羅淦華，吳愛祥，王貽明

軟弱破碎礦體采場穩(wěn)定性分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

羅淦華，吳愛祥，王貽明

（1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是軟弱破碎礦體開采的關(guān)鍵問題，對采礦各指標(biāo)起著決定性作用，不合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)可能造成災(zāi)難性安全事故。以湯丹銅礦4#軟弱破碎厚大礦體為研究對象，采用巖體分類統(tǒng)計(jì)、工程類比、理論計(jì)算、數(shù)值模擬等手段對頂柱、礦房及礦柱進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并對比各研究方法的優(yōu)劣。研究表明：湯丹銅礦4#礦體圍巖巖體質(zhì)量為Ⅲ級(jí)，礦體為Ⅳ級(jí)，礦房最大暴露面積為300 m2；理論計(jì)算結(jié)果表明：礦房極限跨度是頂板厚度或礦柱寬度的單因素函數(shù)，且呈線性正比關(guān)系，礦房跨度為10～14 m，礦柱為14～18 m，頂柱為18～25 m，但各理論計(jì)算結(jié)果差別較大；應(yīng)用ANSYS與FLAC3D對礦體開挖進(jìn)行三維數(shù)值模擬，從地表巖移、頂板位移、塑性區(qū)分布及礦柱最大主應(yīng)力四個(gè)角度進(jìn)行全面分析，最終得出頂柱高25 m，礦柱寬16 m，礦房跨度12 m為最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的結(jié)論。

軟弱破碎礦體；采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化；巖體質(zhì)量評價(jià)；理論計(jì)算；數(shù)值模擬

急傾斜厚大軟弱破碎礦體在中國、美國、印度等地區(qū)都有分布，黏結(jié)性差、強(qiáng)度低、水理性強(qiáng)、弱化快、自穩(wěn)能力差、變形量大且持續(xù)時(shí)間長、來壓快等開采安全問題突出，此類礦山資源的開發(fā)利用一直是國內(nèi)外采礦工作者的研究難題。

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)直接決定著礦塊的開采形式及尺寸規(guī)模，合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)軟弱破碎礦體安全高效開采的前提，以空場法為例，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括頂?shù)字叨?、礦柱尺寸、礦房結(jié)構(gòu)等。目前，針對該領(lǐng)域的主要研究手段大體可以分為四種：巖體質(zhì)量分析系統(tǒng)、力學(xué)計(jì)算、工程類比和數(shù)值（相似）模擬。王李管等［1-2］基于巖體質(zhì)量評定Mathews穩(wěn)定圖法對開采參數(shù)進(jìn)行礦巖穩(wěn)定性、可崩性分析；高富強(qiáng)等［3-7］利用ANYSY、FLAC3D等軟件對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及巖體變形破壞規(guī)律進(jìn)行研究；任艷芳等［8-10］通過相似物理模型試驗(yàn)對礦體開采過程中工作面覆巖破斷等特征探索；嚴(yán)紅等［11-13］應(yīng)用工程類比與其他方法相結(jié)合用于研究采礦支護(hù)與冒落問題；尹升華等［14-16］采用力學(xué)模型計(jì)算采場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性用于確定結(jié)構(gòu)尺寸。

然而，巖體質(zhì)量評定體系僅限于定性認(rèn)識(shí)巖體屬性及采場穩(wěn)定問題，難以直接用于指導(dǎo)生產(chǎn)；理論計(jì)算主要基于彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)為基礎(chǔ)的二維力學(xué)計(jì)算，以及統(tǒng)計(jì)各個(gè)礦山開采實(shí)際得出的經(jīng)驗(yàn)公式，考慮的因素相對較為單一，且各理論均是基于大量假設(shè)前提下的力學(xué)計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果來看，與實(shí)際開采情況尚有一定的差距；數(shù)值模擬可以考慮回采過程產(chǎn)生的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)轉(zhuǎn)移、分布規(guī)律，全面分析三維狀態(tài)下壁柱、采場、頂柱等對回采區(qū)域穩(wěn)定性的影響，結(jié)合其他方法的計(jì)算結(jié)果可以間接用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

