厚大矿体采场结构参数优化研究

严鹏　陈绍民　黄敏　黄志国　张宝

摘要：合理的结构参数对维护采场稳定、提高单个采场产能、降低采切工程量具有重要意义。以蒙库铁矿为研究对象，利用岩体遥测与结构分析系统Sirovision对采场顶板、侧帮及上盘围岩节理面进行调查和数字化识别，获取采场节理组的空间方位统计信息及优势节理产状；基于Mathews稳定图解法对沿走向布置与垂直走向布置采场的顶板、侧帮及上盘开展稳定性分析，得到采场顶板、侧帮及上盘的实际水力半径和允许水力半径的相关关系；采用数值分析方法，通过分析矿柱的位移、最大剪切应变率及采场的主应力等因素，确定了2种典型采场结构矿柱的最小安全厚度。研究结果表明：采场沿矿体走向布置时，当矿体厚度小于20 m时，长度控制在40 m之内的采场稳定性较好；采场垂直矿体走向布置时，矿体厚度不超过30 m，宽度小于25 m的采场稳定性较好；对于沿走向布置的40 m×15 m典型采场，矿柱最小安全厚度为6 m；对于垂直走向布置的30 m×25 m典型采场，矿柱最小安全厚度为8 m。研究结果可为蒙库铁矿采场结构参数优化提供依据，并能为国内外同类矿山采场结构设计提供参考。

关键词：厚大矿体；Mathews稳定图解法；采场结构参数；数值分析；矿柱厚度

中图分类号：TD35文章编号：1001-1277（2023）09-0046-08

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20230908

引 言

中国经济从高速增长阶段转变为高质量发展阶段，经济结构的改变导致其对矿产资源的依赖程度增加，需要消耗大量的矿产资源来支撑［1］。然而，中国矿产资源整体开发利用率较低，存在一定程度的资源浪费现象，制约矿产资源开发向规模化、集约化方向发展［2-3］。蒙库铁矿东段矿体总体走向SE—NW，倾向SW，倾角63°～85°，整体呈不连续分布，8#勘探线—18#勘探线矿体厚10～30 m，是典型的急倾斜厚大矿体。因此，结合矿山工程地质条件、工艺技术水平及现场工程布置等情况，从保障矿山生产能力、降低采矿成本、提高采矿效率及确保采场的稳定性和安全性等方面出发，对厚大矿体合理采场结构参数的确定及优化开展研究工作具有重要意义。

目前，国内外相关领域学者利用工程类比法、理论分析法和数值模拟法等方法，对采场结构参数的确定及优化进行了丰富的研究［4-7］。其中，Mathews稳定图解法和数值模拟法因其实用性及准确性得到了广泛应用［8- 9］。赵兴东等［10］利用3种常见的岩体质量分级方法进行岩体质量分级综合评价，采用Mathews稳定图解法对采场结构参数进行初步计算，在此基础上借助数值模拟软件对采场稳定性进行分析，最终确定了最优的采场结构参数。刘建东等［11］针对矿山开采过程中出现的地压灾害现象，通过理论计算、Mathews稳定图解法及数值模擬分析等方法对采场稳定性进行综合评价，得到合理的采场结构参数，确保高应力条件下矿体高效开采的稳定性。郭进平等［12-13］为了解决矿体开采过程中采场顶板的稳定性问题，应用Mathews稳定图解法对采场结构参数进行初步选择，借助Flac3D软件对采场结构参数进行针对性的分析，为矿山提供合理的采场结构参数。

本研究通过现场工程地质调查获取采场不同区域内岩体分布特征，利用Q系统分级评价方法对矿（岩）体进行综合评价，在此基础上，结合Mathews稳定图解法对不同赋存条件下的矿体采场结构参数进行初步确定，利用Flac3D数值模拟软件对采场稳定性进行分析，最终确定合理的采场结构参数，并为类似矿山采场结构参数设计提供参考依据。

