基于指标满意度的采场结构参数敏感性数值模拟研究_赵兴东.pdf

收稿日期2019-10-14 基金项目NSFC-山东联合基金项目 （编号 U1806208） ， 国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0600803， 2018YFC0604604， 2018YFC0604401） 。 作者简介赵兴东 （1975） ， 男， 教授， 博士研究生导师。 总第 522 期 2019 年第 12 期 金属矿山 METAL MINE 基于指标满意度的采场结构参数敏感性数值 模拟研究 赵兴东李怀宾张姝婧杨晓明 1 （东北大学采矿地压与控制研究中心， 辽宁 沈阳 110819） 摘要为了研究采场结构参数敏感性的问题， 提出一种基于指标满意度的多指标综合评价模型， 以青龙沟 金矿为工程背景， 基于矿体厚度变化大的特点， 选取采场长度和宽度2个因素， 建立12个数值模型方案， 选取上、 下 盘超挖深度和顶、 底板位移量进行基于指标满意度的多指标综合评价及敏感性分析。研究结果表明 采场长度和 宽度对采场稳定性的敏感度分别为0.137和0.255， 采场宽度对采场稳定性较敏感， 随着采场长度和宽度增加， 综合 满意度逐渐降低， 采场也越不稳定。但当矿体厚度较大时， 采场应垂直于矿体走向布置， 这样可以有效控制采场宽 度对采场稳定性的影响。 关键词采场结构参数多指标满意度数值模拟敏感性 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -12-021-05 DOI10.19614/ki.jsks.201912003 Numerical Simulation on Sensitivity of Stope Structure Parameters Based on Satisfaction Index Zhao XingdongLi HuaibinZhang ShujingYang Xiaoming2 （Research Center of Mine and Ground Pressure Control， Northeastern University， Shenyang 110819， China） AbstractIn order to study the sensitivity of stope structural parameters， a multi-index comprehensive uation model based on satisfaction index is proposed. Taking Qinglonggou Gold Mine as the engineering background， and based on the char- acteristics of great variation of orebody thickness，two factors of stope length and width are selected to establish 12 numerical models. The multi-index comprehensive uation and sensitivity analysis were carried out with inds of the overbreak depths of upper and lower wall， the displacement of roof and bottom based on satisfaction index. The results show that the sen- sitivity of stope length and width to stope stability is 0.137 and 0.255，respectively. Stope width is the most sensitive factor which influence the stope stability. With the increase of stope length and width， the comprehensive satisfaction index gradual- ly decreases，and the stope becomes more unstable. However，when the thickness of the ore body becomes large，the stope should be arranged perpendicularly to the strike of ore body，which can effectively control the influence of the stope width on the stope stability. KeywordsStope structure parameters， Multi-index， Satisfactory index， Numerical simulation， Sensitivity 采场稳定性不仅受岩体强度、 地应力和断层等 的影响， 还受采场结构参数的显著影响， 合适的采场 结构参数是地下矿山实现安全高效开采的重要影响 因素 ［1-3］。