基于熵权-理想点的采矿方法优选及采场稳定性研究_刘志祥.pdf

基于熵权⁃理想点的采矿方法优选及采场稳定性研究 ① 刘志祥， 刘 强， 肖思友， 兰 明， 王卫华 （中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 ４１００８３） 摘 要 为解决盛大铁矿开采技术难题，在实现矿山高效安全经济开采的前提下，提出一种熵权⁃理想点综合评判指标体系模型，对 矿山初选的 ５ 种采矿方案进行计算。 首先利用熵权理论确定影响采矿方法的各评价指标的熵权系数，然后结合逼近理想解的排序 法原理建立熵权⁃理想点综合评价指标体系模型，从而计算出各方案基于评判指标的贴近度。 结果显示，５ 种初选方案的贴近度分 别为 ７０．３％，４４．２％，６４．８％，６１．１％，４６．３％，第一种方案即分段接力退采分段充填采矿法为最优。 同时对采场进行数值模拟，对运用 优选出的采矿方法时采场的应力、位移以及塑性区进行计算，并将计算结果与现场实测数据进行对比，得出采场岩体在充填后，应 力位移增加较缓慢。 并在盛大铁矿矿区－１７５～－１６２．５ ｍ 分段进行工业试验，取得显著经济效益，具有重要工程实际意义。 关键词 采矿方法优选； 采场稳定性； 数值模拟； 塑性区； 工业试验 中图分类号 ＴＤ８５３文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１７．０３．００１ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１７）０３－０００１－０５ Ｍｉｎｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ Ｃｈｏｉｃｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｎｔｒｏｐｙ Ｗｅｉｇｈｔ⁃Ｉｄｅａｌ Ｐｏｉｎｔ ａｎｄ Ｓｔｏｐｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＬＩＵ Ｚｈｉ⁃ｘｉａｎｇ， ＬＩＵ Ｑｉａｎｇ， ＸＩＡＯ Ｓｉ⁃ｙｏｕ， ＬＡＮ Ｍｉｎｇ， ＷＡＮＧ Ｗｅｉ⁃ｈｕａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ ｉｎ Ｓｈｅｎｇｄａ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ， ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ｅｎｔｒｏｐｙ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｉｄｅａｌ ｐｏｉｎｔ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｆｉｖｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｍｉｓｅ ｏｆ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｈｉｇｈ⁃ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ， ｓａｆｅ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｍｉｎｉｎｇ． Ｆｉｒｓｔｌｙ， ｔｈｅ ｅｎｔｒｏｐｙ ｔｈｅｏｒｙ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｅｎｔｒｏｐｙ ｗｅｉｇｈｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｈａｔ ｗｏｕｌｄ ｂｒｉｎｇ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｅａｃｈ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅｎ， ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｎｔｒｏｐｙ ｗｅｉｇｈｔ⁃ｉｄｅａｌ ｐｏｉｎｔ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ａ ｃｌｏｓｅ ｄｅｇｒｅｅ ｗａｓ ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｏｒ ５ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｔｈａｔ ｉｓ ７０．