謙比希銅礦緩傾斜中厚礦體采場(chǎng)暴露面積研究*

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

?

謙比希銅礦緩傾斜中厚礦體采場(chǎng)暴露面積研究*

胡文達(dá)1，王 勇2，王貽明2
（1.中色非洲礦業(yè)有限公司，贊比亞 基特韋；2.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)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(kāi)采條件困難。在采礦方法優(yōu)選時(shí)，采場(chǎng)允許暴露面積的大小直接影響礦石回采率、生產(chǎn)采掘比及采礦成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。為此，通過(guò)Mathews穩(wěn)定性分析法和概率預(yù)測(cè)模型，對(duì)采場(chǎng)無(wú)支護(hù)狀態(tài)下的最大暴露面積進(jìn)行了理論計(jì)算，結(jié)果表明：無(wú)支護(hù)條件下采場(chǎng)暴露面積宜控制在1200m2以下，采場(chǎng)寬度在20m以下，此時(shí)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性良好。采場(chǎng)允許暴露面積確定為謙比希東南礦體開(kāi)采方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：緩傾斜；中厚礦體；暴露面積；Mathews法；概率預(yù)測(cè)模型

1　引言

我國(guó)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(chǎng)出礦時(shí)往往采用搬運(yùn)設(shè)備；并且，采場(chǎng)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(huì)使得采切比大，進(jìn)而增加開(kāi)采成本。因此，該類礦體的開(kāi)采被認(rèn)為是世界性采礦技術(shù)難題［2］。

中國(guó)有色集團(tuán)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(kāi)采條件困難。東南礦體投產(chǎn)后將形成10000t/d生產(chǎn)能力，企業(yè)面臨生產(chǎn)任務(wù)緊張，當(dāng)?shù)厝斯こ杀尽⒃牧蟽r(jià)格極高等系列問(wèn)題，因此采礦方法選擇是否合適是東南礦體順利開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。在采礦方法選擇時(shí)，采場(chǎng)允許最大暴露面積尤其重要。因?yàn)榈叵麻_(kāi)采過(guò)程中，礦房尺寸的選取及設(shè)計(jì)，往往受到礦巖最大允許暴露面積的限制。采場(chǎng)暴露面積是確保井下安全回采的重要參數(shù)，與礦巖的穩(wěn)定性密切相關(guān)。同時(shí)，暴露面積的大小直接影響礦石回采率、生產(chǎn)采掘比及采礦成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

為此，本文基于Mathews穩(wěn)定性分析法和概率預(yù)測(cè)模型，對(duì)采場(chǎng)無(wú)支護(hù)狀態(tài)下的最大暴露面積進(jìn)行了理論計(jì)算，為謙比希東南礦體開(kāi)采方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

2　Mathews穩(wěn)定性分析方法

在采場(chǎng)穩(wěn)定性分析方面，Mathews［3-4］通過(guò)圖表描述了采場(chǎng)暴露面形狀系數(shù)S（也稱水力半徑）與其穩(wěn)定性指數(shù)N之間關(guān)系，即穩(wěn)定性圖表。Potvin基于多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，同時(shí)通過(guò)重新定義、調(diào)整某些系數(shù)，對(duì)Mathews的研究結(jié)論進(jìn)行了修改，即為經(jīng)典的修正后的穩(wěn)定性圖解法［5］。Potvin、Milne和Nickson重新評(píng)估了對(duì)錨索支護(hù)造成的影響，并引進(jìn)了兩個(gè)新錨索支護(hù)設(shè)計(jì)帶，如圖1所示［6］。如圖所示，穩(wěn)定性圖解包括三個(gè)帶，其間又被兩個(gè)過(guò)渡帶分隔，其相應(yīng)的工程意義如下：

（1）穩(wěn)定：指暴露面在沒(méi)有支護(hù)或者局部采用支護(hù)的情況下保持自立。

（2）不穩(wěn)定：指局部產(chǎn)生了冒落，整體上能夠保持平衡拱結(jié)構(gòu)。通過(guò)暴露面積大小的調(diào)整或者采用錨索支護(hù)可以使得破壞范圍減小。

（3）崩落：暴露面立即產(chǎn)生破壞，直至空區(qū)被垮落礦巖填滿。

圖1　Mathews穩(wěn)定性指數(shù)與水力半徑關(guān)系圖

Mathews法涉及兩個(gè)重要參數(shù)，其一為巖體穩(wěn)定性指數(shù)N，其可以根據(jù)挪威巖土工程研究所（Norwegain Geotechnical Institute）提出的巖體質(zhì)量分類指標(biāo)Q來(lái)進(jìn)行計(jì)算。穩(wěn)定性指數(shù)反映了巖體在一定應(yīng)力條件下的自立能力。另一參數(shù)為采場(chǎng)暴露面形狀系數(shù)S，其主要與采場(chǎng)暴露面的尺寸和形狀有關(guān)，為暴露面的水力半徑，需根據(jù)礦山開(kāi)拓及開(kāi)采工藝綜合考慮。

