戴超群，桂祖輝，鄭九文

（銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司 安慶銅礦，安徽 安慶 246000）

1 引言

某礦使用上向水平分層（進(jìn)路）充填法進(jìn)行開(kāi)采，礦房和礦柱垂直礦體走向布置，采場(chǎng)長(zhǎng)度為礦體水平厚度。在開(kāi)采淺部資源時(shí)，采場(chǎng)跨度隨礦體穩(wěn)定性差異而改變，當(dāng)?shù)V體穩(wěn)定性較差時(shí)，采用斷面規(guī)格為3.5m×3.5m的進(jìn)路式回采方案；當(dāng)?shù)V體穩(wěn)定性較好時(shí)，對(duì)采場(chǎng)跨度進(jìn)行適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)幫處理，擴(kuò)幫后的采場(chǎng)跨度在4～5m。采準(zhǔn)工程的布置從主斜坡道經(jīng)分段聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入分段巷，再通過(guò)分層聯(lián)絡(luò)巷和采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入采場(chǎng)［1-2］，其采礦方法示意圖如圖1所示。

圖1 上向水平分層充填采礦法示意圖

隨著礦山開(kāi)采深度的增加，礦體節(jié)理發(fā)育，但整體穩(wěn)定性卻優(yōu)于淺部礦體，如果一直沿用淺部礦體所用的機(jī)械化上向水平進(jìn)路（分層）充填法的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，將會(huì)導(dǎo)致深部礦體開(kāi)采成本的大幅增加、貧化率過(guò)高等問(wèn)題，房智恒［3］綜合運(yùn)用Mathew穩(wěn)定圖法和集成技術(shù)對(duì)初步擬定的兩種開(kāi)采方案形成的空?qǐng)鲞M(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，結(jié)果表明Mathew穩(wěn)定圖法與數(shù)值模擬結(jié)論相一致。Smith P. F.［4］結(jié)合Mathews穩(wěn)定性圖與Barton極限跨度理論，為有效進(jìn)行采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了一種方法。本文針對(duì)礦山深部礦體的賦存條件，通過(guò)理論計(jì)算，選用合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有效降低高應(yīng)力帶來(lái)的各種危害［5-6］。

2 采場(chǎng)極限跨度理論計(jì)算

常見(jiàn)的計(jì)算極限跨度的方法有普氏壓力拱理論、載荷傳遞交匯線理論和Mathews穩(wěn)定圖表方法等［7-8］。本論文采用以下三種方法，并將所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出最終極限跨度。

2.1 普氏壓力拱理論

當(dāng)冒落巖體可以視為具有一定凝聚力的松散體時(shí)，由普氏地壓理論得知，在形成巷道或者采空區(qū)后，其頂板巖體會(huì)形成拋物線形的壓力拱。采空區(qū)未破壞時(shí)，處于自然平衡狀態(tài)。巖石發(fā)生位移、變形，從而形成壓力拱，其采場(chǎng)跨度可根據(jù)式（1）計(jì)算得出［9］。

式中：w為采場(chǎng)跨度，m；b為頂板厚度，m；H為采場(chǎng)最大高度，m；f為普氏系數(shù)；φ為巖體內(nèi)摩擦角。

需要注意：在運(yùn)用上式求采場(chǎng)跨度時(shí)，選取的頂板厚度b應(yīng)滿足式（2）：

此時(shí)，才能確保形成壓力拱。

2.2 載荷傳遞交匯線理論

載荷傳遞交匯線法規(guī)定：當(dāng)傳遞線的位置在頂板與采場(chǎng)的兩端交點(diǎn)以外的時(shí)候，端部位置直接承受來(lái)自于頂板上的外載荷和巖石的自重兩方面的壓力，此時(shí)認(rèn)定頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)［10］。頂板厚度與礦房跨度之間的計(jì)算公式為：

式中：w為采場(chǎng)跨度，m；b為頂板厚度，m；α為荷載傳遞線與頂板中心豎直線之間的夾角，一般取30°。

2.3 厚跨比理論

厚跨比理論定義的頂板安全準(zhǔn)則為：頂板的厚度與跨度之間的比值應(yīng)該大于等于0.5，如式（4）所示［10］：

即：

式中：w為采場(chǎng)跨度，m；b為頂板厚度，m；n為安全系數(shù)。

3 結(jié)果匯總

運(yùn)用上述方法計(jì)算采場(chǎng)的極限跨度，首先需要確定頂板厚度、普氏系數(shù)、巖體內(nèi)摩擦角、安全系數(shù)等參數(shù)。在本礦山中，上述公式中所涉及的參數(shù)如表1所示。

表1 跨度計(jì)算所需參數(shù)

通過(guò)表1中參數(shù)計(jì)算得出的極限跨度只是理論值，缺乏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地壓、節(jié)理等因素的綜合考慮。文獻(xiàn)［11］中，唐亞男等利用彈塑性力學(xué)、厚跨比理論和載荷傳遞交匯線理論對(duì)頂板跨度進(jìn)行了理論求解，再利用UDEC軟件對(duì)4m、6m、8m和10m四種跨度進(jìn)行了位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析，結(jié)果得出數(shù)值模擬的合理跨度與理論計(jì)算跨度之間存在0.86～0.99之間的修正系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)［11］，考慮到深部開(kāi)采的高應(yīng)力和節(jié)理發(fā)育等復(fù)雜情況，在本論文中修正系數(shù)取0.7～0.9之間。具體計(jì)算結(jié)果如下表2所示。最終本方案中礦房和礦柱跨度選擇為6 m，并且沿著礦體走向交替布置，分層高度為4 m，采場(chǎng)長(zhǎng)度為礦體水平厚度。

表2 采場(chǎng)極限跨度計(jì)算結(jié)果

4 應(yīng)用效果

通過(guò)優(yōu)化和改進(jìn)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，經(jīng)礦山實(shí)踐，取得良好效果。主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表3。由表3可知，改進(jìn)后的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益明顯。

表3 采場(chǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)論

（1）礦山深部采場(chǎng)通過(guò)普氏壓力拱理論、載荷傳遞交匯線理論和Mathews穩(wěn)定圖表方法對(duì)比分析得出最終極限跨度為6 m。

（2）通過(guò)改進(jìn)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)取得了較好的經(jīng)濟(jì)成果，生產(chǎn)能力得到提高，礦石貧化率降低1.9 %，礦石損失率降低2.5 %，采礦成本每噸降低16元。