３％， ４４．２％， ６４．８％， ６１．１％， ４６．３％， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ （ｓｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｅｃｔｉｏｎ ｓｔｏｐｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｏｗｉｎｇ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ） ｉｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｎｅ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｏｐｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ， ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｌａｓｔｉｃ ｚｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｏｐｅ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｎ⁃ｓｉｔｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄａｔａ， ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｏｐｅ ｒｏｃｋｍａｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｓｌｏｗｌｙ ａｆｔｅｒ ｂａｃｋｆｉｌｌ． Ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｔ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆ －１７５～ －１６２．５ ｍ ｏｆ Ｓｈｅｎｇｄａ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ ｗｉｔｈ ｓｕｃｈ ｍｅｔｈｏｄ ａｌｓｏ ｂｒｏｕｇｈｔ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｔｏ ｔｈｅ ｍｉｎｅ， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｉｔｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ； ｓｔｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｐｌａｓｔｉｃ ｚｏｎｅ； ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｔｅｓｔ 作为矿山生产设计阶段中至关重要的一环，正确 合理地选择采矿方法，对企业顺利投产、按期达产起着 十分重要的作用，采矿生产技术经济指标（采区生产 能力、矿石贫化率、损失率、采矿成本、安全经济效益） 对矿山的安全高效开采有着重要影响。 根据矿山水文 地质资料及开采技术条件选择与其相适应的采矿方 法，是矿山地下开采设计的核心步骤。 