將N值和S值投影至Potvin修改之后的穩(wěn)定性圖上，可以初步對(duì)采場(chǎng)總體穩(wěn)定性進(jìn)行判斷；也就是根據(jù)N值，結(jié)合穩(wěn)定性圖表，求出整體穩(wěn)定的形狀系數(shù)S，在確定采場(chǎng)某一結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下即可進(jìn)行其它結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。

3　穩(wěn)定性指數(shù)以及水力半徑確定

3.1穩(wěn)定性指數(shù)N值確定

穩(wěn)定性指數(shù)N的計(jì)算方法可用下式表示［7］：

式（1）中：Q'表示修正后的NGI巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)，A表示巖石應(yīng)力系數(shù)，B表示節(jié)理方位修正系數(shù)，C表示重力調(diào)整系數(shù)。

根據(jù)Barton等人對(duì)巖體質(zhì)量與地下巷道支護(hù)要求的研究結(jié)論，Q值用下式計(jì)算：

式（2）中：RQD表示巖體質(zhì)量指標(biāo)，Jn表示節(jié)理組數(shù)，Jr表示節(jié)理粗糙度，Ja表示節(jié)理蝕變影響因素，Jw表示節(jié)理裂隙水折減系數(shù)，Sf表示應(yīng)力折減系數(shù)。在此取Sf=1，其它參數(shù)保持不變。由式（2）得到的Q值即代表修正的NGI巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)Q'，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算參數(shù)

巖石應(yīng)力系數(shù)A與σc/σi成線性關(guān)系，相關(guān)關(guān)系式為：

式（3）中：σc表示完整巖石單軸抗壓強(qiáng)度，σ1表示平行于采場(chǎng)暴露面由采礦造成的誘導(dǎo)應(yīng)力。

礦體埋深為500～1200 m，巖石密度一般在2.6～2.8g/cm3，σ經(jīng)計(jì)算采空區(qū)上方巖體自重應(yīng)力約21.168 MPa，因此采場(chǎng)應(yīng)力系數(shù)A取0.567。

節(jié)理方位修正系數(shù)B主要與不連續(xù)面的方向有關(guān)，其可根據(jù)控制性節(jié)理與暴露面的相對(duì)方位來(lái)確定。礦體采場(chǎng)沿礦體傾向布置，根據(jù)文獻(xiàn)中節(jié)理方位系數(shù)B的圖解方法［8］，按優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與采場(chǎng)暴露面長(zhǎng)軸方位夾角最不利情況考慮，節(jié)理方位修正系數(shù)B取值為0.2。

重力調(diào)整系數(shù)C主要描述了重力對(duì)采場(chǎng)暴露表面崩落、滑落等穩(wěn)定性的影響作用。其與暴露面傾角的關(guān)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(diào)整系數(shù)C分別對(duì)應(yīng)為2.023、2.091、2.204、2.362、2.562。

3.2水力半徑HR

采場(chǎng)內(nèi)的任一暴露面均可視作為一個(gè)矩形。形狀系數(shù)S可表達(dá)為暴露面積與其2倍周長(zhǎng)的比值，也就是常說(shuō)的水力半徑HR［9］。當(dāng)暴露面的長(zhǎng)短之比超過(guò)4∶1時(shí)，其形狀系數(shù)S則基本不變，此時(shí)暴露面穩(wěn)定性受到單向跨度尺寸的控制。水力半徑HR與其采場(chǎng)暴露面的關(guān)系可以按照式（5）進(jìn)行計(jì)算，水力半徑HR確定方法的圖解如圖2。

3.3穩(wěn)定性指數(shù)N與水力半徑HR關(guān)系

依據(jù)Mathews穩(wěn)定性指數(shù)計(jì)算參數(shù)，根據(jù)公式（1）以及穩(wěn)定性指數(shù)與水力半徑的相關(guān)關(guān)系圖1，可以獲得穩(wěn)定性指數(shù)N以及穩(wěn)定狀況下所容許得水力半徑HR，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　穩(wěn)定性指數(shù)N與允許水力半徑HR的計(jì)算結(jié)果

3.4概率預(yù)測(cè)模型

C.Mawdesley采用Mathews方法對(duì)483組礦山實(shí)例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，分別將S、N、A、B、C系數(shù)視為回歸分析的因子，進(jìn)而對(duì)穩(wěn)定、破壞及崩落事故所占概率進(jìn)行了對(duì)數(shù)回歸分析，結(jié)果表明：以S和N指標(biāo)所構(gòu)建的概率密度函數(shù)與實(shí)例概率的結(jié)果較為一致，如圖3所示［10］。

