某缓倾斜铁矿采场结构参数与开采顺序优化研究 sup ① _sup _邹平.pdf

某缓倾斜铁矿采场结构参数与开采顺序优化研究 ① 邹 平１，２， 贺 超３， 李爱兵２， 孟中华２， 王飞飞２ （１．中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 ４１００８３； ２．长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 ４１００１２； ３．万宝矿产有限公司，北京 １０００５３） 摘 要 为了得到某铁矿采场结构参数和最优开采顺序，采用 Ｂｉｅｎｉａｗｓｋｉ 矿柱强度设计公式对采场结构参数进行了优化。 利用数 值模拟方法建立了 ３ 个不同开采顺序的分析模型，模拟了开采现状和下步开采过程。 研究结果表明设计的“棋盘”方式的矿房、矿 柱布置形式，有利于地压控制、通风、矿柱回收和保护地面的建（构）筑物等；各盘区之间在盘区大矿柱的隔离作用下，相互之间的影 响较小；最优的开采顺序为由北向南开采，其次为从中间到两边开采；根据矿柱强度设计公式和三维数值模拟分析综合确定了采场 结构参数。 研究结果可为相似矿山采场结构参数研究提供参考。 关键词 铁矿； 采矿； 缓倾斜厚大矿体； 采场结构参数； 开采顺序； 三维数值分析 中图分类号 ＴＤ８５３文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-６０９９．２０２０．０２．００８ 文章编号 ０２５３-６０９９（２０２０）０２-００３７-０６ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔｏｐｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ａ Ｓｌｉｇｈｔｌｙ Ｉｎｃｌｉｎｅｄ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ ＺＯＵ Ｐｉｎｇ１，２， ＨＥ Ｃｈａｏ３， ＬＩ Ａｉ-ｂｉｎｇ２， ＭＥＮＧ Ｚｈｏｎｇ-ｈｕａ２， ＷＡＮＧ Ｆｅｉ-ｆｅｉ２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１２， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｗａｎｂａｏ Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００５３， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｓｔｏｐｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｆｏｒ ｏｎｅ ｉｒｏｎ ｏｒｅ ｍｉｎｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ｂｉｅｎｉａｗｓｋｉ ｐｉｌｌａｒ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ． Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｉｎｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｕｓｉｎｇ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ， ｓｏ ａｓ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｑｕｏ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｍｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｒｏｏｍｓ ａｎｄ ｐｉｌｌａｒｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ａ ｆｏｒｍ ｏｆ “ｃｈｅｃｋｅｒｂｏａｒｄ” ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ ｔｏ ｇｒｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ， ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ， ｍｉｎｅ ｐｉｌｌａｒ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ） ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｇｒｏｕｎｄ； ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｐｉｌｌａｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｎｅｌ ｃａｎ ｌｅａｄ ｔｏ ｔｈｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅａｃｈ ｐａｎｅｌ， ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｎｅｌｓ ｉｓ ｓｍａｌｌ； ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｏ ｂｅ ｆｒｏｍ ｎｏｒｔｈ ｔｏ ｓｏｕｔｈ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｂｏｐｔｉｍａｌ ｃｈｏｉｃｅ ｉｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｔｏ ｂｏｔｈ ｓｉｄｅｓ． Ｔｈｅ ｓｔｏｐｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｐｉｌｌａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｔｏｐｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｍｉｎｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｉｒｏｎ ｏｒｅ； ｍｉｎｉｎｇ； ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｌａｒｇｅ ｏｒｅ ｂｏｄｙ； ｓｔｏｐｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ； ｍｉｎｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ； ｔｈｒｅｅ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ 目前，我国开采缓倾斜中厚和厚大矿体主要采用 房柱法（约占 ５０％）、底盘漏斗采矿法（约占 ３５％），少 部分采用胶结和尾砂充填采矿法以及浅孔留矿 法［１-２］。 