CN112800597B - 一种矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法，涉及矿山开采技术领域。该矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法，包括如下步骤：S1、采用大规模高中段微沉降地下开采技术，具体操作如下：S11、采用计算机数值模拟的方式论证‑390m水平以上90m高阶段采场的稳定性，分析时，首先以充填体配比1:6(强度约2MPa)来进行采场稳定性分析。该矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法，改变传统的“先污染后治理”的矿山建设模式，以“智慧矿山”加“生态矿山”为理念，利用互联网信息技术，以信息化、自动化、智能化为主线，通过建立模型后进行数据分析，有效的降低了开采成本，减少了对生态环境的影响程度。

Description

一种矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法
技术领域
本发明涉及矿山开采技术领域，具体为一种矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法。
背景技术
近年来，我国已成为矿产资源消耗大国，以铁矿、铜矿、铝矿等为代表的十余种矿产资源对外依存度均在50％以上。因此加强矿石自我补给能力，对于确保经济的可持续发展有重大意义，同时，我国矿业智能化采矿技术才刚刚起步，智能化采矿技术在矿山应用的较少，尚缺乏系统性的研究成果。
目前，多数矿山位于宜居带范围，环境敏感，难以新建尾矿库，资源禀赋相对较差，其平均含铁品位只有31～34％，属贫矿，需要进行低成本的高效开采，若矿采用常规模式开发，如建立尾矿库，采用传统的采矿方法开采势必会破坏地表生态环境，同时存在生产成本高等弊端。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法，解决了目前，多数矿山位于宜居带范围，环境敏感，难以新建尾矿库，资源禀赋相对较差，其平均含铁品位只有31～34％，属贫矿，需要进行低成本的高效开采，若矿采用常规模式开发，如建立尾矿库，采用传统的采矿方法开采势必会破坏地表生态环境，同时存在生产成本高等弊端的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法，包括如下步骤：
S1、采用大规模高中段微沉降地下开采技术，具体操作如下：
S11、采用计算机数值模拟的方式论证-390m水平以上90m高阶段采场的稳定性，分析时，首先以充填体配比1:6(强度约2MPa)来进行采场稳定性分析(即采场开挖后采用1:6全尾砂胶结充填)，若采场稳定性出现异常，表明充填体转移并承担的应力效果不明显，则需提高充填配比以进一步提高充填体强度来进行分析计算；若采场稳定性较好，则表明充填体在约2MPa的情况下，矿山高阶段采场方案是可行的，然后根据需要，结合充填体稳定性分析，可进一步研究充填体的合理配比及强度；
S12、使用FLAC3D软件，采用拉格朗日算法，这种算法可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形；
S13、数值模拟的可靠性在一定程度上取决于所建立的计算模型是否与实际情况相符合，包括选择适当的计算范围，确定计算模型的边界条件，局部结构的简化处理等，为便于进行计算，应该对岩体介质性质及计算模型等作必要的假设，具体操作如下：
S131、结合生产实际，主要模拟-390m～-300m水平，-300m～-210m水平的回采，建立模型时，以矿体最厚大的部分为基础建立模型；
S132、模型Y方向底部为-900m水平，模型在X、Z方向进行了一定程度的扩展。对于井下采矿巷道模型中不予体现，模型边界取距开采空区尺寸3～5倍的距离，模型实际尺寸约为长×宽×高＝1750m×800m×1030m；
S133、90m中段开挖是一次性完成的，参照采矿方法，先回采-390m中段，再回采-300m中段；
S2、FLAC3D所模拟出来的岩体中某点的应力和位移以图的形式表征，即为应力、位移图，其优点在于可以一目了然地确定各应力的大小和方向，以及所研究区域内的应力、位移变化特征，模拟结果以切面的形式给出，重点对采场作垂直剖面切片来进行分析，由于单个采场的切片难以完整的反应出整个系统在整个回采步骤中的状态，须多个切片来共同完成对整个系统的控制。分析时，重点关注拉、剪应力区的大小与分布范围，并结合位移分布情况来判断相关区域是否产生塑性破坏。在位移比较分析中,只关注垂直位移，垂直位移要比水平位移重要。因为过量的垂直位移将导致顶板冒落；
S3、在FLAC3D中，压应力为负，拉应力为正，在程序输出的应力云图中，采用最大主应力来判断拉应力集中区的大小与分布范围，采用最小主应力来判断压应力集中区的大小与分布范围。