因此采用S、N的模型進(jìn)行概率的預(yù)測(cè)，其表達(dá)式為：

圖3　概率密度函數(shù)

式（6）和（7）中：z為預(yù)測(cè)的對(duì)數(shù)幾率值；p為預(yù)測(cè)的對(duì)數(shù)概率值；S為水力半徑；N為穩(wěn)定系數(shù)。

4　采場(chǎng)頂板允許暴露面積分析

根據(jù)礦體采場(chǎng)布置方案，采場(chǎng)暴露面沿走向長(zhǎng)為60 m，礦體傾角分別按5°、10°、15°、20°、25°五種情況考慮，采場(chǎng)傾向長(zhǎng)可根據(jù)礦體傾角計(jì)算。由水力半徑計(jì)算公式5和表3可計(jì)算出回采采場(chǎng)的允許暴露參數(shù)。

根據(jù)式（6）、（7）和圖3可以得出不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)下的穩(wěn)定性系數(shù)。礦塊沿傾向布置，礦塊沿走向長(zhǎng)為60 m，采場(chǎng)寬12 m，間柱寬5 m。礦房?jī)A向長(zhǎng)從10 m到20 m不等，分別計(jì)算在各種參數(shù)條件下采場(chǎng)頂板發(fā)生破壞的概率，從而可以確定合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

根據(jù)Mathews穩(wěn)定性分析法和概率預(yù)測(cè)模型得到的結(jié)果有一定差異。綜合兩種計(jì)算結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)勘探經(jīng)驗(yàn)情況，無(wú)支護(hù)條件下采場(chǎng)暴露面積宜控制在1200 m2以下，采場(chǎng)寬度在20 m以下，此時(shí)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性良好。

表3　中深孔嗣后充填法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表4　中深孔嗣后充填法礦塊開(kāi)采穩(wěn)定、破壞概率值

5　結(jié)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(kāi)采條件困難。采礦方法優(yōu)選是確保礦體順利開(kāi)采的關(guān)鍵。本文基于Mathews穩(wěn)定性分析法，對(duì)礦體穩(wěn)定性指數(shù)和水力半徑進(jìn)行計(jì)算，最后結(jié)合概率預(yù)測(cè)模型，對(duì)采場(chǎng)無(wú)支護(hù)狀態(tài)下的最大暴露面積進(jìn)行了理論計(jì)算，結(jié)果表明：無(wú)支護(hù)條件下采場(chǎng)暴露面積宜控制在1200m2以下，采場(chǎng)寬度在20m以下，此時(shí)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性良好。這一結(jié)論為謙比希東南礦體開(kāi)采方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供重要依據(jù)，旨在提高礦石回采率、降低生產(chǎn)采掘比及采礦成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

［1］陽(yáng)雨平，吳愛(ài)祥.淺析國(guó)內(nèi)緩傾斜中厚礦體回采現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.黃金，2002（1）:14-17.

［2］尹升華，吳愛(ài)祥.緩傾斜中厚礦體采礦方法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.金屬礦山，2007（12）:10-13.

［3］董金奎，馮夏庭，張希巍，等.地下采場(chǎng)破碎巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與參數(shù)優(yōu)化［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（9）:1322-1326.

［4］Mathews K，Hoek E，Wyllie D.Prediction of stable excavations for mining at depths below 1000 metres in hard rock［R］.Ottawa:Natural Resources Canada，1980.

［5］Potvin Y.Empirical open stope design in Canada［D］.Vancouver:University British Columbia，1988

［6］農(nóng)洪河，吳仲雄，馮春輝.Mathews法穩(wěn)定性分析在佛子鉛鋅礦安全高效開(kāi)采的運(yùn)用［J］.采礦技術(shù)，2013（2）:20-21，51.

［7］Milne D，Hadjigeorgiou J，Pakalnis R.Rock mass characterization for underground hard rock mines［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，1998（13）:383-391.

［8］王振強(qiáng)，劉志惠，聞磊.Mathews穩(wěn)定圖法在某鉛鋅礦圍巖穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用［J］.礦冶工程，2012，32（8）:498-500.

［9］馮興隆，王李管，畢林，等.基于Laubscher崩落圖的礦體可崩性研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2008（3）:268-272.

［10］趙興國(guó).贊比亞謙比希銅礦床地質(zhì)特征［J］.地質(zhì)與勘探，2010（1）:183-190.

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(hào)：TD803

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3842（2016）02-0035-04

收稿日期：2015-10-02

*基金項(xiàng)目：國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題（2012BAB08B02）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51304011）

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