206 工程科学学报，第43卷，第2期 pressure is managed by filling goaf with overlying rocks.It is a low-cost and efficient large-scale underground mining method and has been widely used in metal mines around the world.To further reveal the far-field field migration and evolution mechanism of caved ore and rock in metal mine,through physical test,numerical simulation,and theoretical analysis,isolated-drawpoint draw models were constructed to study the flow characteristics of near/far-field flow characteristics of caved ore and rock.Based on the discrete element software PFC and rigid block model,the numerical draw model was constructed for the first time.The reliability and superiority of the rigid block model in the study of flow characteristics of caved ore and rock were proved by comparative analysis between near-field physical draw test results and simulated results.Moreover,the variation law of the IMZ(Isolated Movement Zone),the stress evolution law and its mechanical mechanism in the particle flow system under far-field conditions were quantitatively studied.The key research results prove that:1)The shapes of IMZ under near/far-field conditions conform to the upside-down drop shape theory.In the initial draw stage,the maximum width of IMZ increases rapidly with the increase of height in the form of power function;while in the following draw stage,the maximum width of IMZ increases almost linearly with the height increase.2)There is an obvious stress arch effect during the flow of caved ore and rock.With the range expansion of the caved ore and rock,the vertical stress in a certain range outside the IMZ decreases obviously,while the horizontal stress gradually increases and surges before the arrival of IMZ.Furthermore, the horizontal and vertical stresses within the IMZ drop sharply to a lower level. KEY WORDS draw;near/far-field condition;caved ore and rock;flow characteristics;rigid block model 崩落采矿法尤其是自然崩落法的特点是连续 验研究.此外，随着计算机技术和放矿理论的不断 回采，覆岩下放矿，以崩落覆岩充填采空区的方式 发展，数值模拟方法将在放矿问题研究中发挥更 管理地压，属于低成本、高效率的大规模采矿方 为关键且不可或缺的作用，其中基于颗粒离散元 法，在国内外金属矿山广为应用-刘依据崩落矿 的P℉C软件因其能够从细观角度分析矿岩散体介 岩层高度或放矿高度的不同，可将地下金属矿山 质的移动规律，适用于放矿问题研究2-21.目前， 放矿问题划分为近场放矿(Near-field draw)与远场 国内外学者已基于P℉C软件在金属矿山近场放矿 放矿(Far-field draw)两大类.通常而言，将放矿高 问题研究中取得诸多成果.Hashim2]通过室内放 度小于100~200倍矿岩颗粒平均粒径的放矿问题 矿试验量化了放出体(Isolated extraction zone,IEZ) 视为近场放矿，而将放矿高度大于100~200倍矿 与松动体(Isolated movement zone.IMZ)内的剪切 岩颗粒平均粒径的放矿问题视为远场放矿团 应变，并利用P℉C程序研究了颗粒形状、块度分 目前，国内外学者针对金属矿山中近场放矿 布等因素对小粒径颗粒穿流特性的影响.Sog等2 问题的室内试验、数值计算与理论研究等较为充 利用P℉C软件研究了颗粒形状对放出体形态的影 分.其中，在近场放矿理论研究方面，已形成椭球 响.胡建华等2采用正交数值仿真和盈利因子评 体理论、类椭球体理论、随机介质理论、倒置 价函数，进行分段高度、进路间距、崩矿边孔角、 水滴理论-8等多种放矿理论，有力地促进了放矿 截止贫化率的四因素三水平正交数值模拟，探究 理论和技术在金属矿山中的发展与完善.而室内 矿岩颗粒流动规律，确定了最优采场结构参数组 放矿试验手段受到众多学者青睐，在放矿领域研 合.孙浩等P7-2ッ基于P℉C程序中的球形颗粒研究 究中一直占据不可或缺的重要地位.针对近场放 三类边界条件下的矿岩颗粒移动规律，实现了放 矿问题，Css-10、Janelid和Kvapli、Laubscher、 出体、矿石残留体形态变化过程的可视化， Powerl到、Castro等l、陶干强等、王洪江等和 目前，如南非的Cadia Valley铜金矿、中国的 Jim等在内的诸多学者利用不同相似比(1：30与 普朗铜矿等国内外自然崩落法矿山的矿岩层高度 1:100)的物理模型，探究了颗粒粒径、矿岩层高 均已超过200~300，属于典型的地下金属矿远 度、放矿口尺寸和垂直应力等不同因素影响下的 场放矿问题.Castro等0利用室内试验手段研究 崩落矿岩运移规律.王云鹏和余健7刀、邵安林剧、 了远场放矿中不同放矿方式下底部结构所承受垂 徐帅等I、Castro和Pineda!2o以及孙浩等u在内 直应力的变化规律.Rafiee等B利用离散元数值 的诸多学者基于分段高度、进路间距、崩矿步距 模拟手段研究了远场放矿前不同因素影响下的矿 和端壁倾角的不同组合，开展了程潮铁矿、首云铁 岩可崩性，发现：原位应力和水力半径是自然崩落 矿、金厂沟梁金矿、加拿大Agnico Eagle金矿和梅 法中影响矿岩可崩性的主要因素.