本發(fā)明屬于充填采礦領(lǐng)域，具體涉及一種充填法采礦工程決策方法。

背景技術(shù)：

充填法采礦將廢石、尾砂、廢水等廢棄物回填到地下采場，有效控制采場地壓，減小地表沉陷；并且還能夠減少廢棄物排放，實(shí)現(xiàn)無廢或少廢綠色開采，從而保護(hù)環(huán)境和控制地質(zhì)災(zāi)害。與其他采礦方法相比，充填法采礦回采工藝較復(fù)雜和采礦生產(chǎn)能力較低，因此采礦經(jīng)濟(jì)效益相對較差，通常用于有色和貴金屬礦體開采。隨著我國對資源開發(fā)環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，不僅有色礦山充填法采礦比例迅速提高，而且大型鐵礦充填法開采已經(jīng)得到越來越廣泛應(yīng)用。

礦山工程包含眾多不確定性因素，給礦山安全、高效生產(chǎn)帶來重大安全隱患。隨著技術(shù)條件好的礦體開采日趨枯竭，地質(zhì)條件復(fù)雜和“三下”(水下、鐵路下、建筑物下)難采礦體開采是未來資源開發(fā)的必由之路。復(fù)雜難采礦床的安全、高效和低成本充填法開采是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種充填法采礦工程決策方法，該方法能夠降低充填采礦成本，防控采礦地質(zhì)災(zāi)害，確保采礦安全生產(chǎn)，從而提高充填法采礦的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

上述目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種充填法采礦工程決策方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)采用gps變形監(jiān)測技術(shù)對礦區(qū)地表變形進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測；

(2)選擇巖體變形模量e和泊松比μ、充填體變形模量e^*和泊松比μ^*作為巖體和充填體變形特征參數(shù)，針對當(dāng)前開采階段，進(jìn)行e、μ、e^*、μ^*四因素三水平的正交數(shù)值試驗(yàn)，獲得礦區(qū)地表上n個監(jiān)測點(diǎn)的三個方向的計(jì)算變形值(i＝1,······,n；m＝1,······,9；j＝1,2，3)；根據(jù)所述計(jì)算變形值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，建立第i個監(jiān)測點(diǎn)的第j方向的變形值與巖體和充填體變形特征參數(shù)e、μ、e^*、μ^*的關(guān)系函數(shù)：vi^j＝fi^j(e，μ，e^*、μ^*)，(i＝1,······,n；j＝1,···3)；通過gps變形監(jiān)測技術(shù)獲得的地表上n個監(jiān)測點(diǎn)第j方向的監(jiān)測變形值為pi^j(i＝1,······,n，j＝1,···3)；以n個計(jì)算變形值vi^j與監(jiān)測變形值pi^j之差的平方和最小為優(yōu)化目標(biāo)，獲得當(dāng)前開采階段巖體和充填體變形特性參數(shù)的辨識目標(biāo)函數(shù)：采用優(yōu)化算法，對所述當(dāng)前開采階段巖體和充填體變形特性參數(shù)辨識的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，獲得當(dāng)前開采階段的巖體和充填體等值變形特性參數(shù)：ee、μe、ee^*、μe^*；

