某矿采场结构参数设计及顶板稳定性判别

刘泽洲，王 杰

（1.湖南有色金属研究院，湖南长沙 410100；2.马钢集团设计研究院有限责任公司，安徽马鞍山 243000）

某矿采场结构参数设计及顶板稳定性判别

刘泽洲1，王 杰2

（1.湖南有色金属研究院，湖南长沙 410100；2.马钢集团设计研究院有限责任公司，安徽马鞍山 243000）

某矿采用人工矿柱代替原生矿柱的房柱采矿法回采，首先根据采场顶板围岩的应力分布和破坏机理得出矿房宽度；然后通过考虑人工矿柱应承受的压力与矿柱强度的关系，在一定的安全系数条件下计算出人工矿柱的宽度，确定出合理的采场结构参数；最后通过Mathew稳定图表法，判别出该采场结构参数对应顶板暴露面积的稳定性。研究结果表明：通过计算得出的采场结构参数为：矿房宽度14 m，人工矿柱10 m；运用Mathew稳定性图表查出N＝18.31和S＝6.14时，对应的采场顶板暴露面积落点位于稳定区，判别出采场顶板稳定性较好，暴露面不需进行全面支护，只需有局部支护用于控制岩块的片落。

采场结构参数；矿房宽度；人工矿柱；Mathew法；稳定性

地下矿山开采之前，必须先确定采场结构参数，事关开采过程的经济性以及安全性。在釆矿方案设计时，矿柱尺寸过小，矿房的稳定性低，顶板发生冒落以及垮塌的概率加大，安全生产得不到保障；而矿柱尺寸设计过大，矿房跨度过小，则回收率低，矿石损失量大，生产经济效益不高。合理的采场结构参数是在安全能够保障的前提下，最大化经济效益地将矿石从地下开采出来。因此，采场结构参数设计的合理与否是采矿技术当中的核心工作。目前，在采场结构参数研究方面，工程中比较常用的方法主要有：工程类比法（经验法）、半经验半理论法［1，2］、数值分析法［3～5］、模型试验法［6］、遗传算法［7］、可靠性分析法［8］等。岩体的形成就是一个极度复杂的过程，并且岩体内部存在着大量的地质缺陷，如节理、裂隙、空隙及地下水等，导致影响采场结构参数的因素比较复杂，从而给采场结构参数的优化设计造成一定的困难。

本文首先根据采场顶板围岩的应力分布和破坏机理计算出矿房宽度，然后通过考虑人工矿柱应承受的压力与矿柱强度的关系，在一定的安全系数条件下计算出人工矿柱的宽度，最后通过Mathew稳定图表法，判别出该采场结构参数对应顶板暴露面积的稳定性，为今后类似工程的设计、施工和研究提供一定的借鉴和参考。

1 工程概况

某矿是一个主要含锡、铜（多金属）硫化物矿床，主要产于花岗岩与碳酸盐岩石的接触带界面之间。矿体走向南北，倾向西，局部向北侧伏，平均倾角14°。矿体平均厚度10 m，中等稳固，普氏系数f＝6～8，近矿体围岩节理较发育、局部破碎。矿体顶板为大理岩，f＝6～8，中等稳固。底板为花岗岩，返矿部位为半风化花岗岩，f＜6，不稳固。其余为块状花岗岩，f＝6～8，中等稳固。

采用人工矿柱代替原生矿柱的房柱采矿法进行回采，采场沿矿体走向布置，依次划分矿房、矿柱，采场高为矿体厚度，回采垂高为25 m，回采工作从中段巷道开始由下至上逐个分段进行，回采凿岩采用YGZ－90凿岩机，利用铲运机出矿。回釆分为两个步骤：先回收矿柱，嗣后胶结充填构造人工矿柱，然后回采两侧矿柱采场都已充填完毕的矿房。人工矿柱胶结充填配比为（体积比）：水泥∶河沙∶废石＝1∶2∶6［9］，废石主要来源于下部中段开拓工程。该采矿方法回采步骤如图1所示。

图1 采矿方法回采步骤图

2 矿房宽度

针对顶板围岩的力学分布结构，考虑顶板上覆岩层的压力、岩体的力学特征等与矿房跨度的关系，得出房柱法矿房宽度确定的理论计算公式［9］。

式中：b为矿房宽度／m；γ为侧压力系数，取0～1；γ为岩体的容重／kN·m－3；H为开采（顶板距地表）深度／m；σ1为顶板的许可抗拉强度／Pa。

根据公式（1），结合矿山实际情况及类似矿山资料，相关的参数取值如下：λ＝0.78，γ＝27.2 kN／m3，H＝630 m，σ1＝2.1 MPa，求出b＝14.62 m，矿房合理宽度取14 m。

