南堯金礦采礦工藝與采場穩定性分析研究

齊發富，李學鋒，蔣夏施，李和群，吳高善，段曉陽，宋子賀

(廣西大學 資源環境與材料學院， 廣西 南寧 530004)

0 引言

南堯金礦位于湖南省平江縣南堯村，開采區域為萬古金礦區22號礦脈東段，礦區面積為0.7922 km2，緊鄰開采22號脈西段的大洞金礦。南堯金礦設計開采深度為+240 m～+20 m標高，設計生產能力為年產礦石量0.45萬t。礦山下轄一個具有獨立生產系統的垂拱洞新屋采礦坑口，因資源儲量未準確查明，處于邊探邊采的狀況[1]。南堯金礦礦井采用淺孔留礦法按自上而下的順序進行開采，頂板暴露面積較大，安全性低，易發生安全事故[2]；為了保證井下采礦安全并有效提高生產效率，必須進一步探索適合南堯金礦的采礦方法。

胡樹軍等[3]對礦山開采技術條件展開分析，并利用上向水平分層充填采礦法開采龍王江金礦急傾斜薄礦脈破碎帶礦體，保證了采場安全性，充分回收礦石，取得了良好的經濟效益。王志惠等[4]為解決淺孔留礦采礦法開采礦體存在的經濟技術指標不理想、安全性差和采礦效率低下等問題，在黑嵐溝金礦開展的上向水平分層充填采礦法試驗研究取得了成功，使開采問題得以解決。王鑫[5]針對夏家店金礦采用空場法和崩落法開采礦體過程中，存在出礦品位和資源利用率低、采場安全條件差的問題，提出采用上向水平分層進路充填采礦法進行開采，有效保障了采礦作業安全，有效降低了礦石損失率。賈萬玉等[6]對三山島金礦上向水平分層充填采礦法進行了優化研究，解決了采場頂板大面積暴露致使安全性差的問題，優化了采場結構，提高了采場綜合生產能力。

基于上述上向水平分層充填采礦法被成功應用于礦山生產過程中的諸多實踐經驗，擬采用此采礦方法作為南堯金礦開采方法，并對礦區范圍內+20 m以上標高礦體采場開采的安全性技術條件進行分析論證，以確保所選采礦方法合理有效。

1 巖石力學參數測試

為合理評價南堯金礦巖體工程地質條件，從垂拱洞新屋采礦坑口的采場、巷道中選取礦石和頂、底板圍巖2種類別的不規則巖石試樣56組，利用點載荷儀進行點荷載試驗[7]，根據試驗過程數據分析計算得出不規則巖樣點荷載強度指數Is（50）、巖石的抗壓度σc、巖石的抗拉強度σt。采用數學回歸分析法分析試樣破壞時的總荷載（P）與巖心直徑（De）的平方的相關關系，并在回歸曲線上查找De2=2500 mm2對應的P50值，依據公式Is（50）=P50/ 2500，得出點載荷強度指數Is（50），進一步計算得到σc、σt的回歸分析結果[8]。通過對比可知，礦巖的抗壓強度試驗分析結果與回歸分析結果一致，礦巖強 度點荷載試驗測試結果和回歸分析結果見表1。

2 巖體工程地質條件分析與質量評價

2.1 巖體工程地質條件

南堯金礦礦體出露標高為+175～+225 m，工程控制最低標高+20 m，控制最大斜深約256 m，控制最大側伏長約350 m，礦體呈似層狀，由含金硅化構造角礫巖，含金石英脈及含金硅化破碎砂質板巖組成，礦體單樣最高金品位5.43×10-6，礦體平均品位3.93×10-6，礦體地表不連續，在160 m標高以下，金礦品位相對穩定，礦體厚度為0.35～1.00 m，平均為0.92 m，礦體平均傾角為53°，屬于傾斜薄礦體。圍巖均為砂質板巖、粉砂質板巖，礦巖穩固性好。

結合南堯金礦區域內的圍巖特征、礦巖分布狀態及地質構造情況，依據巖石的物理力學指標，將南堯金礦周邊（包括上、下盤）圍巖按其構造特性及組合規律劃分為石英巖和粉砂質板巖2個工程地 質巖組[9]：

表1 垂拱洞新屋坑口礦巖強度分析結果匯總

（1）粉砂質板巖。粉砂質板巖巖組現場節理裂隙調查位置為礦體上、下盤，-215 m水平沿脈巷道等處。

該巖組的巖體結構類型為塊狀結構，硬度不高，主要發育有179°∠81°、334°∠33°兩組剪節理，平均長度為1 m，密度值分別為44.09%、38.88%；節理密度JV分別為14.99條/m、5.88條/m。該巖組的巖體結構類型為塊狀結構，硬度不高，節理發育，穩定性一般，巖體變形和破壞主要受Ⅲ、Ⅳ級結構面控制，產生巖體破壞；巖體主要物理力學指標為：Rc=57.46 MPa，Rt=2.23 MPa。