(3)利用步驟(2)獲得所述當(dāng)前開采階段的巖體和充填體等值變形特征參數(shù)ee、μe、ee^*、μe^*，建立當(dāng)前開采階段等值分析模型；選擇礦房寬度b、礦柱寬度w、礦房一次膠結(jié)充填體強(qiáng)度r和礦柱二步充填體強(qiáng)度s作為下個中段采場回采方案優(yōu)化決策參數(shù)；采用所述當(dāng)前開采階段等值數(shù)值分析模型，選擇礦房寬度b、礦柱寬度w、礦房一次膠結(jié)充填體強(qiáng)度r和礦柱二步充填體強(qiáng)度s進(jìn)行4因素和3水平的正交數(shù)值試驗(yàn)，獲得9組回采方案的采場穩(wěn)定性安全系數(shù)fsi(i＝1,···,9)；根據(jù)正交數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果，采用統(tǒng)計(jì)回歸分析方法，建立采場穩(wěn)定性安全系數(shù)fsi與礦房寬度b、礦柱寬度w、礦房一次膠結(jié)充填體強(qiáng)度r、礦柱二步充填體強(qiáng)度s的4個回采方案參數(shù)的回歸函數(shù)：fi＝f(b,w,r,s)；以采場充填材料成本為目標(biāo)函數(shù)，以采場穩(wěn)定性安全系數(shù)為約束條件，建立下個中段采場回采方案優(yōu)化決策模型：目標(biāo)函數(shù)為minc＝minp(b,w,r,s)，式中c為采場膠結(jié)充填材料成本；約束條件為fs＝f(b,w,r,s)≥[fs]，式中[fs]為采場穩(wěn)定性許可安全系數(shù)；求解所述下個中段的采場回采方案優(yōu)化決策模型，獲得礦房寬度bop、礦柱寬度wop、礦房一次膠結(jié)充填體強(qiáng)度rop和礦柱二步充填體強(qiáng)度sop的回采方案優(yōu)化決策參數(shù)；

(4)將巖體和充填體的等值變形特性參數(shù)：ee、μe、ee^*、μe^*和回采方案決策方案參數(shù)：礦房寬度bop、礦柱寬度wop、礦房一次充填體強(qiáng)度rop和礦柱二步充填體強(qiáng)度sop視為正態(tài)隨機(jī)變量，則采場穩(wěn)定可靠度分析的狀態(tài)變量xi為ee、μe、ee^*、μe^*、bop、wop、rop、sop，其中，i＝1,2,...,8；根據(jù)掘進(jìn)爆破施工工程經(jīng)驗(yàn)，確定采場穩(wěn)定可靠度分析狀態(tài)變量xi的標(biāo)準(zhǔn)方差為σi，其中，i＝1,2,...,8；所述采場穩(wěn)定性可靠度分析狀態(tài)變量xi的取值區(qū)間為(ximin，ximax)，在所述取值區(qū)間(ximin，ximax)上分別對稱選擇2個取值點(diǎn)：xi1＝μxi+σxi，xi2＝μxi-σxi，i＝1,2,...,8；所述取值點(diǎn)共16個，取值點(diǎn)的組合為256種，進(jìn)行256次采場穩(wěn)定性計(jì)算，獲得采場穩(wěn)定性安全系數(shù)fsi，i＝1,2,...,256；計(jì)算出fsi的一階矩：和二階矩：根據(jù)所述一階矩和二階矩，獲得采場穩(wěn)定性可靠性指標(biāo)β和變異系數(shù)v：采場災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險概率pf：pf＝1-φ(β)＝φ(-β)，其中，φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)；根據(jù)礦山工程經(jīng)驗(yàn)，確定采場災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險概率的允許值為[pf]；當(dāng)pf＝φ(-β)≥[pf]，表明采場存在災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險，需采取安全措施提高采場穩(wěn)定性。當(dāng)pf＝φ(-β)＜[pf]，礦山充填采場潛在的災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險滿足安全采礦生產(chǎn)要求，不需采取安全措施。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明充填法采礦工程決策方法集監(jiān)測技術(shù)、回采方案決策方法、采場災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險概率計(jì)算于一體的工程決策方法，使充填法采礦實(shí)現(xiàn)回采方案決策科學(xué)化、災(zāi)變風(fēng)險控制合理化，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜難采礦山充填法采礦的安全、高效和低成本生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為實(shí)施例的礦區(qū)14行的監(jiān)測沉降曲線。

圖2為實(shí)施例的-450m階段采場結(jié)構(gòu)模型的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的充填法采礦工程決策方法包括以下步驟：

(1)采用gps變形監(jiān)測技術(shù)對礦區(qū)地表的變形進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測；

