孔德闊 李長(zhǎng)洪 魏曉明

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

基于Mathews穩(wěn)定圖的采場(chǎng)暴露面積計(jì)算

孔德闊 李長(zhǎng)洪 魏曉明

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

以富全鐵礦采場(chǎng)為依托，通過對(duì)該礦-320 m中段采場(chǎng)的工程地質(zhì)調(diào)查、礦巖力學(xué)試驗(yàn)，獲取了礦山巖體工程質(zhì)量的多種指標(biāo)。應(yīng)用Q分級(jí)和RQD指標(biāo)分析，對(duì)采場(chǎng)巖體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，基于Mathews穩(wěn)定圖法分析出合理的采場(chǎng)暴露面積，從而對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

Mathews穩(wěn)定圖法 采場(chǎng)穩(wěn)定性 暴露面積

在采場(chǎng)設(shè)計(jì)過程中，許多采礦設(shè)計(jì)工作者往往按照自己的工作經(jīng)驗(yàn)判斷和確定采場(chǎng)的暴露面積，或者根據(jù)類似礦山以及設(shè)計(jì)手冊(cè)的推薦值確定，這些方法都缺乏針對(duì)性[1-2]。采場(chǎng)暴露面積是關(guān)系到采場(chǎng)穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，一般情況下所說的采場(chǎng)暴露面積是指采場(chǎng)頂板暴露面積，然而對(duì)于充填體，通常指的是其側(cè)幫暴露面積。當(dāng)?shù)V山采用空?qǐng)鏊煤蟪涮罘〞r(shí)，需要同時(shí)討論采場(chǎng)頂板和充填體側(cè)幫的暴露面積[3-4]。本文根據(jù)富全鐵礦的具體情況，利用Mathews穩(wěn)定圖法計(jì)算出該礦合理的采場(chǎng)暴露面積，并根據(jù)實(shí)際情況推薦該采場(chǎng)的合理暴露面積值。

1 Mathews穩(wěn)定圖法簡(jiǎn)介

Mathews穩(wěn)定圖法是長(zhǎng)期實(shí)踐中累積的巖石分類系統(tǒng)，目前在加拿大等國家的礦山被當(dāng)做空?qǐng)霾傻V法的工業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)使用。該方法除了在空?qǐng)霾傻V法中使用外，在崩落采礦法礦山中的可崩性研究中也有應(yīng)用。

Mathews穩(wěn)定圖方法在空?qǐng)霾傻V法設(shè)計(jì)中的利用是1980年Mathews等人首次提出的，并獲得了穩(wěn)定性和采場(chǎng)尺寸、巖體質(zhì)量、開采深度3個(gè)因素的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，后來Trueman等人基于大量礦山現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)例，對(duì)Mathews穩(wěn)定圖進(jìn)一步擴(kuò)展，對(duì)穩(wěn)定區(qū)、大破壞區(qū)等應(yīng)用對(duì)數(shù)回歸的方法重新進(jìn)行了定義，可以使用平行直線劃分對(duì)數(shù)坐標(biāo)系各個(gè)不同的區(qū)帶間(圖1)，并將該方法擴(kuò)展到崩落法開采的可崩性研究[5-6]。

圖1 Trueman擴(kuò)展的Mathews穩(wěn)定

Mathews穩(wěn)定圖法的運(yùn)用主要基于穩(wěn)定數(shù)N和形狀因子(或水力半徑)S的計(jì)算，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上劃分出崩落區(qū)、潛在不穩(wěn)定區(qū)和預(yù)測(cè)穩(wěn)定區(qū)的圖上繪制出這兩個(gè)因子對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。其中穩(wěn)定數(shù)N反映了在附加應(yīng)力條件下巖體保持穩(wěn)定的能力；形狀因子(或水力半徑)S則能夠反映出采空區(qū)的尺寸與形狀[7]。

形狀因子

S=s/L,

(1)

式中，s為待分析采空面或幫壁的橫截面積；L為待分析采空面或幫壁周長(zhǎng)。

采場(chǎng)的穩(wěn)定數(shù)N定義為：

N=Q′ABC，

(2)

