一种充填法采矿工程决策方法与流程

本发明属于充填采矿领域，具体涉及一种充填法采矿工程决策方法。

背景技术：

充填法采矿将废石、尾砂、废水等废弃物回填到地下采场，有效控制采场地压，减小地表沉陷；并且还能够减少废弃物排放，实现无废或少废绿色开采，从而保护环境和控制地质灾害。与其他采矿方法相比，充填法采矿回采工艺较复杂和采矿生产能力较低，因此采矿经济效益相对较差，通常用于有色和贵金属矿体开采。随着我国对资源开发环保要求越来越严格，不仅有色矿山充填法采矿比例迅速提高，而且大型铁矿充填法开采已经得到越来越广泛应用。

矿山工程包含众多不确定性因素，给矿山安全、高效生产带来重大安全隐患。随着技术条件好的矿体开采日趋枯竭，地质条件复杂和“三下”(水下、铁路下、建筑物下)难采矿体开采是未来资源开发的必由之路。复杂难采矿床的安全、高效和低成本充填法开采是亟待解决的关键技术。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种充填法采矿工程决策方法，该方法能够降低充填采矿成本，防控采矿地质灾害，确保采矿安全生产，从而提高充填法采矿的经济效益和社会效益。

上述目的是通过下述技术方案实现的：

一种充填法采矿工程决策方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)采用gps变形监测技术对矿区地表变形进行实时监测；

(2)选择岩体变形模量e和泊松比μ、充填体变形模量e^*和泊松比μ^*作为岩体和充填体变形特征参数，针对当前开采阶段，进行e、μ、e^*、μ^*四因素三水平的正交数值试验，获得矿区地表上n个监测点的三个方向的计算变形值(i＝1,······,n；m＝1,······,9；j＝1,2，3)；根据所述计算变形值进行统计回归分析，建立第i个监测点的第j方向的变形值与岩体和充填体变形特征参数e、μ、e^*、μ^*的关系函数：vi^j＝fi^j(e，μ，e^*、μ^*)，(i＝1,······,n；j＝1,···3)；通过gps变形监测技术获得的地表上n个监测点第j方向的监测变形值为pi^j(i＝1,······,n，j＝1,···3)；以n个计算变形值vi^j与监测变形值pi^j之差的平方和最小为优化目标，获得当前开采阶段岩体和充填体变形特性参数的辨识目标函数：采用优化算法，对所述当前开采阶段岩体和充填体变形特性参数辨识的目标函数进行求解，获得当前开采阶段的岩体和充填体等值变形特性参数：ee、μe、ee^*、μe^*；

(3)利用步骤(2)获得所述当前开采阶段的岩体和充填体等值变形特征参数ee、μe、ee^*、μe^*，建立当前开采阶段等值分析模型；选择矿房宽度b、矿柱宽度w、矿房一次胶结充填体强度r和矿柱二步充填体强度s作为下个中段采场回采方案优化决策参数；采用所述当前开采阶段等值数值分析模型，选择矿房宽度b、矿柱宽度w、矿房一次胶结充填体强度r和矿柱二步充填体强度s进行4因素和3水平的正交数值试验，获得9组回采方案的采场稳定性安全系数fsi(i＝1,···,9)；根据正交数值试验结果，采用统计回归分析方法，建立采场稳定性安全系数fsi与矿房宽度b、矿柱宽度w、矿房一次胶结充填体强度r、矿柱二步充填体强度s的4个回采方案参数的回归函数：fi＝f(b,w,r,s)；以采场充填材料成本为目标函数，以采场稳定性安全系数为约束条件，建立下个中段采场回采方案优化决策模型：目标函数为minc＝minp(b,w,r,s)，式中c为采场胶结充填材料成本；约束条件为fs＝f(b,w,r,s)≥[fs]，式中[fs]为采场稳定性许可安全系数；求解所述下个中段的采场回采方案优化决策模型，获得矿房宽度bop、矿柱宽度wop、矿房一次胶结充填体强度rop和矿柱二步充填体强度sop的回采方案优化决策参数；

