大規模充填采礦采場穩定性研究與結構參數優化

劉建東 解聯庫 曹 輝

（1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇徐州221116；2.北京礦冶科技集團有限公司，北京102628）

大直徑深孔采礦技術以其高效率、高強度、集中作業和改善作業環境等特點直接推動了采礦大型化、連續化的發展，在世界范圍內的地下礦山得到了廣泛的應用和發展［1］。以大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法為代表的大規模采礦技術在大量開采和集中強化開采方面發揮了重要作用［2］。甲瑪銅多金屬礦礦體品位高、賦存量大、厚度適中、礦體連續性好，適合采用大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法回采。實際應用中，選擇合理的采場結構參數是控制地壓災害、實現礦體安全高效開采的重要保證［3］，必須結合具體的工程地質條件和地應力環境對采場穩定性和結構參數進行分析和優化。本研究采用理論計算、Mathews穩定圖和數值模擬多種方法對甲瑪銅多金屬礦的采場穩定性進行綜合分析，確定合理的采場結構參數，為大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法的實施應用提供參考和指導。

1 工程概況

甲瑪銅多金屬礦位于海拔4 350～5 407.5 m，屬于典型的高原礦山，礦體主要為矽卡巖型，賦存標高3 700～4 550 m，礦體厚度10～50 m，最厚達199 m。受推覆構造控制，礦體呈上陡下緩特征，較陡部分礦體靠近地表，主要為鉛鋅礦體，傾角60～70°；較緩部分為地下深部隱伏銅鉬礦體，傾角小于20°。礦體、頂底板屬堅硬、中硬巖石，淺部節理裂隙較發育，總體穩固程度為中等以上。

礦山二期地下開采設計采用大直徑深孔高分段空場嗣后充填采礦法，包括北區4 400～4 500 m礦段范圍內的4 420～4 465 m、4 460～4 520 m兩區段。先采4 460～4 520 m區段，后采4 420～4 465 m區段。盤區內采場回采順序采用“隔三采一”的方式，一、二步驟回采礦房采場，采用灰砂比為1∶8的尾砂膠結充填，三、四步驟回采礦柱采場，采用尾砂非膠結或廢石充填。

2 工程巖體質量RMR分級

工程巖體質量的好壞直接關系到巖體工程穩定性，工程巖體質量評價是進行工程設計與現場施工的基礎依據。根據對甲瑪銅多金屬礦大規模開采區域的工程地質調查，結合該區域的工程地質特征，采用國內外常用的RMR（CSIR）巖體分類系統對角巖和矽卡巖進行分類，并使用經驗公式［4］Q=e(RMR-44)/9分別計算對應的Q值，結果如表1所示。

3 基于礦柱穩定的合理采場寬度計算

礦柱穩定性是大規模開采安全的關鍵問題之一。采用國內外常用的Bieniawski礦柱強度公式［5］進行大規模開采的采場及盤區礦柱合理參數的論證優化。由于礦柱沿走向長度較長，可簡化為條帶式礦柱計算礦柱所受到的垂直應力，按下式計算：

式中，γ為覆巖容重，kN/m3；H為頂板埋深，m；wp為礦柱寬度，m；wo為礦房寬度，m。

Bieniawski與Vanheerden對南非Witbank煤礦寬高比為0.5～34的多個煤柱試件進行了大量的原位測試，得出的礦柱強度計算公式為

式中，Sl為礦柱抗壓強度，MPa；h為礦柱高度，m；α取值根據礦柱高寬比h/wP確定，當h/wP≥5時，取α=1.4，當h/wP＜5時，取α=1.0。

甲瑪礦大規模開采區域礦柱高寬比均小于5，故取α=1.0。因此，礦柱的安全系數計算公式如下：

根據巖石力學試驗結果，Sl取值為75 MPa；將采高50 m，采場寬分別為12 m、15 m、18 m的參數代入式（3）中，可以得出不同采場寬度、不同埋深條件下礦柱安全系數值，如圖1所示。根據甲瑪銅多金屬礦礦體條件，采場頂板最大埋深約600 m，在此情況下礦柱安全系數仍能滿足大于臨界安全系數1.5的要求，說明12 m、15 m、18 m寬度均能夠滿足礦柱穩定的要求。上述計算是在礦柱兩側臨空的極限狀態下得出的，若在采場充填狀態下，礦柱將更加穩定。