合理的采场结构参数和开采顺序对采场的稳 定性和矿石回收率起着至关重要的作用。 对于采场结 构参数和开采顺序，已有学者开展了相关研究［３-９］。 某铁矿位于广东省境内，为缓倾斜厚大矿体，以贫矿为 主，经过近年不规范开采，留下了不规则的矿柱和大小 不等的采空区，部分采场地压活动明显，影响到了矿山 的正常生产。 因此，急需对其采场结构参数和开采顺 序进行优化研究，防止大面积地压活动出现，保证矿山 安全生产。 ①收稿日期 ２０１９-１１-２３ 作者简介 邹 平（１９８３-），男，湖南怀化人，博士研究生，主要从事矿山安全技术研究。 第 ４０ 卷第 ２ 期 ２０２０ 年 ０４ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．４０ №２ Ａｐｒｉｌ ２０２０ ChaoXing １ 矿山概况 １．１ 矿体特征 矿体走向大致呈东西向，向南东倾伏，倾角较缓 １０～２０，与地层产状基本一致。 按南、中、北依次分 为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号矿体，且三个矿体是连续分布的。 Ⅰ号矿体平面形态呈烧饼状，剖面上呈似层状、 透镜状，东西长 ８００～１ ０００ ｍ，南北宽 ５００～９７０ ｍ，矿 体厚度一般 ８～２０ ｍ，最厚 ５５．９５ ｍ，平均 １８．０６ ｍ。 矿 体赋存标高 １００～４５０ ｍ，埋藏深度 １２５～３３０ ｍ。 地表 无出露，属全隐蔽型矿体。 以贫矿为主，富矿较少且厚 度较小（３～１０ ｍ）。 Ⅱ号矿体呈北西～南东，长 ７５０ ｍ，宽 ３００ ｍ，矿体 较薄，厚度一般在３～８ ｍ 之间，局部超过 １０ ｍ（１３．９ ｍ）， 平均厚度 ６．２８ ｍ。 下部为 Ｉ 号矿体，离 Ｉ 号矿体顶板 一般 １０～２０ ｍ，最大 ４９ ｍ。 Ⅲ号矿体平面形态呈狭长方形，东西水平长 １ ３００ ｍ，南北宽２００～３００ ｍ。 矿体厚度较大的 ２０～３０ ｍ， 其余则在 ２．０６～８．４７ ｍ 之间，平均厚度 ６．１０ ｍ。 为满足对矿产资源的需求，将Ⅰ、Ⅱ号矿体进行合 并，矿体最大厚度为 ８７ ｍ。 １．２ 工程地质条件 矿体顶板主要为矽卡岩，厚度为 ２～２０ ｍ，岩石结 构致密，性质坚硬。 往上为角岩或变质粉砂岩，岩石的 硬度较大。 在矿区西南部某些地层接触界面附近，节 理和裂隙发育，形成层间破碎带，厚度一般为 １０～２０ ｍ， 最大 ４０ ｍ。 矿体底板主要为角岩或石英岩，少量的矽卡岩，岩 石结构致密，性质坚硬。 １．３ 采矿方法 采用浅孔留矿法开采采场高度 １８ ～ ２２ ｍ，宽度 １２～１６ ｍ；沿近东西方向留宽为 ６ ｍ 的连续矿柱，每隔 ８ ｍ 开 ６ ｍ ５ ｍ 的出矿短穿，形成 ８ ｍ ６ ｍ 的条形 点柱。 ２ 采场结构参数初步优化 ２．１ 布置方式 经研究确定，矿房、矿柱的布置形式拟采用“棋 盘”格式，即首先在整个矿区沿矿体走向和倾向布置 几条较大规格的盘区矿柱，然后在盘区内沿走向方向 布置小矿柱。 具体的盘区、矿房和矿柱布置方式为（如图１ 所示） １） 在南、中部矿体分界处留设一条沿倾向布置的 XD1 XD2 XD3 NＢ1 NＢ2 NＢ3 NＢ4 NＢ5 南、中 分界矿 柱 目前采 场与下 步采场 分界矿 柱 中、北分界矿柱 16 17 18 19 20 21 1 2 35 4 6 789 1011 1213 14 15含空 区矿 体 Ⅲ号 矿体 ⅠⅡ号 矿体 、 图 １ 盘区矿柱布置及盘区编号简图 盘区矿柱（ＮＢ３），以此盘区矿柱为中心，沿倾向向南、中 部共布置 ５ 条南、中部矿体的盘区矿柱（ＮＢ１～ＮＢ５）。 ２） 在目前开采的东部边界处留设一条沿走向的 盘区矿柱（ＸＤ２），以此盘区矿柱为中心，向西、东共布 置 ３ 条盘区矿柱（ＸＤ１～ＸＤ３）。 ３） 中、北部矿体之间未连接部分全部留设为盘区 矿柱。 ４） 共划分 ２１ 个盘区，其中 １～９ 盘区属于南部矿 体，１０～１５ 盘区属于中部矿体，１６～２１ 盘区属于北部 矿体。 ５） 在盘区内沿走向布置矿房和小矿柱，分允许放 顶与不允许放顶两种情况进行盘区内矿房和小矿柱尺 寸的比较和确定。 ２．２ 采场结构参数计算 ２．２．１ 计算方法 采用 Ｂｉｅｎｉａｗｓｋｉ 推荐的矿柱强度设计公式计算该 铁矿盘区矿柱与盘区内小矿柱安全系数［１０-１２］，从而确 定最优的矿房跨度和矿柱宽度 Ｋ ＝ σｃ０．６４ ＋ ０．３６ ＷＰ ｈ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ α γＨ １ ＋ ＷＯ ＷＰ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （１） 式中 σｃ为矿柱单轴抗压强度，按南、中部的矿石单轴 抗压强度选取，分别为 ５７．４３ ＭＰａ、６０ ＭＰａ；ＷＰ为矿柱 宽度； ＷＯ为矿房宽度；ｈ 为矿柱高度，即为矿体厚度， 从留设矿柱所穿过的勘探剖面上量取；γ 为上覆岩层 平均容重，统一取 ３．０ ｔ／ ｍ３；Ｈ 为开采深度，从留设矿 柱所穿过的勘探剖面上量取。 ８３矿 冶 工 程第 ４０ 卷 ChaoXing ２．２．２ 盘区矿柱安全系数计算 沿倾向的盘区矿柱拟定了 ４ 种方案 方案 Ａ矿房跨度 １００ ｍ，矿柱宽度 ３０ ｍ； 方案 Ｂ矿房跨度 １００ ｍ，矿柱宽度 ３５ ｍ； 方案 Ｃ矿房跨度 １２０ ｍ，南部矿柱宽度 ３５ ｍ，中 部矿柱宽度 ３０ ｍ； 方案 Ｄ矿房跨度 １２０ ｍ，南部矿柱宽度 ４０ ｍ，中 部矿柱宽度 ３５ ｍ。 沿走向的盘区矿柱拟定１ 种方案矿房跨度２００ ｍ， 矿柱宽度 ４０ ｍ。 经计算可知方案 Ａ 中盘区矿柱 ＮＢ３～ＮＢ５ 不满 足安全系数要求；方案 Ｃ 中盘区矿柱 ＮＢ１～ＮＢ４ 均不 满足安全系数要求；方案 Ｂ 与方案 Ｄ 都能满足安全系 数的要求，但方案 Ｂ 中所留的矿柱多于方案 Ｄ，从减小 矿产资源损失、有利于最大可能回收资源的角度出发， 推荐方案 Ｄ。 ２．２．３ 盘区内小矿柱安全系数计算 根据上述确定的盘区矿柱尺寸，将整个南、中部矿 体划分为 １５ 个盘区（如图 １ 所示）。 计算时盘区内按 统一埋深和矿柱高度计算，根据经过盘区的剖面中量 取，由矿柱稳定性因素正交极差分析知，矿体埋深对安 全系数的影响最大，取矿体埋深最大的剖面进行计算。 经计算可知 １） 对于南部矿体盘区，矿房跨度在 １２～１４ ｍ 之 间时，留取 ７～９ ｍ 的矿柱即可维持采场的安全。 ２） 对于中部矿体盘区，矿房跨度在 １２～１４ ｍ 之 间时，留取 ５～７ ｍ 的矿柱即可维持采场的安全。 ３） 南部矿体地表不允许放顶，必须保证空场顶板 不冒落，推荐的采场结构参数为矿房跨度 １２ ｍ，矿柱 宽度 ８ ｍ。 ４） 中部矿体不允许放顶时，推荐的采场结构参数 为矿房跨度 １４ ｍ，矿柱宽度 ８ ｍ；允许放顶时，推荐的 采场结构参数为矿房跨度 １４ ｍ，矿柱宽度 ６ ｍ。 ５） 在矿体变厚大处，矿柱的尺寸在原有推荐的采 场结构参数基础之上，可适当增加 ２～４ ｍ。 ３ 三维数值模拟 ３．１ 三维数值模型 采用 ＭＩＤＡＳ／ ＧＴＳ 数值分析软件对该铁矿的开采 现状和下部采矿过程进行模拟分析，其中下步开采根 据上节采场结构参数优化推荐的参数进行建模（分析 模型如图 ２ 所示）① 沿倾向的盘区矿柱矿房跨度 １２０ ｍ，南部矿柱宽度 ４０ ｍ，中、北部矿柱宽度 ３５ ｍ； ② 沿走向的盘区矿柱矿房跨度 ２００ ｍ，矿柱宽度 ４０ ｍ；③ 盘区内沿走向布置采场，南部矿房 １２ ｍ，中、 北部矿房 １４ ｍ，矿柱均为 ８ ｍ。 