大规模充填采矿采场稳定性研究与结构参数优化

刘建东 解联库 曹 辉

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221116；2.北京矿冶科技集团有限公司，北京102628）

大直径深孔采矿技术以其高效率、高强度、集中作业和改善作业环境等特点直接推动了采矿大型化、连续化的发展，在世界范围内的地下矿山得到了广泛的应用和发展［1］。以大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法为代表的大规模采矿技术在大量开采和集中强化开采方面发挥了重要作用［2］。甲玛铜多金属矿矿体品位高、赋存量大、厚度适中、矿体连续性好，适合采用大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法回采。实际应用中，选择合理的采场结构参数是控制地压灾害、实现矿体安全高效开采的重要保证［3］，必须结合具体的工程地质条件和地应力环境对采场稳定性和结构参数进行分析和优化。本研究采用理论计算、Mathews稳定图和数值模拟多种方法对甲玛铜多金属矿的采场稳定性进行综合分析，确定合理的采场结构参数，为大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法的实施应用提供参考和指导。

1 工程概况

甲玛铜多金属矿位于海拔4 350～5 407.5 m，属于典型的高原矿山，矿体主要为矽卡岩型，赋存标高3 700～4 550 m，矿体厚度10～50 m，最厚达199 m。受推覆构造控制，矿体呈上陡下缓特征，较陡部分矿体靠近地表，主要为铅锌矿体，倾角60～70°；较缓部分为地下深部隐伏铜钼矿体，倾角小于20°。矿体、顶底板属坚硬、中硬岩石，浅部节理裂隙较发育，总体稳固程度为中等以上。

矿山二期地下开采设计采用大直径深孔高分段空场嗣后充填采矿法，包括北区4 400～4 500 m矿段范围内的4 420～4 465 m、4 460～4 520 m两区段。先采4 460～4 520 m区段，后采4 420～4 465 m区段。盘区内采场回采顺序采用“隔三采一”的方式，一、二步骤回采矿房采场，采用灰砂比为1∶8的尾砂胶结充填，三、四步骤回采矿柱采场，采用尾砂非胶结或废石充填。

2 工程岩体质量RMR分级

工程岩体质量的好坏直接关系到岩体工程稳定性，工程岩体质量评价是进行工程设计与现场施工的基础依据。根据对甲玛铜多金属矿大规模开采区域的工程地质调查，结合该区域的工程地质特征，采用国内外常用的RMR（CSIR）岩体分类系统对角岩和矽卡岩进行分类，并使用经验公式［4］Q=e(RMR-44)/9分别计算对应的Q值，结果如表1所示。

3 基于矿柱稳定的合理采场宽度计算

矿柱稳定性是大规模开采安全的关键问题之一。采用国内外常用的Bieniawski矿柱强度公式［5］进行大规模开采的采场及盘区矿柱合理参数的论证优化。由于矿柱沿走向长度较长，可简化为条带式矿柱计算矿柱所受到的垂直应力，按下式计算：

式中，γ为覆岩容重，kN/m3；H为顶板埋深，m；wp为矿柱宽度，m；wo为矿房宽度，m。

Bieniawski与Vanheerden对南非Witbank煤矿宽高比为0.5～34的多个煤柱试件进行了大量的原位测试，得出的矿柱强度计算公式为

式中，Sl为矿柱抗压强度，MPa；h为矿柱高度，m；α取值根据矿柱高宽比h/wP确定，当h/wP≥5时，取α=1.4，当h/wP＜5时，取α=1.0。

甲玛矿大规模开采区域矿柱高宽比均小于5，故取α=1.0。因此，矿柱的安全系数计算公式如下：

根据岩石力学试验结果，Sl取值为75 MPa；将采高50 m，采场宽分别为12 m、15 m、18 m的参数代入式（3）中，可以得出不同采场宽度、不同埋深条件下矿柱安全系数值，如图1所示。根据甲玛铜多金属矿矿体条件，采场顶板最大埋深约600 m，在此情况下矿柱安全系数仍能满足大于临界安全系数1.5的要求，说明12 m、15 m、18 m宽度均能够满足矿柱稳定的要求。上述计算是在矿柱两侧临空的极限状态下得出的，若在采场充填状态下，矿柱将更加稳定。

4 基于Mathews稳定图的采场稳定性分析

4.1 Mathews稳定图法

Mathews稳定图法是由Mathews等人于1981年最早提出［6］，它是依据大量工程实例提出的经验公式法。1988年Potvin在分析242个案例和重新定义某些调整系数的基础上，对Mathews的稳定性图表进行修正［7］。1992年Potvin，Nickson等人通过收集更多深部采矿现场数据资料，对该方法的合理性进行验证并提出修正［7-9］；2000年Trueman等人根据大量新增的实例资料，采用对数回归的方法重新定义稳定区和严重破坏区［10］；2004年Mawdeskey等人给出了该方法稳定区、破坏与严重破坏区的等概率图［11］。