4 基于Mathews穩定圖的采場穩定性分析

4.1 Mathews穩定圖法

Mathews穩定圖法是由Mathews等人于1981年最早提出［6］，它是依據大量工程實例提出的經驗公式法。1988年Potvin在分析242個案例和重新定義某些調整系數的基礎上，對Mathews的穩定性圖表進行修正［7］。1992年Potvin，Nickson等人通過收集更多深部采礦現場數據資料，對該方法的合理性進行驗證并提出修正［7-9］；2000年Trueman等人根據大量新增的實例資料，采用對數回歸的方法重新定義穩定區和嚴重破壞區［10］；2004年Mawdeskey等人給出了該方法穩定區、破壞與嚴重破壞區的等概率圖［11］。

Mathews穩定圖法實質是利用NGI巖體分級指標Q計算巖體穩定性指數N，依據礦山開拓和采準工程確定采場結構參數并計算采場暴露面形狀系數S，將N和S值投影到Potvin修改后的穩定性圖表上，即可初步判斷采場的總體穩定性；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，在初步選定采場某一結構參數后即可確定其他結構參數。

4.2 Mathews法計算參數選取

（1）Q′值：以節理裂隙水折減系數Jw與應力折減系數SRF之比等于1時的Q值即為Q′值。根據前述計算矽卡巖Q=4.74，依據地應力計算結果，SRF取1.556，Jw取0.66，計算得Q′為11.17。

（2）巖石應力系數A：通過巖石單軸抗壓強度σc和次生壓應力σ1之比確定。根據模擬分析，采場頂板中央位置的壓應力平均為12.85 MPa，頂板角巖單軸抗壓強度為113.53 MPa，計算得σc/σ1=8.84，故A值取0.847。

（3）節理產狀調整系數B：角巖平均傾角取74.5°，故B值取0.897。

（4）重力影響系數C：采場頂板均為水平狀態，故C值取1.0。

4.3 采場結構參數Mathews法分析

根據以上分析，按公式N=Q′×A×B×C計算得，N=8.49。根據圖1計算得出采場頂板保持穩定的最大水力半徑S為7.65 m，在此允許水力半徑條件下，采場頂板暴露面積和長度隨采場寬度的變化趨勢見圖2。設計推薦的45 m×18 m、52.5 m×18 m和60 m×18 m三種結構尺寸，對應的水力半徑分別為6.43、6.7、6.92，均小于允許水力半徑，故可以滿足采場穩定的要求。從圖2中可以看出，當采場寬度為18 m時，最大允許采場長度為77.3 m；當采場長度為60 m時，最大允許采場寬度為22.4 m。

5 采場結構參數的數值模擬

5.1 計算模型

綜合考慮礦體及圍巖分布特點和巖層移動角等因素，建立的三維模型尺寸為200 m×420 m×200 m，模型共劃分110 880單元和118 728節點。根據甲瑪銅多金屬礦的實測地應力結果，賦予模型實測地應力。采用理想彈塑性Mohr-Coulumb模型。計算的范圍位于4 420～4 465 m中段，計算模型的巖體全部采用矽卡巖，礦房采用膠結充填，礦柱采用非膠結充填，具體物理力學參數如表2所示。本次計算假定充填體是接頂的，在計算中僅考慮地應力的作用，忽略地震波、爆炸沖擊波及地下水等因素對巖體穩定性的影響。計算過程采用隔“三采一”的開挖順序，每個采場采完后立即充填。

