某金矿深部采场稳定性分析与参数优化

夏自锋，温宾玲，王炳炜，刘玉桥，秦秀合

(1.招金矿业股份有限公司， 山东 招远市 265400；2.山东招金膜天股份有限公司， 山东 招远市 265400；3.招金矿业股份有限公司夏甸金矿， 山东 招远市 265414)

0 引言

合理的采场结构参数与采场稳定性不仅能保证矿山安全开采，还能提高矿山生产效率，因此采场尺寸参数与稳定性具有重要意义。针对这方面，Barton[1-2]提出Q分级系统方法，给出经验法计算公式，可进行岩体评价以及支护设计；Mathews、Potvin等[3-4]基于Q系统分级，提出了采场稳定性图表法；Pakalnis、Brady等[5-6]利用临界跨度图方法确定采场最大跨度；董金奎、李江等[7-8]分别运用 Mathews图表法对焦家金矿、大尹格庄金矿采场参数进行优化，并取得了良好效果。

本文以某金矿-860 m中段为工程背景，进行了现场岩体质量评价分析，应用Mathews 稳定图法、临界跨度设计法和数值模拟，对现有条件下采场结构参数及其稳定性进行评价、优化，确定出最终采场参数优化方案，最大限度地提高采场的生产能力与安全高效回采矿石。

1 工程背景

某金矿7#矿段为矿山开采主矿体，分布于496～559线之间招平断裂带主裂面的下盘，主要由黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩组成，属厚度变化稳定、品位变化均匀的倾斜中厚至厚大矿体；矿床水文地质简单，但工程地质较复杂，上盘围岩和矿体之间充填的断层泥导致了极为不利的回采条件，易垮塌冒落。

目前，某金矿主要采矿方法为上向水平分层充填采矿法，中间留设2～3 m宽的间柱，局部边角矿体或小矿体采用上向水平分层进路充填采矿法；历经长期大规模开采之后，开采深度已超过 1000 m，进入深部开采阶段，地压将进一步显现，深部开采中冒落、片帮等地压问题也将愈发突出，亟须对-860 m以下深部采场结构参数及其稳定性进行分析与优化。

2 图表法稳定性分析

本次采用SIROⅤISION工业相机及三维图片处理软件，结合常规工程地质调查手段对-860 m水平矿岩结构面的间距、产状、张开度与充填情况、结构面迹线长度、结构面表面形状、结构面渗水性状况、结构面风化程度等特征，进行详细和连续的测量和调查；对矿岩进行了单轴抗压、抗拉及点荷载试验，获得了矿岩物理力学参数。基于现场调查与试验结果，对某金矿岩质量进行了多方法分级评价及稳定性分析。

2.1 Mathews稳定性图表法

Barton[1]从岩体完整程度、节理性状和发育程度、地下水状况、地应力状况等方面提出了岩体质量（Q）分类，可用式（1）表示：

式中，RRQD为岩石质量指标值；Jn为节理组数；Jr为节理粗糙系数；Ja为节理蚀变系数；Jw为节理水折减系数；SSRF为应力折减系数。

Mathews稳定性图表法由Mathews等[3]提出，后由Potvin[4]进行了改进，建立了稳定性系数N′和采场暴露面水力半径HHR之间的对应关系，收集了秘鲁和加拿大的地下矿山稳定性数据，划分为稳定区、不稳定区、破坏区的分界曲线，如图1所示。

图1 Mathews稳定性图

稳定性系数N′见式（2）：

式中，A为岩石应力系数；B为节理方位修正系数；C为设计采场暴露面的重力调整系数。根据现场调查与文献[9]的最新计算方法选取参数A、B、C分别为0.3，0.8，2。

水力半径HHR（或形状因子S）反映了采场的尺寸和形状，见式（3）：

式中，L和H分别为采场暴露面的长度和宽度。

根据Q系统分级结果（见表1），矿体、围岩Q值为 6，均为Ⅲ级（中等）。由式（2）计算稳定性系数N′分别为2.78，2.93；由图1中加拿大数据分析可寻，对应的水力半径大约是3.12 m，-860 m矿体平均厚度为25 m，跨度分别选择5，6，7，8，9和10 m时，水力半径、采场长度与跨度的关系如图2所示。分析图2可知，采场尺寸为8 m×25 m（跨度×长度）时，水力半径为3.0 m＜3.12 m，采场处于稳定区域，能满足覆盖-860 m矿体厚度。

表1 岩体质量评价参数

图2 不同跨度下采场长度和水力半径系数关系

2.2 临界跨度图表法

根据现场调查与试验结果，-860 m岩体质量分级RMR结果见表2，评分值为63，属于Ⅱ级“良好岩体”。基于以往的统计分析[10-11]，建立了临界跨度曲线（见图3），将RMR和临界跨度平面内划分为稳定区、潜在不稳定和不稳定区。由图3可知，当RMR值为63时，最大临界跨度是10 m左右，即跨度＜10 m时，处于稳定区，采场可保持稳定。

图3 临界跨度

表2 RMR分级结果

3 数值模拟稳定性分析

为进一步验证图表法的可靠性，分别建立跨度为7，8，9 m和10 m的数值模型。模型左右边界x方向位移约束，前后边界y方向位移约束，底部固定约束。根据室内岩石力学试验，岩体力学参数见表3。

表3 试验采场的岩石力学参数取值

基于现场测量孔中获得的地应力数据，对某金矿深部的地应力场进行反演，得到地应力值随深度的线性回归方程。

水平最大主应力：

水平最小主应力：

垂直应力：

式中，H为埋深，m；Hσ为最大水平主应力，MPa；hσ为最小水平主应力，MPa；νσ为垂直应力，MPa，γ为平均容重，2715 kN / m3。

以地表标高+180 m 计算，在-860 m 水平所受的地应力大小为Hσ= 73.47 MPa，hσ= 32.93 MPa，νσ=28.24 MPa。

根据数值模拟结果，采用点安全系数f评价其稳定性，当f＞1，处于安全状态；f=1，处于临界状态；f＜1，处于破坏状态。从图4可知，随着跨度的增加，采场围岩的安全系数逐渐降低；当跨度小于8 m时，采场安全系数f＞1，采场稳定性良好；当跨度大于9 m时，采场顶板达到临界破坏状态，边墙部分破坏。数值模拟确定采场跨度为8 m。

图4 不同跨度的采场点安全系数云图

4 现场试验应用

根据理论测算与数值模拟结果，某金矿在-860 m中段570～574线进行了现场试验应用，采场进路结构参数为8 m×25 m×3.6 m（跨度×长度×高度），如图5所示，两帮及顶板半孔率高，未发生破坏、剥落现象，采场稳定性好。

图5 -860 m中段574线进路现场

5 结论

基于Q系统与RMR对某金矿深部采场的岩体质量进行了评价，在此基础上采用Mathews 稳定图表法、临界跨度设计方法和数值模拟对深部采场结构参数进行了优化研究，确定了采场结构参数为 8 m×25 m×3.6 m（跨度×长度×高度），当跨度小于8 m时采场稳定，并在-860 m中段570～574线进行了回采应用，试验证明，采场稳定性好，两帮及顶板未发生剥落和失稳现象，可为采场结构参数优化提供可靠依据。