基于采動應力的深部采場結構量化設計

史吉鵬

摘要：隨著科技的進步，金屬礦床地下開采的深度也日益劇增，采深的增加也帶來了一系列嚴重的問題。依托巖石力學工作，對招萊金礦帶深部礦體采場結構參數進行設計。以礦山實際為典型，運用理論解析法、經驗圖表法及理論計算法等方法，對焦家金礦深部礦體的采場跨度、長度進行計算，提出了適用于深部特殊應力狀態下的采場結構參數，研究發現在采場寬度6 m，采場高度15 m時，采場長度受兩幫穩定性影響，最大長度為30 m，考慮到礦體平均水平厚度為45 m，確定尺寸方案為6 m×15 m×22.5 m，設計礦房垂直于礦體走向布置，確保了深部開采過程中采場的穩定性。在此設計過程中隨之形成了一套適用于空場采礦法采場結構參數的設計流程，并結合焦家金礦的生產實踐，成功對用分段空場嗣后充填采礦法的結構參數進行了設計。

關鍵詞：深部開采；采動應力；采場結構；圍巖穩定性；量化設計

中圖分類號：TD853．32? ? ? ? ? 文章編號：1001-1277（2023）06-0015-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20230604

引 言

深部采場常處于高應力邊界條件下，施工一個圓形的開挖結構時，往往會在開挖結構周圍形成一個橢圓形的塑性破壞區［1-3］。為了對深部巷道及采場圍巖的采動應力進行更加精準的解算，在經典彈性力學計算中，使用橢圓形巷道及采場結構替代傳統圓形巷道及采場的結構假設，解算深部巷道采場的采動應力，但由于應力比的增大，盡管巷道兩幫的圍巖破壞程度減小，但是其頂、底板的破裂程度有著更為明顯的擴張［4-7］。

依托于巖石力學工作，對招萊金礦帶深部礦體采場結構參數進行設計。設計以山東黃金礦業（萊州）有限公司焦家金礦（下稱“焦家金礦”）為典型，運用經驗圖表法、經驗公式法、理論分析法等［8-11］，計算巖體穩定性系數和水力半徑，對焦家金礦深部礦體的采場跨度、長度進行計算，提出了適用于深部特殊應力狀態下的采場結構參數，確保在深部開采過程中采場的穩定性。

據此提出基于采動應力的采場結構尺寸計算方法，從深部采場所處區域構造應力狀態出發，基于采場形狀影響因子、巖體質量、采動應力［12］，構建深部采場結構理論解析數學模型，分析計算采場結構尺寸。

1 理論解析法計算采場尺寸

為了分析采動應力因數對采場結構尺寸設計的影響，定義了采場結構最大容許形狀因子，代表采場頂板和兩幫最大形狀影響因子［13］。對于地下穩定采場結構，最大形狀影響因子（Smax）可定義為：

2 采場跨度設計

采場跨度設計是指不支護采場跨度或局部采取支護穩定采場的跨度，不包括采用系統支護采場的跨度；局部支護指控制鄰近采場爆破或采礦活動誘發原巖應力重新分布造成采場產生的潛在破壞所采用的支護［14］。

臨界跨度是采場最大暴露尺寸，主要和采場頂板的巖體穩定指數和采場形狀有關。

臨界跨度設計應考慮下列因素：①必須對采場離散楔形體進行識別；②采用局部支護的頂板跨度；③采場頂板短期穩定性（超過3個月）；④水平采場頂板；⑤采場頂板處于松弛應力狀態，否則采場將發生突然垮塌；⑥臨界跨度圖適用于RMR值范圍的40 %～85 %。

就目前而言，對于采場跨度的設計比較常用的方法為經驗圖表法，理論計算法及經驗公式法。

2.1 經驗圖表法

采場臨界跨度（見圖1）為未支護采場或未充填采場上盤內能夠標出的最大外接圓的直徑。1994年加拿大UBC基于巖體RMR值對上向水平分層充填采礦法采場頂板的穩定性進行分析［15］，經多次補充修正，提出臨界跨度曲線法估算采場頂板最大跨度，通過對采場進行巖體地質力學分級RMR，采用臨界跨度曲線確定采場臨界跨度。

2.2 理論計算法

應用上向水平分層充填采礦法開采緩傾斜礦體時，在采場頂板形成拉應力集中，受巖體結構及其力學性質影響，易造成采場頂板失穩［12］。此外，在礦房頂板中，尤其在靠近礦柱的位置處，產生壓應力集中［16］。為保證回采期間采場頂板的穩定，設計采場頂板跨度時，應使采場頂板中不存在拉應力，或拉（壓）應力值不超過巖體強度。

3 焦家金礦采場結構參數計算

3.1 采場寬度計算

由于所選擇區域階段高度為45 m，綜合考慮設計、施工和開拓進展等因素確定采場高度為15 m。根據采場臨界跨度設計方法，并結合巖體質量分級，利用經驗圖表法和經驗公式法對采場寬度進行計算，結果見表1。

