基于Mathew穩(wěn)定圖法的雅當(dāng)銅礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

蘇光有+譚海文+凡柯

摘 要：針對雅當(dāng)銅礦復(fù)雜開采條件，為了確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于Mathew穩(wěn)定圖法原理計(jì)算得到地下采場暴露面積，研究不同方案下最大拉應(yīng)力和塑性區(qū)的分布規(guī)律，分析地下采場穩(wěn)定性，選擇最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過正交數(shù)值模擬試驗(yàn)，綜合分析了多種方案下采場應(yīng)力和塑性區(qū)分布規(guī)律，推薦沿傾向長度為50m、沿走向長度為40m、暴露面積2000m2為最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，以達(dá)到了安全、高效生產(chǎn)的目的。

關(guān)鍵詞：雅當(dāng)銅礦；采場結(jié)構(gòu)參數(shù)；采場穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

Study on Stope Structure Parameters Based on the Mathew stability graph method

SU Guangyou1， TAN Haiwen2， FAN Ke3

（1 Jinxiu Yao Autonomous County of Guangxi Maoyuan Mining Development Co.， Ltd.

2 3 School of Resources and Metallurgy，Guangxi University，Nanning 530004）

Abstract： According to the complex mining conditions of Yadang copper， in order to determine the reasonable stope structure parameters，calculate the exposed area of underground stope based on the Mathew stability graph method. Discussing the distribution law of maximum tensile stress and plastic zone under different schemes， Analysis the stability of underground stope， selecting the optimal stope structure parameters. Through isotropic experiment of numeric simulation， the distribution law of stope stress and plastic zone under a variety of schemes were comprehensively analyzed， recommend the optimal stope structure parameters is the length along tendency is 50m， the length along trend is 40m， the exposed area is 2000m2， to achieve the purpose of safe and high effective production.

Key words：Yadang copper；stope structure parameters；the stability of underground stope；numeric simulation

一、前言

在中小型有色金屬礦山復(fù)雜礦體開采過程中，存在礦體厚度小、礦巖穩(wěn)定性差從而影響采場安全高效落礦技術(shù)難題，開展地下有色金屬礦山復(fù)雜礦體采場穩(wěn)定性技術(shù)研究，設(shè)計(jì)計(jì)算合理的采場結(jié)構(gòu)尺寸，以達(dá)到解決此類礦體開采過程中采場采礦強(qiáng)度弱、安全隱患大、資源回收率低的重大技術(shù)難題。

伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，拉格朗日元法、邊界元法、離散單元法、有限元法和有限差分法等數(shù)值模擬分析方法在采礦工程領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。運(yùn)用數(shù)值模擬分析方法進(jìn)行地下采場結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)主要是通過對數(shù)值模擬計(jì)算后得到的塑性區(qū)和應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)的綜合分析來選擇最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

地下采場穩(wěn)定性的一個(gè)重要影響因素是采場極限暴露面積。在不同工程地質(zhì)背景下，地下采場極限暴露面積必然存在一定差異。在確保安全生產(chǎn)的前提下，需要盡可能得到最大采場結(jié)構(gòu)尺寸。運(yùn)用Mathew穩(wěn)定圖法對采場極限暴露面積進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)類比分析可初步確定采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，為礦山安全、高效生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

二、工程概況

雅當(dāng)銅礦礦區(qū)主體位于平樂-荔浦區(qū)域性大斷裂北西側(cè)，地層總體上為一平緩的單斜構(gòu)造。受平樂～荔浦?jǐn)嗔延绊懀V區(qū)北部產(chǎn)生雅當(dāng)次級控礦斷裂帶。礦區(qū)銅礦石主要呈脈狀產(chǎn)于逆斷層破碎帶中，礦床成因類型屬于“中溫?zé)嵋毫严冻涮钚豌~礦床”，礦體厚度一般為0.10～1.80m，局部蝕變帶可達(dá)4.00m，平均厚度0.50m。斷層破碎帶寬度0.50～3.0m，局部地帶達(dá)5.0m。構(gòu)造破碎帶及銅礦體在鉆孔巖芯多呈塊狀、碎屑狀，局部為短柱狀，巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度為0.10～2.40MPa。