1 采场矿岩工程地质调查

采用三维数字摄影测量和岩体结构分析系统（Sirovision），对深度为500 m左右的矿体顶板、侧帮及下盘围岩典型区域进行节理裂隙扫描测量，统计节理裂隙分布规律并进行优势节理划分，如图1所示。根据调查结果，采场顶板矿岩岩组中控制性的节理产状主要发育有2组：143°∠83°，39°∠76°；采场顶板为近水平状（倾角取0°），产状为221°∠0°。采场侧帮的矿岩岩组中控制性的节理产状主要发育有2组：143°∠83°，39°∠76°；采场侧帮为竖直状，产状为221°∠90°。采场上盘围岩均为变粒岩，变粒岩岩组中主要发育3组控制性节理：324°∠85°，111°∠74°，318°∠58°；采场上盘产状与矿体产状类似，取221°∠72°（取矿体平均倾角72°）。

根据Q系统分级评价方法［13］，对矿岩和变粒岩进行分级评价，Q值计算见式（1）：

式中：RQD为岩石质量指标；Jn为岩体的节理数；Jr为岩体的节理粗糙度系数；Ja为岩体的节理蚀变系数；Jw为节理渗水折减系数；SRF为应力折减系数。

根据Q系统参数评分表，并结合矿岩节理裂隙的实际调查结果，矿岩和变粒岩的评价结果如表1所示。

2 计算采场稳定性系数

本文基于Mathews稳定图解法设计采场结构参数，Mathews稳定图解法是预测采场稳定性的实用方法，在工程中得到了广泛应用。Mathews稳定图解法设计过程以稳定系数和水力半径的计算为基础，根据这2个因子将采场划分为稳定区、无支护过渡区、支护稳定区、支护过渡区和崩落区。

稳定性系数反映了在一定应力条件下岩体的自稳能力，其计算见式（2）：

式中：N为稳定性系数；Q′为修正的Q值；A为岩石应力系数；B为节理方位系数；C为重力调整系数。

水力半径考虑了单独采场暴露表面的尺寸和形状，水力半径可用表面积与暴露面周长的比值来表示，计算见式（3）：

式中：HR为水力半径（m）；l为采场的长度（m）；h为采场的宽度或高度（m）。

Mathews稳定性系数与水力半径之间的关系如图2所示，通过该图来确定容许的水力半径。

1）Q′值的计算。Mathews稳定图解法使用修正后的NGI隧道质量指标值Q′，Q′值的计算见式（4）：

根据表1，可计算出矿岩和变粒岩的Q′值分别为30.67和19.78。

2）系数A、B、C的计算。岩石应力系数A与完整岩体的单轴抗压强度和平行开挖面的最大诱导应力的比值呈线性关系。A值为0.1～1.0，其值可根据图3-a）确定。结合室内岩石力学试验及现场应力测试得到矿岩及变粒岩的值分别为8.12，7.47，结合图3-a），可以确定矿岩及变粒岩的岩石应力系数A的取值分别为0.79，0.72。

节理方位系数B受不连续面的影响，其值可根据控制性节理与采场表面的相对方位确定（如图3-b）所示）。根据前述的地质调查结果，可以得到采场节理方位系数B的计算结果如表2所示。

结合最不利原则，进行采场稳定性分析时，顶板取B=0.91（矿岩）；侧帮取B=0.20（矿岩）；上盘取B=0.70（变粒岩）。

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（如图3-c）所示），重力调整系数和采场表面倾角的关系式为：

C=8-6cos α （5）

式中：α为采场工作面倾角（°）。

根据采场顶板、侧帮及上盘的产状，通过式（5）可计算出重力调整系数C的值分别为2.0，8.0，6.2。

根据式（2）及上述系数的取值，得到相关的参数及计算结果见表3。由表3可知，采场顶板、侧帮及上盘的稳定性系数N分别为45.91，38.66，61.81。

3 采场结构参数设计

根据蒙库铁矿东段500 m以上采场实际布置情况，并结合矿体的赋存条件，采用Mathews稳定图解法分析采场稳定性。现场工程地质调查结果表明，蒙库铁矿东段500 m以上矿体直接围岩以变粒岩为主，夹少量石榴子石，矿体主要为磁铁矿或块状石榴子石磁铁矿。