湯丹銅礦4#礦體開采技術(shù)條件非常苛刻，平均傾角61°，為急傾斜礦體，礦體厚大（平均厚度19 m）、軟弱、含泥量高，在空間上多次發(fā)生倒轉(zhuǎn)，圍巖松散、破碎、自穩(wěn)能力差，導(dǎo)致了炮孔成孔率低、采場礦石放礦困難、礦石損失率及貧化率高、礦塊生產(chǎn)能力較低等難題。目前只能采用“小礦房、大礦柱”式的淺孔留礦法開采。但當(dāng)下回采效率、作業(yè)安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)要求，礦柱礦量占采場總礦量約70%，故確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證安全高效生產(chǎn)，是目前急需解決的問題。

本文在分析4#礦體開采技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，通過巖體質(zhì)量評定、力學(xué)計(jì)算及數(shù)值模擬等方法研究采場關(guān)鍵參數(shù)，在確保設(shè)計(jì)的可行性，保證地表下沉量不超限的前提下。通過對幾種方法的對比及結(jié)合研究，從而確定最優(yōu)方案，為現(xiàn)場設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1　基于巖體分類系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

采場穩(wěn)定性是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)問題，它與各種地質(zhì)因素和非地質(zhì)因素有關(guān)。前者包括礦山的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、礦巖力學(xué)特性及礦區(qū)地應(yīng)力場等，后者則主要與采礦方法、采場尺寸及施工技術(shù)水平等因素有關(guān)。實(shí)踐表明，地質(zhì)因素是影響采場穩(wěn)定的物質(zhì)基礎(chǔ)，決定著礦巖地質(zhì)及力學(xué)模型，而采場結(jié)構(gòu)及采礦技術(shù)的優(yōu)化從根本上為了適應(yīng)地質(zhì)條件，從而實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)高效穩(wěn)定開采。

1.1巖體質(zhì)量評價(jià)

作者在前人工作的基礎(chǔ)上，對湯丹銅礦4#礦體及圍巖的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及巖體力學(xué)特性進(jìn)行詳細(xì)分析，運(yùn)用巖體工程地質(zhì)力學(xué)方法進(jìn)行了工程地質(zhì)巖組劃分、巖體結(jié)構(gòu)分類，并對不同巖體結(jié)構(gòu)類型巖組進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了巖體質(zhì)量評價(jià)，見表1。

由表1可知，RQD值法、RMR法、Q系統(tǒng)和BQ系統(tǒng)評價(jià)結(jié)果較為統(tǒng)一，湯丹銅礦4#礦體巖性質(zhì)量等級(jí)為差，圍巖為中。

表1　湯丹4#礦體巖體質(zhì)量評價(jià)Tabl.1Rock quality evaluation of 4#orebody of Tangdan

1.2Mathews穩(wěn)定圖法

Mathews穩(wěn)定圖法計(jì)算公式如式（1）所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，參照Mathews穩(wěn)定圖，查找N和S值對應(yīng)的位置，即可判斷該結(jié)構(gòu)參數(shù)下采場的穩(wěn)定狀態(tài)，如圖1所示［17］。

式中：Q'為修正的Q值，A為應(yīng)力系數(shù)；B為巖體缺陷方位修正系數(shù)；C為設(shè)計(jì)采場暴露面方位修正系數(shù)；S為采場形狀系數(shù)；M為采場壁面積；L為采場壁周長，m。

圖1　Mathews修正圖Fig.1　Mathews stability chart

將地質(zhì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果及礦體特征信息代入式（1），并對照圖1，湯丹銅礦4#礦體采場Mathews穩(wěn)定圖法評價(jià)結(jié)果見表1，而后將4#礦體水平厚度20 m代入式（2）可知：當(dāng)?shù)V房跨度＞15 m，即碳泥質(zhì)板巖頂板暴露面積＞300 m2時(shí)，采場失穩(wěn)；當(dāng)碳泥質(zhì)板巖形成的連續(xù)的礦柱高度＞100 m，即采高大于100 m時(shí)，采場失穩(wěn)；青灰色白云巖上盤相對較為穩(wěn)定，當(dāng)S＞10.1時(shí)，采場失穩(wěn)，此時(shí)頂板或壁柱早已垮塌。從采場結(jié)構(gòu)參數(shù)上講，湯丹銅礦4#礦體穩(wěn)定與否由采場跨度和高度決定，圍巖、上下盤相對較為穩(wěn)定。

