母昌平

（四川省冶金設(shè)計研究院）

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)對采場安全性和資源回收率均有較大影響，是關(guān)乎礦山可持續(xù)發(fā)展的重要參數(shù)。因此，礦山在安排采礦之前，很有必要針對實際情況對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化可采用理論分析、數(shù)值模擬、經(jīng)驗估算等手段［1-4］。郭偉等［5］基于FLAC3D分析了在大盤區(qū)高應(yīng)力作用下礦柱回采穩(wěn)定性，研究了礦柱內(nèi)部應(yīng)力變化及位移變化規(guī)律；徐文彬等［6］通過對和睦山礦巖分級基礎(chǔ)工作，利用極限平衡法，建立了階段嗣后充填礦柱安全系數(shù)方程。由于礦柱對采場的頂板維護具有重要作用，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整的核心在于礦柱設(shè)置。

本研究以某礦為工程背景，基于厚跨比、普氏壓力拱和載荷傳遞交匯線理論以及安全系數(shù)法，分別進行礦房跨度和礦柱尺寸計算，最終得出適合深部采礦的合理礦柱尺寸，進一步指導(dǎo)深部采礦。

1 工程概況

礦體呈不規(guī)則的大脈狀產(chǎn)出，沿走向及傾向呈舒緩波狀延伸，膨脹夾縮、分枝復(fù)合現(xiàn)象明顯，形態(tài)變化較大，礦體走向為17°～26°，傾向南東，傾角為18°～31°，平均值為12°，單工程最大厚度為75.07 m，平均厚度為14.41 m。

礦體主要賦存在黃鐵絹英巖、黃鐵絹英巖化碎裂巖和黃鐵絹英巖化花崗閃長巖等蝕變巖內(nèi)，裂隙不發(fā)育，巖石一般較完整。礦體直接頂板為絹英巖、絹英巖化花崗閃長巖，巖石較堅硬，穩(wěn)定性好。礦體底板以絹英巖為主，局部為絹英巖化花崗閃長巖等，裂隙不發(fā)育，穩(wěn)定性好。

礦山采用房柱法開采，上下中段之間留有頂?shù)字?，礦房之間留有間柱，礦房內(nèi)留有點柱。生產(chǎn)過程中礦柱資源損失量巨大。根據(jù)企業(yè)不完全統(tǒng)計，礦柱資源損失量占采場資源總量的33%左右。優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)，提高采場回采率，對礦山具有重大意義。

2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)理論計算

2.1 礦房跨度理論計算

礦房跨度是采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要組成部分，在實際生產(chǎn)中，常用的確定方法有工程類比法、理論計算、室內(nèi)試驗法及數(shù)值模擬等手段；采場開采跨度的理論計算方法有厚跨比理論、普氏壓力拱理論以及載荷傳遞交匯線理論等。

2.1.1 厚跨比理論

厚跨比理論認(rèn)為，頂板厚跨比不應(yīng)大于0.5。其計算公式為

式中，k為頂板極限跨度，m；h為頂板厚度，m；n為安全因子，一般取值1.3。

2.1.2 普氏壓力拱理論

普氏壓力拱理論認(rèn)為，在形成采空區(qū)及巷道后，頂板巖體會逐漸形成拋物線形狀的壓力拱帶。尤其對于破碎軟弱礦體而言，其表現(xiàn)形式更加明顯。其跨度計算公式為

式中，H為采場最大高度，m；φ為巖體內(nèi)摩擦角，（°）；f為礦石普氏硬度系數(shù)。

2.1.3 載荷傳遞交匯線理論

載荷交匯線理論認(rèn)為載荷傳遞線與頂板中心線成30°～35°的擴散角，載荷遞線位于采空區(qū)以外時，頂板是安全的。因此得到其頂板跨度計算公式為

式中，α為載荷傳遞線和頂板中心線夾角，（°）。

2.1.4 頂板跨度計算結(jié)果

根據(jù)上述3種求解跨度的理論計算公式，結(jié)合該礦實際巖石力學(xué)參數(shù)，h取6 m，f值取8～11，H取737 m，φ取38°，α取30°，計算結(jié)果見表1。

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由表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采場頂板厚度為6 m時，3種極限跨度理論計算值介于8.40～9.85 m，其中荷載傳遞交匯線法計算值最小，為8.40 m，平均頂板極限跨度值為9.16 m。

2.2 礦柱穩(wěn)定性分析

2.2.1 礦柱載荷

由于計算方法簡單，面積承載理論為目前國內(nèi)外主要采用的礦柱載荷分析理論。由于國內(nèi)外礦柱留設(shè)主要為方形，本研究基于方形礦柱推導(dǎo)的礦柱載荷計算公式為

式中，σp為礦柱載荷，MPa；H為開采深度，m；Wp為礦柱寬度，m；Wo為礦房寬度，m；γ為巖層容重，kN/m3。

2.2.2 礦柱承載強度

這里采用考慮礦柱形狀效應(yīng)的計算公式［7］：

式中，Ps為礦柱強度，MPa。

2.2.3 礦柱安全系數(shù)

本研究采用安全系數(shù)法對礦柱安全性進行分析。綜合考慮影響礦柱穩(wěn)定性的因素和分析的針對性，采用具備量化條件的影響因素，由式（4）和式（5）推導(dǎo)出安全系數(shù)計算公式：

式中，F(xiàn)為方形礦柱安全系數(shù)。

2.2.4 敏感性因素分析

礦柱的穩(wěn)定性一般由眾多因素決定，根據(jù)前文礦柱載荷和承載強度計算公式，具備量化條件的影響因素包括抗壓強度、礦柱尺寸、礦房寬度、開采深度、覆巖體重。同時，礦巖構(gòu)造、爆破振動、地下水、地震等也會對于礦柱產(chǎn)生影響。本研究選擇礦柱尺寸、礦房寬度、開采深度作為主要影響因素進行分析，根據(jù)不同中段水平實際情況，設(shè)計了主要影響因素見表2，表3為正交試驗計算結(jié)果。

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通過4因素4水平正交試驗計算表，礦柱4個主要影響因素敏感性大小依次為礦柱寬度＞礦房寬度＞開采深度＞礦柱高度。

根據(jù)正交表中數(shù)據(jù)，取安全系數(shù)大于1.0的組合進行靜定方程組求解，最終得到關(guān)于礦柱寬度、礦房寬度、礦體開采深度及礦柱高度的擬合方程：F=0.075 4Wo+0.280 4Wp+0.305 5h-0.002 5H.（7）

為指導(dǎo)礦區(qū)實際中段采礦礦柱尺寸的合理選擇，考慮到實際生產(chǎn)礦石品位、回采周期等諸多因素，這里取礦柱許用安全系數(shù)為1.4，則礦體開采深度為737 m，礦房跨度為8.0 m，礦柱高度為3.0 m，根據(jù)公式（7）計算得到礦柱尺寸為6.0 m。

3 結(jié) 論

（1）利用厚跨比、普氏拱和載荷傳遞交匯線理論計算得到采場跨度最小值為8.4 m，平均值為9.16 m。

（2）正交試驗結(jié)果表明，礦柱主要影響因素敏感性大小依次為礦柱寬度＞礦房寬度＞礦體開采深度＞礦柱高度，同時由安全系數(shù)擬合方程可知，在1.4的安全系數(shù)情況下，方形礦柱尺寸為6.0 m。