謙比希銅礦緩傾斜中厚礦體采場暴露面積研究*

胡文達，王 勇，王貽明（.中色非洲礦業有限公司，贊比亞 基特韋；.北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 00083）

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謙比希銅礦緩傾斜中厚礦體采場暴露面積研究*

胡文達1，王 勇2，王貽明2
（1.中色非洲礦業有限公司，贊比亞 基特韋；2.北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083）

摘要：謙比希銅礦東南礦體屬于緩傾斜薄至中厚礦體，開采條件困難。在采礦方法優選時，采場允許暴露面積的大小直接影響礦石回采率、生產采掘比及采礦成本等技術經濟指標。為此，通過Mathews穩定性分析法和概率預測模型，對采場無支護狀態下的最大暴露面積進行了理論計算，結果表明：無支護條件下采場暴露面積宜控制在1200m2以下，采場寬度在20m以下，此時采場頂板穩定性良好。采場允許暴露面積確定為謙比希東南礦體開采方案設計及結構參數優化提供重要依據。

關鍵詞：緩傾斜；中厚礦體；暴露面積；Mathews法；概率預測模型

1　引言

我國緩傾斜中厚礦體所占比例較高，其中105億t磷礦中有86％為緩傾斜中厚礦體。此外，鐵礦中有18％、有色金屬中有5％～9％也屬于該類礦體，有色金屬中，該類礦體占有比例最高的為銅資源［1］。緩傾斜中厚礦體由于傾角小（5～30°），落礦是難以借助自重放出，采場出礦時往往采用搬運設備；并且，采場頂板管理難度大，安全隱患突出；倘若使用底盤出礦漏斗，將會使得采切比大，進而增加開采成本。因此，該類礦體的開采被認為是世界性采礦技術難題［2］。

中國有色集團謙比希銅礦下屬東南礦體傾角0～30°，厚度約10m，屬于緩傾斜薄至中厚礦體，開采條件困難。東南礦體投產后將形成10000t/d生產能力，企業面臨生產任務緊張，當地人工成本、原材料價格極高等系列問題，因此采礦方法選擇是否合適是東南礦體順利開采的關鍵技術問題。在采礦方法選擇時，采場允許最大暴露面積尤其重要。因為地下開采過程中，礦房尺寸的選取及設計，往往受到礦巖最大允許暴露面積的限制。采場暴露面積是確保井下安全回采的重要參數，與礦巖的穩定性密切相關。同時，暴露面積的大小直接影響礦石回采率、生產采掘比及采礦成本等技術經濟指標。

為此，本文基于Mathews穩定性分析法和概率預測模型，對采場無支護狀態下的最大暴露面積進行了理論計算，為謙比希東南礦體開采方案設計及結構參數優化提供依據。

2　Mathews穩定性分析方法

在采場穩定性分析方面，Mathews［3-4］通過圖表描述了采場暴露面形狀系數S（也稱水力半徑）與其穩定性指數N之間關系，即穩定性圖表。Potvin基于多個現場實例，同時通過重新定義、調整某些系數，對Mathews的研究結論進行了修改，即為經典的修正后的穩定性圖解法［5］。Potvin、Milne和Nickson重新評估了對錨索支護造成的影響，并引進了兩個新錨索支護設計帶，如圖1所示［6］。如圖所示，穩定性圖解包括三個帶，其間又被兩個過渡帶分隔，其相應的工程意義如下：

（1）穩定：指暴露面在沒有支護或者局部采用支護的情況下保持自立。

（2）不穩定：指局部產生了冒落，整體上能夠保持平衡拱結構。通過暴露面積大小的調整或者采用錨索支護可以使得破壞范圍減小。

（3）崩落：暴露面立即產生破壞，直至空區被垮落礦巖填滿。

圖1　Mathews穩定性指數與水力半徑關系圖

Mathews法涉及兩個重要參數，其一為巖體穩定性指數N，其可以根據挪威巖土工程研究所（Norwegain Geotechnical Institute）提出的巖體質量分類指標Q來進行計算。穩定性指數反映了巖體在一定應力條件下的自立能力。另一參數為采場暴露面形狀系數S，其主要與采場暴露面的尺寸和形狀有關，為暴露面的水力半徑，需根據礦山開拓及開采工藝綜合考慮。

將N值和S值投影至Potvin修改之后的穩定性圖上，可以初步對采場總體穩定性進行判斷；也就是根據N值，結合穩定性圖表，求出整體穩定的形狀系數S，在確定采場某一結構參數的情況下即可進行其它結構參數的確定。

3　穩定性指數以及水力半徑確定

3.1穩定性指數N值確定

穩定性指數N的計算方法可用下式表示［7］：

式（1）中：Q'表示修正后的NGI巖體質量評價指數，A表示巖石應力系數，B表示節理方位修正系數，C表示重力調整系數。

根據Barton等人對巖體質量與地下巷道支護要求的研究結論，Q值用下式計算：

式（2）中：RQD表示巖體質量指標，Jn表示節理組數，Jr表示節理粗糙度，Ja表示節理蝕變影響因素，Jw表示節理裂隙水折減系數，Sf表示應力折減系數。在此取Sf=1，其它參數保持不變。由式（2）得到的Q值即代表修正的NGI巖體質量評價指數Q'，計算結果如表1所示。