(4)将岩体和充填体的等值变形特性参数：ee、μe、ee^*、μe^*和回采方案决策方案参数：矿房宽度bop、矿柱宽度wop、矿房一次充填体强度rop和矿柱二步充填体强度sop视为正态随机变量，则采场稳定可靠度分析的状态变量xi为ee、μe、ee^*、μe^*、bop、wop、rop、sop，其中，i＝1,2,...,8；根据掘进爆破施工工程经验，确定采场稳定可靠度分析状态变量xi的标准方差为σi，其中，i＝1,2,...,8；所述采场稳定性可靠度分析状态变量xi的取值区间为(ximin，ximax)，在所述取值区间(ximin，ximax)上分别对称选择2个取值点：xi1＝μxi+σxi，xi2＝μxi-σxi，i＝1,2,...,8；所述取值点共16个，取值点的组合为256种，进行256次采场稳定性计算，获得采场稳定性安全系数fsi，i＝1,2,...,256；计算出fsi的一阶矩：和二阶矩：根据所述一阶矩和二阶矩，获得采场稳定性可靠性指标β和变异系数v：采场灾变失稳风险概率pf：pf＝1-φ(β)＝φ(-β)，其中，φ为标准正态分布函数；根据矿山工程经验，确定采场灾变失稳风险概率的允许值为[pf]；当pf＝φ(-β)≥[pf]，表明采场存在灾变失稳风险，需采取安全措施提高采场稳定性。当pf＝φ(-β)＜[pf]，矿山充填采场潜在的灾变失稳风险满足安全采矿生产要求，不需采取安全措施。

本发明的有益效果：

本发明充填法采矿工程决策方法集监测技术、回采方案决策方法、采场灾变失稳风险概率计算于一体的工程决策方法，使充填法采矿实现回采方案决策科学化、灾变风险控制合理化，从而实现复杂难采矿山充填法采矿的安全、高效和低成本生产。

附图说明

图1为实施例的矿区14行的监测沉降曲线。

图2为实施例的-450m阶段采场结构模型的示意图。

具体实施方式

本发明的充填法采矿工程决策方法包括以下步骤：

(1)采用gps变形监测技术对矿区地表的变形进行实时监测；

(2)选择岩体变形模量e、泊松比μ和充填体变形模量e^*和泊松比μ^*作为岩体和充填体变形特性参数，针对当前开采阶段，进行e、μ、e^*、μ^*四因素三水平的正交数值试验，获得矿区地表n个监测点上三个方向的计算变形值(i＝1,······,n；m＝1,······,9；j＝1,2，3)；根据所述计算变形值进行统计回归分析，建立第i个监测点的第j方向的变形与岩体和充填体变形特性参数：e、μ、e^*、比μ^*的关系函数：vi^j＝fi^j(e，μ，e^*、μ^*)，(i＝1,······,n；j＝1,···3)；通过gps变形监测技术获得矿区地表上n个监测点第j方向的监测变形值为pi^j(i＝1,······,n，j＝1,···3)；以n个计算值vi^j与监测值pi^j之差的平方和最小为优化目标，获得当前开采阶段岩体和充填体变形特性参数辨识的目标函数：采用优化算法，对所述当前开采阶段岩体和充填体变形特性参数辨识的目标函数进行求解，获得当前开采阶段的岩体和充填体等值变形参数：ee、μe、ee^*、μe^*；