优选的，在步骤S131中，岩体本构关系简单来说就是其应力—应变的关系，以数学表达式来表达，即称为岩体本构模型，岩体材料的多样性及力学特性的差异性，导致无法使用统一的本构模型来表达，由于本构模型是对岩土材料性质特性的经验型描述，因此本构模型的选择是数值模拟的一个关键步骤，本次模拟采用摩尔—库伦岩土本构模型，该模型适用于那些在剪应力下屈服，但剪应力只取决于最大、最小主应力，而第二主应力对屈服不产生影响的材料，即认为当材料某区域的剪应力达到某一特定值时，该区域就进入屈服状态，数值模拟中一般采用施加一定的边界条件去代替模型外受采动影响外的原始介质。本研究计算模型上表面边界的采用自由边界，底面采用固定约束，x、z方向边界施加铰支约束，固定以上五个边界的位移和速度。
优选的，在步骤S133中，模拟时，因计算模型不能无限制加大，且考虑到是本次主要是对采场的一般性受力规律进行分析，故设计方案时，对模拟过程进行了适当简化，在矿体最厚大的部分进行8个采场的模拟开挖。
(三)有益效果
本发明提供了一种矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法。具备以下有益效果：该矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法，改变传统的“先污染后治理”的矿山建设模式，以“智慧矿山”加“生态矿山”为理念，利用互联网信息技术，以信息化、自动化、智能化为主线，通过建立模型后进行数据分析，有效的降低了开采成本，减少了对生态环境的影响程度。
附图说明
图1为本发明模型网格划分图；
图2为本发明模型初始应力分布云图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法，包括如下步骤：
S1、采用大规模高中段微沉降地下开采技术，具体操作如下：
S11、采用计算机数值模拟的方式论证-390m水平以上90m高阶段采场的稳定性，分析时，首先以充填体配比1:6(强度约2MPa)来进行采场稳定性分析(即采场开挖后采用1:6全尾砂胶结充填)，若采场稳定性出现异常，表明充填体转移并承担的应力效果不明显，则需提高充填配比以进一步提高充填体强度来进行分析计算；若采场稳定性较好，则表明充填体在约2MPa的情况下，矿山高阶段采场方案是可行的，然后根据需要，结合充填体稳定性分析，可进一步研究充填体的合理配比及强度；
S12、使用FLAC3D软件，采用拉格朗日算法，这种算法可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形；
S13、数值模拟的可靠性在一定程度上取决于所建立的计算模型是否与实际情况相符合，包括选择适当的计算范围，确定计算模型的边界条件，局部结构的简化处理等，为便于进行计算，应该对岩体介质性质及计算模型等作必要的假设，具体操作如下：
S131、结合生产实际，主要模拟-390m～-300m水平，-300m～-210m水平的回采，建立模型时，以矿体最厚大的部分为基础建立模型，其中岩体本构关系简单来说就是其应力—应变的关系，以数学表达式来表达，即称为岩体本构模型，岩体材料的多样性及力学特性的差异性，导致无法使用统一的本构模型来表达，由于本构模型是对岩土材料性质特性的经验型描述，因此本构模型的选择是数值模拟的一个关键步骤，本次模拟采用摩尔—库伦岩土本构模型，该模型适用于那些在剪应力下屈服，但剪应力只取决于最大、最小主应力，而第二主应力对屈服不产生影响的材料，即认为当材料某区域的剪应力达到某一特定值时，该区域就进入屈服状态，数值模拟中一般采用施加一定的边界条件去代替模型外受采动影响外的原始介质。本研究计算模型上表面边界的采用自由边界，底面采用固定约束，x、z方向边界施加铰支约束，固定以上五个边界的位移和速度；
S132、模型Y方向底部为-900m水平，模型在X、Z方向进行了一定程度的扩展。对于井下采矿巷道模型中不予体现，模型边界取距开采空区尺寸3～5倍的距离，模型实际尺寸约为长×宽×高＝1750m×800m×1030m；
S133、90m中段开挖是一次性完成的，参照采矿方法，先回采-390m中段，再回采-300m中段，其中，模拟时，因计算模型不能无限制加大，且考虑到是本次主要是对采场的一般性受力规律进行分析，故设计方案时，对模拟过程进行了适当简化，在矿体最厚大的部分进行8个采场的模拟开挖；
S2、FLAC3D所模拟出来的岩体中某点的应力和位移以图的形式表征，即为应力、位移图，其优点在于可以一目了然地确定各应力的大小和方向，以及所研究区域内的应力、位移变化特征，模拟结果以切面的形式给出，重点对采场作垂直剖面切片来进行分析，由于单个采场的切片难以完整的反应出整个系统在整个回采步骤中的状态，须多个切片来共同完成对整个系统的控制。分析时，重点关注拉、剪应力区的大小与分布范围，并结合位移分布情况来判断相关区域是否产生塑性破坏。在位移比较分析中,只关注垂直位移，垂直位移要比水平位移重要。因为过量的垂直位移将导致顶板冒落；
S3、在FLAC3D中，压应力为负，拉应力为正，在程序输出的应力云图中，采用最大主应力来判断拉应力集中区的大小与分布范围，采用最小主应力来判断压应力集中区的大小与分布范围。
综上所述，该矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法，改变传统的“先污染后治理”的矿山建设模式，以“智慧矿山”加“生态矿山”为理念，利用互联网信息技术，以信息化、自动化、智能化为主线，通过建立模型后进行数据分析，有效的降低了开采成本，减少了对生态环境的影响程度。
