趙子喬,趙興東

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110189)

0 引 言

英國Golder公司的Mathews于1981年建立了巖體穩(wěn)定性指數(shù)N與采礦暴露面形狀系數(shù)S之間關(guān)系—穩(wěn)定性圖表，主要利用NGI巖體分級指標(biāo)Q計算巖體穩(wěn)定性指數(shù)N，綜合考慮礦山開拓和采準(zhǔn)工程，初步確定采場結(jié)構(gòu)參數(shù)并計算采場暴露面形狀系數(shù)S(或稱水力半徑)，將N和S值投影到Potvin統(tǒng)計的穩(wěn)定性圖表上即可初步判斷采場的穩(wěn)定性;或者是根據(jù)巖體穩(wěn)定性指數(shù)N在穩(wěn)定性圖表上求出總體穩(wěn)定的采場形狀系數(shù)S，在初步確定采場結(jié)構(gòu)參數(shù)后即可確定其它結(jié)構(gòu)參數(shù)。Mathews在制作穩(wěn)定性圖表時，收錄了50例礦山進入其穩(wěn)定性圖表，但是隨著mathews法的廣泛應(yīng)用，之前收錄的礦山實例數(shù)量就顯得不夠充分，不能起到比較準(zhǔn)確判斷穩(wěn)定性的作用；隨后一段時間Potvin在分析175個采場實際參數(shù)的基礎(chǔ)上對Mathews的穩(wěn)定性圖表進行了修改，于1988年提出了修改后的穩(wěn)定性圖表。Potvin修改的穩(wěn)定性圖表見圖1[1]。Stewart、Forsyth 和 Trueman 等人把工程實例的數(shù)量增加到了 500例，并調(diào)整了穩(wěn)定性指數(shù)N中一些參數(shù)的計算方法，使預(yù)測值更加可靠[2]。

隨著新支護技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，之前統(tǒng)計的案例都是未采用支護條件下的案例圖表，已經(jīng)不能完整的反應(yīng)當(dāng)時礦山的工程實際情況，不能準(zhǔn)確的對采取了錨索等支護手段的采場進行穩(wěn)定性分析。所以，Nickson在其研究的基礎(chǔ)上提出了兩種穩(wěn)定性圖表，分別判斷在未支護條件下和支護條件下的穩(wěn)定性圖表[3]，并在Potvin現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上進行了更進一步的分類調(diào)查，Nickson調(diào)查圖表如圖2。

1 Mathews方法評價過程

Mathews穩(wěn)定性圖表方法，采用穩(wěn)定系數(shù)N和形狀因數(shù)(或水力半徑)S的統(tǒng)計值為基礎(chǔ)，然后將這兩個因數(shù)繪制在劃分為穩(wěn)定區(qū)、潛在不穩(wěn)定區(qū)和預(yù)計冒落區(qū)的圖上。穩(wěn)定系數(shù)代表巖體在給定應(yīng)力條件下保持穩(wěn)定的能力，形狀因數(shù)(或稱水力半徑)S則反映了采空區(qū)尺寸和形狀。

形狀因數(shù)S定義為：待分析兩幫或采空區(qū)的截面積與待分析幫壁的周長之比，即：

S=L×W/L+W×2

(1)

采場穩(wěn)定系數(shù)N定義為：

N=Q′×A×B×C

(2)

式中:Q＇—修正的NGI系統(tǒng)分級法，其中的地應(yīng)力影響因素SRF設(shè)為1.0，地下水影響因素Jw=1；A—巖石強度因數(shù)，為在評價的采空邊界上巖石單軸抗壓強度與誘發(fā)的壓應(yīng)力之比，其取值范圍見圖3；

(3)

B—節(jié)理方向調(diào)整參數(shù)，取決于關(guān)鍵不連續(xù)節(jié)理面方向與待分析面方位間的差值(圖3);