(3)利用步骤(2)获得的所述当前开采阶段的岩体和充填体等值变形参数：ee、μe、ee^*、μe^*，建立当前开采阶段等值数值分析模型；选择矿房宽度b、矿柱宽度w、矿房一次胶结充填体强度r和矿柱二步充填体强度s作为下个回采中段的采场回采方案优化决策参数；采用所述当前开采阶段的等值数值分析模型，选择矿房宽度b、矿柱宽度w、矿房一次胶结充填体强度r和矿柱二步充填体强度s进行4因素和3水平的正交数值试验，由此获得9组回采方案的采场稳定性安全系数，fsi(i＝1,···,9)；根据正交数值试验结果，采用统计回归分析方法，建立采场稳定性安全系数fsi与矿房宽度b、矿柱宽度w、矿房一次胶结充填体强度r、矿柱二步充填体强度s的4个参数的回归函数：fi＝f(b,w,r,s)；以采场充填材料成本为目标函数，以采场稳定性安全系数为约束条件，建立下个中段采场回采方案优化决策模型：目标函数为minc＝minp(b,w,r,s)，式中c为采场胶结充填材料成本；约束条件为fs＝f(b,w,r,s)≥[fs]，式中[fs]为采场稳定性许可安全系数；求解所述下个中段的采场回采方案优化决策模型，获得矿房宽度bop、矿柱宽度wop、矿房一次胶结充填体强度rop和矿柱二步充填体强度sop的回采方案优化决策参数；

(4)将岩体和充填体等值变形特性参数ee、μe、ee^*、μe^*和采场回采方案参数：矿房宽度bop、矿柱宽度wop、矿房一次胶结充填体强度rop和矿柱二步充填体强度sop视为正态随机变量，则充填采场稳定性可靠度分析状态变量xi(i＝1,2,...,8)为ee、μe、ee^*、μe^*、bop、wop、rop、sop；根据掘进爆破施工工程经验，确定采场稳定可靠度分析状态变量xi的标准方差为σi(i＝1,2,...,8)；所述采场稳定性可靠度分析状态变量xi的取值区间为(ximin，ximax)，在所述取值区间(ximin，ximax)上分别对称选择2个取值点：xi1＝μxi+σxi，xi2＝μxi-σxi(i＝1,2,...,8)；所述取值点共16个，取值点的组合为256种，进行256次稳定性计算，获得采场稳定性安全系数fsi(i＝1,2,...,256)；计算出采场稳定性安全系数fsi一阶矩：和二阶矩：根据所述的一阶矩和二阶矩，获得采场稳定性可靠性指标β和变异系数v为：采场灾变失稳风险概率pf为：pf＝1-φ(β)＝φ(-β)，其中，φ服从标准正态分布函数；根据矿山工程经验，确定采场灾变失稳风险概率的允许值为[pf]；当pf＝φ(-β)≥[pf]，表明采场存在灾变失稳风险，需采取安全措施提高采场稳定性。当pf＝φ(-β)＜[pf]，矿山充填采场潜在的灾变失稳风险满足安全采矿生产要求，不需采取安全措施。

下面用具体实施例对本发明进行进一步的解释说明。

实施例1

步骤1：采用gps变形监测技术对矿区地表变形进行实时监测。针对某矿山14行地表岩移设立18个gps变形监测点，监测获得矿区地表上18个监测点的变形值(图1)。

步骤2：当前开采阶段岩体和充填体的变形特征参数获取。

(1)针对步骤1所述矿山，选择岩体变形模量e、岩体泊松比μ、充填体变形模量e^*和充填体泊松比μ^*作为岩体和充填体变形特性参数。

(2)针对当前开采阶段，建立三维数值模型，进行e、μ、e^*、μ^*4因素3水平的正交数值试验(e水平为1gpa，2gpa，4gpa；μ水平为0.16，0.18，0.20；e^*水平为1gpa，2gpa，3gpa；μ^*水平为0.28，0.30，0.32)，获得矿区地表上18个监测点上的三个方向计算变形值(i＝1,······,18；m＝1,······,9；j＝1,2，3)。

(3)根据所述计算变形值进行统计回归分析，建立第i个监测点的第j方向的变形与岩体和充填体变形参数的关系函数：vi^j＝fi^j(e，μ，e^*、μ^*)，(i＝1,······,18；j＝1,···3)；