表2為4#礦體碳泥質(zhì)板巖采場穩(wěn)定性現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)結(jié)果，與Mathews穩(wěn)定圖法評定結(jié)果較為吻合。碳泥質(zhì)板巖自穩(wěn)能力很差，采場礦房頂板暴露面積不能超過300 m2，超過時(shí)必須存窿礦石以保持壁柱及間柱穩(wěn)定性。存窿的礦石及存留壁柱，造成礦石的大量積壓，極大影響礦山生產(chǎn)能力及資金周轉(zhuǎn)。

由于巖體質(zhì)量分類能夠充分反映其地質(zhì)特征，因而可有效地用于采場穩(wěn)定性評價(jià)，在工程實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用，但其具有定性或準(zhǔn)定量評價(jià)的特點(diǎn)，多為工程類比或經(jīng)驗(yàn)公式，在工程應(yīng)用中往往具有一定的模糊性或不確定性，直接應(yīng)用于指導(dǎo)采礦生產(chǎn)尚缺乏理論支撐，需要進(jìn)一步發(fā)展定量的評價(jià)方法。

表2　4#礦體碳泥質(zhì)板巖采場穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)Tab.2　Stability statistics of carbon-lite slate of 4#orebody

2　礦房跨度及礦柱穩(wěn)定性理論分析

2.1礦房跨度計(jì)算

礦房跨度是采場結(jié)構(gòu)中非常重要的參數(shù)。礦房跨度越大，回采率越高，但跨度過大，易造成頂板變形破壞，引發(fā)冒頂事故；跨度小，則頂板安全，但回采率低。在保證安全的前提下，礦房允許的最大跨度稱為“極限跨度”，主要由巖體力學(xué)特性、礦體及結(jié)構(gòu)面形態(tài)、回采方式等因素決定。設(shè)計(jì)計(jì)算中，常將頂板視為“梁”結(jié)構(gòu)，梁在上覆巖層作用下發(fā)生拉壓變形，當(dāng)采用力學(xué)理論計(jì)算梁下側(cè)的最大拉應(yīng)力與巖體最大拉應(yīng)力相等時(shí)，即可得出礦房極限跨度，力學(xué)模型如圖2所示。

圖2　礦房跨度計(jì)算力學(xué)模型Fig.2　Mechanical calculation model of width of room

2.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)“梁”理論

結(jié)構(gòu)力學(xué)“梁”理論將頂板簡化為兩端鉸接的簡支梁，如圖3所示。上覆巖層簡化為均布載荷q，依據(jù)巖體抗拉強(qiáng)度，由結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算礦房極限跨度，計(jì)算公式為：

式中：k為礦房極限跨度，m；σB為頂板抗拉強(qiáng)度，MPa；h為頂板的厚度，m；b為頂板的寬，m；ρB為頂板巖體的密度g/cm3；q為頂板承受上覆巖層的均布載荷，MPa；g為重力加速度，m/s2。

圖3　礦房頂板簡支梁模型Fig.3　Beam model of the roof

2.1.2厚跨比理論

根據(jù)厚跨比理論，礦房跨度與頂板厚度之比不能大于2，其計(jì)算公式如式（4）。

式中：n為安全系數(shù)，通常取1.3。

2.1.3荷載傳遞交匯線理論

假設(shè)頂板所承受載荷由中心按30°～35°的擴(kuò)散角向下傳遞，當(dāng)傳遞線位于頂板與采場側(cè)幫交點(diǎn)以外，即認(rèn)為頂板上的載荷由礦柱直接支撐，此時(shí)頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)，其計(jì)算公式為：

式中：α為擴(kuò)散角，取30°。

2.1.4平板“梁”理論

若將頂板假定為兩端固定的平板梁結(jié)構(gòu)，由材料力學(xué)可知，礦房極限跨度計(jì)算公式為：

2.1.5結(jié)果分析

將四種理論應(yīng)用于湯丹銅礦4#礦體，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4　礦房極限跨度與頂板厚度關(guān)系Fig.4　Relationship between width of room and thickness of roof

由圖4可知，四種理論計(jì)算均得出礦房極限跨度是頂板厚度的單因素函數(shù)，且兩者呈線性正比關(guān)系，頂板厚度為15～25 m時(shí)，礦房極限跨度為12～37 m，但各理論計(jì)算結(jié)果差別較大。