利用多種理論分析法計算采場寬度與采場頂板厚度關系。從計算結果可以看出，綜合考慮經驗圖表法和經驗公式法，再結合理論分析法結果，礦體允許的跨度為5.5～11 m時，采場穩定的頂板厚度為16～32 m，與采場高度15 m相近，綜合考慮確定采場的寬度為6 m。

3.2 采場長度計算

基于采場寬度（6 m和8 m）和采場高度（15 m），結合現場工程地質調查結果，利用公式計算穩定性系數（N′），再利用改進的Mathews穩定圖表計算采場長度［15］。

1）修正后的巖體質量指數Q′值確定。根據礦山實際所測得的巖石質量指標（RQD）及現場節理調查情況，利用公式計算礦體Q′值為5。

2）應力系數A值確定。對于應力系數A可以通過關于σc/σ1 的經驗公式進行計算，并且采場高度15 m時不同跨度采場頂板、兩幫的采動應力可以通過相關測量儀器測量得到，因此，結合巖石力學試驗結果可以求出σc/σ1 值，并根據公式計算采場頂板、兩幫的巖石應力系數A值，結果見表2。

3）節理產狀調整系數B。節理產狀調整系數B用于闡述節理方向對采場穩定性的影響，與采場面夾角最小的節理對采場邊界的穩定性起主要作用，根據節理調查結果確定調整系數B值，結果見表3。

4）重力調整系數C。重力調整系數C用于闡述重力對采場穩定性的影響。經判斷采場破壞形式主要包括頂板的冒落破壞和采場兩幫屈曲破壞。根據節理調查結果確定重力調整系數C值，結果見表4。

根據上述計算依據公式，計算不同跨度采場穩定性系數，結果見表5。

5）采場尺寸確定。根據改進的Mathews穩定圖表，利用各個分區邊界公式［15］，根據穩定性系數N′計算結果確定穩定區、未支護過渡區和支護穩定區在采場不同跨度下頂板和兩幫處水力半徑范圍，利用公式對采場長度進行計算，將不同跨度下采場長度范圍計算結果匯總至表6。再根據采場結構參數設計原則，結合礦床開采技術條件對采場結構參數的不同組合進行優選，最終確定采場結構參數。

根據表6計算結果，在采場寬度6 m，采場高度15 m時，采場長度受兩幫穩定性影響，最大長度為30 m，考慮到礦體平均水平厚度為45 m，確定尺寸方案為6 m×15 m×22.5 m，設計礦房垂直于礦體走向布置。

4 結 論

本文依托于巖石力學工作，對招萊金礦帶深部礦體采場結構參數進行設計。以礦山實際為典型，運用理論解析法、經驗圖表法及理論計算法等方法，對焦家金礦深部礦體的采場跨度、長度進行計算，提出了適用于深部特殊應力狀態下的采場結構參數，確保在深部開采過程中采場的穩定性。得出的結論主要有：

1）通過現場工程地質調查及巖石力學試驗對研究區域內礦巖的巖體質量進行多尺度評價，調查節理情況可知Q′為5，當跨度為6 m時，頂板和兩幫的穩定性系數分別為0.64和6.3。

2）通過理論研究與數值模擬的手段對采場結構參數進行設計及其穩定性進行分析，形成了一套適用于空場采礦法采場結構參數的設計流程。

3）結合焦家金礦的生產實踐，成功對用分段空場嗣后充填采礦法的結構參數進行了設計，在采場寬度6 m，采場高度15 m時，采場長度受兩幫穩定性影響，最大長度為30 m，考慮到礦體平均水平厚度為45 m，確定尺寸方案為6 m×15 m×22.5 m。

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Abstract：With the advancements in technology，the depth of underground mining of metal deposits has been increasing，which has resulted in a series of serious problems.Based on the rock mechanics work，the structural para-meters of the deep mine area of the Zhaolai gold belt were designed.Using the theoretical analysis method，empirical chart method，theoretical calculation method，and other methods，the span and length of the deep mine area of the Jiaojia Gold Mine were calculated，and the structural parameters applicable to the special stress state in the deep area were proposed.It was found that when the width of the mine area is 6 m and the height is 15 m，the length of the mine area is affected by the stability of the two sides，and the maximum length is 30 m.Considering that the average horizontal thickness of the ore body is 45 m，the size scheme is determined to be 6 m×15 m×22.5 m，and the mine chamber is designed to be arranged perpendicular to the direction of the ore body to ensure the stability of the mine area during deep mining.In this design process，a set of design procedures applicable to the open room mining method for the structural parameters of the mine area were formed，and taking into account the production practice of the Jiaojia Gold Mine，the structural parameters of the sublevel open room filling mining method were successfully designed.

Keywords：deep mining;mining dynamic stress;stope structure;surrounding rock stability;quantitative design