采场结构参数与充填配比优化及流固耦合数值分析.pdfVIP

第31卷第3期 徐州工程学院学报(自然科学版) 2016年9月 V01．31 No．3 JournalofXuzhouInstituteof SciencesEdition) Technology(Natural Sep．2016 采场结构参数与充填配比优化及流固耦合数值分析 高 谦1，杨志强1，王 君1，张永坤2，翟淑花3 (1．北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083； 100120) 2．河北钢铁集团矿业公司，河北唐山063700；3．北京地质研究所，北京 摘要：针对司家营铁矿富水矿床阶段嗣后充填开采，开展采场结构参数与充填体强度参数优化 及基于优化参数的地表变形与渗流场研究．通过对正交试验9个方案开采过程的流固耦合数值分 析，建立了地表变形、涌水量与采场设计结构参数和充填体强度参数之间函数关系，并以此为约束 函数，建立以盘区开采经济效益为优化目标的优化模型．通过求解优化模型，获得满足地表变形和 涌水量为约束条件的采场结构参数和充填体强度参数；采用所获得的优化参数进行开采过程流固 耦合数值分析和涌水量计算．研究成果为井下防排水设计提供理论依据，同时为南区开采风险分析 和可靠性评价奠定基础． 关键词：参数优化；涌水量；流固耦合；数值分析；地表变形 中图分类号：TD853．3文献标志码：A文章编号：1674—358X(2016)03—0001—06 司家营铁矿地处冀东平原，是一座由南、北两个采区组成的大型低品位铁矿床．北采区矿体局部出露地 表，采用露天开采；南采区埋藏较深，其工号矿体北段S6一$38勘探线间的32001TI长度范围为厚大较规则矿 体，地质储量11．2856亿t，是司家营铁矿三期工程在开发中的铁矿床，采用阶段嗣后充填法开采，设计生产 rn×25m×100 规模为1500万t／a，设计采场尺寸为50 m．三期工程从2008年开始建设，预计2017年建成 投产，是目前最大充填法采矿的矿山．矿区地表为大片农田、村庄和厂房，矿体上赋存相互联系的3个第四系 含水层，构成结构复杂的多层越流地下水系统口。2]．因此司家营铁矿属于典型的大水矿山．地下开采不仅要避 免地表塌陷，而且地表岩移要控制在允许的范围内，从而保护地下水资源环境和避免因岩移而导致村庄搬 迁．由此可见，司家营铁矿维护采场整体稳定性、控制地表变形，保护第四系水是其开采的前提．事实上，地下 矿采场围岩压力控制、涌水治理一直是各大地下矿山开采遇到的关键难题[3。4]，而数值模拟的方法能方便的 预测开采、充填等结构参数、边界条件的变化对应力应变及位移等的影响，被广泛的应用在各工程实际中[5]． 如在采矿方法或采矿工艺中，刘志祥等用数值模拟的方法研究了滨海大型金矿床取消矿柱及房柱交替采矿 的新工艺[61；在围岩压力控制及灾害防治方面，周科平等采用数值模拟方法对复杂充填提下采场顶板的破坏 机制进行模拟，探讨了顶板安全厚度与各因素之间的关系口3；谢和平等很早就利用FLAC预测煤矿开采沉 陷问题[83；工程支护方面，高谦等也把数值模拟技术用于金川深部高应力巷道锚喷支护设计中[9]． 因此，为了经济、安全和高效地开采地下矿产资源，针对司家营铁矿南区I号矿体田兴铁矿的开采，进行 了采场结构参数与充填体强度优化研究．在此基础上，通过流固耦合数值模拟，研究采场地表变形、渗流场演 化和涌水量变化规律．研究结果不仅为井下防排水设计提供理论依据，而且为南区开采风险分析和可靠性评 价奠定基础，同时也为国内外大型富水矿床阶段嗣后充填法开采探索出一条新路． 1流固耦合正交数值分析 正交数值试验的目的在于建立采场涌水量和地表变形参数与采矿设计参数和充填体强匹配参数之间的 函数关系，为建立采矿设计优化模型提供约束条件． 收稿日期：2016-06—15 基金项目：国家高技术研究发展计划863(SS2012AA062405) 作者简介：高谦(1956一)，男，教授，博士．博士生导师，主要从事充填采矿和地压控制方面的教学和