某金礦深部采場穩定性分析與參數優化

夏自鋒，溫賓玲，王炳煒，劉玉橋，秦秀合

(1.招金礦業股份有限公司， 山東 招遠市 265400；2.山東招金膜天股份有限公司， 山東 招遠市 265400；3.招金礦業股份有限公司夏甸金礦， 山東 招遠市 265414)

0 引言

合理的采場結構參數與采場穩定性不僅能保證礦山安全開采，還能提高礦山生產效率，因此采場尺寸參數與穩定性具有重要意義。針對這方面，Barton[1-2]提出Q分級系統方法，給出經驗法計算公式，可進行巖體評價以及支護設計；Mathews、Potvin等[3-4]基于Q系統分級，提出了采場穩定性圖表法；Pakalnis、Brady等[5-6]利用臨界跨度圖方法確定采場最大跨度；董金奎、李江等[7-8]分別運用 Mathews圖表法對焦家金礦、大尹格莊金礦采場參數進行優化，并取得了良好效果。

本文以某金礦-860 m中段為工程背景，進行了現場巖體質量評價分析，應用Mathews 穩定圖法、臨界跨度設計法和數值模擬，對現有條件下采場結構參數及其穩定性進行評價、優化，確定出最終采場參數優化方案，最大限度地提高采場的生產能力與安全高效回采礦石。

1 工程背景

某金礦7#礦段為礦山開采主礦體，分布于496～559線之間招平斷裂帶主裂面的下盤，主要由黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖組成，屬厚度變化穩定、品位變化均勻的傾斜中厚至厚大礦體；礦床水文地質簡單，但工程地質較復雜，上盤圍巖和礦體之間充填的斷層泥導致了極為不利的回采條件，易垮塌冒落。

目前，某金礦主要采礦方法為上向水平分層充填采礦法，中間留設2～3 m寬的間柱，局部邊角礦體或小礦體采用上向水平分層進路充填采礦法；歷經長期大規模開采之后，開采深度已超過 1000 m，進入深部開采階段，地壓將進一步顯現，深部開采中冒落、片幫等地壓問題也將愈發突出，亟須對-860 m以下深部采場結構參數及其穩定性進行分析與優化。

2 圖表法穩定性分析

本次采用SIROⅤISION工業相機及三維圖片處理軟件，結合常規工程地質調查手段對-860 m水平礦巖結構面的間距、產狀、張開度與充填情況、結構面跡線長度、結構面表面形狀、結構面滲水性狀況、結構面風化程度等特征，進行詳細和連續的測量和調查；對礦巖進行了單軸抗壓、抗拉及點荷載試驗，獲得了礦巖物理力學參數。基于現場調查與試驗結果，對某金礦巖質量進行了多方法分級評價及穩定性分析。

2.1 Mathews穩定性圖表法

Barton[1]從巖體完整程度、節理性狀和發育程度、地下水狀況、地應力狀況等方面提出了巖體質量（Q）分類，可用式（1）表示：

式中，RRQD為巖石質量指標值；Jn為節理組數；Jr為節理粗糙系數；Ja為節理蝕變系數；Jw為節理水折減系數；SSRF為應力折減系數。

Mathews穩定性圖表法由Mathews等[3]提出，后由Potvin[4]進行了改進，建立了穩定性系數N′和采場暴露面水力半徑HHR之間的對應關系，收集了秘魯和加拿大的地下礦山穩定性數據，劃分為穩定區、不穩定區、破壞區的分界曲線，如圖1所示。

圖1 Mathews穩定性圖

穩定性系數N′見式（2）：

式中，A為巖石應力系數；B為節理方位修正系數；C為設計采場暴露面的重力調整系數。根據現場調查與文獻[9]的最新計算方法選取參數A、B、C分別為0.3，0.8，2。

水力半徑HHR（或形狀因子S）反映了采場的尺寸和形狀，見式（3）：

式中，L和H分別為采場暴露面的長度和寬度。

根據Q系統分級結果（見表1），礦體、圍巖Q值為 6，均為Ⅲ級（中等）。由式（2）計算穩定性系數N′分別為2.78，2.93；由圖1中加拿大數據分析可尋，對應的水力半徑大約是3.12 m，-860 m礦體平均厚度為25 m，跨度分別選擇5，6，7，8，9和10 m時，水力半徑、采場長度與跨度的關系如圖2所示。分析圖2可知，采場尺寸為8 m×25 m（跨度×長度）時，水力半徑為3.0 m＜3.12 m，采場處于穩定區域，能滿足覆蓋-860 m礦體厚度。

表1 巖體質量評價參數

圖2 不同跨度下采場長度和水力半徑系數關系

2.2 臨界跨度圖表法

根據現場調查與試驗結果，-860 m巖體質量分級RMR結果見表2，評分值為63，屬于Ⅱ級“良好巖體”。基于以往的統計分析[10-11]，建立了臨界跨度曲線（見圖3），將RMR和臨界跨度平面內劃分為穩定區、潛在不穩定和不穩定區。由圖3可知，當RMR值為63時，最大臨界跨度是10 m左右，即跨度＜10 m時，處于穩定區，采場可保持穩定。

圖3 臨界跨度

表2 RMR分級結果

3 數值模擬穩定性分析

為進一步驗證圖表法的可靠性，分別建立跨度為7，8，9 m和10 m的數值模型。模型左右邊界x方向位移約束，前后邊界y方向位移約束，底部固定約束。根據室內巖石力學試驗，巖體力學參數見表3。

表3 試驗采場的巖石力學參數取值

基于現場測量孔中獲得的地應力數據，對某金礦深部的地應力場進行反演，得到地應力值隨深度的線性回歸方程。

水平最大主應力：

水平最小主應力：

垂直應力：

式中，H為埋深，m；Hσ為最大水平主應力，MPa；hσ為最小水平主應力，MPa；νσ為垂直應力，MPa，γ為平均容重，2715 kN / m3。

以地表標高+180 m 計算，在-860 m 水平所受的地應力大小為Hσ= 73.47 MPa，hσ= 32.93 MPa，νσ=28.24 MPa。

根據數值模擬結果，采用點安全系數f評價其穩定性，當f＞1，處于安全狀態；f=1，處于臨界狀態；f＜1，處于破壞狀態。從圖4可知，隨著跨度的增加，采場圍巖的安全系數逐漸降低；當跨度小于8 m時，采場安全系數f＞1，采場穩定性良好；當跨度大于9 m時，采場頂板達到臨界破壞狀態，邊墻部分破壞。數值模擬確定采場跨度為8 m。

圖4 不同跨度的采場點安全系數云圖

4 現場試驗應用

根據理論測算與數值模擬結果，某金礦在-860 m中段570～574線進行了現場試驗應用，采場進路結構參數為8 m×25 m×3.6 m（跨度×長度×高度），如圖5所示，兩幫及頂板半孔率高，未發生破壞、剝落現象，采場穩定性好。

圖5 -860 m中段574線進路現場

5 結論

基于Q系統與RMR對某金礦深部采場的巖體質量進行了評價，在此基礎上采用Mathews 穩定圖表法、臨界跨度設計方法和數值模擬對深部采場結構參數進行了優化研究，確定了采場結構參數為 8 m×25 m×3.6 m（跨度×長度×高度），當跨度小于8 m時采場穩定，并在-860 m中段570～574線進行了回采應用，試驗證明，采場穩定性好，兩幫及頂板未發生剝落和失穩現象，可為采場結構參數優化提供可靠依據。