某礦采場結構參數設計及頂板穩定性判別

劉澤洲，王 杰

（1.湖南有色金屬研究院，湖南長沙 410100；2.馬鋼集團設計研究院有限責任公司，安徽馬鞍山 243000）

某礦采場結構參數設計及頂板穩定性判別

劉澤洲1，王 杰2

（1.湖南有色金屬研究院，湖南長沙 410100；2.馬鋼集團設計研究院有限責任公司，安徽馬鞍山 243000）

某礦采用人工礦柱代替原生礦柱的房柱采礦法回采，首先根據采場頂板圍巖的應力分布和破壞機理得出礦房寬度；然后通過考慮人工礦柱應承受的壓力與礦柱強度的關系，在一定的安全系數條件下計算出人工礦柱的寬度，確定出合理的采場結構參數；最后通過Mathew穩定圖表法，判別出該采場結構參數對應頂板暴露面積的穩定性。研究結果表明：通過計算得出的采場結構參數為：礦房寬度14 m，人工礦柱10 m；運用Mathew穩定性圖表查出N＝18.31和S＝6.14時，對應的采場頂板暴露面積落點位于穩定區，判別出采場頂板穩定性較好，暴露面不需進行全面支護，只需有局部支護用于控制巖塊的片落。

采場結構參數；礦房寬度；人工礦柱；Mathew法；穩定性

地下礦山開采之前，必須先確定采場結構參數，事關開采過程的經濟性以及安全性。在釆礦方案設計時，礦柱尺寸過小，礦房的穩定性低，頂板發生冒落以及垮塌的概率加大，安全生產得不到保障；而礦柱尺寸設計過大，礦房跨度過小，則回收率低，礦石損失量大，生產經濟效益不高。合理的采場結構參數是在安全能夠保障的前提下，最大化經濟效益地將礦石從地下開采出來。因此，采場結構參數設計的合理與否是采礦技術當中的核心工作。目前，在采場結構參數研究方面，工程中比較常用的方法主要有：工程類比法（經驗法）、半經驗半理論法［1，2］、數值分析法［3～5］、模型試驗法［6］、遺傳算法［7］、可靠性分析法［8］等。巖體的形成就是一個極度復雜的過程，并且巖體內部存在著大量的地質缺陷，如節理、裂隙、空隙及地下水等，導致影響采場結構參數的因素比較復雜，從而給采場結構參數的優化設計造成一定的困難。

本文首先根據采場頂板圍巖的應力分布和破壞機理計算出礦房寬度，然后通過考慮人工礦柱應承受的壓力與礦柱強度的關系，在一定的安全系數條件下計算出人工礦柱的寬度，最后通過Mathew穩定圖表法，判別出該采場結構參數對應頂板暴露面積的穩定性，為今后類似工程的設計、施工和研究提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

某礦是一個主要含錫、銅（多金屬）硫化物礦床，主要產于花崗巖與碳酸鹽巖石的接觸帶界面之間。礦體走向南北，傾向西，局部向北側伏，平均傾角14°。礦體平均厚度10 m，中等穩固，普氏系數f＝6～8，近礦體圍巖節理較發育、局部破碎。礦體頂板為大理巖，f＝6～8，中等穩固。底板為花崗巖，返礦部位為半風化花崗巖，f＜6，不穩固。其余為塊狀花崗巖，f＝6～8，中等穩固。

采用人工礦柱代替原生礦柱的房柱采礦法進行回采，采場沿礦體走向布置，依次劃分礦房、礦柱，采場高為礦體厚度，回采垂高為25 m，回采工作從中段巷道開始由下至上逐個分段進行，回采鑿巖采用YGZ－90鑿巖機，利用鏟運機出礦。回釆分為兩個步驟：先回收礦柱，嗣后膠結充填構造人工礦柱，然后回采兩側礦柱采場都已充填完畢的礦房。人工礦柱膠結充填配比為（體積比）：水泥∶河沙∶廢石＝1∶2∶6［9］，廢石主要來源于下部中段開拓工程。該采礦方法回采步驟如圖1所示。

圖1 采礦方法回采步驟圖

2 礦房寬度

針對頂板圍巖的力學分布結構，考慮頂板上覆巖層的壓力、巖體的力學特征等與礦房跨度的關系，得出房柱法礦房寬度確定的理論計算公式［9］。

式中：b為礦房寬度／m；γ為側壓力系數，取0～1；γ為巖體的容重／kN·m－3；H為開采（頂板距地表）深度／m；σ1為頂板的許可抗拉強度／Pa。

根據公式（1），結合礦山實際情況及類似礦山資料，相關的參數取值如下：λ＝0.78，γ＝27.2 kN／m3，H＝630 m，σ1＝2.1 MPa，求出b＝14.62 m，礦房合理寬度取14 m。