礦體頂、底板圍巖為泥盆系下統(tǒng)蓮花山組上段（D1l2）紫紅色細(xì)砂巖，偶夾薄層含磷炭質(zhì)頁巖。在淺部風(fēng)化帶內(nèi)，細(xì)砂巖因風(fēng)化較破碎，屬穩(wěn)固性差的較軟～堅(jiān)硬巖石。深部細(xì)砂巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度為36.50～171.50MPa，飽和抗剪強(qiáng)度為3.70～13.60MPa，屬穩(wěn)固性好的較堅(jiān)硬～堅(jiān)硬巖石。

在礦區(qū)西區(qū)探礦權(quán)范圍內(nèi)，共圈定了 5 個(gè)礦化帶11 個(gè)銅礦體。礦體呈薄脈狀分布，礦體產(chǎn)狀與F12斷裂構(gòu)造基本一致，傾向320°～325°，傾角70°～80°，礦體厚0.14～1.88m，平均0.64m。

三、Mathew穩(wěn)定圖法

（一）Mathew穩(wěn)定圖法原理

英國Golder公司的Mathew通過對巖體穩(wěn)定性指數(shù)（N）和采場暴露面形狀系數(shù)（S）進(jìn)行大量研究，建立了兩者之間的關(guān)系，得到了Mathew穩(wěn)定性圖表。后來Potvin結(jié)合大量工程案例，分析了實(shí)際采場參數(shù)，提出修改意見并于1988年制作了修改后的Mathew穩(wěn)定性圖表[1-5]，如圖1所示：橫坐標(biāo)為采場暴露面形狀系數(shù)（S），縱坐標(biāo)為巖體穩(wěn)定性指數(shù)（N），并根據(jù)曲線位置劃分了穩(wěn)定區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)和崩落區(qū)三個(gè)區(qū)域，可進(jìn)行初步的采場穩(wěn)定性判斷。

Mathew穩(wěn)定圖法基于NGI法，由圖1可知其主要影響因素為巖體穩(wěn)定性指數(shù) （即穩(wěn)定性因素）和采場暴露面形狀系數(shù)S（即結(jié)構(gòu)因素），因此在運(yùn)用Mathew穩(wěn)定圖法對采場穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)，需要對這兩個(gè)因素進(jìn)行計(jì)算。由NGI巖體分級指標(biāo)（Q）和相關(guān)巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)可計(jì)算巖體穩(wěn)定性指數(shù)N；由采場結(jié)構(gòu)分布及其參數(shù)可計(jì)算采場暴露面形狀系數(shù)S。將（S，N）坐標(biāo)點(diǎn)投射到Mathew穩(wěn)定性圖表上可直觀判斷采場的穩(wěn)定性。同時(shí)也可以根據(jù)巖體穩(wěn)定性指數(shù)N和Mathew穩(wěn)定性圖表得到采場暴露面形狀系數(shù) 的最大容許值，結(jié)合采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

（二）Mathew穩(wěn)定圖法參數(shù)計(jì)算及結(jié)果分析

1、巖體穩(wěn)定性指數(shù)N

巖體穩(wěn)定性指數(shù)N計(jì)算式為[6]：

N=Q×A×B×C（式1）

式1中，A表示應(yīng)力系數(shù)；B表示巖體節(jié)理方位修正系數(shù)；C表示采場暴露面重力調(diào)整系數(shù)。

NGI巖體分級指標(biāo)Q計(jì)算公式為[7]：

Q=RJrJw/（JnJaSf） （式2）

式2中，R表示巖石質(zhì)量指標(biāo)，即取樣完好率；Jr表示節(jié)理粗糙度；Jw表示節(jié)理裂隙水折減系數(shù)；Jn表示節(jié)理組數(shù)；Ja表示節(jié)理變異程度；Sf表示應(yīng)力折減系數(shù)。

應(yīng)力系數(shù) 與巖石在完好狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度和暴露面的誘導(dǎo)應(yīng)力有關(guān)，其計(jì)算式為：

式3中， 表示巖石在完好狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度與暴露面的誘導(dǎo)應(yīng)力的比值。