盛大铁矿目前 北采区的回采工作已经深入到地下 １５０ ｍ 左右，矿体 赋存条件不利，围岩稳固性不高，矿体破碎，铁矿一直 采用崩落采矿法开采，地表破坏严重，井下涌水量加 大。 根据国内外近几年研究的工程案例，采矿方法优 选主要有以下几类模糊数学法［１］、层次分析法［２］、ＢＰ 神经网络法［３］、突变级数法［４］、逼近理想解排序法［５］ 等，这一系列数学优选方法虽然取得一定效果，但仍存 ①收稿日期 ２０１７－０１－０８ 基金项目 国家自然科学基金（５１６７４２８８，４１３７２２７８） 作者简介 刘志祥（１９６７－），男，湖南宁乡人，教授，博士，主要研究方向为采矿与岩石力学。 第 ３７ 卷第 ３ 期 ２０１７ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３７ №３ Ｊｕｎｅ ２０１７ ChaoXing 在一些不足［６］。 本文采用熵权法与理想点法相结合 的综合评判模型［７－８］，根据指标差异程度，构造判别矩 阵来确定权重［９］，较好地克服了人为经验造成赋权的 偏差，得出与实际应用更加符合的评价结果。 利用 ＦＬＡＣ３Ｄ软件对采场稳定性进行数值模拟计算，并将计 算结果与现场监测数据进行对比分析，得出指导矿山 安全经济生产的结论。 １ 工程概况 盛大铁矿为沉积变质中温热液磁铁矿床，共包括 ８ 个矿体，编号分别为Ⅱ－１～Ⅱ－８。 矿体形态呈似层 状，矿体走向长度 ２ １６０ ｍ，水平投影宽度 １００～３８０ ｍ， 矿层顶板埋深 ４８～３０５ ｍ，赋矿标高－３８～ －３５０ ｍ。 矿 体倾角 ０～２７，平均 ９，最大厚度 ７７．７４ ｍ，最小厚度 ２．９８ ｍ，平均厚度 ２６．４６ ｍ。 矿体顶板为黑云母片岩、 变粒岩、浅粒岩、磁铁矿化蛇纹岩等，一般厚度在 ４０～ １００ ｍ，最厚达 １４０ ｍ。 岩石裂隙较发育，岩石完整性 差异较大，为半坚硬岩，工程地质条件一般。 底板岩 性为磁铁矿化透辉岩，岩体较完整，为坚硬岩，工程 地质条件较好。 通过进行现场块石取样与室内岩样 多项力学试验，得出矿岩的基本物理力学参数如表 １ 所示。 表 １ 主要岩体基本力学参数 名称容重／ （ｋｇｍ －３ ）泊松比抗压强度／ ＭＰａ抗拉强度／ ＭＰａ粘聚力／ ＭＰａ内摩擦角／ （）弹性模量／ ＧＰａ 矿体２．９９０．２９８３．０１４．５５２４．５４３２３１．９５ 顶板蛇纹岩２．７３０．３０４６．３５３．４６１１．９２４３２３．７９ 底板透辉岩２．７７０．２６５９．３６５．０８２３．５２４８２５．５０ ２ 采矿方法优选 确定合理指标权重是整个采矿方法优化过程中的 重要步骤，熵是信息论中反映系统无序化的量，信息量 越大，系统无序性越小，熵值越小［１０－１１］，所以信息熵能 比较客观地评价指标的有序度与效用，并充分利用专 家意见来优选方案［１２］。 逼近理想解排序法的基本原 理是通过检测评价对象与最优解、最劣解之间的距离 进行排序，正理想解表示各属性值都达到最满意的解， 负理想解则相反。 若评价对象最靠近最优解同时又远 离最劣解，则为最好，否则为最差［１３］。 ２．１ 熵权⁃理想点综合评判模型的建立 在熵权⁃理想点模型计算中共设有 ｍ 个方案Ａ１， Ａ２，，Ａｍ，每个方案有 ｎ 个评判指标。 评价过程主要 有以下几步 第 １ 步建立初始决策矩阵。 Ａ ＝ Ｘ１１Ｘ１２Ｘ１ｎ Ｘ２１Ｘ２２Ｘ２ｎ ︙ Ｘｍ１Ｘｍ２Ｘｍｎ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ｍｎ （１） 式中 Ｘｉｊ表示第 ｉ 个方案中的第 ｊ 个指标。 第 ２ 步决策矩阵归一化得矩阵 Ｂ ＝ ［ｂｉｊ］ｍｎ。 ｂｉｊ 表示归一化后的指标属性值。 ｂｉｊ＝ ｘｉｊ ∑ ｍ ｉ ＝ １ ｘｉｊ （２） 第 ３ 步计算评价指标输出信息熵。 Ｃ（ｂｊ ） ＝ －∑ ｍ ｉ ＝ １ ｂｉｊｌｎｂｉｊ ｌｎｍ （３） 第 ４ 步计算各评价指标的差异程度系数。 Ｈ（ｂｊ） ＝ １ － Ｃ（ｂｊ）（４） 第 ５ 步确定评价指标权重系数。 ｗｊ＝ Ｈ（ｂｊ） ∑ ｎ ｊ ＝ １ Ｈ（ｂｊ） （５） 第 ６ 步建立加权标准化决策矩阵。 