其中Ⅲ号矿体在模拟 过程中仅模拟 ４ 个盘区的开采。 图 ２ 矿体数值分析网格化模型 模型范围ｘ＝-１８００～１５００ ｍ（共３３００ ｍ，为矿区 的 ＷＥ 方向）；ｙ＝-２ ６００～２ ８００ ｍ（共 ５ ４００ ｍ，为矿区 的 ＳＮ 方向）；ｚ＝-３００ ｍ 至地表。 ３．２ 岩体力学参数 根据该铁矿的工程地质特征，计算中考虑了 ８ 种 力学介质，即泥岩、砂岩、矽卡岩、花岗岩、矿体南、矿体 中、矿体北和第四系。 在现场工程地质调查、室内岩石 力学试验和岩体质量评价的基础之上综合选取了岩体 物理力学参数，如表 １ 所示。 表 １ 岩体物理力学参数 岩体 容重 ／ （ｔｍ -３ ） 粘结 力 ／ ＭＰａ 内摩 擦角 ／ （） 抗压 强度 ／ ＭＰａ 抗拉 强度 ／ ＭＰａ 岩体 弹模 ／ ＭＰａ 泊 松 比 泥岩２．８２２２．３４３０．２８．１６１．６７ １５１０．２６６ 砂岩２．７４１６．１１３５．３２３．６５２．４１７ ４８２０．１５ 矽卡岩２．９１７６．９４３３．９２６．０６２．８１４ ８２５０．２２７ 矿体南３．１０２３．２８３３．５１６．５１１．４１１ ２５２０．１２５ 矿体北３．２１３５．１４２９．２１７．５２２．４１０ ６２１０．１７４ 矿体中３．６５３．３２３２．８１６．１６２．２１０ ５１３０．１５８ 花岗岩２．６１８．０４０．０３０．５２．２１８ ６１１０．１５ 第四系１．８００．２２５．０２．００．２２０００．３ ３．３ 最优回采顺序的模拟模型 该铁矿目前仅开采 Ｉ 号矿体的西北角，总体规划 为从西向东推进。 本次模拟分析矿山开采稳定性现 状，并在确定的下步开采采场结构参数基础上，确定下 步开采最优回采顺序。 针对Ⅰ和Ⅱ号矿体，建立 Ｍ１、 Ｍ２、Ｍ３ 三个模型分别模拟分析从南往北、从北往南和 ９３第 ２ 期邹 平等 某缓倾斜铁矿采场结构参数与开采顺序优化研究 ChaoXing 从中间（从南、中隔离矿柱开始）到两边的开采顺序， 各模型的具体模拟步骤如表 ２ 所示。 表 ２ 模型模拟计算步骤及简要说明 计算 步骤 Ｍ１ 模型 （从南往北） Ｍ２ 模型 （从北往南） Ｍ３ 模型 （从中间往两边） １计算在自重应力场作用下的初始应力场 ２现有空区的开挖 ３１ 盘区开采１４ 盘区开采７、１０ 盘区开采 ４２ 盘区开采１５ 盘区开采８、１１ 盘区开采 ５３ 盘区开采１２ 盘区开采９、１２ 盘区开采 ６４ 盘区开采１３ 盘区开采３、１３ 盘区开采 ７５ 盘区开采１０ 盘区开采４、１４ 盘区开采 ８６ 盘区开采１１ 盘区开采５、１５ 盘区开采 ９７ 盘区开采７ 盘区开采６ 盘区开采 １０８ 盘区开采８ 盘区开采１ 盘区开采 １１９ 盘区开采９ 盘区开采２ 盘区开采 １２１０ 盘区开采３ 盘区开采１６～１９ 盘区开采 １３１１ 盘区开采４ 盘区开采 １４１２ 盘区开采５ 盘区开采 １５１３ 盘区开采６ 盘区开采 １６１４ 盘区开采１ 盘区开采 １７１５ 盘区开采２ 盘区开采 １８１６～１９ 盘区开采 ４ 模拟结果分析 ４．１ 空区现状稳定性计算结果分析 第 ２ 模拟步骤模拟现有空区的开挖，形成了面积 较大的采空区，空区周围矿岩体产生了应力重分布。 在采空区的顶板普遍产生了拉应力（如图 ３ 所示，图 中正值为拉应力，负值为压应力），拉应力值一般在 ０．４～１．７ ＭＰａ 之间，最大拉应力值为 ３．４６９ ＭＰａ，已经 超过中部矿体的抗拉强度（２．２ ＭＰａ），导致岩体破坏。 留存矿柱中普遍产生了压应力集中，尤其出矿口周边 集中程度较大，应力集中程度达 ２～３ 倍。 采空区的顶 板下沉，最大为 １．