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基于指标满意度的采场结构参数敏感性数值 模拟研究
2019-12-30
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。
Series No. 522 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 522 期 2019 年第 12 期 December 2019 ·采矿工程· 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 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201912003 Numerical Simulation on Sensitivity of Stope Structure Parameters Based on Satisfaction Index 2 Zhao Xingdong Li Huaibin Zhang Shujing Yang Xiaoming ( Research Center of Mine and Ground Pressure Control,Northeastern University,Shenyang 110819,China) Abstract In order to study the sensitivity of stope structural parameters,a multi-index comprehensive evaluation 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 evaluation and sensitivity analysis were carried out with indexes 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. Keywords Stope 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 了不同结构参数下采场的力学响应,确定了最优的 [6] 采场结构参数;Mawdesley等 运用 Mathews图表法对 [7] 采场结构参数进行优化;Bai 等 采用图表法和数值 [1-3] 因素 。目前,随着矿山开采深度的不断增加,众多 计算法,得出了在近垂直矿体下采用阶段矿房法开 [ 8] 学者在采场结构参数方面进行了广泛研究,例如: 采时的最佳采场结构参数;罗周全等 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 [4] Azadeh 等 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 [5] 等 通过中心复合试验设计手段,采用数值模拟分析 基收稿金项日目期 N20S1F9C--1山0-东14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。 · 21 · 总第522期 金 属 矿 山 2019年第12期 感性的研究较少。 矩阵,计算矩阵各行向量的平均值与标准差: n 1 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。 μi = f , (5) ∑ x ij n j = 1 n ( f - μ )2 ∑ x ij j = 1 si = . (6) (7) n 通过下式计算各指标变异系数: 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 βi = si /μi . 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。 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。 (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 = EWT = ˉ r ,r ,⋯,r T , (8) ˉ [ 1 2 m ] [9] 多指标综合评价模型 叙述如下: 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。 ( 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 | | | x11 x12 ⋯ x1n | 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 | x x 22 ⋯ x2n | 21 K = . (1) | | | | ⋮ ⋮ ⋮ | 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。 x x ⋯ x | m1 m2 mn ( 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: fxij = xxij - xi min i=1,2,…,m;j=1,2,…,n ; , - x i max i min (2) 对于成本型指标,使用以下指标满意度函数: xi max - xij 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。 fxij = , xi max - x i min i=1,2,…,m;j=1,2,…,n ; (3) 式中,xij 为第 i 种方案的第 j个指标值;xi min 为第 i 种方 案的最小指标值;xi max 为第 i 种方案的最大指标值。 转换后得到指标满意度矩阵: fx11 fx12 ⋯ fx1n | | | | | | | | | f f x22 ⋯ f | x21 x 2n Eˉ = | | | (4) | | | | ⋮ ⋮ ⋮ | | | | f fx ⋯ f x x mn | m1 m2 | ( 3)对于指标 A(j j=1,2,…,n),用权重 wj 表征其 n 在决策中的重要程度,且有 wj=1,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 ∑ j = 1 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 · 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 2019年第12期 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 界条件和初始条件完全一致。 [10] 岩力学参数 ,如表3所示。 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 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 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 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 · 23 · 总第522期 金 属 矿 山 2019年第12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。 3 超挖体积( m ) ELOS上、下盘 = 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 · 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 2019年第12期 的优势,可以得出图6和图7直观分析结果。 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 [ 1] 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. [ 2] Bagde M N,Sangode A G,Jhanwar J C.Evaluation of stoping param‐ eters through instrumentation and numerical modelling in manga‐ nese mine in India:a case study[J].Procedia Engineering,2017, 1 91:10-19. [ 3] Heidarzadeh S,Saeidi A,Rouleau A. 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