Ｃ ＝ （ｃｉｊ）ｍｎ＝ ｗ１ｂ１１ｗ２ｂ１２ｗｎｂ１ｎ ｗ１ｂ２１ｗ２ｂ２２ｗｎｂ２ｎ ︙ ｗ１ｂｍ１ｗ２ｂｍ２ｗｎｂｍｎ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （６） 第 ７ 步评判对象贴近度计算。 正负理想解分别为 Ｖ＋＝{（ｍａｘ ｊ ｃｉｊＸｊ∈ Ｊ１），（ｍｉｎｃｉｊＸｊ∈Ｊ２）} Ｖ－＝{（ｍｉｎ ｊ ｃｉｊＸｊ∈Ｊ１），（ｍａｘｃｉｊＸｊ∈ Ｊ２）} { （７） 各评判对象与理想解的距离为 ｄ ＋ ｉ ＝ ∑ ｎ ｊ ＝ １ （ｃｉｊ － ｖ ＋ ｊ ） ２ ｄ － ｉ ＝ ∑ ｎ ｊ ＝ １ （ｃｉｊ － ｖ － ｊ ） ２ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ （８） 评判对象的贴近度为 Ｅ ＋ ＝ ｄ － ｉ （ｄ ＋ ｉ ＋ ｄ － ｉ） （９） ２矿 冶 工 程第 ３７ 卷 ChaoXing 式中 ０≤Ｅ＋≤１，按 Ｅ＋从大到小的顺序排列，Ｅ＋值最大 者为最佳方案。 ２．２ 采矿方法选择 １） 建立评价体系。 经专家论证，根据盛大铁矿的主要矿岩物理力学 性质，以控制地压对矿石进行安全高效回采为前提，初 步提出 ５ 个有代表性的方案 方案 １分段接力退采分段充填采矿法； 方案 ２分段砼柱充填采矿法； 方案 ３中深孔挤压崩矿跟随充填采矿法； 方案 ４上向进路充填采矿法； 方案 ５六边形进路下向充填法。 熵权⁃理想点综合评判指标体系主要从技术、经济 和安全 ３ 个角度来分析，其中经济指标（Ｐ１）包括采矿 成本（元／ ｔ，Ｘ１）、矿石回收率（％，Ｘ２） 和贫化率（％， Ｘ３）；技术指标（Ｐ２）包括采切比（ｍ／ ｋｔ，Ｘ４）、方案灵活 适应度（Ｘ５）、施工难易程度（Ｘ６）与采场生产能力（ｔ／ ｄ， Ｘ７）；安全指标（Ｐ３）包括空区允许最大暴露面积（ｍ２， Ｘ８）、通风条件（Ｘ９）及爆破对两帮的影响程度（Ｘ１０）。 综合评判体系如表 ２ 所示。 表 ２ 各个采矿方案的综合评价指标体系 项目 准则层 指标 层 方案 １方案 ２方案 ３方案 ４方案 ５ Ｘ１６８８４．３６２．１８７．５１０６．２ Ｐ１Ｘ２ ９４９４９２９５９６ Ｘ３７６９５５ Ｘ４２３．１８２６．９５１０．２１６．９８７．３４ Ｐ２ Ｘ５０．８５０．７５０．５５０．５５０．５５ Ｘ６０．６５０．７５０．６５０．７５０．８５ Ｘ７８００～１１００ ８００～１０００ ９００～１２００４００～５００２００～４００ Ｘ８４０６０３０３０５０ Ｐ３Ｘ９ ０．８５０．８５０．８５０．７５０．６５ Ｘ１００．６５０．６５０．８５０．５５０．５５ ２） 建立初始决策矩阵，见式（１０）。 ３） 决策矩阵归一化。 根据式（２），将初始决策矩 阵归一化得标准决策矩阵 Ｂ，见式（１１）。 ４） 确定权重指标系数。 根据式（３） ～（５）及标准 决策矩阵 Ｂ 中各属性指标值，确定各指标权重系数， 见式（１２）。 ５） 加权决策矩阵的计算。 由式（６）得加权后的 标准决策矩阵 Ｃ，见式（１３）。 ６） 计算理想解与距离。 各方案理想解与距离见 式（１４） ～（１５）。 Ａ＝ ６８９４７２３．１８０．８５０．６５９５０４００．８５０．６５ ８４．３９４６２６．９５０．７５０．７５９００６００．８５０．６５ ６２．１９２９１０．２１０．５５０．６５９５０３００．８５０．８５ ８７．５９５５６．９８０．５５０．７５４５０３００．７５０．５５ １０６．２９６５７．３４０．５５０．８５３００５００．６５０．５５ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ （１０） Ｂ＝ ０．１６７０．２０００．２１９０．３１００．２６２０．１７８０．２６００．１９００．２１５０．２００ ０．２０７０．２０００．１８８０．３６１０．２３１０．２０５０．２４７０．２８６０．２１５０．２００ ０．１５２０．１９５０．２８１０．１３７０．１６９０．１１８０．２８８０．１４３０．２１５０．２６２ ０．１５２０．２０２０．１５６０．０９３０．１６９０．２０５０．１２３０．１４３０．１９００．１６９ ０．２６００．２０４０．１５６０．０９８０．１６９０．２３３０．０８２０．２３８０．