5.2 應力變化分析

在礦房回采期間，礦柱中發生了明顯的應力集中現象，且首采、次采礦房開采時，礦柱中所產生的應力集中程度不同，主要原因是首采礦房開采后，應力轉移到鄰近的圍巖體中，圍巖體完整性相對較好，能夠賦存住高應力；待次采礦房開采后，礦房之間的巖體受力進一步惡化，高應力無法全部得到賦存，出現部分應力損失和能量耗散，這部分應力和能量轉移到礦房的膠結充填體中，使充填體發展為三向受力狀態。對于高應力區域的盤區采場，采場寬度較小時礦柱容易發生屈服破壞，故采用15 m、18 m寬度的礦柱尺寸相對較好。

5.3 頂板變形分析

如圖3所示，在礦塊內各個采場回采過程中，位于礦塊中央位置采場頂板變形量呈線性增長趨勢。礦房、礦柱的回采對于鄰近區域的覆巖都具有一定程度的影響。在礦塊充填后一段時間，礦塊中央位置采場頂板變形量趨于穩定。采場寬度采用12 m、15 m時，頂板變形量較小；采場寬度采用18 m時，頂板變形相對較大，且對比明顯。因此，從覆巖移動的劇烈程度來看，采場寬度采用12 m或15 m有利于控制覆巖變形。

5.4 塑性區分布

在礦房開采膠結充填后，3種采場寬度下的頂板覆巖的塑性區發展深度較小，大多數塑性單元恢復到彈性工作狀態；采場結構參數為12 m時，礦柱的剪切破壞塑性區分布明顯，以低圍壓下發生的壓剪、礦柱表面的拉剪破壞為主，大量塑性單元未恢復到彈性工作狀態，而采場寬度15 m、18 m時礦柱的受力狀態相對較好，尤其是18 m礦柱部分核區仍以彈性工作狀態為主，這與前述的應力分析結果一致。當礦塊被完全采空非膠結充填后，覆巖變形相對劇烈，但最終恢復到彈性工作狀態；膠結充填體發揮一定的支承作用，充填體出現大量的塑性單元，但最終會趨于穩定。

5.5 采場結構參數數值模擬結果分析

通過對4 420～4 465 m中段礦塊開采過程的采場應力、變形和塑性區分析可以看出，對于高應力條件下的采場，采用12 m的采場寬度，在礦房采空條件下發生礦柱屈服失穩的可能性相對較大；而采用18 m的采場寬度，在開采過程中及采后覆巖移動相對劇烈，尤其是在采礦過程中采場頂板容易發生破斷。綜合分析，在深部高應力的條件下，甲瑪銅多金屬礦采場寬度采用15 m較為合適。結合Mathews法分析結果，推薦的采場結構參數為15 m×60 m。

6 結論

從多方法、多角度對甲瑪銅多金屬礦大規模開采采場的穩定性進行分析，對采場結構參數進行優化，研究結果對大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法在甲瑪礦的實施應用具有一定指導意義和參考價值。主要結論如下：

（1）角巖RMR值為56，矽卡巖RMR值為58，二者均屬Ⅲ類巖體，質量較好。

（2）通過理論計算，在確保礦柱穩定的前提下，18 m寬的采場結構參數是可行的。通過Mathews法分析可知，設計推薦45 m×18 m、52.5 m×18 m、60 m×18 m三種結構參數均可行。在確保采場穩定的前提下，當采場寬度為18 m時，最大允許采場長度為77.3 m；當采場采場長度為60 m時，最大允許采場寬度為22.4 m。

（3）FLAC3D數值模擬分析結果表明，采用12 m的采場寬度，在礦房采空條件下發生礦柱屈服失穩的可能性相對較大；而采用18 m的采場寬度，在開采過程中及采后覆巖移動相對劇烈。綜合分析，在深部高應力的條件下，甲瑪銅多金屬礦采場寬度采用15 m較為合適，推薦的采場結構參數為15 m×60 m。

（4）采用理論計算、Mathews穩定圖和數值模擬多方法、多角度對甲瑪銅多金屬礦采場穩定性和結構參數進行分析與優化，不同方法的分析結果互相驗證、互為補充，克服了單一方法分析的不足。