然而，无论是现 山铁矿等崩落法金属矿山的采场结构参数优化试 行放矿理论、室内试验还是数值模拟研究，对于远pressure is managed by filling goaf with overlying rocks. It is a low-cost and efficient large-scale underground mining method and has been widely used in metal mines around the world. To further reveal the far-field field migration and evolution mechanism of caved ore and  rock  in  metal  mine,  through  physical  test,  numerical  simulation,  and  theoretical  analysis,  isolated-drawpoint  draw  models  were constructed to study the flow characteristics of near/far-field flow characteristics of caved ore and rock. Based on the discrete element software PFC3D and rigid block model, the numerical draw model was constructed for the first time. The reliability and superiority of the rigid block model in the study of flow characteristics of caved ore and rock were proved by comparative analysis between near-field physical draw test results and simulated results. Moreover, the variation law of the IMZ (Isolated Movement Zone), the stress evolution law and its mechanical mechanism in the particle flow system under far-field conditions were quantitatively studied. The key research results prove that: 1) The shapes of IMZ under near/far-field conditions conform to the upside-down drop shape theory. In the initial draw  stage,  the  maximum  width  of  IMZ  increases  rapidly  with  the  increase  of  height  in  the  form  of  power  function;  while  in  the following draw stage, the maximum width of IMZ increases almost linearly with the height increase. 2) There is an obvious stress arch effect during the flow of caved ore and rock. With the range expansion of the caved ore and rock, the vertical stress in a certain range outside the IMZ decreases obviously, while the horizontal stress gradually increases and surges before the arrival of IMZ. Furthermore, the horizontal and vertical stresses within the IMZ drop sharply to a lower level. KEY WORDS    draw；near/far-field condition；caved ore and rock；flow characteristics；rigid block model 崩落采矿法尤其是自然崩落法的特点是连续 回采，覆岩下放矿，以崩落覆岩充填采空区的方式 管理地压，属于低成本、高效率的大规模采矿方 法，在国内外金属矿山广为应用[1−2] . 依据崩落矿 岩层高度或放矿高度的不同，可将地下金属矿山 放矿问题划分为近场放矿 (Near-field draw) 与远场 放矿 (Far-field draw) 两大类. 通常而言，将放矿高 度小于 100～200 倍矿岩颗粒平均粒径的放矿问题 视为近场放矿，而将放矿高度大于 100～200 倍矿 岩颗粒平均粒径的放矿问题视为远场放矿[3] . 目前，国内外学者针对金属矿山中近场放矿 问题的室内试验、数值计算与理论研究等较为充 分. 其中，在近场放矿理论研究方面，已形成椭球 体理论[4]、类椭球体理论[5]、随机介质理论[6]、倒置 水滴理论[7−8] 等多种放矿理论，有力地促进了放矿 理论和技术在金属矿山中的发展与完善. 而室内 放矿试验手段受到众多学者青睐，在放矿领域研 究中一直占据不可或缺的重要地位. 针对近场放 矿问题，Čssr[9−10]、Janelid 和 Kvapli[11]、Laubscher[12]、 Power[13]、Castro 等[14]、陶干强等[15]、王洪江等[16] 和 Jin 等[8] 在内的诸多学者利用不同相似比（1∶30 与 1∶100）的物理模型，探究了颗粒粒径、矿岩层高 度、放矿口尺寸和垂直应力等不同因素影响下的 崩落矿岩运移规律. 王云鹏和余健[17]、邵安林[18]、 徐帅等[19]、Castro 和 Pineda[20] 以及孙浩等[21] 在内 的诸多学者基于分段高度、进路间距、崩矿步距 和端壁倾角的不同组合，开展了程潮铁矿、首云铁 矿、金厂沟梁金矿、加拿大 Agnico Eagle 金矿和梅 山铁矿等崩落法金属矿山的采场结构参数优化试 验研究. 此外，随着计算机技术和放矿理论的不断 发展，数值模拟方法将在放矿问题研究中发挥更 为关键且不可或缺的作用，其中基于颗粒离散元 的 PFC 软件因其能够从细观角度分析矿岩散体介 质的移动规律，适用于放矿问题研究[22−23] . 目前， 国内外学者已基于 PFC 软件在金属矿山近场放矿 问题研究中取得诸多成果. Hashim[24] 通过室内放 矿试验量化了放出体 (Isolated extraction zone，IEZ) 与松动体 (Isolated movement zone，IMZ) 内的剪切 应变，并利用 PFC 程序研究了颗粒形状、块度分 布等因素对小粒径颗粒穿流特性的影响. Song 等[25] 利用 PFC 软件研究了颗粒形状对放出体形态的影 响. 胡建华等[26] 采用正交数值仿真和盈利因子评 价函数，进行分段高度、进路间距、崩矿边孔角、 截止贫化率的四因素三水平正交数值模拟，探究 矿岩颗粒流动规律，确定了最优采场结构参数组 合. 孙浩等[27−29] 基于 PFC 程序中的球形颗粒研究 三类边界条件下的矿岩颗粒移动规律，实现了放 出体、矿石残留体形态变化过程的可视化. 目前，如南非的 Cadia Valley 铜金矿、中国的 普朗铜矿等国内外自然崩落法矿山的矿岩层高度 均已超过 200～300 m，属于典型的地下金属矿远 场放矿问题. Castro 等[30] 利用室内试验手段研究 了远场放矿中不同放矿方式下底部结构所承受垂 直应力的变化规律. Rafiee 等[31] 利用离散元数值 模拟手段研究了远场放矿前不同因素影响下的矿 岩可崩性，发现：原位应力和水力半径是自然崩落 法中影响矿岩可崩性的主要因素. 然而，无论是现 行放矿理论、室内试验还是数值模拟研究，对于远 · 206 · 工程科学学报，第 43 卷，第 2 期