１６５０．１６９ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ （１１） Ｗ＝（０．０８５，０．０８９，０．１１９，０．０６８，０．１０７，０．０９３，０．１０４，０．１４０，０．０９９，０．０９３） Ｔ （１２） Ｃ＝ ０．０１４０．０１８０．０２６０．０２１０．０２８０．０１７０．０２７０．０２７０．０２１０．０１９ ０．０１８０．０１８０．０２２０．０２５０．０２５０．０１９０．０２６０．０４００．０２１０．０１９ ０．０１３０．０１７０．０３３０．００９０．０１８０．０１７０．０３００．０２００．０２１０．０２４ ０．０１８０．０１８０．０１９０．００６０．０１８０．０１９０．０１３０．０２００．０１９０．０１６ ０．０２２０．０１８０．０１９０．００７０．０１８０．０２２０．００９０．０３３０．０１６０．０１６ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ （１３） Ｖ ＋ ＝ ０．０１３０．０１８０．０１９ ０．００６０．０２８０．０１７０．０３００．０２０．０２１０．０１６[] Ｖ － ＝ ０．０２２０．０１７０．０３３ ０．０２５０．０１８０．０２２０．００９０．０４０．０１６０．０２４[] { （１４） ｄ＋ １＝０．０１１ ｄ－ １＝０．０２６， { ｄ＋ ２＝０．０２９ ｄ－ ２＝０．０２３， { ｄ＋ ３＝０．０１９ ｄ－ ３＝０．０３５， { ｄ＋ ４＝０．０２１ ｄ－ ４＝０．０３３， { ｄ＋ ５＝０．０２９ ｄ－ ５＝０．０２５ { （１５） ７） 各方案贴近度的确定。 由式（９）计算得各方案贴近度分别为７０．３％、４４．２％、 ６４．８％、６１．１％、４６．３％。 根据各方案贴近度排序，推荐 采用分段接力退采分段充填采矿法开采。 ３第 ３ 期刘志祥等 基于熵权⁃理想点的采矿方法优选及采场稳定性研究 ChaoXing ３ 采场稳定性数值模拟与应用 ＦＬＡＣ３Ｄ是一款能全面模拟矿体变形及破坏全过 程的有效主流的数学快速拉格朗日数值分析软件，近 几年广泛应用于矿山、道路、桥梁、边坡、基坑等土木工 程［１４］中。 本文结合盛大铁矿的工程概况、采场围岩变 形破坏机理与优选采矿方法的特点，利用 ＦＬＡＣ３Ｄ对采 场每步回采的应力位移及塑性变形区进行模拟分析， 验证采场稳固性效果，在计算过程中假设岩体为各向 同性连续介质并服从摩尔库伦强度屈服准则，忽略岩 体的节理裂隙等不连续条件的影响，采场处于一个均 匀应力场中。 ３．１ 采场结构参数 采场垂直矿体走向布置，矿房矿柱的长为矿体厚 度，分段高度 １２．５ ｍ，矿房与矿柱采场宽度均为 ４ ｍ， 凿岩出矿巷道宽 ４ ｍ，下盘出矿进路宽 ３．３ ｍ，布置在 脉外，距矿床约 ７ ｍ，分段运输巷道宽 ３．３ ｍ。 采准工 作由进路向矿体掘进凿岩巷道开始，凿岩巷道的掘进 遵循隔三采一的原则，凿岩巷道掘进完成后，于凿岩巷 道末端向上开拉切割井，切割井高度约 ９．５ ｍ，采场回 采顺序是先回采一步采场，一步采场回采后，胶结充 填，而后回采二步采场，二步采场回采后，胶结充填。 ３．２ 建 模 为使计算结果与实际情况更加吻合，所建模型应 足够大，应保证由于开挖引起的围岩变形范围处于计 算区域以内及开挖对模型其他部位影响较小。 本次计 算根据盛大铁矿矿体赋存条件和开采方式建立三维实 体模型。 将矿房数值几何模型设置为标准矿房，矿体 倾角简化为水平方向，矿体平均埋深为 １００ ｍ。 采场 模型尺寸为 ６０ ｍ ６８ ｍ ７５．６ ｍ， 网格单元尺寸为 ２ ｍ，模型一共划分为 ４３ ４００ 个节点，３９ ７８０ 个单元。 其中模型顶面为自由面，水平方向约束施加于模型前 后左右方向，模型底部采用固定约束，模型初始应力为 上部岩层自重应力。 矿体三维模型如图 １ 所示。 图 １ 矿体三维模型示意 ３．３ 计算结果分析 结合采场结构参数及岩体物理力学性质，根据采 矿方案设计，在分段上开凿一条支护巷道并在下盘开 凿凿岩巷道，在一步采场分别第一次回采、第二次回采 和第三次回采，利用 ＦＬＡＣ３Ｄ对采场开挖进行数值模拟 分析，得出不同开采步骤下的应力云图、竖向位移图及 采场塑性分布图。 