目前， 随着矿山开采深度的不断增加， 众多 学者在采场结构参数方面进行了广泛研究， 例如 Azadeh等 ［4］提出了一种基于层次分析法和模糊数学 理论的综合评价体系， 优化了采场结构参数； 兰明 等 ［5］通过中心复合试验设计手段， 采用数值模拟分析 了不同结构参数下采场的力学响应， 确定了最优的 采场结构参数； Mawdesley等 ［6］运用Mathews图表法对 采场结构参数进行优化； Bai等 ［7］采用图表法和数值 计算法， 得出了在近垂直矿体下采用阶段矿房法开 采时的最佳采场结构参数； 罗周全等 ［8］基于弹性理 论、 数值分析及多目标决策方法对采场参数进行了 综合优化。上述成果主要对采场结构参数优化方面 进行了研究， 而对分析采场结构参数对采场稳定敏 采矿工程 Series No. 522 December2019 21 ChaoXing 金属矿山2019年第12期总第522期 感性的研究较少。 针对上述问题， 本研究以青龙沟采区北矿段为 对象， 采用数值模拟分析采场上、 下盘超挖深度和 顶、 底板位移的变化规律， 并将这些指标转化为满意 度， 进行多指标综合评价分析， 研究采场结构参数敏 感性的一般规律。 1多指标综合评价模型 多指标综合评价是把不同属性的单个指标转化 为无量纲的相对评价值， 最终给出综合评价指标。 本研究利用满意度分析了采场结构参数对采场稳定 敏感性的一般规律， 并对单一和综合指标的满意度 进行平均值和标准差分析， 从而建立多指标综合评 价模型。 多指标综合评价模型 ［9］叙述如下 （1） 假设试验有m种方案， 使用n个评价指标来 描述对象的属性， 用xij表示第i种方案的第j个因素的 原始指标值， 则模糊关系矩阵为 K | | | | | || | | | | | | || | x11x12 x1n x21x22 x2n ⋮ ⋮⋮ xm1xm2 xmn .（1） （2） 将原始指标模糊关系矩阵转换成为指标满 意度矩阵。对于效益型指标， 使用以下指标满意度 函数 fx ij xij- ximin ximax- ximin ， i1， 2， ， m； j1， 2， ， n ；（2） 对于成本型指标， 使用以下指标满意度函数 fx ij ximax- xij ximax- ximin ， i1， 2， ， m； j1， 2， ， n ；（3） 式中，xij为第i种方案的第j个指标值；ximin为第i种方 案的最小指标值；ximax为第 i种方案的最大指标值。 转换后得到指标满意度矩阵 E ˉ | | | | | | || | | | | | | | | | | || | | | | fx 11 fx 12 fx 1n fx 21 fx 22 fx 2n ⋮ ⋮⋮ fx m1 fx m2 fx mn .（4） （3） 对于指标Aj（j1， 2， ， n） ， 用权重wj表征其 在决策中的重要程度， 且有∑ j 1 n wj1，wj≥ 0。其中， 本 研究采用变异系数法计算各影响因素的权重值， 变 异系数差法赋权重的原则是使各指标权重离散度最 大化， 对于数值变化小的指标赋予较小的权重值， 数 值变化大的指标赋予较大的权重值。根据指标满意 矩阵， 计算矩阵各行向量的平均值与标准差 μi 1 n∑ j 1 n fx ij ，（5） si ∑ j 1 n fx ij - μ 2 n .（6） 通过下式计算各指标变异系数 βi si/μi.（7） 最后， 将计算的各指标变异系数矩阵进行归一化， 即 为各指标的权重值。 （4） 根据模糊关系矩阵综合评价法， 得到指标的 综合满意度 R ˉ EˉWT []r1,r2,,rm T ，（8） 其中， ri表示第i次试验的综合满意度。ri值越大， 其 满意度就越高， 利用ri进行数值模拟试验的平均值和 标准差分析， 可以确定采场结构参数对采场稳定的 敏感性。 2工程地质条件 大柴旦矿业有限公司青龙沟采区北矿段上部为 露天开采， 目前， 露天开采已经结束， 主要开采青龙 沟采区北矿段， 即露天转地下部分。青龙沟采区北 矿段共探明4条矿体， 其中M2矿体规模较大， 图1为 青龙沟采区三维地质模型。 青龙沟采区北矿段位于青龙沟复向斜的东南 段， 矿区内褶皱构造和断裂较发育， 总体走向为 NNW-SSE， 与区域主构造方向一致， 矿区侵入岩主要 为块状构造， 中元古代地层为薄-中厚层状构造。青 龙沟金矿主矿体 （M2） 位于 16250N～16550N 勘探线 间， 形态呈北东倾的简单板状， 向深部延伸时开始出 现分支， 倾向和走向上具有较好的稳定连续性。矿 体上盘为条带状大理岩， 下盘为白云质大理岩， 矿体 为蚀变的变质砂岩。矿化区域厚度一般从数米至20 多米， 厚度变化较大， 矿体呈似层状和透镜状， 倾向 NE， 走向157， 倾角60～90， 平均78左右， 矿体平均 厚度约10 m。经多年开采， 剩余矿体走向长675 m， 倾向最大延深174 m。 根据青龙沟采区北矿段M2矿体的赋存特点， 对 急倾斜中厚矿体采用长矿房干式充填采矿方法进行 开采 （见图 2） ， 该方法采用深孔连续爆破后退式落 矿， 对出矿形成的空区进行连续干式充填。