０１８ ｃｍ，矿柱底部向上隆起，最大达 １．１７３ ｃｍ。 图 ３ 第 ２ 步骤 ３７５ ｍ 水平最大主应力等值线图 留存矿柱中普遍产生了塑性区（如图 ４ 所示），其 中以南部居多，产生塑性区的部位基本位于出矿口处； 靠近矿柱处的空区顶板也产生了部分塑性区。 说明目 前开采的采场稳定性较差，所留的采场结构参数不合 理，出矿口的存在破坏了矿柱的连续性，是引起矿柱破 坏的重要因素之一。 图 ４ 第 ２ 步骤 ３７５ ｍ 水平塑性应变云图 ４．２ 下步开采计算结果分析 第 ３ 步骤开始模拟下步开采情况，Ｍ１ ～ Ｍ３ 模型 分别模拟了不同的开采顺序，目的是通过比较分析，找 出最优开采顺序。 ４．２．１ 应力分析 各模型模拟最大与最小主应力的最大值及其发生 位置如表 ３ 所示。 从各盘区里选取最小主应力值最小 的模型相互比较，所占的盘区数量最多的模型，则该模 型开采顺序最优，比较结果如表 ４ 所示。 从表 ４ 可知， 从顶板的拉应力值来看，最优开采顺序的模型为 Ｍ１＞ Ｍ３＞Ｍ２；从矿柱的拉应力值来看，最优开采顺序的模 型为 Ｍ２＞Ｍ３＞Ｍ１。 表 ３ 模拟结果最大值及其发生位置 模型 最大主应力／ ＭＰａ最小主应力／ ＭＰａ最大沉降量／ ｍｍ 顶板矿柱顶板矿柱顶板矿柱 Ｍ１ ２ 盘区 ０．９６８ １３ 盘区 ０．８２３１ ３ 盘区 -１．５３９ ２ 盘区 -１９．９１８ ５ 盘区 -１９．１７０ ５ 盘区 -１８．５３８ Ｍ２ ２ 盘区 １．０６１ １３ 盘区 ０．８１１５ ８ 盘区 -１．６０２ ２ 盘区 -２０．３６８ ２ 盘区 -１８．４２１ ５ 盘区 -１７．８５４ Ｍ３ ２ 盘区 １．０６１ １３ 盘区 ０．８２４３ ３ 盘区 -１．５５８ ２ 盘区 -２０．３６８ ２ 盘区 -１８．４２１ ５ 盘区 -１７．８５４ 表 ４ 最小主应力、最大沉降量的最小值所占盘区数量 模型 最大主应力／ 个最大沉降量／ 个 顶板矿柱顶板矿柱 Ｍ１８５２３ Ｍ２２８１２１１ Ｍ３６６４３ ０４矿 冶 工 程第 ４０ 卷 ChaoXing 在采场周边矿柱的一些角点产生了压应力集中， 其最大拉应力出现在 Ｍ２ 模型的 ２ 盘区内矿柱的顶端 处（如图 ５ 所示），其值为-２０．３６８８ ＭＰａ，超过了南部 矿体的抗压强度（１６．５２ ＭＰａ），出现压应力破坏区。 图 ５ Ｍ２ 模型 ２ 盘区最大与最小主应力等值线图 （ａ） 最大主应力； （ｂ） 最小主应力 ４．２．２ 位移分析 各模型模拟位移值最大值及其发生位置如表 ３ 所 示。 采场开采后，各模型大体的位移变化趋势为顶板 向下沉降，底板向上少量的底鼓；一般最大位移发生在 矿柱顶端接近采空区顶板处；盘区大矿柱的存在，从沉 降位移等值线分布来看，在其上产生的沉降位移等值 线为近水平方向，说明盘区大矿柱的存在对控制顶板 沉降起到了较为关键的作用。 顶板最大下沉位移发生在 Ｍ１ 模型的 ５ 盘区处， 其值为-１９．１７ ｍｍ；矿柱最大下沉位移发生在 Ｍ１ 模型 的 ５ 盘区处，其值为-１８．５４ ｍｍ，如图 ６ 所示。 图 ６ Ｍ１ 模型第 ８ 模拟步骤沉降位移等值线图 各模型各盘区的位移值相差也不大，尤其是Ⅲ号 矿体的 １６～１９ 盘区的位移值也都一样，这也说明在盘 区大矿柱的隔离作用下，各盘区之间的相互影响较小。 盘区矿柱起到了很好的保护作用，盘区矿柱尺寸留取 得也较为合理。 矿柱位移较大的盘区为 ２、４、５、６、８、９、１０、１３ 盘区。 从各盘区里沉降量值最小的模型相互比较，所占 的盘区数量最多的模型，则该模型的开采顺序最优，如 表 ４ 所示。 从表 ４ 可知，从顶板的沉降量值来看，最优 开采顺序的模型为 Ｍ２＞Ｍ３＞Ｍ１；从矿柱的沉降量值来 看，最优开采顺序的模型为 Ｍ２＞Ｍ１＝Ｍ３。 ４．２．３ 塑性区分析 模型的塑性区主要发生在盘区内的小矿柱处（如 图 ７ 所示），且多发生于矿体边界处。 共有 ５ 个盘区产 生了塑性区，即 ２、４、５、６、１３ 盘区。 其中以 ２ 盘区的塑 性区范围最大（如图 ８ 所示）；２、４ 盘区的塑性区发生 于矿柱中心，扩展到顶、底部位；５ 盘区的塑性区发生 于矿柱中心顶部；６ 盘区的塑性区发生于矿柱顶部与 围岩交界处；１３ 盘区的塑性区发生于矿柱底部与围岩 交界处。 由此可见，矿体南部的稳定性较差，可将矿体 南部与 １３ 盘区的矿柱尺寸进行调整。 图 ７ Ｍ１ 模型整体矿柱塑性应变云图 图 ８ Ｍ１ 模型 ２ 盘区矿柱塑性应变云图 盘区之间的大矿柱未产生塑形区，说明留取的盘 １４第 ２ 期邹 平等 某缓倾斜铁矿采场结构参数与开采顺序优化研究 ChaoXing 区矿柱尺寸较为合理。 除产生塑性区的几个盘区外，其余矿柱应变较大 的盘区为 ８、９、１０ 盘区。 ５ 结 论 １） 针对该铁矿缓倾斜厚大矿体，设计了“棋盘” 方式的矿房、矿柱布置形式，即首先在整个矿区沿矿体 走向和倾向分别布置几条较大规格的盘区矿柱，然后 在盘区内沿走向方向布置矿房和小矿柱，这样有利于 地压控制、通风、矿柱回收和保护地面的建（构） 筑 物等。 ２） 各盘区之间在盘区大矿柱的隔离作用下，相互 之间的影响较小，可以有效避免“多米诺”方式的大面 积地压灾害的发生。 ３） 由应力、位移、塑性区以及各种其它因素可知， Ｍ２ 模型模拟的开采顺序最优，即由北向南开采为最优 的开采顺序，其次为从中间到两边开采。 ４） 根据矿柱强度设计公式和三维数值模拟分析 综合确定的采场结构参数为沿倾向的盘区矿房跨度 １２０ ｍ，南部矿柱宽度 ４０ ｍ，中、北部矿柱宽度 ３５ ｍ；沿 走向的盘区矿房跨度 ２００ ｍ，矿柱宽度 ４０ ｍ；盘区内沿 走向布置采场，南部矿房 １２ ｍ，矿柱 ９ ｍ，中、北部矿房 １４ ｍ，矿柱 ８ ｍ；如果允许放顶时，中部可以调整为矿 房跨度 １４ ｍ，矿柱宽度 ６ ｍ；在矿体厚大处，矿柱尺寸 在原有推荐参数的基础之上可适当增加 １～２ ｍ。 参考文献 ［１］ 崔曙忠． 某铁矿中厚及以上缓倾斜矿体采矿方法研究［Ｊ］． 金属 矿山， ２０１２（８）２１-２４． ［２］ 修 蕾，乔 木，李志军，等． 缓倾斜中厚矿体开采方法研究［Ｊ］． 有色金属（矿山部分）， ２０１１，６３（２）８-１０． ［３］ 赵 欣． 基于满意度模型的采场结构参数多目标综合优化研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１８，３８（６）３３-３８． ［４］ 张永贵，郭建江． 用沙坝矿难采矿体采场结构参数优化研究［Ｊ］． 现代矿业， ２０１７，３３（８）８５-８７． ［５］ 胡建华，任启帆，黄仁东，等． 地下矿山采场结构参数的核主成分 分析法优化［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１８，３８（２）２５-２９． ［６］ 张茂盛，白立远，王 平． 某铁矿采矿方法优选及采场结构参数优 化［Ｊ］． 有色金属（矿山部分）， ２０１５，６７（２）１５-１８． ［７］ 刘建东，解联库，曹 辉． 大规模充填采矿采场稳定性研究与结构 参数优化［Ｊ］． 金属矿山， ２０１８，４７（１２）１０-１３． ［８］ 兰 明，刘志祥，李夕兵，等． 中深孔崩矿阶段嗣后充填法采场结 构参数优化［Ｊ］． 中南大学学报（自然科学版）， ２０１８，４９（４）９３３ -９３９． ［９］ 邹 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