数值计算采场竖向应力云图如图 ２ 所示。 图 ２ 结 果显示，巷道和凿岩巷道开挖后的最大竖向应力分别 为 ４．９５、４．９８、５．０４ 和 ５．３１ ＭＰａ，初始开挖时，岩体所受 应力几乎没改变，随着开挖范围扩大，岩体中应力重新 分布，岩体所受应力出现增加，采场开挖过程中出现一 定程度的应力释放，在回采矿块上方出现一定范围的 应变集中区，充填体能承担部分竖向应力，阻止顶板岩 层变形。 图 ２ 竖向应力云图 （ａ） 巷道开挖后； （ｂ） 一次回采后； （ｃ） 二次回采后； （ｄ） 三次回采后 数值计算采场竖向位移云图如图 ３ 所示。 由图 ３ 可知，开挖后支护巷道与凿岩巷道的最大位移分别为 １．４２、１．７６、２．２５ 和 ２．３７ ｍｍ，初始开挖时产生的位移相 对较小，随着开挖步数增加，竖向位移不断增大。 巷道 开挖会使顶、底板与侧帮向着临空面位移，受埋藏条件 影响，围岩变形主要表现在顶板围岩下沉和侧帮围岩 向临空面收敛，形状相对不规则，与底板围岩相比，顶 板与侧帮围岩出现的位移明显较大，其方向均指向采 空区。 巷道顶板及两帮位移的监测对采场稳定性起着十 分重要的作用［１５］，为了检验分段接力退采分段充填采 矿法在矿床开采中的效果，验证数值模拟岩层开挖后 的变形规律，采用 ＳＷＪ－Ⅳ隧道收敛计对围岩的断面 收敛进行了长期的现场监测。 对收敛计现场的实测数据采用半参数回归分析法进 行误差消除，所得巷道顶板下沉量与两帮移近量如图 ４ ４矿 冶 工 程第 ３７ 卷 ChaoXing 图 ３ 竖向位移云图 （ａ） 巷道开挖后； （ｂ） 一次回采后； （ｃ） 二次回采后； （ｄ） 三次回采后 时间/d 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 100203040507060 顶板下沉量/mm ◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆◆ ◆◆ ◆◆◆ ◆◆◆ ◆ 时间/d 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 100203040507060 两帮移近量/mm ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆◆ ◆◆ ◆ ◆ 图 ４ 巷道断面累计岩移量与时间的关系 所示。 由实测结果可以看出，两帮移近量与顶板沉降 量在观测初期变形增长速率大，但变形增长率随时间 增加而逐渐降低，且两帮移近量与顶板沉降量均不超 过 ３ ｍｍ，与数值模拟计算结果基本吻合，说明采用分 段接力退采分段充填采矿法能有效控制岩层变形，保 证矿床安全开采。 采场塑性区分布如图 ５ 所示。 结果显示，采场开 挖后采场应力重新分布，采场顶板围岩由于开采扰动 出现了塑性变形区，但在支护巷道中未出现塑性破坏， 表明采场顶板岩层需进行支护。 由矿体竖向应力位移与塑性区分布综合分析可知 图 ５ 采场塑性区分布 巷道开挖以后，顶板暴露面积增大，采场竖向应力与位 移不断增大，塑性区范围大幅增大，充填的岩体采场竖 向位移的增长趋势最为平缓，说明充填后的采场地压 得到有效控制，充填体发挥了应力隔离和转移的作用， 对防止顶板变形起着十分重要的作用。 ３．４ 工业试验应用 为验证分段接力退采嗣后充填采矿法的安全高效 性，经充分讨论，决定在矿区－１７５～ －１６２．５ ｍ 分段的 ７～１１号勘探线进行工业试验。 通过现场工业试验，试 验采场和原有崩落法采场相比贫化损失率低，采出的 金属矿石多且品位高，取得显著的经济效益。 经现场 统计，与矿山之前采用的无底柱崩矿法相比，矿石贫化 率与损失率由 ２８．２％和 ２８．５％降至 ７％和 ５％。 ４ 结 语 １） 运用熵权⁃理想点综合模型对初选的 ５ 种采矿 方案进行计算分析，得出 ５ 种采矿方案的贴近度分别 为 ７０．３％，４４．２％，６４．８％，６１．１％和 ４６．３％，从而确定分 段接力退采分段充填采矿法为最优采矿方法。 ２） 根据矿块物理力学性质及分段接力退采嗣后 充填法的特点，对该矿采场进行数值模拟，并分析其稳 定性。 