(2)選擇巖體變形模量e、泊松比μ和充填體變形模量e^*和泊松比μ^*作為巖體和充填體變形特性參數(shù)，針對當(dāng)前開采階段，進(jìn)行e、μ、e^*、μ^*四因素三水平的正交數(shù)值試驗(yàn)，獲得礦區(qū)地表n個監(jiān)測點(diǎn)上三個方向的計(jì)算變形值(i＝1,······,n；m＝1,······,9；j＝1,2，3)；根據(jù)所述計(jì)算變形值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，建立第i個監(jiān)測點(diǎn)的第j方向的變形與巖體和充填體變形特性參數(shù)：e、μ、e^*、比μ^*的關(guān)系函數(shù)：vi^j＝fi^j(e，μ，e^*、μ^*)，(i＝1,······,n；j＝1,···3)；通過gps變形監(jiān)測技術(shù)獲得礦區(qū)地表上n個監(jiān)測點(diǎn)第j方向的監(jiān)測變形值為pi^j(i＝1,······,n，j＝1,···3)；以n個計(jì)算值vi^j與監(jiān)測值pi^j之差的平方和最小為優(yōu)化目標(biāo)，獲得當(dāng)前開采階段巖體和充填體變形特性參數(shù)辨識的目標(biāo)函數(shù)：采用優(yōu)化算法，對所述當(dāng)前開采階段巖體和充填體變形特性參數(shù)辨識的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，獲得當(dāng)前開采階段的巖體和充填體等值變形參數(shù)：ee、μe、ee^*、μe^*；

(3)利用步驟(2)獲得的所述當(dāng)前開采階段的巖體和充填體等值變形參數(shù)：ee、μe、ee^*、μe^*，建立當(dāng)前開采階段等值數(shù)值分析模型；選擇礦房寬度b、礦柱寬度w、礦房一次膠結(jié)充填體強(qiáng)度r和礦柱二步充填體強(qiáng)度s作為下個回采中段的采場回采方案優(yōu)化決策參數(shù)；采用所述當(dāng)前開采階段的等值數(shù)值分析模型，選擇礦房寬度b、礦柱寬度w、礦房一次膠結(jié)充填體強(qiáng)度r和礦柱二步充填體強(qiáng)度s進(jìn)行4因素和3水平的正交數(shù)值試驗(yàn)，由此獲得9組回采方案的采場穩(wěn)定性安全系數(shù)，fsi(i＝1,···,9)；根據(jù)正交數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果，采用統(tǒng)計(jì)回歸分析方法，建立采場穩(wěn)定性安全系數(shù)fsi與礦房寬度b、礦柱寬度w、礦房一次膠結(jié)充填體強(qiáng)度r、礦柱二步充填體強(qiáng)度s的4個參數(shù)的回歸函數(shù)：fi＝f(b,w,r,s)；以采場充填材料成本為目標(biāo)函數(shù)，以采場穩(wěn)定性安全系數(shù)為約束條件，建立下個中段采場回采方案優(yōu)化決策模型：目標(biāo)函數(shù)為minc＝minp(b,w,r,s)，式中c為采場膠結(jié)充填材料成本；約束條件為fs＝f(b,w,r,s)≥[fs]，式中[fs]為采場穩(wěn)定性許可安全系數(shù)；求解所述下個中段的采場回采方案優(yōu)化決策模型，獲得礦房寬度bop、礦柱寬度wop、礦房一次膠結(jié)充填體強(qiáng)度rop和礦柱二步充填體強(qiáng)度sop的回采方案優(yōu)化決策參數(shù)；