式中，Q′為修正后的Q系統(tǒng)分級(jí)值；A為巖石強(qiáng)度因子，能夠反映出采空面或幫壁上的巖體單軸抗壓強(qiáng)度σc與其誘生壓應(yīng)力σ1的比值：若σc/σ1<2,A=0.1；若2<σc/σ1<10,A=0.112 5(σc/σ1)-0.125，若σc/σ1>10,A=1(見圖2)；B為節(jié)理方向調(diào)整參數(shù)，反映待分析面與關(guān)鍵不連續(xù)節(jié)理面方位間差值(見圖2)；C為重力調(diào)整因子，與重力作用下的待分析采空面或幫面的破壞模式(如頂板冒落、片幫、幫壁下滑等)有關(guān)(見圖2)。

圖2 確定Mathews穩(wěn)定數(shù)N的調(diào)整因子

2 采場(chǎng)合理暴露面積估算

富全鐵礦采場(chǎng)穩(wěn)定性關(guān)系密切的巖體有角閃石英巖、磁鐵角閃石英巖和黑云變粒巖。其中，角閃石英巖為礦體上盤巖層，磁鐵角閃石英巖為礦體，黑云變粒巖為礦體下盤巖層。

采場(chǎng)穩(wěn)定性還與充填體有關(guān)。由于充填體采用了不同的灰砂比，其力學(xué)性能有差別，故需分別對(duì)待。富全鐵礦主要有2種灰砂比(1∶4和1∶8)的充填體。

對(duì)于礦體需要同時(shí)討論其頂板的暴露面積和側(cè)幫的暴露面積；對(duì)于圍巖和充填體，只需要討論其側(cè)幫的暴露面積[8]。

2.1 Q值的修正

采用Q系統(tǒng)分級(jí)方法對(duì)富全鐵礦的3種礦巖分類或評(píng)分，其Q值評(píng)分結(jié)果為：黑云變粒巖Q=5.61；角閃石英巖Q=14.46；磁鐵角閃石英礦石Q=16.15。按照Mathews穩(wěn)定圖方法的要求對(duì)Q值進(jìn)行修正：將地下水的影響因素Jw設(shè)為1，地應(yīng)力影響因素SRF設(shè)為1.0，按照Q系統(tǒng)分級(jí)法重新計(jì)算Q值，得到Q′(即修正后的Q值)。修正后Q′值與Q值相同，見表1。

表1 穩(wěn)定數(shù)N、形狀因子S、暴露面積計(jì)算

2.2 參數(shù)A、B、C的確定

(1)A值。根據(jù)有限單元法數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，在采場(chǎng)周圍大部分地方誘生的壓應(yīng)力值通常較小，單軸抗壓強(qiáng)度σc與誘生的壓應(yīng)力σ1之比較大，即σc/σ1>10，故取巖石強(qiáng)度因子A=1。

(2)B值。礦體和圍巖中主要節(jié)理和構(gòu)造的傾角一般都較大(大于60°)，而充填體中節(jié)理裂隙很難發(fā)現(xiàn)，一般水平居多。確定節(jié)理方向調(diào)整參數(shù)B：礦體頂板，B=0.6；礦體側(cè)幫，B=0.5；圍巖，B=0.6；充填體，B=1.0。

(3)C值。富全鐵礦主礦體走向152°，傾向南西，傾角70°～75°，局部達(dá)到80°～85°，取平均傾角75°。計(jì)算重力調(diào)整因子C值：黑云變粒巖C=4.14；角閃石英巖C=4.26；磁鐵角閃石英礦頂板C=1.0，側(cè)幫C=8.0；1∶4充填體C=8.0；1∶8充填體C=8.0.

2.3 計(jì)算穩(wěn)定數(shù)N、形狀因子S、暴露面積

根據(jù)形狀因子的大小，按照采場(chǎng)寬20 m、高100 m，計(jì)算各類礦巖及充填體的暴露面積，見表1。對(duì)于采場(chǎng)頂板，當(dāng)計(jì)算出的長(zhǎng)度值超過寬度的4倍時(shí)，按長(zhǎng)寬比4∶1重新計(jì)算。

