石人沟铁矿地下采场结构参数优化研究

石人沟铁矿地下采场结构参数优化研究

唐山钢铁公司石人沟采矿期长约30年，现在处于隧道开通期，预计露天开采将于2005年底结束（见图1）。为了实现产量平衡,避免产量波动过大,石人沟铁矿采用不停产过渡,在垂直方向上露天与地下同时开采。因此,露天转地下过渡开采期间,露天边帮无法崩落处理,这时进行地下开采将影响到边帮的稳定性。针对石人沟铁矿I区(12线～18线之间)露天转地下过渡期开采的具体情况,利用数值模拟方法,对不同矿房结构参数下的采场和边帮的稳定性进行分析,并结合矿山经济指标,建立综合模糊评判模型,通过方案对比、综合评判,最终得出合理的矿房结构参数。1计算方案和参数1.1在具体矿山开采的结构参数确定方面,应注意的问题一般对矿房结构参数的选定,取决于矿体赋存条件、矿体倾角和厚度、矿体的围岩稳固程度、矿区的地质构造以及采空区附近构筑物的重要程度。目前,并没有也不可能有一个适用于各种具体矿山的固定的结构参数,但许多矿业工作者在选择结构参数方面积累了丰富的经验。因此,在确定某一具体矿床开采的结构参数时,应针对具体情况做具体分析。通过对石人沟铁矿I区矿岩情况进行深入分析,确定采场矿房高度为44m,底板厚度为12m,间柱宽度、矿房跨度、顶板厚度3类结构参数共分9个,计算方案见表1。1.2岩石物理力学性质实验为获得数值模拟计算所需的基础数据,进行了岩石物理力学性质实验,并考虑试件的尺寸效应、围岩所处环境等因素的影响,对试验结果进行了合理处理。计算采用的岩体力学参数见表2。2计算方法和结果2.1研究区域及网格划分Ⅰ区岩体性质较均一,可近似作为各向同性介质处理,故采用有限元法(ANSYS)对表1所列9个方案进行数值模拟计算研究。考虑到采区的几何和外载的对称性,沿矿体走向选取北区12线至14线间200m,垂直矿体走向150m,铅垂方向-12～-60m的范围作为研究对象,以分析运矿公路位置、地下采场和边坡的稳定性。根据精度要求,创建的模型体积是模拟范围的3～5倍,模型为600m×480m×260m的长方形,即沿矿体走向取600m(x方向),垂直矿体走向取480m(y方向),沿铅垂方向取260m(z方向,从地表+100m至-160m)。同时采用空间四面体对模型进行网格划分,整个模型划分为13020个单元,18584个节点,其中开采范围内矿体及边坡脚划分较密集,其他部分的网格较大。计算域边界采用位移约束,模型顶面采用自由边界,底面采用X、Y、Z3个方向的位移约束,对模型的4个侧面采用应力边界条件。在确定原岩应力时,底部边界固定,上部自由,四周边界施加随深度增加而增加的梯度应力边界条件。2.2模拟矿房回采过程,设立矿房不断开挖和补采用ANSYS有限元软件建立三维实体模型,模拟矿房采出矿石后,矿房顶、底柱,间柱和边坡的受力、变形情况,基本步骤如下:(1)建立Ⅰ区的几何模型,输入基本参数,结合实测应力场,生成原岩应力场;(2)利用有限元软件ANSYS,分6步开挖原岩,形成露天坑,模拟出原岩经露天开挖(即卸荷)后岩体的应力分布以及变形状况;(3)在第二步的基础上,对选定的9个方案逐个进行模拟,对第一中段的矿房按照沿矿体走向从南到北,多矿脉处先上盘后下盘的顺序回采,一次同时回采2个矿房,得出矿房间柱、顶、底柱的应力、应变变化以及边坡的应力分布和变形情况;(4)对各方案的模拟结果进行比较分析,评价采场和边坡的稳定性。2.3计算按照上述模型和计算步骤分别对9个方案进行计算,计算结果见表3。