表1　巖體質量評價指標的計算參數

巖石應力系數A與σc/σi成線性關系，相關關系式為：

式（3）中：σc表示完整巖石單軸抗壓強度，σ1表示平行于采場暴露面由采礦造成的誘導應力。

礦體埋深為500～1200 m，巖石密度一般在2.6～2.8g/cm3，σ經計算采空區上方巖體自重應力約21.168 MPa，因此采場應力系數A取0.567。

節理方位修正系數B主要與不連續面的方向有關，其可根據控制性節理與暴露面的相對方位來確定。礦體采場沿礦體傾向布置，根據文獻中節理方位系數B的圖解方法［8］，按優勢結構面與采場暴露面長軸方位夾角最不利情況考慮，節理方位修正系數B取值為0.2。

重力調整系數C主要描述了重力對采場暴露表面崩落、滑落等穩定性的影響作用。其與暴露面傾角的關系由式（4）式確定。

礦體為緩傾斜中厚礦體，傾角按5°、10°、15°、20°、25°五種情況考慮，重力調整系數C分別對應為2.023、2.091、2.204、2.362、2.562。

3.2水力半徑HR

采場內的任一暴露面均可視作為一個矩形。形狀系數S可表達為暴露面積與其2倍周長的比值，也就是常說的水力半徑HR［9］。當暴露面的長短之比超過4∶1時，其形狀系數S則基本不變，此時暴露面穩定性受到單向跨度尺寸的控制。水力半徑HR與其采場暴露面的關系可以按照式（5）進行計算，水力半徑HR確定方法的圖解如圖2。

3.3穩定性指數N與水力半徑HR關系

依據Mathews穩定性指數計算參數，根據公式（1）以及穩定性指數與水力半徑的相關關系圖1，可以獲得穩定性指數N以及穩定狀況下所容許得水力半徑HR，具體計算結果見表2。

表2　穩定性指數N與允許水力半徑HR的計算結果

3.4概率預測模型

C.Mawdesley采用Mathews方法對483組礦山實例進行了統計分析，分別將S、N、A、B、C系數視為回歸分析的因子，進而對穩定、破壞及崩落事故所占概率進行了對數回歸分析，結果表明：以S和N指標所構建的概率密度函數與實例概率的結果較為一致，如圖3所示［10］。

因此采用S、N的模型進行概率的預測，其表達式為：

圖3　概率密度函數

式（6）和（7）中：z為預測的對數幾率值；p為預測的對數概率值；S為水力半徑；N為穩定系數。

4　采場頂板允許暴露面積分析

根據礦體采場布置方案，采場暴露面沿走向長為60 m，礦體傾角分別按5°、10°、15°、20°、25°五種情況考慮，采場傾向長可根據礦體傾角計算。由水力半徑計算公式5和表3可計算出回采采場的允許暴露參數。

根據式（6）、（7）和圖3可以得出不同采場結構參數下的穩定性系數。礦塊沿傾向布置，礦塊沿走向長為60 m，采場寬12 m，間柱寬5 m。礦房傾向長從10 m到20 m不等，分別計算在各種參數條件下采場頂板發生破壞的概率，從而可以確定合理的采場結構參數。

根據Mathews穩定性分析法和概率預測模型得到的結果有一定差異。綜合兩種計算結果以及現場勘探經驗情況，無支護條件下采場暴露面積宜控制在1200 m2以下，采場寬度在20 m以下，此時采場頂板穩定性良好。

表3　中深孔嗣后充填法采場結構參數

表4　中深孔嗣后充填法礦塊開采穩定、破壞概率值

5　結論

謙比希銅礦下屬東南礦體傾角0～30°，厚度約10m，屬于緩傾斜薄至中厚礦體，開采條件困難。采礦方法優選是確保礦體順利開采的關鍵。本文基于Mathews穩定性分析法，對礦體穩定性指數和水力半徑進行計算，最后結合概率預測模型，對采場無支護狀態下的最大暴露面積進行了理論計算，結果表明：無支護條件下采場暴露面積宜控制在1200m2以下，采場寬度在20m以下，此時采場頂板穩定性良好。這一結論為謙比希東南礦體開采方案設計及結構參數優化提供重要依據，旨在提高礦石回采率、降低生產采掘比及采礦成本等技術經濟指標。

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Study on Stope Exposed Area of a Slight Dipping Medium Thick Orebody in Chambishi Copper Mine

HU Wen-da1，WANG Yong2，WANG Yi-ming2
（1.Africa Mining PLC of China Nonferrous Metals Co.，Ltd.，Kitwe，Zambia； 2.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology of Beijing，Beijing 100083，China）

Abstract:The south-east orebody is a slight dipping medium thick orebody which is difficult to exploit.The exposed area of the stope would affect the ore recovery rate，production mining and stripping ratio，and mining cost，etc.directly when we were choosing the mining method.Therefore，the maximum exposed area of stope without support was calculated on the basis of Mathews stability analysis method and probability forecasting model.The calculation results show that the suitable exposed area should be controlled to be less than 1200 m2.The width of stope should be less than 20m.In the situation with these parameters，the roof of stope shows a good stability.The determination of stope exposed area provides important basis for the mining method and stope size optimization of Chambishi south-east orebody.

Keywords:slight dipping；medium thick orebody；exposed area；Mathews method；probability forecasting model

中圖分類號：TD803

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3842（2016）02-0035-04

收稿日期：2015-10-02

*基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃課題（2012BAB08B02）；國家自然科學基金資助項目（51304011）

作者簡介：胡文達（1969-），男，安徽銅陵人，高級工程師，中色非洲礦業有限公司從事采礦技術管理工作。E-mail:328604021@qq.com