基于数值模拟对矿块结构参数优化研究

陈资南

摘 要：矿块结构参数选择是否合理直接影响到矿山回采的安全和效益，而矿块结构参数是否合理必须综合考虑矿岩稳定性、开采过程的安全性和开采后的充填体稳定性。基于此，文章在分析初步设计矿块结构参数可能存在的安全隐患的基础上，提出矿块结构参数优化建议方案，并且运用数值模拟计算方法对采场结构参数优化方案进行稳定性分析。

关键词：矿块参数；数值模拟；采场优化；采场稳定

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.066

0 引言

一般来说，矿块结构参数的选择首先考虑的是采场结构参数的稳定性，通常研究岩体工程结构参数及其稳定性的主要手段是数值模拟计算，数值模拟方法实际上是利用计算机对原型实物进行的一种数值模型试验[1]。它通用性强，可以模拟各种复杂情况，方便灵活，便于修改，能反复进行试验，并且耗资少，适合矿山开采导致井下复杂的工程环境。本文于数值模拟方法为基础，建立矿块模型对采场参数稳定性进行分析研究从而提出合适的矿块结构参数建议。

1 数值模拟计算方案

力学模型中的采区结构形式为盘区矿柱的两旁各有五房四柱，即总共有10个矿房，8个矿柱，另外，中央还有1个盘区矿柱[2]。

采用沿开挖洞周释放荷载的内加载模型，第一步按给定的边界条件及载荷条件，对初始应力场进行再现，从第二步开始进行模拟计算。为了得到接近实际的计算结果，开挖步骤要做到尽可能与实际的开采步骤相一致。

矿房宽30～40m，矿房及矿柱长35m或80m，高度為120m。由于采矿方法为空场回采嗣后非胶结充填，需要探讨的是空场条件下的采场结构参数，充填体的受力情况有专门的章节进行叙述，这里只需要一个开挖步骤即可满足研究目标的要求。本力学模型中的每个计算方案均按如下2个计算步骤进行：第1步，计算初始应力场；第2步，回采矿房，留下中间的矿柱。

2 数值模拟计算与结果分析

方案的特点是采场高度120m，永久矿柱宽14m，矿房宽40m，改变采场长度。该组中3个计算方案的编号是方案一、方案二和方案三。每个方案有2个计算步骤，第一步计算每个方案完全一样，第二步每个方案互不相同。第二步计算采场周围各个方案的7个特征参量（主应力σ1、σ2、σ3，剪应力τyz和位移分量Ux、Uy、Uz ）的有关计算结果见表1。

表1中给出的是各参量的数值范围，即最大和最小值的范围，数据多、看上去较复杂，下面抽取其中的特征参量（最大拉应力、最大压应力、最大剪应力和x方向最大位移）进行比较。之所以选择比较x方向的位移值，是因为间柱的轴线方向为x方向，其主要作用在于限制x方向的位移。通过特征值比较可知三种方案，无间柱方案 → 间柱隔一留一方案 → 连续间柱方案，即每个矿房都留间柱 ，应力和位移值均逐渐减小，表明稳定性逐渐变好。随着间柱留设比例的增加，较为明显的变化在于最大压应力的降低及塑性区与拉应力区范围的减小；对于减小位移值的贡献相对不太明显。

3 结论

针对一步骤回采方案改善采场稳定性的三种方式，运用有限单元法进行了数值模拟计算比较，得到的主要结果如下。

（1）可以根据现场岩体稳固性确定留设间柱的比例，当岩体稳固性较好时，不留设间柱；岩体稳固性中等时，间柱按隔一留一的方式留设；岩体稳固性较差时，连续留设间柱。

（2）对于两步骤回采方案，参照一步骤回采方案的计算结果进行间柱留设。当岩体稳固性较好时，一步采（高度120m、采宽20m）和二步采（高度120m分为两段采，采宽34m）80m长的采场中间均不留间柱；当岩体稳固性中等时，一步采不留间柱，二步采留间柱；当岩体稳固性较差时，一步采和二步采均留间柱。

参考文献：

[1]邓红卫，胡普仑，周科平，杨念哥.采场结构参数敏感性正交数值模拟试验研究[J].中南大学学报（自然科学版），2013（06）：2463-2469.

[2]罗周全，管佳林，冯富康，徐海.盘区隔离矿柱采场结构参数数值优化[J].采矿与安全工程学报，2012（02）：261-264.endprint