修正Mathews圖表法在九仗溝金礦的應用

趙子喬,趙興東

(東北大學 資源與土木工程學院， 遼寧 沈陽 110189)

0 引 言

英國Golder公司的Mathews于1981年建立了巖體穩定性指數N與采礦暴露面形狀系數S之間關系—穩定性圖表，主要利用NGI巖體分級指標Q計算巖體穩定性指數N，綜合考慮礦山開拓和采準工程，初步確定采場結構參數并計算采場暴露面形狀系數S(或稱水力半徑)，將N和S值投影到Potvin統計的穩定性圖表上即可初步判斷采場的穩定性;或者是根據巖體穩定性指數N在穩定性圖表上求出總體穩定的采場形狀系數S，在初步確定采場結構參數后即可確定其它結構參數。Mathews在制作穩定性圖表時，收錄了50例礦山進入其穩定性圖表，但是隨著mathews法的廣泛應用，之前收錄的礦山實例數量就顯得不夠充分，不能起到比較準確判斷穩定性的作用；隨后一段時間Potvin在分析175個采場實際參數的基礎上對Mathews的穩定性圖表進行了修改，于1988年提出了修改后的穩定性圖表。Potvin修改的穩定性圖表見圖1[1]。Stewart、Forsyth 和 Trueman 等人把工程實例的數量增加到了 500例，并調整了穩定性指數N中一些參數的計算方法，使預測值更加可靠[2]。

隨著新支護技術的發展和廣泛應用，之前統計的案例都是未采用支護條件下的案例圖表，已經不能完整的反應當時礦山的工程實際情況，不能準確的對采取了錨索等支護手段的采場進行穩定性分析。所以，Nickson在其研究的基礎上提出了兩種穩定性圖表，分別判斷在未支護條件下和支護條件下的穩定性圖表[3]，并在Potvin現場調查的基礎上進行了更進一步的分類調查，Nickson調查圖表如圖2。

1 Mathews方法評價過程

Mathews穩定性圖表方法，采用穩定系數N和形狀因數(或水力半徑)S的統計值為基礎，然后將這兩個因數繪制在劃分為穩定區、潛在不穩定區和預計冒落區的圖上。穩定系數代表巖體在給定應力條件下保持穩定的能力，形狀因數(或稱水力半徑)S則反映了采空區尺寸和形狀。

形狀因數S定義為：待分析兩幫或采空區的截面積與待分析幫壁的周長之比，即：

S=L×W/L+W×2

(1)

采場穩定系數N定義為：

N=Q′×A×B×C

(2)

式中:Q＇—修正的NGI系統分級法，其中的地應力影響因素SRF設為1.0，地下水影響因素Jw=1；A—巖石強度因數，為在評價的采空邊界上巖石單軸抗壓強度與誘發的壓應力之比，其取值范圍見圖3；

(3)

B—節理方向調整參數，取決于關鍵不連續節理面方向與待分析面方位間的差值(圖3);

圖1 Potvin修改的穩定性圖表

C—重力調整因數，與重力作用下的待分析采空面的破壞模式如頂板冒落、片幫、兩幫下滑等有關(圖4)。

重力調整因素C，作為各種破壞(冒落、片幫及滑落)的補償，在取值過程中分別統計C1和C2的取值，然后選取較小的C值作為計算參數，此選取方法可以使Mathews圖標評價更為穩妥。

2 Mathews方法的改進及應用

(4)

九仗溝金礦賦存于區域構造帶內，其巖性為英安巖、流紋質英安巖、流紋英安巖等；試驗采場區域巖石RQD值一般在40%左右。松散系數1.6；硬度系數f=6～12；礦石體重2.70 t/m3；巖石體重2.65 t/m3；

圖2Nickson在potvin圖表法基礎上進行的穩定性圖表法統計

通過上述的Mathews穩定性圖表法及其改進的參數計算方式分別對九仗溝金礦-220 m中段和-260 m中段采場的巖體質量進行了分析評價，并對其穩定性分析結果進行了對比。

由以上圖表得出結論，采用原評價系統對九仗溝金礦-220 m中段和-260 m中段采場穩定性進行評價，得出的結論是兩個中段的采場均可以在不需要支護的情況下較長時間的保持穩固的狀態；而采用修正后系數A′的評價結論是，-220 m中段和-260 m中段都處于不穩固的狀態下，需要一定的支

表1 巖體質量評價參數

圖3 節理方向調整因素B

圖4 基于失效模式的重力調整因素C

護措施才能保證采場的安全。

3 結 論

通過對九仗溝金礦-220 m中段和-260 m中段的現場調查，采場圍巖穩定系數N取值在5～6之間，采場水力半徑為3～4；根據mathews圖表的判斷，九仗溝金礦采場屬穩定采場，不需要支護即可保持長時間的穩定性。而采用修正后參數A′的mathews方法判斷，其N′取值在3～4之間，采場水力半徑為3～4，判斷采場穩定性處在mathews圖表中的過渡區域，即需要進行一定的支護才能保證采場的長期穩定。在九仗溝金礦采用分段鑿巖分段出礦采礦方法作業的過程中,采場上盤及頂板出現區域性冒落，需要采取一定的支護措施才能保證工人的安全和正常生產。故認為在巖體條件評分處于需要支護與不需要支護即可保持長時間穩定狀態下時，應采用修正后的A′評價系數重新對采場穩定性進行評價，以確保采場穩定性評分的取值更為穩妥，以便及時采取相應的支護措施。

圖5 采用原圖表法和采用修正系數圖表法的穩定性評價對比

參考文獻：

[1]Potvin Y . Empirical open stope design in Canada [D].Vancouver:Dept Mining & Mineral Processing, Univ British Columbia; 1988.

[2]BROWN E T. Block caving geomechanics[M]. Julius Kruttschnitt Mineral Centre, Australia, 2003.

[3]Nickson SD. Cable support guidelines for underground hard rock mine operations [D]. Vancouver: Univ British Columbia; 1992.

[4]Hani S. Mitri, Rory Hughes, Yaohua Zhang. New rock stress factor for the stability graph method [J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences: 2011 (48) 141￣145.

[5]董金奎,馮夏庭,等. 地下采場破碎巖體穩定性評價與參數優化[J]. 東北大學學報(自然科學版)：2013,34(9)：1322￣1326.

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[7]郭 然,于潤滄,張文榮. Mathew法在采擴方法設計中的應用[J]. 金屬礦山：1999,279(9)：22￣25.