2.4 巖體RQD值變化時(shí)采場(chǎng)暴露面積估算

由于現(xiàn)場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)理裂隙發(fā)育程度各處不一，巖體中RQD值也是變化的。地質(zhì)勘探時(shí)，發(fā)現(xiàn)巖體中RQD值的變化范圍通常是：上限為在統(tǒng)計(jì)值的基礎(chǔ)上增加10%(絕對(duì)數(shù))，下限為在統(tǒng)計(jì)值的基礎(chǔ)上減少20%(絕對(duì)數(shù))。根據(jù)RQD值通常的波動(dòng)范圍，當(dāng)RQD值的絕對(duì)數(shù)增加10%、減少10%和減少20%時(shí)，計(jì)算礦體和巖體的暴露面積。礦體和圍巖不同RQD值時(shí)的暴露面積值見表2。

表2 礦體和圍巖不同RQD值時(shí)的暴露面積值 m2

巖性部位RQD值統(tǒng)計(jì)值增加10%減少10%減少20%磁鐵角閃石英礦頂板11381293906663側(cè)幫85191024377306667黑云變粒巖下盤2562279021421620角閃石英巖上盤4124436932202892

從表2中可見，當(dāng)RQD絕對(duì)值從增加10%(以統(tǒng)計(jì)均值為基礎(chǔ))減少至20%時(shí)，頂板的暴露面積值從1 293 m2減少至663 m2，側(cè)幫的暴露面積值從10 243 m2減少至6 667 m2，暴露面積的變化幅度較大。需要指出的是，雖然當(dāng)RQD值增加10%時(shí)，礦體頂板的暴露面積值達(dá)到了1 293 m2，考慮到采場(chǎng)爆破振動(dòng)等影響，這一數(shù)值往往難以達(dá)到。

3 推薦采場(chǎng)暴露面積

根據(jù)巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育程度的不同及充填體灰砂比的不同，推薦各種巖性具體暴露面積值，見表3。

4 結(jié) 論

綜上所述，推薦富全鐵礦采場(chǎng)合理暴露面積：①采場(chǎng)頂板暴露面積為600～1 100 m2，礦體側(cè)幫暴露面積為6000～8000m2，節(jié)理裂隙發(fā)育時(shí)取小值，反之取大值；②灰砂比為1∶4的充填體，側(cè)幫暴露面積為8 000 m2，灰砂比為1∶8，為5 000 m2；③因巖性不同，上、下盤圍巖的暴露面積相差較大，暴露面積為1 600～3 000 m2。

表3 采場(chǎng)暴露面積推薦值 m2

[1] 李愛兵.緩傾斜層狀礦體崩落步距的Mathews穩(wěn)定圖方法研究[J].中國礦業(yè),2007,16(2):67-69.

[2] 范育青,李學(xué)鋒,李偉明.地下采場(chǎng)破碎巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與參數(shù)優(yōu)化[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào),2008,34(9)：1322-1326.

[3] 羅 飛，許夢(mèng)國，李 果.Q系統(tǒng)在某礦區(qū)結(jié)合帶巖體分級(jí)及巷道支護(hù)中的應(yīng)用[J].金屬礦山,2009(增刊):378-381．

[4] 黃英華，徐必根，吳亞斌.基于Mathews穩(wěn)定圖的采場(chǎng)頂板持續(xù)冒落臨界閥值研究[J].中國礦業(yè),2012,21(2)：122-126.

[5] 馮興隆，王李管，畢 林，等． 基于Mathews穩(wěn)定圖的礦體可崩性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008，30(4):600-604．

[6] 肖 軍.Mathews穩(wěn)定圖法在確定礦山采場(chǎng)暴露面積中的應(yīng)用[J].新疆有金屬,2013(2):19-20.

[7] 范育青,李學(xué)鋒,李偉明,等.基于Mathews圖解法的采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性分析[J].現(xiàn)代礦業(yè),2013(7):18-20.

[8] 郭 然，于潤(rùn)倉，張文榮.Mathews法在采礦方法設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].金屬礦山,1999(9):22-25．

Computation of Stope Exposure Area Based on Mathews Stability Diagram

Kong Dekuo Li Changhong Wei Xiaoming

(Civil and Environmental Engineering School, University of Science and Technology Beijing)

Based on the stope of Fuquan iron mine, multi-indicators of the quality of mine rock mass engineering by conducting geological investigation and ore-bearing rock mechanics test. The Q classification and ROD indicator analysis methods are used to analyze and evaluate the stability of stope rock mass. The reasonable exposure area is obtained based on Mathews stability diagram analysis method so as to optimize the stope structure.

Mathews stability diagram, Stope stability, Exposure area

2014-11-17)

孔德闊(1990—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。