南尧金矿采矿工艺与采场稳定性分析研究

齐发富，李学锋，蒋夏施，李和群，吴高善，段晓阳，宋子贺

(广西大学 资源环境与材料学院， 广西 南宁 530004)

0 引言

南尧金矿位于湖南省平江县南尧村，开采区域为万古金矿区22号矿脉东段，矿区面积为0.7922 km2，紧邻开采22号脉西段的大洞金矿。南尧金矿设计开采深度为+240 m～+20 m标高，设计生产能力为年产矿石量0.45万t。矿山下辖一个具有独立生产系统的垂拱洞新屋采矿坑口，因资源储量未准确查明，处于边探边采的状况[1]。南尧金矿矿井采用浅孔留矿法按自上而下的顺序进行开采，顶板暴露面积较大，安全性低，易发生安全事故[2]；为了保证井下采矿安全并有效提高生产效率，必须进一步探索适合南尧金矿的采矿方法。

胡树军等[3]对矿山开采技术条件展开分析，并利用上向水平分层充填采矿法开采龙王江金矿急倾斜薄矿脉破碎带矿体，保证了采场安全性，充分回收矿石，取得了良好的经济效益。王志惠等[4]为解决浅孔留矿采矿法开采矿体存在的经济技术指标不理想、安全性差和采矿效率低下等问题，在黑岚沟金矿开展的上向水平分层充填采矿法试验研究取得了成功，使开采问题得以解决。王鑫[5]针对夏家店金矿采用空场法和崩落法开采矿体过程中，存在出矿品位和资源利用率低、采场安全条件差的问题，提出采用上向水平分层进路充填采矿法进行开采，有效保障了采矿作业安全，有效降低了矿石损失率。贾万玉等[6]对三山岛金矿上向水平分层充填采矿法进行了优化研究，解决了采场顶板大面积暴露致使安全性差的问题，优化了采场结构，提高了采场综合生产能力。

基于上述上向水平分层充填采矿法被成功应用于矿山生产过程中的诸多实践经验，拟采用此采矿方法作为南尧金矿开采方法，并对矿区范围内+20 m以上标高矿体采场开采的安全性技术条件进行分析论证，以确保所选采矿方法合理有效。

1 岩石力学参数测试

为合理评价南尧金矿岩体工程地质条件，从垂拱洞新屋采矿坑口的采场、巷道中选取矿石和顶、底板围岩2种类别的不规则岩石试样56组，利用点载荷仪进行点荷载试验[7]，根据试验过程数据分析计算得出不规则岩样点荷载强度指数Is（50）、岩石的抗压度σc、岩石的抗拉强度σt。采用数学回归分析法分析试样破坏时的总荷载（P）与岩心直径（De）的平方的相关关系，并在回归曲线上查找De2=2500 mm2对应的P50值，依据公式Is（50）=P50/ 2500，得出点载荷强度指数Is（50），进一步计算得到σc、σt的回归分析结果[8]。通过对比可知，矿岩的抗压强度试验分析结果与回归分析结果一致，矿岩强 度点荷载试验测试结果和回归分析结果见表1。

2 岩体工程地质条件分析与质量评价

2.1 岩体工程地质条件

南尧金矿矿体出露标高为+175～+225 m，工程控制最低标高+20 m，控制最大斜深约256 m，控制最大侧伏长约350 m，矿体呈似层状，由含金硅化构造角砾岩，含金石英脉及含金硅化破碎砂质板岩组成，矿体单样最高金品位5.43×10-6，矿体平均品位3.93×10-6，矿体地表不连续，在160 m标高以下，金矿品位相对稳定，矿体厚度为0.35～1.00 m，平均为0.92 m，矿体平均倾角为53°，属于倾斜薄矿体。围岩均为砂质板岩、粉砂质板岩，矿岩稳固性好。

结合南尧金矿区域内的围岩特征、矿岩分布状态及地质构造情况，依据岩石的物理力学指标，将南尧金矿周边（包括上、下盘）围岩按其构造特性及组合规律划分为石英岩和粉砂质板岩2个工程地 质岩组[9]：

表1 垂拱洞新屋坑口矿岩强度分析结果汇总

（1）粉砂质板岩。粉砂质板岩岩组现场节理裂隙调查位置为矿体上、下盘，-215 m水平沿脉巷道等处。

该岩组的岩体结构类型为块状结构，硬度不高，主要发育有179°∠81°、334°∠33°两组剪节理，平均长度为1 m，密度值分别为44.09%、38.88%；节理密度JV分别为14.99条/m、5.88条/m。该岩组的岩体结构类型为块状结构，硬度不高，节理发育，稳定性一般，岩体变形和破坏主要受Ⅲ、Ⅳ级结构面控制，产生岩体破坏；岩体主要物理力学指标为：Rc=57.46 MPa，Rt=2.23 MPa。