巖體節(jié)理方位修正系數(shù) 可由控制性節(jié)理與采場暴露面的相對位置查表確定，見表1。

采場暴露面重力調(diào)整系數(shù)C與采場暴露面傾角有關(guān)，取水平暴露面的調(diào)整系數(shù)C=1，其他暴露面可由下式計(jì)算得到：

C=8-cosα（式4）

式4中，α為采場暴露面傾角。

2、采場暴露面形狀系數(shù)S

地下采場暴露面多為長方體結(jié)構(gòu)，定義的采場暴露面形狀系數(shù)S表示暴露面面積與周長的比值，即：

（式5）

式5中，lx表示礦房沿走向長度；ly表示礦房沿傾向長度。如圖2所示。

依據(jù)雅當(dāng)銅礦實(shí)際工程地質(zhì)背景、礦體結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過計(jì)算可得到Mathew穩(wěn)定圖法所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，分述如下：

雅當(dāng)銅礦NGI巖體分級指標(biāo)Q及各參數(shù)取值見表2。

雅當(dāng)銅礦采場應(yīng)力系數(shù)A均取值1.0。

雅當(dāng)銅礦巖體節(jié)理方位修正系數(shù)B查表4-2可得：B取值0.8。

雅當(dāng)銅礦采場暴露面重力調(diào)整系數(shù)C根據(jù)其礦體賦存條件，取傾角75°，即α=75°可得：C=8-6cos75°=6.4。

由此可計(jì)算出巖體穩(wěn)定性指數(shù)N和相應(yīng)的采場暴露面形狀系數(shù)S的最大容許值，如下表3所示。

由表3可得，采場暴露面形狀系數(shù)S的最大容許值為11.28，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類比，選擇礦房沿傾向長度分別為40m和50m。當(dāng)?shù)V房沿傾向長度設(shè)置為40m時(shí)，通過式5計(jì)算得到礦房沿走向長度為51.74m，此時(shí)極限暴露面積為2069.6m2；當(dāng)?shù)V房沿傾向長度設(shè)置為50m時(shí)，通過式5計(jì)算得到礦房沿走向長度為41.11m，此時(shí)極限暴露面積為2055.5m2。

（三）采場極限暴露面積數(shù)值模擬

采場的暴露面積由礦房傾向長度和走向長度決定。鑒于前文計(jì)算求解得到的極限暴露面積，選擇2000m2作為研究基準(zhǔn)，以200m2為一個(gè)梯度進(jìn)行前后劃分，設(shè)計(jì)了如下表4所示九種數(shù)值模擬方案。本次數(shù)值模擬選擇采場頂?shù)装遄鳛橹饕治霾课唬ㄟ^分析不同方案下最大拉應(yīng)力和塑性區(qū)的分布規(guī)律，研究采場穩(wěn)定性，選擇最優(yōu)礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1、最小主應(yīng)力分布規(guī)律分析

通過數(shù)值模擬計(jì)算得到了不同方案下采場最小主應(yīng)力（FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果顯示規(guī)定壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正，此處最小主應(yīng)力即為拉應(yīng)力）分布圖，計(jì)算結(jié)果整理如下：

由表5可以得到，方案4和方案9中的最大拉應(yīng)力分別為0.182MPa和0.185MPa，均小幅超出巖體的極限抗拉強(qiáng)度。方案8中的最大拉應(yīng)力為0.179MPa，幾乎達(dá)到巖體的極限抗拉強(qiáng)度。這三種方案中，采空區(qū)頂板巖體極易拉伸破壞，發(fā)生冒落，影響采場穩(wěn)定性。

當(dāng)?shù)V房沿傾向長度一定時(shí)，分組對比分析40m和50m時(shí)的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)最大拉應(yīng)力隨著暴露面積的增大而逐漸增大。當(dāng)暴露面積相同時(shí)，分組對比分析方案1和方案5、方案2和方案6、方案3和方案7、方案4和方案8，可以發(fā)現(xiàn)礦房長軸與短軸比越大，最大拉應(yīng)力反而越小，采場越穩(wěn)定。礦房沿傾向長度50m各方案的最小主應(yīng)力分布如圖3所示。