3 人工礦柱寬度

在礦柱強度保持不變的條件下，礦柱寬度的選取受所承受荷載的影響，所承受的荷載主要包括礦柱的自重以及頂板壓力。人工礦柱所承載的壓力與其寬度成正比例關系，壓力越大，其相應的寬度也需增加。太沙基地壓學說和普氏地壓學說這兩個經典地壓學說都認為地壓的大小不受開挖空間埋深的影響，但是只適用于開挖空間埋深不大的情況。比如，當開采深度不大且圍巖比較破碎時，計算結果確實與實際測量比較接近，但對于開采深度較大且圍巖強度較高、完整性較好時，計算結果誤差則較大［10］。

人工礦柱限制圍巖塑性區的發展，減小圍巖的移動，主要是對圍巖可以提供一定的承載力，從而保持采場的穩定性。目前，該礦屬于開采深度比較大的情況（開采深度＞600 m），應考慮開采深度對地壓的影響，為此在地壓估算公式中引入計入開采深度的影響因素。采場開挖后的塑性半徑就是巖體的受開挖影響區域，認為其內的巖體會全部滑落，該區域內將滑落的巖體的全部重量即是人工礦柱所承受的頂板壓力。

可根據Kastner公式計算，求出采場開挖后的塑性區半徑：

式中：R0為開挖半徑，當開采空間是矩形斷面，R0取外接圓半徑／m；c為巖體內聚力／Pa；φ為巖體內摩擦角／（°）；p0為開采深度的垂直自重應力／Pa。

式中：L為礦體的走向長度／m，h為人工礦柱的高度／m。

巷道的頂壓密集度qd：

式中：γ為礦石的容重／kN·m－3。

每個礦柱單位長度應承受的壓力Qd：

式中：γ1為人工礦柱的容重／kN·m－3；B為礦柱的寬度／m；N為礦柱個數，NB＋（N＋1）×b＝L。

礦柱強度與礦柱的形狀有著很直接的關系，在截面積相同情況下，圓形礦柱比正方形礦柱的強度要高一些，比其它形狀的礦柱強度要高得多。本文采用基于薩拉蒙和摩若原理的礦柱強度公式，綜合考慮充填下料的不均勻性以及采礦工藝，得出人工礦柱強度公式［9］：

式中：σp為人工礦柱強度／Pa；k1為采礦工藝系數，主要考慮爆破對與人工礦柱強度的影響來選取，取k1＝0.9；σc為單軸抗壓強度／Pa；α為常數，礦柱的高寬比小于5時，α＝1；高寬比大于5時，α＝1.4。

聯立公式（1）～（7）可得到不同寬度條件下的人工礦柱安全系數F［9］：

人工礦柱的寬度直接受安全系數F取值的影響，礦柱所需的穩定性要越好，則安全系數取值越高，但導致人工礦柱越寬，相應的充填成本越高。考慮礦柱截面的不均勻性，不同礦柱之間承受載荷的不均性，礦柱的安全系數F得有一個取值范圍。根據大多數礦山的經驗，采用安全系數為1.2～2.5時，礦柱未發生破壞［9］。根據目前礦山的實際情況，選取安全系數F為1.2，人工礦柱的容重γ1為22 kN／m3，塊石膠結充填體試件強度σc為4.8 MPa，巖體內摩擦角φ為31.88°，巖體的內聚力c為4.14 MPa，人工礦柱的高度h為10 m，礦體的走向長度L為72 m。根據公式（8）求出B＝9.81 m，人工礦柱合理寬度取10 m。

4 頂板穩定性判別

Mathew法的全稱為Mathew穩定圖表法，該法以1974年巴頓等提出的NGI法（巖體隧道開挖質量分類法）為基礎發展而來，實質是以采場的形狀系數S和巖體的穩定性指數N之間的關系而確定出的一個穩定性圖表［12］。該法有兩種應用：（1）根據相關公式計算出巖體的穩定性指數N，然后在穩定性圖表上求出相對穩定的采場形狀系數S，在初步選定采場某一結構參數后即可確定其它結構參數和暴露面積；（2）根據工程地質調查得出巖體的穩定性指數N，在綜合考慮類似礦山開采工程以及以往經驗的基礎上初步確定采場結構參數并計算出采場暴露面積的形狀系數S，將N和S投影到Mathew穩定性圖標上，從而判斷采場的穩定性［2，12］。本文采用第二種用法，Mathew穩定性圖表如圖2所示。