圖1 Potvin修改的穩(wěn)定性圖表

C—重力調(diào)整因數(shù)，與重力作用下的待分析采空面的破壞模式如頂板冒落、片幫、兩幫下滑等有關(guān)(圖4)。

重力調(diào)整因素C，作為各種破壞(冒落、片幫及滑落)的補償，在取值過程中分別統(tǒng)計C1和C2的取值，然后選取較小的C值作為計算參數(shù)，此選取方法可以使Mathews圖標(biāo)評價更為穩(wěn)妥。

2 Mathews方法的改進及應(yīng)用

(4)

九仗溝金礦賦存于區(qū)域構(gòu)造帶內(nèi)，其巖性為英安巖、流紋質(zhì)英安巖、流紋英安巖等；試驗采場區(qū)域巖石RQD值一般在40%左右。松散系數(shù)1.6；硬度系數(shù)f=6～12；礦石體重2.70 t/m3；巖石體重2.65 t/m3；

圖2Nickson在potvin圖表法基礎(chǔ)上進行的穩(wěn)定性圖表法統(tǒng)計

通過上述的Mathews穩(wěn)定性圖表法及其改進的參數(shù)計算方式分別對九仗溝金礦-220 m中段和-260 m中段采場的巖體質(zhì)量進行了分析評價，并對其穩(wěn)定性分析結(jié)果進行了對比。

由以上圖表得出結(jié)論，采用原評價系統(tǒng)對九仗溝金礦-220 m中段和-260 m中段采場穩(wěn)定性進行評價，得出的結(jié)論是兩個中段的采場均可以在不需要支護的情況下較長時間的保持穩(wěn)固的狀態(tài)；而采用修正后系數(shù)A′的評價結(jié)論是，-220 m中段和-260 m中段都處于不穩(wěn)固的狀態(tài)下，需要一定的支

表1 巖體質(zhì)量評價參數(shù)

圖3 節(jié)理方向調(diào)整因素B

圖4 基于失效模式的重力調(diào)整因素C

護措施才能保證采場的安全。

3 結(jié) 論

通過對九仗溝金礦-220 m中段和-260 m中段的現(xiàn)場調(diào)查，采場圍巖穩(wěn)定系數(shù)N取值在5～6之間，采場水力半徑為3～4；根據(jù)mathews圖表的判斷，九仗溝金礦采場屬穩(wěn)定采場，不需要支護即可保持長時間的穩(wěn)定性。而采用修正后參數(shù)A′的mathews方法判斷，其N′取值在3～4之間，采場水力半徑為3～4，判斷采場穩(wěn)定性處在mathews圖表中的過渡區(qū)域，即需要進行一定的支護才能保證采場的長期穩(wěn)定。在九仗溝金礦采用分段鑿巖分段出礦采礦方法作業(yè)的過程中,采場上盤及頂板出現(xiàn)區(qū)域性冒落，需要采取一定的支護措施才能保證工人的安全和正常生產(chǎn)。故認為在巖體條件評分處于需要支護與不需要支護即可保持長時間穩(wěn)定狀態(tài)下時，應(yīng)采用修正后的A′評價系數(shù)重新對采場穩(wěn)定性進行評價，以確保采場穩(wěn)定性評分的取值更為穩(wěn)妥，以便及時采取相應(yīng)的支護措施。

圖5 采用原圖表法和采用修正系數(shù)圖表法的穩(wěn)定性評價對比

參考文獻：

[1]Potvin Y . Empirical open stope design in Canada [D].Vancouver:Dept Mining & Mineral Processing, Univ British Columbia; 1988.

[2]BROWN E T. Block caving geomechanics[M]. Julius Kruttschnitt Mineral Centre, Australia, 2003.

[3]Nickson SD. Cable support guidelines for underground hard rock mine operations [D]. Vancouver: Univ British Columbia; 1992.

[4]Hani S. Mitri, Rory Hughes, Yaohua Zhang. New rock stress factor for the stability graph method [J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences: 2011 (48) 141￣145.

[5]董金奎,馮夏庭,等. 地下采場破碎巖體穩(wěn)定性評價與參數(shù)優(yōu)化[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)：2013,34(9)：1322￣1326.

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