方案5 方案6

方案7 方案8

方案9

圖3 礦房沿傾向長度50m各方案的最小主應(yīng)力分布圖

Fig.3 The minimum length of 50m main stope along the tendency for various stress distribution

由圖3可知：礦體開挖后，采場拉應(yīng)力主要集中在采空區(qū)頂?shù)装逯校敯鍛?yīng)力集中區(qū)域比底板大。越靠近頂?shù)装迮c礦柱接觸部位，由于受到礦柱支撐等作用，拉應(yīng)力越小，更多表現(xiàn)為巖體的承壓受力。

2、塑性區(qū)分布規(guī)律分析

運(yùn)用數(shù)值模擬軟件分析采場穩(wěn)定性，通常可以通過塑性區(qū)分布規(guī)律進(jìn)行判斷。地下采場發(fā)生的塑性變形主要表現(xiàn)為剪切破壞和拉伸破壞，當(dāng)出現(xiàn)塑性區(qū)貫通時(shí)，采場巖體容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致采場失穩(wěn)。礦房沿傾向長度設(shè)置為50m時(shí)，各方案的塑性區(qū)分布如圖4所示。

方案5 方案6

方案7 方案8

方案9

圖4 礦房沿傾向長度50m各方案的塑性區(qū)分布圖

Fig.4 Plastic zone distribution room along the length 50m of each scheme tendency

由圖4可知：采場塑性區(qū)主要分布在頂?shù)装逯小．?dāng)?shù)V房沿傾向長度一定時(shí)，采場塑性區(qū)分布范圍隨著采場暴露面積的增大而增大，且逐漸向頂?shù)装逯胁考小?/p>

方案5、6、7塑性區(qū)范圍明顯少于方案8、9，且都呈零星分布，未形成貫通區(qū)，采場基本可以保持穩(wěn)定狀態(tài)。方案8、9塑性區(qū)范圍較大，部分區(qū)域貫通連接成片，巖體容易出現(xiàn)破壞失穩(wěn)，影響采場的穩(wěn)定性。

四、礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)選擇

由Mathew穩(wěn)定圖法計(jì)算結(jié)果可知：礦房沿傾向長度設(shè)置為40m時(shí)，采場暴露面積為2069.6m2，礦房沿傾向長度設(shè)置為50m時(shí)，采場暴露面積為2055.5m2。由數(shù)值模擬結(jié)果可知：方案4和方案9中最大拉應(yīng)力均超出巖體的極限抗拉強(qiáng)度，方案8中最大拉應(yīng)力幾乎達(dá)到巖體的極限抗拉強(qiáng)度，且三種方案中塑性區(qū)范圍較大，部分區(qū)域貫通連接成片，巖體極易破壞，發(fā)生冒落，影響采場穩(wěn)定性。方案3和方案7中，此時(shí)采場暴露面積為2000m2，最大拉應(yīng)力分別為0.177MPa和0.176MPa，均未超出巖體的極限抗拉強(qiáng)度，且塑性區(qū)范圍小，呈零星分布，未形成貫通區(qū)，采場基本可以保持穩(wěn)定狀態(tài)。由此可以初步判斷采場允許暴露面積在2000m2～2200m2之間。由于礦房長軸與短軸比越大，最大拉應(yīng)力反而越小，采場越穩(wěn)定，優(yōu)選方案7。

綜上所述，選擇方案7作為最優(yōu)的礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)，即礦房沿傾向長度為50m，沿走向長度為40m，采場極限暴露面積2000m2。

五、結(jié)論

基于Mathew穩(wěn)定圖法原理并通過正交數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究了9種方案下采場應(yīng)力和塑性區(qū)分布規(guī)律，推薦沿傾向長度為50m、沿走向長度為40m、暴露面積2000m2為最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，為雅當(dāng)銅礦今后采場結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，在滿足產(chǎn)能要求的同時(shí)以避免采場地壓災(zāi)害、降低礦石貧化率。

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第一作者簡介：

蘇光有，1965年3月出生，男，瑤族，廣西富川縣人，現(xiàn)供職于金秀瑤族自治縣茂源礦業(yè)開發(fā)有限公司，工程師，長期在礦山從事采礦工程設(shè)計(jì)與施工管理工作。