3 人工矿柱宽度

在矿柱强度保持不变的条件下，矿柱宽度的选取受所承受荷载的影响，所承受的荷载主要包括矿柱的自重以及顶板压力。人工矿柱所承载的压力与其宽度成正比例关系，压力越大，其相应的宽度也需增加。太沙基地压学说和普氏地压学说这两个经典地压学说都认为地压的大小不受开挖空间埋深的影响，但是只适用于开挖空间埋深不大的情况。比如，当开采深度不大且围岩比较破碎时，计算结果确实与实际测量比较接近，但对于开采深度较大且围岩强度较高、完整性较好时，计算结果误差则较大［10］。

人工矿柱限制围岩塑性区的发展，减小围岩的移动，主要是对围岩可以提供一定的承载力，从而保持采场的稳定性。目前，该矿属于开采深度比较大的情况（开采深度＞600 m），应考虑开采深度对地压的影响，为此在地压估算公式中引入计入开采深度的影响因素。采场开挖后的塑性半径就是岩体的受开挖影响区域，认为其内的岩体会全部滑落，该区域内将滑落的岩体的全部重量即是人工矿柱所承受的顶板压力。

可根据Kastner公式计算，求出采场开挖后的塑性区半径：

式中：R0为开挖半径，当开采空间是矩形断面，R0取外接圆半径／m；c为岩体内聚力／Pa；φ为岩体内摩擦角／（°）；p0为开采深度的垂直自重应力／Pa。

式中：L为矿体的走向长度／m，h为人工矿柱的高度／m。

巷道的顶压密集度qd：

式中：γ为矿石的容重／kN·m－3。

每个矿柱单位长度应承受的压力Qd：

式中：γ1为人工矿柱的容重／kN·m－3；B为矿柱的宽度／m；N为矿柱个数，NB＋（N＋1）×b＝L。

矿柱强度与矿柱的形状有着很直接的关系，在截面积相同情况下，圆形矿柱比正方形矿柱的强度要高一些，比其它形状的矿柱强度要高得多。本文采用基于萨拉蒙和摩若原理的矿柱强度公式，综合考虑充填下料的不均匀性以及采矿工艺，得出人工矿柱强度公式［9］：

式中：σp为人工矿柱强度／Pa；k1为采矿工艺系数，主要考虑爆破对与人工矿柱强度的影响来选取，取k1＝0.9；σc为单轴抗压强度／Pa；α为常数，矿柱的高宽比小于5时，α＝1；高宽比大于5时，α＝1.4。

联立公式（1）～（7）可得到不同宽度条件下的人工矿柱安全系数F［9］：

人工矿柱的宽度直接受安全系数F取值的影响，矿柱所需的稳定性要越好，则安全系数取值越高，但导致人工矿柱越宽，相应的充填成本越高。考虑矿柱截面的不均匀性，不同矿柱之间承受载荷的不均性，矿柱的安全系数F得有一个取值范围。根据大多数矿山的经验，采用安全系数为1.2～2.5时，矿柱未发生破坏［9］。根据目前矿山的实际情况，选取安全系数F为1.2，人工矿柱的容重γ1为22 kN／m3，块石胶结充填体试件强度σc为4.8 MPa，岩体内摩擦角φ为31.88°，岩体的内聚力c为4.14 MPa，人工矿柱的高度h为10 m，矿体的走向长度L为72 m。根据公式（8）求出B＝9.81 m，人工矿柱合理宽度取10 m。

4 顶板稳定性判别

Mathew法的全称为Mathew稳定图表法，该法以1974年巴顿等提出的NGI法（岩体隧道开挖质量分类法）为基础发展而来，实质是以采场的形状系数S和岩体的稳定性指数N之间的关系而确定出的一个稳定性图表［12］。该法有两种应用：（1）根据相关公式计算出岩体的稳定性指数N，然后在稳定性图表上求出相对稳定的采场形状系数S，在初步选定采场某一结构参数后即可确定其它结构参数和暴露面积；（2）根据工程地质调查得出岩体的稳定性指数N，在综合考虑类似矿山开采工程以及以往经验的基础上初步确定采场结构参数并计算出采场暴露面积的形状系数S，将N和S投影到Mathew稳定性图标上，从而判断采场的稳定性［2，12］。本文采用第二种用法，Mathew稳定性图表如图2所示。

图2 Mathew稳定性图表

4.1 Mathew稳定图法计算步骤

4.1.1 稳定性指数N

稳定性指数N的计算式为：

式中：Q为岩体质量指数；A为应力系数；B为岩体缺陷方位修正系数；C为设计采场暴露面方位修正系数。

其中，Q＝RJrJW／（JnJaSf），R为岩体质量指标（取样完好率）；Jr为节理粗糙度；Jn为节理组数；JW为节理裂隙水折减系数；Ja为节理蚀变、充填及胶结程度；Sf为应力折减系数。

岩石应力系数的取值A受完整岩石的单轴抗压强度和采矿诱导应力的影响。A按同一方法确定，所需要的输入参数是完整岩块无约束抗压强度与采场壁中线处诱发的压应力的比值。其值上盘时取1，顶板时取0.5。

