作业的生产安全，预留1.3的安全系数，计算出矿体拉应力和压应力限值分别为2.69 MPa和17.92 MPa。

使用作图分析法反演优化拉压应力下采场极限暴露面积，如图6和图7所示。由计算结果分析可知，当采场长30 m时，依据矿体拉应力限值和压应力限值反演获得的采场极限暴露面积分别为477.5 m²和460.6 m²；当采场长40 m时，采场极限暴露面积分别为602.1 m²和613.1 m²。在安全高效开采的前提下，为适应矿山的整数化设计，得到整数值的采场跨度，确定采场长30 m和40 m时采场极限暴露面积结果分别为450 m²和600 m²，即采场跨度为15 m。

图6

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图6 拉应力反演极限暴露面积图

Fig.6 Limit exposed area through tensile stress inversion

图7

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图7 压应力反演极限暴露面积

Fig.7 Limit exposed area through compressive stress inversion

在相同的拉压应力限值条件下，采场长40 m的极限暴露面积大于采场长30 m的极限暴露面积，这与采场形状系数有关，因此在合理的跨度值下，采场设计时应在许可范围内采取最大采场长度。当采场岩体力学参数发生改变时，可采用表3中的模型反演计算来确定采场极限暴露面积。

5 结论

（1）由采场稳定性分析可知，压应力出现在上盘下部，拉应力出现在顶底板且分布均匀。10种方案中方案5、方案9和方案10的拉压应力超过岩体抗拉压强度，不满足安全要求，其余几种方案符合最大强度理论要求。

（2）当采场暴露面积和跨度均相同且跨度小于15 m时，增加采场长度会改善采场应力情况。

（3）通过数值模拟计算得出10种方案下采场顶底板最大拉应力和最大压应力，通过线性拟合方法建立了采场暴露面积与最大拉应力和最大压应力的回归函数关系曲线。当矿山岩体力学参数发生改变时，可采用表4中的反演计算模型来优化采场极限暴露面积。

（4）以本文的矿体赋存条件为例，在安全高效开采的前提下，设计安全系数为1.3时，通过回归函数曲线规律，确定卧虎山采场长30 m和40 m时的极限暴露面积为450 m²和600 m²，即最大的采场跨度为15 m。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

康虔，张钦礼，张楚旋，等.

理想点法在采场结构参数优化中的应用

［J］.黄金科学技术，2018，26（1）：25-30.