圖2 Mathew穩定性圖表

4.1 Mathew穩定圖法計算步驟

4.1.1 穩定性指數N

穩定性指數N的計算式為：

式中：Q為巖體質量指數；A為應力系數；B為巖體缺陷方位修正系數；C為設計采場暴露面方位修正系數。

其中，Q＝RJrJW／（JnJaSf），R為巖體質量指標（取樣完好率）；Jr為節理粗糙度；Jn為節理組數；JW為節理裂隙水折減系數；Ja為節理蝕變、充填及膠結程度；Sf為應力折減系數。

巖石應力系數的取值A受完整巖石的單軸抗壓強度和采礦誘導應力的影響。A按同一方法確定，所需要的輸入參數是完整巖塊無約束抗壓強度與采場壁中線處誘發的壓應力的比值。其值上盤時取1，頂板時取0.5。

巖體缺陷方位修正系數，上盤時取0.5；頂板傾角10°時取0.2，傾角20°時取0.3，傾角30°時取0.35，傾角45°時取0.4，傾角60°時取0.8。

設計采場暴露面方位修正系數取值按照水平暴露面的C值為1，對于其它面的值可用下式計算：

式中：α為水平面與暴露面的夾角。

4.1.2 采場形狀系數

任何井下的暴露面均可認為是由兩個方向的跨度組成，即認為暴露面是一個長方形，且定義采場形狀系數S為：

式中：L為采場寬度／m；L1為采場長度／m。

當采場暴露面長寬之比大于4∶1時，其形狀系數基本保持不變，即此時暴露面的穩定性主要受暴露面寬度的影響。

4.2 計算結果分析

根據工程地質調查結果及礦體實際情況，通過上式（9）中各參數值為：R＝84，Jr＝3，Jn＝6，Jw＝1，Ja＝1，Sf＝1，A＝1，B＝0.2，計算可得：

通過計算確定的礦房寬度為14 m，長度為礦體斜長，階段高度為25 m，傾角為14°，故礦房長度為25／sin14°＝103.31 m，考慮需留設頂底柱，礦房長度取100 m。根據公式（11），計算出采場形狀系數S為6.14。

根據圖2查得N＝20.93和S＝6.14時，對應的采場頂板暴露面積落點位于穩定區，判別出采場頂板穩定性較好，暴露面不需進行全面支護，只需有局部支護用于控制巖塊的片落即可，進一步確認了采場結構參數的合理性。具體該采場結構參數的穩定性見表1。

表1 采場頂板Mathew穩定性圖表評價

5 結 論

1.通過計算得出采用人工礦柱代替原生礦柱的房柱采礦法其采場結構參數為：礦房寬度14 m，人工礦柱10 m。

2.運用Mathew穩定性圖表得出N＝18.31和S＝6.14時，對應的采場頂板暴露面積落點位于穩定區，判別出采場頂板穩定性較好，暴露面不需進行全面支護，只需有局部支護用于控制巖塊的片落。

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Design of Stope Structural Parameters and Roof Stability’Discrim ination for a Mine

LIU Ze-zhou1，WANG Jie2
（1.Hunan Research Institute of NonferrousMetals，Changsha 410100，China；2.Magang Group Design＆Research Institute Co．，Ltd．，Maanshan 243000，China）

Based on room-and-pillarminingmethod that using artificial pillar in place of the original pillar，the room width can be obtained through the stress distribution and failuremechanism of the roof rock.Then，the width of the artificial pillar is calculated by considering the relation of the pressure and strength of pillar artificial under the condition of certain safety factor，and the reasonable stope structure parameters are determined.Finally，the stability of the exposed area of the stope is judged through Mathew stability chart method.The results indicate that：The structural parameters of the stope are calculated as follows：the room width is14m，and thewidth of the artificial pillar is 10m；The relevant results is found by using the Mathew stability diagram as follows：N＝18.31 and S＝6.14，and the corresponding roof of the stope，of which exposure area is located in the stable area，is judged as better stability，so the exposed surface only need to be locally supported for the control of rock pieces rather than be fully supported.

stope structural parameters；room width；artificial pillar；Mathew method；stability

TD322＋.1

A

1003－5540（2017）01－0004－04

2016－10－25

劉澤洲（1985－），男，工程師，主要從事采礦技術及安全方面的研究工作。