3综合模糊评估的结果3.1稳定系数评价考虑到采场变形破坏的特点,主要从两方面评价其稳定性:(1)围岩顶柱的铅垂位移和最大拉应力。依据各方案中顶柱铅垂位移的大小和顶板拉应力与岩体的抗拉强度来评价其稳定程度。(2)矿房间柱所受的最大主应力。以岩体实际的受力值和岩体的极限强度的比值作为安全系数进行评价。稳定系数小于1,间柱不稳定;稳定系数等于1,间柱处于极限平衡状态;稳定系数大于1,间柱处于稳定状态。3.2指标的基本特征为了从安全和经济效益角度评价各种方案的优劣,选用边坡的最小主应力、水平位移(沿露天坑方向)和矿房的间柱安全系数、顶板安全系数、顶板铅垂位移,以及矿块采切比作为评价指标,基本数据见表3,表4。3.3相邻等级的模糊综合评判由于采场结构参数综合评价涉及的因素较为复杂,有许多客观因素相当模糊且具有明显的不确定性,采用FUZZY法对石人沟铁矿采场结构参数模型进行综合评判,评判的基本模型参见文献。从表4可以看出,方案1,4,7,8的矿房顶板或间柱的安全系数小于1,不能满足安全要求,故只需对余下的5种方案进行综合评价。边坡最小主应力、边坡表面水平位移、矿房间柱安全系数、矿房顶板最大垂直位移、顶板安全系数、矿块的采切比均为量化指标,其工程分级标准见表5。由于表5中数据非常离散,因此假定这些因素对同一等级的隶属函数为正态型,按式(1)计算各因素的各等级隶属度。μA(x)=exp[-(x-mc)2]μA(x)=exp[−(x−mc)2](1)式中c,m为常数。当x=m时,μ(x)=1,即m为表5中的平均值,假定两相邻等级界线处的因素对上、下等级的隶属度均为0.5,则c值可由式(2)确定。exp[-(x上-x下c)2]=0.5exp[−(x上−x下c)2]=0.5(2)式中x上和x下为某等级中因素指标的上、下边界值m和c的计算结果见表6。对于第Ⅰ等级的因素隶属度,当x>m时,取μ(x)=1;对于第Ⅴ等级的因素隶属度,当x<m时,取μ(x)=1。利用表6,由式(1)计算出μ(x)(j=1,2,∧,5),从而得到模糊关系矩阵R的各元素rij,即rij=μ(x)(j=1,2,∧,5),则:rij(vi)=exp[-(xi-mijcij)2](j=1,2,∧‚5)(3)rij(vi)=exp[−(xi−mijcij)2](j=1,2,∧‚5)(3)按上述方法得到模型模糊矩阵并进行模糊变换,得出各模型的模糊综合评判结果:B2=A·R2=(0.8613,0.7205,0.7440,0.1985,0.7895)B3=A·R3=(0.8750,0.6355,0.5395,0.3045,0.7525)B5=A·R5=(0.8325,0.6115,0.7795,0.5293,0.8775)B6=A·R6=(0.8765,0.6635,0.8325,0.3070,0.7885)B9=A·R9=(0.8625,0.6320,0.8931,0.6540,0.8150)由综合评判结果可知,方案5最优,其次是方案6、方案3、方案9和方案2。综合考虑安全、经济因素以及矿房生产能力,最后确定采用方案5,即在12～18线之间采用矿房长度为50m,顶柱为5m,间柱为10m,底柱为12m的采场结构参数,既可保证运矿公路的长期稳定,又可使矿山取得较好的经济效益。方案5的主应力数值模拟结果见图2,图3。4采场采场稳定性确定的手术方案针对石人沟铁矿露天转地下过渡期开采的具体情况,利用ANSYS有限元数值模拟方法,对12线～18线之间(I区)不同矿房结构参数的采场和边帮稳定性进行了分析,并从安全和经济角度出发,建立了综合模糊评判模型