(4)將巖體和充填體等值變形特性參數(shù)ee、μe、ee^*、μe^*和采場回采方案參數(shù)：礦房寬度bop、礦柱寬度wop、礦房一次膠結(jié)充填體強(qiáng)度rop和礦柱二步充填體強(qiáng)度sop視為正態(tài)隨機(jī)變量，則充填采場穩(wěn)定性可靠度分析狀態(tài)變量xi(i＝1,2,...,8)為ee、μe、ee^*、μe^*、bop、wop、rop、sop；根據(jù)掘進(jìn)爆破施工工程經(jīng)驗(yàn)，確定采場穩(wěn)定可靠度分析狀態(tài)變量xi的標(biāo)準(zhǔn)方差為σi(i＝1,2,...,8)；所述采場穩(wěn)定性可靠度分析狀態(tài)變量xi的取值區(qū)間為(ximin，ximax)，在所述取值區(qū)間(ximin，ximax)上分別對稱選擇2個取值點(diǎn)：xi1＝μxi+σxi，xi2＝μxi-σxi(i＝1,2,...,8)；所述取值點(diǎn)共16個，取值點(diǎn)的組合為256種，進(jìn)行256次穩(wěn)定性計(jì)算，獲得采場穩(wěn)定性安全系數(shù)fsi(i＝1,2,...,256)；計(jì)算出采場穩(wěn)定性安全系數(shù)fsi一階矩：和二階矩：根據(jù)所述的一階矩和二階矩，獲得采場穩(wěn)定性可靠性指標(biāo)β和變異系數(shù)v為：采場災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險概率pf為：pf＝1-φ(β)＝φ(-β)，其中，φ服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)；根據(jù)礦山工程經(jīng)驗(yàn)，確定采場災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險概率的允許值為[pf]；當(dāng)pf＝φ(-β)≥[pf]，表明采場存在災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險，需采取安全措施提高采場穩(wěn)定性。當(dāng)pf＝φ(-β)＜[pf]，礦山充填采場潛在的災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險滿足安全采礦生產(chǎn)要求，不需采取安全措施。

下面用具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的解釋說明。

實(shí)施例1

步驟1：采用gps變形監(jiān)測技術(shù)對礦區(qū)地表變形進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。針對某礦山14行地表巖移設(shè)立18個gps變形監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測獲得礦區(qū)地表上18個監(jiān)測點(diǎn)的變形值(圖1)。

步驟2：當(dāng)前開采階段巖體和充填體的變形特征參數(shù)獲取。

(1)針對步驟1所述礦山，選擇巖體變形模量e、巖體泊松比μ、充填體變形模量e^*和充填體泊松比μ^*作為巖體和充填體變形特性參數(shù)。

(2)針對當(dāng)前開采階段，建立三維數(shù)值模型，進(jìn)行e、μ、e^*、μ^*4因素3水平的正交數(shù)值試驗(yàn)(e水平為1gpa，2gpa，4gpa；μ水平為0.16，0.18，0.20；e^*水平為1gpa，2gpa，3gpa；μ^*水平為0.28，0.30，0.32)，獲得礦區(qū)地表上18個監(jiān)測點(diǎn)上的三個方向計(jì)算變形值(i＝1,······,18；m＝1,······,9；j＝1,2，3)。

(3)根據(jù)所述計(jì)算變形值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，建立第i個監(jiān)測點(diǎn)的第j方向的變形與巖體和充填體變形參數(shù)的關(guān)系函數(shù)：vi^j＝fi^j(e，μ，e^*、μ^*)，(i＝1,······,18；j＝1,···3)；

(4)通過gps變形監(jiān)測技術(shù)獲得礦區(qū)地表上18個監(jiān)測點(diǎn)的第j方向的監(jiān)測變形值為pi^j(i＝1,······,18，j＝1,···3)，以18個監(jiān)測點(diǎn)上的計(jì)算值vi^j與監(jiān)測值pi^j之差的平方和最小為優(yōu)化目標(biāo)，獲得當(dāng)前開采階段巖體和充填體變形特性參數(shù)辨識的目標(biāo)函數(shù)

(5)采用優(yōu)化算法，對所述當(dāng)前開采階段巖體和充填體變形特性參數(shù)辨識的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，獲得當(dāng)前開采階段的巖體和充填體等值變形參數(shù)為：ee＝8.18gpa、μe＝0.213、ee^*＝1.58、μe^*＝0.295。

步驟3：下個中段充填采場回采方案參數(shù)優(yōu)化決策。

(1)利用步驟2獲得的所述當(dāng)前開采階段的巖體和充填體變形等值參數(shù)ee、μe、ee^*和μe^*，建立當(dāng)前開采階段等值數(shù)值分析模型(圖2)；