矿体500 m中段采用阶段空场采矿法开采，阶段高度为50 m，当矿体厚度小于20 m时，采场沿矿体走向布置，当矿体厚度大于20 m时，采场垂直矿体走向布置。

3.1 沿矿体走向布置

当采场沿矿体走向布置时，根据水力半径的计算方法，得出不同采场结构参数下采场顶板的水力半径，以及采场侧帮及上盘水力半径，计算结果分别如图4、表4及表5所示。

由图4可知，当矿体厚度小于20 m，采场长度小于40 m时，采场顶板最大水力半径仅为6.67 m，小于顶板稳定区的允许水力半径11.2 m，表明采场顶板的稳定性较好；同理，根据表4、表5可以看出，采场侧帮的最大水力半径为6.67 m及上盘的最大水力半径为10 m，也都小于它们稳定区的允许水力半径10.51 m和12.52 m。因此，当矿体厚度小于20 m时，采场沿矿体走向布置，当采场长度控制在40 m之内，稳定性较好，能确保开采时采场安全。

3.2 垂直矿体走向布置

当采场垂直矿体走向布置时，根据水力半径的计算方法，得出不同采场结构参数下采场顶板水力半径，以及采场侧帮及上盘水力半径，计算结果如图5、表6及表7所示。

根据Mathews稳定图解法采场顶板容许水力半径的计算，稳定区的水力半径小于11.2 m，由图5可知，当矿体厚度小于30 m时，宽度为25 m的采场对应的水力半径为6.82 m，表明采场顶板稳定性较好；高度为40 m，矿体厚度小于30 m的采场侧帮最大水力半径为8.57 m，小于侧帮稳定区允许的水力半徑10.51 m；而宽度小于25 m的采场上盘最大水力半径为7.69 m，小于上盘稳定区允许的水力半径12.52 m。因此，采场垂直矿体走向布置，长度小于25 m采场，其顶板、侧帮及上盘的稳定性均较好，能确保开采时采场安全。

4 矿柱宽度设计

在矿岩质量分级基础上采用Mathews稳定图解法，通过考虑采场顶板、侧帮及上盘的稳定性，得到了采场安全回采的结构参数。Mathews稳定图解法是一种经验的参数选择方法，尽管没有考虑应力环境对采场结构参数的影响，但为采场结构参数选取提供了可供参考的范围。本节基于Flac3D数值分析软件，利用Mathews稳定图解法确定采场结构参数，确定合理的矿柱宽度。

4.1 数值模拟方案

根据采场布置形式选择典型的采场参数，分析采场间矿柱的宽度。对于沿矿体走向布置采场，选择的典型采场参数为40 m×15 m，如图6-a）所示；垂直走向布置的采场，选择的典型采场参数为30 m×15 m，如图6-b）所示。

运用岩体工程地质力学方法进行工程地质岩组划分、岩体结构分类，结合岩体分级结果及原有资料综合选取岩体力学参数，得到蒙库铁矿东段500 m以上矿体及围岩的物理力学参数，如表8所示。

矿柱是决定采场稳定状态的重要结构单元，矿柱结构破坏必然引发采场力学状态发生变化，影响整个采空区稳定性。本次数值模拟方案在固定跨度条件下，通过研究不同矿柱厚度对应的采场及矿柱的稳定性，进而确定矿柱最小安全厚度，分析方案如表9所示。