2.2礦柱穩(wěn)定性分析

增加礦柱截面尺寸，其強(qiáng)度勢必增加，承受載荷也會(huì)增加。作者將安全系數(shù)用于評價(jià)礦柱穩(wěn)定性，即礦柱實(shí)際強(qiáng)度與承受垂直應(yīng)力之比，見式（7）、（8）。

式中：n為礦柱的安全性系數(shù)，n≥1.3；σu為礦柱強(qiáng)度，MPa；σp為礦柱支撐應(yīng)力，MPa；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，26 MPa；b為礦柱寬度，12～24 m；l為礦柱長度，20 m；S為單根礦柱承受載荷面積，m2；g為重力加速度，m/s2；ρ為上覆巖層密度，2.76 kg/m3；h為上覆巖層的厚度，530 m；B為礦房跨度，m。

圖5　礦柱寬度與礦房極限跨度關(guān)系Fig.5　Relationshipbetweenthemaximalroomspanandthicknessofroof

由圖5可知，當(dāng)?shù)V房跨度為10 m時(shí)，礦柱寬度至少要17m，與目前湯丹銅礦所用參數(shù)：礦柱寬16m，礦房跨10 m比較接近。

上述計(jì)算方法主要基于結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、材料力學(xué)基礎(chǔ)理論及礦山統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，考慮因素較為單一，未涉及采場應(yīng)力、位移、塑性區(qū)等分布規(guī)律，未能考慮三維狀態(tài)下結(jié)構(gòu)參數(shù)對采場穩(wěn)定性的影響。

3　采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選數(shù)值模擬

采場結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)、高效開采。目前，礦山亟待解決的安全問題是采場的穩(wěn)定性及開采造成的巖層移動(dòng)與破壞，本文通過數(shù)值模擬試驗(yàn)對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

3.1采場結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)主要將礦房跨度W及礦柱寬度B兩個(gè)因素作為主要優(yōu)化參數(shù)。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，兩因素的水平值分別取12 m、14 m與16 m，因此采用兩因素三水平全面設(shè)計(jì)方案，共進(jìn)行9次數(shù)值模擬試驗(yàn)。

表3　數(shù)值試驗(yàn)方案組合Tab.3　Schemes for numerical experiments

3.2數(shù)值模擬建模

用ANSYS軟件建立三維數(shù)值模型，礦房與礦柱分別采用表3中的參數(shù)，頂柱高取25m，底柱高15m。將模型導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行模擬運(yùn)算，開挖順序?yàn)閷?shí)際采礦順序，單次開采高度為分段高度15 m。

3.3模擬結(jié)果分析

將9種方案分別進(jìn)行地表巖移、頂板位移、塑性區(qū)分布及礦柱最大主應(yīng)力對比分析，見表4。

表4　數(shù)值模擬結(jié)果Tab.4　Results of numerical simulation

由表4可知：9種方案模擬結(jié)果的地表傾斜、曲率及水平變形均達(dá)到一級(jí)保護(hù)等級(jí)，而目前湯丹銅礦地表保護(hù)等級(jí)為三級(jí)，即各方案均可滿足地表保護(hù)要求，但各地表巖移結(jié)果中，方案7具有一定優(yōu)勢；對比各方案頂板下沉量，可發(fā)現(xiàn)無論是沉降量還是頂板最大下沉都在允許值范圍內(nèi)。方案7的上盤頂板最大位移最?。坏V房開挖后，各方案上盤頂板均未出現(xiàn)塑性區(qū)，說明頂柱厚度設(shè)計(jì)滿足要求，而礦柱兩側(cè)臨空面塑性區(qū)分布較廣，上盤圍巖接觸面次之，下盤有零星分布，其中方案7的塑性區(qū)體積與所占比例均最小，如圖6所示，其礦柱雖出現(xiàn)局部破壞，但整體較為穩(wěn)定；開采后，各方案礦柱均出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中，且大多發(fā)生在礦柱頂?shù)撞?，?yīng)力集中系數(shù)在1.15～1.46之間，其中方案7應(yīng)力集中程度最小。綜合對比分析，方案7為最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方案。Block State

