某銅礦深部礦體采場結構參數優化研究

戴超群，桂祖輝，鄭九文

（銅陵有色金屬集團股份有限公司 安慶銅礦，安徽 安慶 246000）

1 引言

某礦使用上向水平分層（進路）充填法進行開采，礦房和礦柱垂直礦體走向布置，采場長度為礦體水平厚度。在開采淺部資源時，采場跨度隨礦體穩定性差異而改變，當礦體穩定性較差時，采用斷面規格為3.5m×3.5m的進路式回采方案；當礦體穩定性較好時，對采場跨度進行適當地擴幫處理，擴幫后的采場跨度在4～5m。采準工程的布置從主斜坡道經分段聯絡巷進入分段巷，再通過分層聯絡巷和采場聯絡巷進入采場［1-2］，其采礦方法示意圖如圖1所示。

圖1 上向水平分層充填采礦法示意圖

隨著礦山開采深度的增加，礦體節理發育，但整體穩定性卻優于淺部礦體，如果一直沿用淺部礦體所用的機械化上向水平進路（分層）充填法的采場結構參數，將會導致深部礦體開采成本的大幅增加、貧化率過高等問題，房智恒［3］綜合運用Mathew穩定圖法和集成技術對初步擬定的兩種開采方案形成的空場進行穩定性評價，結果表明Mathew穩定圖法與數值模擬結論相一致。Smith P. F.［4］結合Mathews穩定性圖與Barton極限跨度理論，為有效進行采場結構參數優化提供了一種方法。本文針對礦山深部礦體的賦存條件，通過理論計算，選用合理的采場結構參數有效降低高應力帶來的各種危害［5-6］。

2 采場極限跨度理論計算

常見的計算極限跨度的方法有普氏壓力拱理論、載荷傳遞交匯線理論和Mathews穩定圖表方法等［7-8］。本論文采用以下三種方法，并將所得結果進行對比分析，得出最終極限跨度。

2.1 普氏壓力拱理論

當冒落巖體可以視為具有一定凝聚力的松散體時，由普氏地壓理論得知，在形成巷道或者采空區后，其頂板巖體會形成拋物線形的壓力拱。采空區未破壞時，處于自然平衡狀態。巖石發生位移、變形，從而形成壓力拱，其采場跨度可根據式（1）計算得出［9］。

式中：w為采場跨度，m；b為頂板厚度，m；H為采場最大高度，m；f為普氏系數；φ為巖體內摩擦角。

需要注意：在運用上式求采場跨度時，選取的頂板厚度b應滿足式（2）：

此時，才能確保形成壓力拱。

2.2 載荷傳遞交匯線理論

載荷傳遞交匯線法規定：當傳遞線的位置在頂板與采場的兩端交點以外的時候，端部位置直接承受來自于頂板上的外載荷和巖石的自重兩方面的壓力，此時認定頂板處于穩定狀態［10］。頂板厚度與礦房跨度之間的計算公式為：

式中：w為采場跨度，m；b為頂板厚度，m；α為荷載傳遞線與頂板中心豎直線之間的夾角，一般取30°。

2.3 厚跨比理論

厚跨比理論定義的頂板安全準則為：頂板的厚度與跨度之間的比值應該大于等于0.5，如式（4）所示［10］：

即：

式中：w為采場跨度，m；b為頂板厚度，m；n為安全系數。

3 結果匯總

運用上述方法計算采場的極限跨度，首先需要確定頂板厚度、普氏系數、巖體內摩擦角、安全系數等參數。在本礦山中，上述公式中所涉及的參數如表1所示。

表1 跨度計算所需參數

通過表1中參數計算得出的極限跨度只是理論值，缺乏對現場地壓、節理等因素的綜合考慮。文獻［11］中，唐亞男等利用彈塑性力學、厚跨比理論和載荷傳遞交匯線理論對頂板跨度進行了理論求解，再利用UDEC軟件對4m、6m、8m和10m四種跨度進行了位移場和應力場分析，結果得出數值模擬的合理跨度與理論計算跨度之間存在0.86～0.99之間的修正系數。根據文獻［11］，考慮到深部開采的高應力和節理發育等復雜情況，在本論文中修正系數取0.7～0.9之間。具體計算結果如下表2所示。最終本方案中礦房和礦柱跨度選擇為6 m，并且沿著礦體走向交替布置，分層高度為4 m，采場長度為礦體水平厚度。

表2 采場極限跨度計算結果

4 應用效果

通過優化和改進采場結構參數，經礦山實踐，取得良好效果。主要技術經濟指標對比見表3。由表3可知，改進后的采場結構參數技術經濟效益明顯。

表3 采場技術經濟指標對比

5 結論

（1）礦山深部采場通過普氏壓力拱理論、載荷傳遞交匯線理論和Mathews穩定圖表方法對比分析得出最終極限跨度為6 m。

（2）通過改進采場結構參數取得了較好的經濟成果，生產能力得到提高，礦石貧化率降低1.9 %，礦石損失率降低2.5 %，采礦成本每噸降低16元。