岩体缺陷方位修正系数，上盘时取0.5；顶板倾角10°时取0.2，倾角20°时取0.3，倾角30°时取0.35，倾角45°时取0.4，倾角60°时取0.8。

设计采场暴露面方位修正系数取值按照水平暴露面的C值为1，对于其它面的值可用下式计算：

式中：α为水平面与暴露面的夹角。

4.1.2 采场形状系数

任何井下的暴露面均可认为是由两个方向的跨度组成，即认为暴露面是一个长方形，且定义采场形状系数S为：

式中：L为采场宽度／m；L1为采场长度／m。

当采场暴露面长宽之比大于4∶1时，其形状系数基本保持不变，即此时暴露面的稳定性主要受暴露面宽度的影响。

4.2 计算结果分析

根据工程地质调查结果及矿体实际情况，通过上式（9）中各参数值为：R＝84，Jr＝3，Jn＝6，Jw＝1，Ja＝1，Sf＝1，A＝1，B＝0.2，计算可得：

通过计算确定的矿房宽度为14 m，长度为矿体斜长，阶段高度为25 m，倾角为14°，故矿房长度为25／sin14°＝103.31 m，考虑需留设顶底柱，矿房长度取100 m。根据公式（11），计算出采场形状系数S为6.14。

根据图2查得N＝20.93和S＝6.14时，对应的采场顶板暴露面积落点位于稳定区，判别出采场顶板稳定性较好，暴露面不需进行全面支护，只需有局部支护用于控制岩块的片落即可，进一步确认了采场结构参数的合理性。具体该采场结构参数的稳定性见表1。

表1 采场顶板Mathew稳定性图表评价

5 结 论

1.通过计算得出采用人工矿柱代替原生矿柱的房柱采矿法其采场结构参数为：矿房宽度14 m，人工矿柱10 m。

2.运用Mathew稳定性图表得出N＝18.31和S＝6.14时，对应的采场顶板暴露面积落点位于稳定区，判别出采场顶板稳定性较好，暴露面不需进行全面支护，只需有局部支护用于控制岩块的片落。

［1］ 吴法春.缓倾斜矿体回采时矿柱设计与岩石力学［J］.有色金属（矿山部分），2002，54（5）：19－20.

［2］ 尚精华，万国春.Mathew法在矿房结构参数设计中的应用［J］.釆矿技术，2009，9（2）：5－7.

［3］ 黄刚，蔡嗣经，张亚东，等.白象山铁矿采场结构参数的数值模拟优化［J］.矿业研究与开发，2014，34（4）：8－10.

［4］ 杨官涛，李夕兵，程刚.地下采场结构参数数值模拟研究［J］.矿冶工程，2006，26（5）：13－15.

［5］ 王新民，李洁慧，张钦礼，等.基于FAHP的采场结构参数优化研究［J］.中国矿业大学学报，2010，39（2）：163－168.

［6］ 李夕兵，刘志祥，彭康，等.金属矿滨海基岩开采岩石力学理论与实践［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（10）：1 945－1 953.

［7］ 周科平.采场结构参数的遗传优化［J］.矿业研究与开发，2000，20（3）：7－10.

［8］ 朱和玲.基于开采环境再造人工结构的稳定性与可靠度研究［D］.长沙：中南大学，2008.

［9］ 赵奎，胡慧明，王晓军，等.某金矿房柱法采场人工矿柱参数选取［J］.采矿技术，2011，11（2）：15－17.

［10］蔡美峰，何满朝，刘东燕.岩石力学与工程［M］.北京：科学出版社，2002.

［11］邢龙龙.大跨度切眼巷道锚杆（索）支护技术研究［D］.西安：西安科技大学，2008.

［12］甯瑜琳，胡建华.缓倾斜薄矿体采场极限暴露面积与参数优化［J］.矿冶工程，2014，34（1）：14－17.

Design of Stope Structural Parameters and Roof Stability’Discrim ination for a Mine

LIU Ze-zhou1，WANG Jie2
（1.Hunan Research Institute of NonferrousMetals，Changsha 410100，China；2.Magang Group Design＆Research Institute Co．，Ltd．，Maanshan 243000，China）

Based on room-and-pillarminingmethod that using artificial pillar in place of the original pillar，the room width can be obtained through the stress distribution and failuremechanism of the roof rock.Then，the width of the artificial pillar is calculated by considering the relation of the pressure and strength of pillar artificial under the condition of certain safety factor，and the reasonable stope structure parameters are determined.Finally，the stability of the exposed area of the stope is judged through Mathew stability chart method.The results indicate that：The structural parameters of the stope are calculated as follows：the room width is14m，and thewidth of the artificial pillar is 10m；The relevant results is found by using the Mathew stability diagram as follows：N＝18.31 and S＝6.14，and the corresponding roof of the stope，of which exposure area is located in the stable area，is judged as better stability，so the exposed surface only need to be locally supported for the control of rock pieces rather than be fully supported.

stope structural parameters；room width；artificial pillar；Mathew method；stability

TD322＋.1

A

1003－5540（2017）01－0004－04

2016－10－25

刘泽洲（1985－），男，工程师，主要从事采矿技术及安全方面的研究工作。