4.2 沿走向布置采场矿柱最小安全厚度的确定

位移是反应采场结构稳定性的重要参数，采场某些区域的位移过大预示着这些区域很可能发生局部失稳。不同厚度矿柱的位移云图如图7所示。当矿柱厚度为8 m时，矿柱的最大位移为1.85 cm;矿柱厚度为6 m、4 m对应的最大位移分别为2.46 cm、3.97 cm。这表明，随着矿柱厚度的减小，矿柱的最大位移逐渐增加，并且矿柱厚度越小，矿柱最大位移的增量越大。

最大剪切应变率则可反映采场中发生剪切破坏的区域，剪切应变率大的区域则形成剪切破坏带。不同厚度矿柱的最大剪切应变率分布云图如图8所示。矿柱厚度为8 m时，矿柱表面绝大部分的剪切应变率处于随机分布的状态，矿柱整体剪切变形比较均匀，只有矿柱中间部位出现了剪切应变率较大的区域；矿柱厚度变为6 m时，中间部位的剪切变形区域向矿柱顶底部扩展，但是没有形成连续的剪切变形条带；随着矿柱厚度的进一步降低，矿柱表面已经形成了连续的剪切变形条带，整个矿柱的剪切变形呈现明显的不均匀状态，矿柱容易沿着形成的剪切变形条带发生剪切破坏。

最大主应力和最小主应力的分布对于判断采场稳定性是至关重要的。采场的最大主应力分布云图如图9所示。由图9可知：不同矿柱采场的最大主应力大小几乎相同，分布十分相似，尽管矿柱侧帮及采场侧壁处都出现了拉应力，拉应力的最大值约为0.2 MPa，但都小于围岩及矿石的抗拉强度，因而采场不会出现拉伸破坏。随着矿柱厚度的不断减小，矿柱的最小主应力呈逐渐增大的趋势，如图10所示。但6 m矿柱采场相较于8 m矿柱采场的最小主应力变化不大，而4 m矿柱采场的最小主应力却有了较为明显的增加，结合图8-c）可知，4 m矿柱采场在较高的最小主应力下发生压剪破坏的可能性增大。

综上分析，6 m矿柱采场与8 m矿柱采场的最大位移、最大主应力及最小主应力的大小基本相同、分布大致相似，没有表现出明显的差异。尽管6 m矿柱采场的最大剪切应变率相较于8 m矿柱采场而言有了进一步的增加，但增加的幅度不大，没有形成贯穿的剪切带，可以认为6 m矿柱采场仍然处于稳定状态。而4 m矿柱采场的最大位移和最小主应力相较于6 m矿柱采场有了较为明显的不同，并且4 m矿柱采场形成贯穿的剪切带，据此可以得出，对于40 m×15 m的采场而言，矿柱的最小安全厚度为6 m。

4.3 垂直走向布置采场矿柱最小安全厚度确定

垂直走向布置时采场的最大位移分布云图如图11所示，最大位移总体也呈现出随矿柱厚度变小最大位移增大的规律，并且矿柱厚度越小，矿柱最大位移的增量越大，这与沿走向布置采场的位移变化规律一致。最大剪切应变率的分布也表现出了由无序到规则的变化趋势（如图12所示），但6 m矿柱采场的剪切带在矿柱顶底已经大致形成，虽未贯通，但剪切破坏的可能性很大。

采场最小主应力、最大主应力均随矿柱厚度的减小呈现出增大的趋势，并且增加的幅度较为明显，如图13、图14所示。8 m矿柱采场的最大主应力为0.5 MPa，但未达到矿柱或者围岩的最大抗拉强度，而6 m矿柱采场的最大主应力达到了0.6 MPa，非常接近矿柱或者围岩的最大抗拉强度。结合图12-c）分析可知，6 m矿柱采场很可能发生拉伸与剪切联合破坏，处于不稳定的临界状态。

综上分析，垂直走向布置时，矿柱位移、最大剪切應变率及采场的最大、最小主应力都随着矿柱厚度的变小而增大，但是6 m矿柱采场的顶部出现了较大范围的剪切带，并且采场周边的最大拉应力接近于围岩或矿体的抗拉强度，在回采过程中受到其他外力扰动，很有可能发生剪切或拉伸破坏，据此可以得出，对于30 m×25 m的采场而言，矿柱的最小安全厚度为8 m。