（2）石英巖。含金石英脈是組成礦體的主要礦石類型，石英巖組現場節理裂隙調查位置為-215 m中段沿脈巷道、平場等處。

該巖組巖體結構類型為塊狀結構，主要發育有316°∠43°、20°∠30°、79°∠33°三組剪節理，平均長度大于2 m，密度值分別為48.43%、34.55%、17.02%，間距分別為29 cm/條、40 cm/條、10.4 cm/條，節理密度JV分別為3.45條/m、2.5條/m、9.62條/m。該巖組的巖體結構類型亦為塊狀結構，整體強度低，穩定性差，巖體變形和破壞主要受Ⅲ、Ⅳ級結構面控制；巖體主要物理力學指標為：Rc=54.06 MPa，Rt=2.09 MPa。

2.2 巖體質量評價

（1）由節理統計換算RQD指標時，根據Palmstrom給出的體積節理數JV與體積RQD之間的相關關系：KRQD=115-3.3JV（JV為實測單位面積內節理數目乘以系數K，K=1.15～1.35），對照RQD分級指標[10]，得到現場節理調查統計結果：南堯金礦的粉砂質板巖、石英巖為差巖體。巖層分類結果見表2。

表2 巖層分類結果

（2）對照Q值確定的巖體級別，利用Q系統分級方法得出結果[11]：南堯金礦的石英巖和粉砂質板巖巖體質量為V級，屬于差巖體。兩種巖層的Q系統分級結果見表3。

3 采場安全開采技術條件分析

3.1 Mathews圖解方法分析采場穩定性

根據穩定系數N和形狀因素（水力半徑）HR，可采用Mathews穩定性計算方法分析采場穩定性[12-13]。Mathews穩定性系數的計算公式為[1]：

表3 Q系統分級結果

式中：Q′為修正的Q值；A為巖石應力系數，完整巖體的單軸抗壓強度與平行開挖面的最大誘導應力的比值；B為節理方位系數，根據控制性節理與采場表面的相對方位確定；C為重力調整系數，考慮了重力對采場暴露表面崩落、滑落等穩定性的影響，重力調整系數C和采場表面傾角的關系，計算公式為C=8-6cos（采場工作面傾角度數）。

式中，KROD為KROD值分級方法得出的巖體質量指標；Jr為節理粗糙度；Jn為節理組數；Ja為節理蝕變影響程度。

（1）修正的Q′值計算結果見表4。

（2）巖石應力系數A，見表5。

表4 Q′值計算結果

表5 巖石應力系數A

（3）節理方位系數B。根據采場頂板的節理裂隙發育特征，采場頂板為水平狀，按最不利的原則，采場頂板礦體中的節理方位系數B取0.2。

表6 穩定性系數N計算結果

（4）重力調整系數C。重力調整系數C考慮了重力對采場暴露表面崩落、滑落等穩定性的影響。采場頂板為水平狀，重力調整系數C為2.0，上盤圍巖暴露面的重力調整系數C為4.39。

3.2 采場頂板穩定性分析

南堯金礦礦脈賦存條件變化大，礦脈較窄，僅為0.92 m，采幅為1.6 m，采場頂板暴露面積為64 m2，故頂板暴露面的水力半徑為0.77，而采場頂板巖層容許水力半徑為2.0～2.6，因此頂板巖層具有較好的穩定性。

3.3 采場上盤圍巖的穩定性分析[12-13]

南堯金礦+20 m以上盤圍巖主要為粉砂質板巖，礦體傾角為53°，采用淺孔留礦法開采，采場出礦時，上盤暴露面最大斜長將達39.9 m，暴露面寬度為40 m，則上盤巖層暴露面的水力半徑為9.99，而上盤巖層的容許水力半徑為3.5。因此，上盤巖層的穩定性較差，將會出現冒落垮塌現象，存在安全隱患。因此，為確保南堯金礦采場作業安全，必須改變現有的采礦方法。

選用安全性較好的上向水平分層充填采礦法，“兩采一充”時的頂板最大高度為5 m，上盤暴露面斜長為8.31 m，暴露面走向長度為40 m，上盤巖層暴露面的最大水力半徑為3.44，而上盤巖層的容許水力半徑為3.5，經計算驗證，上盤巖層能保持較好的穩定性，故選用上向水平分層充填采礦法開采南堯金礦的采礦方案可行。

4 結論

根據南堯金礦+20 m以上標高礦體賦存的實際情況，開展巖石力學參數測試、巖體的工程地質條件分析與質量評價，并結合Mathews圖解方法對采場開采技術條件進行分析論證，證實采用上向水平分層充填采礦法開采南堯金礦的采礦方案可行，能保證采場上盤巖層穩定性。此采礦法易于實施，開采過程可有效降低廢石混入率，提高礦石回收率；礦石采出后崩落圍巖來充填采空區，可降低充填成本，經濟效益良好。