圖6　方案7塑性區(qū)分布Fig.6　Plastic areas distribution of scheme 7

None

shear-n

tension-n

4　結(jié)論

本文就軟弱破碎厚大礦體常用的針對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行討論，并將其應(yīng)用于湯丹銅礦4#礦體進(jìn)行對比分析，取得如下成果：

（1）湯丹銅礦4#礦體及圍巖分別劃分為碳泥質(zhì)板巖組與青灰色白云巖組進(jìn)行巖體質(zhì)量評價(jià)，前者巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ，后者為Ⅲ，表明礦山巖體整體質(zhì)量較差。巖體質(zhì)量評定法多為工程類比或經(jīng)驗(yàn)公式，在工程應(yīng)用中具有一定的模糊性或不確定性。

（2）Mathews穩(wěn)定圖法分析結(jié)果認(rèn)為，從采場結(jié)構(gòu)參數(shù)上講，湯丹銅礦4#礦體采場穩(wěn)定性由礦房跨度和高度決定，圍巖相對較為穩(wěn)定，礦房頂板暴露面積不能超過300 m2，超過時(shí)必須存窿礦石以保持壁柱及間柱穩(wěn)定性。

（3）通過結(jié)構(gòu)力學(xué)“梁”理論、厚跨比理論、平板“梁”理論和荷載傳遞交匯線理論及礦柱穩(wěn)定安全系數(shù)法對4#礦體進(jìn)行采場結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算，礦房極限跨度是頂板厚度或礦柱寬度的單因素函數(shù)，且呈線性正比關(guān)系，但各理論計(jì)算結(jié)果差別較大。理論計(jì)算考慮因素較為單一，未涉及采場應(yīng)力、位移、塑性區(qū)等分布規(guī)律，未能考慮三維狀態(tài)下結(jié)構(gòu)參數(shù)對采場穩(wěn)定性的影響。

（4）采用兩因素三水平的數(shù)值模擬試驗(yàn)對礦房及礦柱進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，建立9種方案的ANSYS模型，應(yīng)用FLAC3D對開挖后的地表巖移、頂板位移、塑性區(qū)分布及礦柱最大主應(yīng)力進(jìn)行綜合對比分析，最終確定頂柱高25 m、礦柱寬16 m、礦房跨度12 m為最優(yōu)方案。

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Optimization of Stope Structure Parameters and Stability Analysis for Weak-Broken Orebody

LUO Ganhua，WU Aixiang，WANG Yiming
（1.School of Civil&Environment Engineering，University of Science&Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，University of Science&Technology Beijing，Beijing 100083，China）

Optimization of stope structure parameters is critical for weak-broken orebody mining which plays a crucial role in mining index.Incorrect structure parameters can cause catastrophic security incidents.Taking 4# orebody of Tangdan Mine as the research object，we optimize the parameters of top pillar，room，and pillar on the basis of rock classification statistical method，project analogy，theoretical calculations and numerical simulation. The advantages and disadvantages of each method were compared.The results show that the surrounding rock quality grade of 4#orebody of Tangdan Mine isⅢ，the orebody quality grade isⅣ，and the maximum permit exposure area is 300 m2；on the basis of theoretical calculations the maximal room span is a single-factor function of thickness of top plate or width of pillar，and has a linear relation；the span of room is 10～14 m，the width of pillar is 14～18 m，the height of top pillar is 18～25 m，and the difference between these methods is relatively greater；orthogonal design and three dimensional numerical simulation of mining process using ANSYS and FLAC3Dwas carried out to analysis the surface rock mass movement，displacement of roof，plastic areas distribution，and maximum principal stress of pillars.Taking into account all these factor，we may safely draw the conclusion that the thickness of roof（pillar）is 25 m，the width of pillar is 16 m，and the width of room is 12 m.

weak-broken orebody；stope structure parameters；rock quality evaluation；theoretical calculation；numerical simulation

TD853.34+3

A

10.3969/j.issn.1009-0622.2016.05.003

2016-05-13

國家自然科學(xué)基金（51374034）

羅淦華（1992-），男，江西吉安人，碩士研究生，研究方向：采礦方法與充填。

吳愛祥（1963-），男，湖北仙桃人，教授，主要從事采礦方法及充填方面的研究。