随着巷道开挖，应力重新分布，开挖后的竖向应 力与位移不断增大，并出现了塑性区。 同时通过对现 场巷道两帮移近量及顶板沉降量的实测分析发现，采 场位移增长趋势变缓，与数值模拟计算结果基本一致， 说明充填体发挥了应力隔离和转移的作用，有效防止 顶板变形，有利于采场安全开采。 ３） 该矿使用分段接力退采分段充填采矿法进行 工业试验，回采贫化率和损失率都大大降低，提高了资 源利用率。 可为同类矿山提供经验。 参考文献 ［１］ 刘志祥，冯 凡． 模糊综合评判法在矿山岩体质量分级中的应用 ［Ｊ］． 武汉理工大学学报， ２０１４，３３（１）１２９－１３４． ［２］ 王新民，赵 彬，张钦礼． 基于层次分析和模糊数学的采矿方法选 择［Ｊ］． 中南大学学报（自然科学版）， ２００８（５）８７５－８８０． （下转第 １０ 页） ５第 ３ 期刘志祥等 基于熵权⁃理想点的采矿方法优选及采场稳定性研究 ChaoXing 况较为理想，但很多情况下在山脚不出露，而且矿层厚 度较大，针对此种情况可以采用集液明沟，加上辅助集 液巷道的方式。 围绕山脚掘进集液明沟，再每隔一定 距离（一般取 ３０ ｍ）向矿体底板掘进集液平巷，到达基 岩面后，则沿着基岩面掘进集液横巷（暗巷），连通各 个集液平巷。 若矿体极厚大，则平行于集液横巷布设 集液分巷，集液分巷和集液横巷间距不小于 ５ ｍ。 局 部情况，可以考虑辅以层流孔增渗方式。 此法工程布 置灵活，适用于大多数矿床。 如图 ６ 所示。 图 ６ 天然底板＋辅助巷道集液法 １ 表土层； ２ 全风化层； ３ 底板； ４ 注液孔； ５ 集液横 巷； ６ 集液分巷； ７ 集液平巷； ８ 集液明沟； ９ 水封孔 ３ 结 语 针对离子型稀土资源不同的矿床开采技术条件， 制订了原地浸矿技术适用性对照表，并对原地浸矿采 矿法进行客观分类，有利于指导我国离子型稀土资源 的科学规划、有序开采，提高离子型稀土资源综合回收 率，降低环境影响和污染程度，促进稀土行业的可持续 健康发展。 参考文献 ［１］ 池汝安，田 君． 风化壳淋积型稀土矿述评［Ｊ］． 中国稀土学报， ２００７，２５（６）６４１－６５０． ［２］ 罗仙平，钱有军，梁长利． 从离子型稀土矿浸取液中提取稀土的技 术现状与展望［Ｊ］． 有色金属科学与工程， ２０１２，３（５）５０－５９． ［３］ Ｈｕａｎｇ Ｘｉａｏｗｅｉ， Ｌｏｎｇ Ｚｈｉｑｉ， Ｌｉ Ｈｏｎｇｗｅｉ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｈｙｄｒｏｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｃｈｉｎａ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈｓ， ２００５，２３（１）１－５． ［４］ Ｔｉａｎ Ｊｕｎ， Ｙｉｎｇ Ｊｉｎｇｑｕｎ， Ｃｈｅｎ Ｋａｉｈｏｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｌｅａｃｈ ｌｉｑｕｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅａｔｈｅｒｅｄ ｃｒｕｓｔ ｅｌｕｔｉｏｎ⁃ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｏｒｅ ｗｉｔｈ ｎｏｎ⁃ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｎ⁃ ｅｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ２０１１，９８（３）１２５－１３１． ［５］ 朱冬梅，方夕辉，邱廷省，等． 稀土冶炼氨氮废水的处理技术现状 ［Ｊ］． 有色金属科学与工程， ２０１３，４（２）９０－９５． ［６］ 刘金良，黄小卫，龙志奇，等． 磷酸铵镁法回收稀土分离废水中镁 及氨氮的研究［Ｊ］． 中国稀土学报， ２０１０，２８（１）４８－５２． ［７］ 伍红强． 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