(4)通过gps变形监测技术获得矿区地表上18个监测点的第j方向的监测变形值为pi^j(i＝1,······,18，j＝1,···3)，以18个监测点上的计算值vi^j与监测值pi^j之差的平方和最小为优化目标，获得当前开采阶段岩体和充填体变形特性参数辨识的目标函数

(5)采用优化算法，对所述当前开采阶段岩体和充填体变形特性参数辨识的目标函数进行求解，获得当前开采阶段的岩体和充填体等值变形参数为：ee＝8.18gpa、μe＝0.213、ee^*＝1.58、μe^*＝0.295。

步骤3：下个中段充填采场回采方案参数优化决策。

(1)利用步骤2获得的所述当前开采阶段的岩体和充填体变形等值参数ee、μe、ee^*和μe^*，建立当前开采阶段等值数值分析模型(图2)；

(2)选择矿房宽度b、矿柱宽度w、矿房一次胶结充填体强度r和矿柱二步充填体强度s作为下中段采场回采方案优化决策参数；采用所述当前开采阶段等值数值分析模型，进行4因素3水平的正交数值试验(b水平为10m，15m，20m；w水平为10m，15m，20m；r水平为3mpa，5mpa，7mpa，s水平为1mpa，3mpa，5mpa)，由此获得9组回采方案的采场稳定性安全系数fsi(i＝1,···,9)；

(3)根据正交数值试验结果，采用统计回归分析方法，建立采场稳定性安全系数fsi与矿房宽度b、矿柱宽度w、矿房一次胶结充填体强度r、矿柱二步充填体强度s的回采方案参数的回归函数：fi＝f(b,w,r,s)；

(4)以采场充填材料成本为目标函数，以采场稳定性安全系数为约束条件，建立下个中段采场回采方案优化决策模型，即目标函数为：minc＝minp(b,w,r,s)，式中，c为采场充填材料成本，约束条件为：fs＝f(b,w,r,s)≥[fs]，式中，[fs]为采场稳定性许可安全系数；求解所述下个中段采场回采方案优化决策模型，获得下个中段采场回采方案决策参数：矿房宽度bop＝21.15m、矿柱宽度wop＝15.06m、矿房一次胶结充填体强度rop＝4.75mpa和矿柱二步充填体强度sop＝1.66mpa。

步骤4：下个中段的充填采场回采过程灾变失稳风险预测。

(1)确定充填采场回采灾变分析状态变量和随机特征参数。

选择影响采场稳定性的岩体和充填体等值特性参数(ee、μe、ee^*、μe^*)和采场回采参数(bop、wop、ropsop)可靠度分析中的状态变量，并视为服从正态分布的随机变量xi，根据所述的当前阶段扥等值辨识获得的岩体和充填体变形等值参数作为状态变量的均值，根据工程经验与统计分析，确定状态变量xi标准方差为{σi}＝{0.210.0030.0550.00130.520.500.380.22}^t。

(2)采用rosenblueth方法进行充填采场稳定性特征值计算。

采场稳定性可靠度分析状态随机变量xi在所述取值区间上对称选择2个取值点：(i＝1,2,...,8)；所述取值16个点进行256次稳定性安全系数计算，获得安全系数{fsi}n×1；最后计算采场稳定性安全系数fsi的一阶矩为和二阶矩

(3)进行充填采场回采过程的灾变失稳风险分析。

根据所述一阶矩和二阶矩，获得采场稳定性可靠性指标：和变异系数：采场灾变失稳风险概率pf为：pf＝1-φ(2.691)＝1-0.9838＝0.0362＝3.62％。其中，φ服从标准正态分布；考虑到充填采场工程为临时性工程，确定采场灾变失稳风险概率的允许值为[pf]＝5％。根据矿山充填采场计算出的失稳风险为pf＝3.63％<[pf]。结果表明，矿山充填采场潜在的灾变失稳风险满足安全采矿生产要求，不需采取安全措施。