随着计算机计算技术的发展，数值模拟方法已成为一种能有效地分析和模拟岩土体受力结构的工程方法。相对于常规的岩石力学分析，它能更真实的还原现场实际情况，并能计算出整个系统的应力、位移分布状态，以更好的指导后续作业的持续进行。
使用FLAC3D软件，采用拉格朗日算法，这种算法可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，有以下几个独到的优点：
1)对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法”，能够非常准确的模拟材料的塑性破坏和流动。
2)即使模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方程，这使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。
3)采用“显式解”方案，能加快对非线性的应力—应变问题的响应速度。
数值模拟的可靠性在一定程度上取决于所建立的计算模型是否与实际情况相符合，包括选择适当的计算范围，确定计算模型的边界条件，局部结构的简化处理等。为便于进行计算，应该对岩体介质性质及计算模型等作必要的假设。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、采用大规模高中段微沉降地下开采技术，具体操作如下：
S11、采用计算机数值模拟的方式论证-390m水平以上90m高阶段采场的稳定性，分析时，首先以充填体配比1:6，强度2MPa，来进行采场稳定性分析，采场开挖后采用1:6全尾砂胶结充填，若采场稳定性出现异常，表明充填体转移并承担的应力效果不明显，则需提高充填配比以进一步提高充填体强度来进行分析计算；若采场稳定性好，则表明充填体在2MPa的情况下，矿山高阶段采场方案是可行的，然后根据需要，结合充填体稳定性分析，可进一步研究充填体的合理配比及强度；
S12、使用FLAC3D软件，采用拉格朗日算法，这种算法可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形；
S13、数值模拟的可靠性在一定程度上取决于所建立的计算模型是否与实际情况相符合，包括选择适当的计算范围，确定计算模型的边界条件，局部结构的简化处理，为便于进行计算，应该对岩体介质性质及计算模型作假设，具体操作如下：
S131、结合生产实际，模拟-390m～-300m水平，-300m～-210m水平的回采，建立模型时，以矿体最厚大的部分为基础建立模型；
S132、模型Y方向底部为-900m水平，模型在X、Z方向进行了扩展，对于井下采矿巷道模型中不予体现，模型边界取距开采空区尺寸3～5倍的距离，模型实际尺寸为长×宽×高＝1750m×800m×1030m；
S133、90m中段开挖是一次性完成的，参照采矿方法，先回采-390m中段，再回采-300m中段；
S2、FLAC3D所模拟出来的岩体中某点的应力和位移以图的形式表征，即为应力、位移图，其优点在于可以一目了然地确定各应力的大小和方向，以及所研究区域内的应力、位移变化特征，模拟结果以切面的形式给出，重点对采场作垂直剖面切片来进行分析，由于单个切片难以完整的反应出整个系统在整个回采步骤中的状态，须多个切片来共同完成对整个系统的控制，分析时，重点关注拉、剪应力区的大小与分布范围，并结合位移分布情况来判断相关区域是否产生塑性破坏，在位移比较分析中,只关注垂直位移，垂直位移要比水平位移重要，因为过量的垂直位移将导致顶板冒落；
S3、在FLAC3D中，压应力为负，拉应力为正，在程序输出的应力云图中，采用最大主应力来判断拉应力集中区的大小与分布范围，采用最小主应力来判断压应力集中区的大小与分布范围。
2.根据权利要求1所述的一种矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法，其特征在于：在步骤S131中，岩体本构关系简单来说就是其应力—应变的关系，以数学表达式来表达，称为岩体本构模型，岩体材料的多样性及力学特性的差异性，导致无法使用统一的本构模型来表达，由于本构模型是对岩土材料性质特性的经验型描述，因此本构模型的选择是数值模拟的一个关键步骤，模拟采用摩尔—库伦岩土本构模型，该模型适用于那些在剪应力下屈服，但剪应力只取决于最大、最小主应力，而第二主应力对屈服不产生影响的材料，认为当材料某区域的剪应力达到某一特定值时，该区域就进入屈服状态，数值模拟中采用施加一定的边界条件去代替模型外受采动影响外的原始介质，计算模型上表面采用自由边界，底面采用固定约束，x、z方向边界施加铰支约束，固定边界的位移和速度。
3.根据权利要求1所述的一种矿山资源高中段智能精细高效生态开采分析方法，其特征在于：在步骤S133中，模拟时，因计算模型不能无限制加大，设计方案时，对模拟过程进行了适当简化，在矿体最厚大的部分进行8个采场的模拟开挖。
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