（2）石英岩。含金石英脉是组成矿体的主要矿石类型，石英岩组现场节理裂隙调查位置为-215 m中段沿脉巷道、平场等处。

该岩组岩体结构类型为块状结构，主要发育有316°∠43°、20°∠30°、79°∠33°三组剪节理，平均长度大于2 m，密度值分别为48.43%、34.55%、17.02%，间距分别为29 cm/条、40 cm/条、10.4 cm/条，节理密度JV分别为3.45条/m、2.5条/m、9.62条/m。该岩组的岩体结构类型亦为块状结构，整体强度低，稳定性差，岩体变形和破坏主要受Ⅲ、Ⅳ级结构面控制；岩体主要物理力学指标为：Rc=54.06 MPa，Rt=2.09 MPa。

2.2 岩体质量评价

（1）由节理统计换算RQD指标时，根据Palmstrom给出的体积节理数JV与体积RQD之间的相关关系：KRQD=115-3.3JV（JV为实测单位面积内节理数目乘以系数K，K=1.15～1.35），对照RQD分级指标[10]，得到现场节理调查统计结果：南尧金矿的粉砂质板岩、石英岩为差岩体。岩层分类结果见表2。

表2 岩层分类结果

（2）对照Q值确定的岩体级别，利用Q系统分级方法得出结果[11]：南尧金矿的石英岩和粉砂质板岩岩体质量为V级，属于差岩体。两种岩层的Q系统分级结果见表3。

3 采场安全开采技术条件分析

3.1 Mathews图解方法分析采场稳定性

根据稳定系数N和形状因素（水力半径）HR，可采用Mathews稳定性计算方法分析采场稳定性[12-13]。Mathews稳定性系数的计算公式为[1]：

表3 Q系统分级结果

式中：Q′为修正的Q值；A为岩石应力系数，完整岩体的单轴抗压强度与平行开挖面的最大诱导应力的比值；B为节理方位系数，根据控制性节理与采场表面的相对方位确定；C为重力调整系数，考虑了重力对采场暴露表面崩落、滑落等稳定性的影响，重力调整系数C和采场表面倾角的关系，计算公式为C=8-6cos（采场工作面倾角度数）。

式中，KROD为KROD值分级方法得出的岩体质量指标；Jr为节理粗糙度；Jn为节理组数；Ja为节理蚀变影响程度。

（1）修正的Q′值计算结果见表4。

（2）岩石应力系数A，见表5。

表4 Q′值计算结果

表5 岩石应力系数A

（3）节理方位系数B。根据采场顶板的节理裂隙发育特征，采场顶板为水平状，按最不利的原则，采场顶板矿体中的节理方位系数B取0.2。

表6 稳定性系数N计算结果

（4）重力调整系数C。重力调整系数C考虑了重力对采场暴露表面崩落、滑落等稳定性的影响。采场顶板为水平状，重力调整系数C为2.0，上盘围岩暴露面的重力调整系数C为4.39。

3.2 采场顶板稳定性分析

南尧金矿矿脉赋存条件变化大，矿脉较窄，仅为0.92 m，采幅为1.6 m，采场顶板暴露面积为64 m2，故顶板暴露面的水力半径为0.77，而采场顶板岩层容许水力半径为2.0～2.6，因此顶板岩层具有较好的稳定性。

3.3 采场上盘围岩的稳定性分析[12-13]

南尧金矿+20 m以上盘围岩主要为粉砂质板岩，矿体倾角为53°，采用浅孔留矿法开采，采场出矿时，上盘暴露面最大斜长将达39.9 m，暴露面宽度为40 m，则上盘岩层暴露面的水力半径为9.99，而上盘岩层的容许水力半径为3.5。因此，上盘岩层的稳定性较差，将会出现冒落垮塌现象，存在安全隐患。因此，为确保南尧金矿采场作业安全，必须改变现有的采矿方法。

选用安全性较好的上向水平分层充填采矿法，“两采一充”时的顶板最大高度为5 m，上盘暴露面斜长为8.31 m，暴露面走向长度为40 m，上盘岩层暴露面的最大水力半径为3.44，而上盘岩层的容许水力半径为3.5，经计算验证，上盘岩层能保持较好的稳定性，故选用上向水平分层充填采矿法开采南尧金矿的采矿方案可行。

4 结论

根据南尧金矿+20 m以上标高矿体赋存的实际情况，开展岩石力学参数测试、岩体的工程地质条件分析与质量评价，并结合Mathews图解方法对采场开采技术条件进行分析论证，证实采用上向水平分层充填采矿法开采南尧金矿的采矿方案可行，能保证采场上盘岩层稳定性。此采矿法易于实施，开采过程可有效降低废石混入率，提高矿石回收率；矿石采出后崩落围岩来充填采空区，可降低充填成本，经济效益良好。