5 结 论

1）采用岩体结构分析系统对矿体顶板、侧帮及下盘围岩典型区域进行节理裂隙扫描测量，得到采场顶板的2组控制性节理产状：143°∠83°，39°∠76°；采场侧帮的2组控制性节理产状：143°∠83°，39°∠76°；采场上盘围岩的3组控制性节理产状：324°∠85°，111°∠74°，318°∠58°。

2）基于Mathews稳定图解法针对沿走向布置与垂直走向布置采场的顶板、侧帮及上盘开展稳定性分析，采场沿矿体走向布置时，矿体厚度小于20 m，采场长度控制在40 m之内，稳定性较好；采场垂直矿体走向布置时，矿体厚度不超过30 m，宽度小于25 m的采场，稳定性较好。

3）通过分析矿柱的位移、最大剪切应变率及采场的主应力等因素，确定了2种典型采场结构的矿柱最小安全厚度。对于沿走向布置的40 m×15 m的典型采场，矿柱最小安全厚度为6 m；对于垂直走向布置的30 m×25 m的典型采场，矿柱最小安全厚度为8 m。

［参 考 文 献］

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Research on optimization of stope structure parameters of thick orebody

Yan Peng1，2 ，Chen Shaomin1，3，Huang Min1，4，Huang Zhiguo5，Zhang Bao4

（1.Zijin Mining Group Co.，Ltd.; 2.Guizhou Xinhengji Mining Industry Co.，Ltd.; 3.Fuyun Jinshan Mining & Metallurgy Co.，Ltd.; 4.Zijin （Changsha） Engineering Technology Co.，Ltd.;5.School of Earth Sciences，East China Institute of Technology）

Abstract：Reasonable structural parameters are of great significance to maintain stope stability，improving the productivity of a single stope，and reducing mining and cutting quantities.Taking Mengku Iron Mine as the research object，the rock mass telemetering and structural analysis system Sirovision are used to investigate and digitally identify the joint surface of the roof，side wall，and hanging wall of the stope，and obtain the spatial orientation statistical information and dominant joint occurrence of the stope joint group.Based on Mathews graphic method，the stability analysis is carried out for the roof，side wall and hanging wall of the stope arranged along the strike and perpendicular to strike，and the correlation between the actual hydraulic radius and the allowable hydraulic radius of the stope roof，side wall and hanging wall is obtained.The minimum safe thickness of pillar for two typical stope structures is determined by numerical analysis method through analyzing the displacement of pillar，maximum shear strain rate and main stress of stope.The analysis results show that when the stope is arranged along the strike of the ore body，the thickness of the orebody is less than 20 m，and the stope length is controlled within 40 m，the stability is good.When the stope is arranged perpendicular to the strike of the orebody，and the thickness of the ore body is not more than 30 m，the stope with a width of less than 25 m has good stability.For the 40 m×15 m typical stope arranged along the strike，the minimum safety thickness of the pillar is 6 m，and for the 30 m×25 m typical stope perpendicular to strike，the minimum safe thickness of the pillar is 8 m.The research results can provide a basis for the optimization of stope structure parameters of Mengku Iron Mine and can provide a reference for the design of stope structures of similar mines.

Keywords：thick orebody;Mathews graphic method;stope structural parameters;numerical analysis;pillar thickness

收稿日期：2023-03-25； 修回日期：2023-05-08

基金項目：福建省自然科学基金（2019J05039）；紫金矿业集团股份有限公司2022年第二批科技计划项目（5401KY2022100003，2674KY2022100001，2674KY2022100002）

作者简介：严 鹏（1986—），男，正高级工程师，硕士，从事金属矿山安全高效开采及技术标准化方向的研究工作;E-mail：yan.peng@zijinmining.com