(2)選擇礦房寬度b、礦柱寬度w、礦房一次膠結(jié)充填體強(qiáng)度r和礦柱二步充填體強(qiáng)度s作為下中段采場回采方案優(yōu)化決策參數(shù)；采用所述當(dāng)前開采階段等值數(shù)值分析模型，進(jìn)行4因素3水平的正交數(shù)值試驗(yàn)(b水平為10m，15m，20m；w水平為10m，15m，20m；r水平為3mpa，5mpa，7mpa，s水平為1mpa，3mpa，5mpa)，由此獲得9組回采方案的采場穩(wěn)定性安全系數(shù)fsi(i＝1,···,9)；

(3)根據(jù)正交數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果，采用統(tǒng)計(jì)回歸分析方法，建立采場穩(wěn)定性安全系數(shù)fsi與礦房寬度b、礦柱寬度w、礦房一次膠結(jié)充填體強(qiáng)度r、礦柱二步充填體強(qiáng)度s的回采方案參數(shù)的回歸函數(shù)：fi＝f(b,w,r,s)；

(4)以采場充填材料成本為目標(biāo)函數(shù)，以采場穩(wěn)定性安全系數(shù)為約束條件，建立下個中段采場回采方案優(yōu)化決策模型，即目標(biāo)函數(shù)為：minc＝minp(b,w,r,s)，式中，c為采場充填材料成本，約束條件為：fs＝f(b,w,r,s)≥[fs]，式中，[fs]為采場穩(wěn)定性許可安全系數(shù)；求解所述下個中段采場回采方案優(yōu)化決策模型，獲得下個中段采場回采方案決策參數(shù)：礦房寬度bop＝21.15m、礦柱寬度wop＝15.06m、礦房一次膠結(jié)充填體強(qiáng)度rop＝4.75mpa和礦柱二步充填體強(qiáng)度sop＝1.66mpa。

步驟4：下個中段的充填采場回采過程災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險預(yù)測。

(1)確定充填采場回采災(zāi)變分析狀態(tài)變量和隨機(jī)特征參數(shù)。

選擇影響采場穩(wěn)定性的巖體和充填體等值特性參數(shù)(ee、μe、ee^*、μe^*)和采場回采參數(shù)(bop、wop、ropsop)可靠度分析中的狀態(tài)變量，并視為服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量xi，根據(jù)所述的當(dāng)前階段扥等值辨識獲得的巖體和充填體變形等值參數(shù)作為狀態(tài)變量的均值，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析，確定狀態(tài)變量xi標(biāo)準(zhǔn)方差為{σi}＝{0.210.0030.0550.00130.520.500.380.22}^t。

(2)采用rosenblueth方法進(jìn)行充填采場穩(wěn)定性特征值計(jì)算。

采場穩(wěn)定性可靠度分析狀態(tài)隨機(jī)變量xi在所述取值區(qū)間上對稱選擇2個取值點(diǎn)：(i＝1,2,...,8)；所述取值16個點(diǎn)進(jìn)行256次穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算，獲得安全系數(shù){fsi}n×1；最后計(jì)算采場穩(wěn)定性安全系數(shù)fsi的一階矩為和二階矩

(3)進(jìn)行充填采場回采過程的災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險分析。

根據(jù)所述一階矩和二階矩，獲得采場穩(wěn)定性可靠性指標(biāo)：和變異系數(shù)：采場災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險概率pf為：pf＝1-φ(2.691)＝1-0.9838＝0.0362＝3.62％。其中，φ服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布；考慮到充填采場工程為臨時性工程，確定采場災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險概率的允許值為[pf]＝5％。根據(jù)礦山充填采場計(jì)算出的失穩(wěn)風(fēng)險為pf＝3.63％<[pf]。結(jié)果表明，礦山充填采場潛在的災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險滿足安全采礦生產(chǎn)要求，不需采取安全措施。