该采矿 22 ChaoXing 2019年第12期赵兴东等 基于指标满意度的采场结构参数敏感性数值模拟研究 方法的优点是连续爆破落矿、 出矿和连续充填空区， 即随采随充。理论上， 该采矿方法没有采场长度限 制， 这将减少切割天井数量， 达产快， 钻孔、 循环时间 短， 提高了劳动生产率， 获得了较好的经济效益。 利用测线法对青龙沟采区北矿段矿岩进行结构 面调查分析， 其分布情况如表1所示。根据岩石力学 实验和现场调查， 采用Q、 RMR和GSI分类方法对矿 岩质量进行评价 （见表2） ， 最后利用经验公式获得矿 岩力学参数 ［10］， 如表3所示。 3数值模拟分析 由于M2矿体厚度变化范围为数米至20多米， 矿 体厚度变化较大， 为了研究采场结构参数对采场稳 定的敏感度， 建立了12个数值计算模型方案， 其中采 场宽度分别为5 m、 10 m、 15 m和20 m； 采场长度分别 为12 m、 24 m和36 m。模型方案如表4所示。其边 界条件和初始条件完全一致。 3. 1数值模型建立 充分考虑 3Dmine、 MIDAS/GTS 和 FLAC3D 在建 模、 网格划分和计算分析等方面的优越性， 建立数 值计算模型。模型尺寸 X 方向长 800 m， Y 方向长 1 400 m，Z方向大约高900 m （地表起伏无确定值） ， 共 有228 684个节点， 1 355 319个单元体， 如图3所示。 模型边界采用位移约束， 模型四周限制水平方向的 位移， 模型底边界限制X、 Y和Z方向的位移， 模型上 部边界设置成自由面； 采用Mohr-Coulomb破坏准则； 材料属性按表3进行赋值。 3. 2数值模拟试验结果及分析 主要研究采场结构参数对采场稳定（变形和贫 化） 的敏感性， 故选择上、 下盘超挖深度和顶、 底板位 移量共4个指标作为模拟试验的评价指标， ELOS （超 挖深度） 是量化矿石贫化的一种方法， 是指从采场边 界以外的体积除以相应面的面积， 这是一个很好的 检验采场开采是否成功的方法， 因为它不依赖于采 23 ChaoXing 金属矿山2019年第12期总第522期 场的体积， 只与边界的表面积的有关。加拿大麦吉 尔大学Hind Zniber El Mouhabbis认为围岩的塑性区 范围可以作为采场超挖的判定指标， 计算如式 （9） 所 示， 采场围岩的塑性区体积通过fish语言编写的显示 程序计算出来。 ELOS上、下盘 超挖体积 m3 采场长 m 采场高 m m . （9） 基于篇幅的考虑， 仅列出采场宽20 m、 长36 m时 的位移和塑性区云图 （见图4和图5） 。利用式 （1） ～式 （9） 计算和分析上述12种方案的模拟结果， 得到各方 案采场上、 下盘超挖深度和顶、 底板位移量的满意度 及综合满意度， 如表5所示。利用直观分析法对各个 指标进行平均值和标准差分析， 确定采场结构参数 对采场稳定的敏感性。单指标和综合指标满意度的 直观分析结果如表6～表10所示。 由表10多指标综合满意度平均值和标准差分析 结果可知 采场长度A的标准差为0.137， 采场宽度B 的标准差为0.255， 这说明采场宽度对采场稳定性较 敏感， 约是采场长度的2倍。为了详尽描述采场长度 和宽度对采场稳定的敏感性以及多指标综合满意度 24 ChaoXing 2019年第12期赵兴东等 基于指标满意度的采场结构参数敏感性数值模拟研究 的优势， 可以得出图6和图7直观分析结果。 由图6和图7可知， 采场上、 下盘超挖深度和顶、 低板位移量都会影响采场的稳定性。通过对单个指 标和综合指标满意度的平均值和标准差分析得到 对于采场长度因素， 单个指标和综合指标满意度基 本相同； 而对于采场宽度因素， 除上盘超挖深度指标 外， 其他指标满意度基本相同； 采场宽度对采场稳定 性较敏感， 约是采场长度的2倍， 随着采场长度和宽 度增加， 综合满意度逐渐降低， 采场越不稳定。 4结论 （1） 采场宽度对采场稳定性较敏感， 约是采场长 度的2倍， 随着采场长度和宽度增加， 综合满意度逐 渐降低， 采场越不稳定。 （2） 青龙沟采区北矿段矿体厚度变化较大， 为确 保采场的稳定性， 当矿体厚度较小时， 采场可以沿矿 体走向布置； 但当矿体厚度较大时， 采场应垂直于矿 体走向布置； 这样可以有效控制采场宽度对采场稳 定性的影响， 确保采场的稳定。 （3） 把数值模拟分析结果转化成无量纲的指标 满意度， 并把这些无量纲值用于多指标综合评价， 从 而建立了基于指标满意度的多指标综合评价模型， 采用该模型很好地解决了多指标敏感性的问题， 为 采场稳定性分析提供了一种新的研究方法。 参 考 文 献 Chen S， Wu A， Wang Y，et al.Multi-objective optimization of stope structure parameters in broken rock conditions using grey relational analysis ［J］ .Archives of Mining Sciences， 2018， 63 （2） 269-282. 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