Mathews稳定图法实质是利用NGI岩体分级指标Q计算岩体稳定性指数N，依据矿山开拓和采准工程确定采场结构参数并计算采场暴露面形状系数S，将N和S值投影到Potvin修改后的稳定性图表上，即可初步判断采场的总体稳定性；或者是根据岩体稳定性指数N在稳定性图表上求出总体稳定的采场形状系数S，在初步选定采场某一结构参数后即可确定其他结构参数。

4.2 Mathews法计算参数选取

（1）Q′值：以节理裂隙水折减系数Jw与应力折减系数SRF之比等于1时的Q值即为Q′值。根据前述计算矽卡岩Q=4.74，依据地应力计算结果，SRF取1.556，Jw取0.66，计算得Q′为11.17。

（2）岩石应力系数A：通过岩石单轴抗压强度σc和次生压应力σ1之比确定。根据模拟分析，采场顶板中央位置的压应力平均为12.85 MPa，顶板角岩单轴抗压强度为113.53 MPa，计算得σc/σ1=8.84，故A值取0.847。

（3）节理产状调整系数B：角岩平均倾角取74.5°，故B值取0.897。

（4）重力影响系数C：采场顶板均为水平状态，故C值取1.0。

4.3 采场结构参数Mathews法分析

根据以上分析，按公式N=Q′×A×B×C计算得，N=8.49。根据图1计算得出采场顶板保持稳定的最大水力半径S为7.65 m，在此允许水力半径条件下，采场顶板暴露面积和长度随采场宽度的变化趋势见图2。设计推荐的45 m×18 m、52.5 m×18 m和60 m×18 m三种结构尺寸，对应的水力半径分别为6.43、6.7、6.92，均小于允许水力半径，故可以满足采场稳定的要求。从图2中可以看出，当采场宽度为18 m时，最大允许采场长度为77.3 m；当采场长度为60 m时，最大允许采场宽度为22.4 m。

5 采场结构参数的数值模拟

5.1 计算模型

综合考虑矿体及围岩分布特点和岩层移动角等因素，建立的三维模型尺寸为200 m×420 m×200 m，模型共划分110 880单元和118 728节点。根据甲玛铜多金属矿的实测地应力结果，赋予模型实测地应力。采用理想弹塑性Mohr-Coulumb模型。计算的范围位于4 420～4 465 m中段，计算模型的岩体全部采用矽卡岩，矿房采用胶结充填，矿柱采用非胶结充填，具体物理力学参数如表2所示。本次计算假定充填体是接顶的，在计算中仅考虑地应力的作用，忽略地震波、爆炸冲击波及地下水等因素对岩体稳定性的影响。计算过程采用隔“三采一”的开挖顺序，每个采场采完后立即充填。

5.2 应力变化分析

在矿房回采期间，矿柱中发生了明显的应力集中现象，且首采、次采矿房开采时，矿柱中所产生的应力集中程度不同，主要原因是首采矿房开采后，应力转移到邻近的围岩体中，围岩体完整性相对较好，能够赋存住高应力；待次采矿房开采后，矿房之间的岩体受力进一步恶化，高应力无法全部得到赋存，出现部分应力损失和能量耗散，这部分应力和能量转移到矿房的胶结充填体中，使充填体发展为三向受力状态。对于高应力区域的盘区采场，采场宽度较小时矿柱容易发生屈服破坏，故采用15 m、18 m宽度的矿柱尺寸相对较好。

5.3 顶板变形分析

如图3所示，在矿块内各个采场回采过程中，位于矿块中央位置采场顶板变形量呈线性增长趋势。矿房、矿柱的回采对于邻近区域的覆岩都具有一定程度的影响。在矿块充填后一段时间，矿块中央位置采场顶板变形量趋于稳定。采场宽度采用12 m、15 m时，顶板变形量较小；采场宽度采用18 m时，顶板变形相对较大，且对比明显。因此，从覆岩移动的剧烈程度来看，采场宽度采用12 m或15 m有利于控制覆岩变形。

5.4 塑性区分布

在矿房开采胶结充填后，3种采场宽度下的顶板覆岩的塑性区发展深度较小，大多数塑性单元恢复到弹性工作状态；采场结构参数为12 m时，矿柱的剪切破坏塑性区分布明显，以低围压下发生的压剪、矿柱表面的拉剪破坏为主，大量塑性单元未恢复到弹性工作状态，而采场宽度15 m、18 m时矿柱的受力状态相对较好，尤其是18 m矿柱部分核区仍以弹性工作状态为主，这与前述的应力分析结果一致。当矿块被完全采空非胶结充填后，覆岩变形相对剧烈，但最终恢复到弹性工作状态；胶结充填体发挥一定的支承作用，充填体出现大量的塑性单元，但最终会趋于稳定。

5.5 采场结构参数数值模拟结果分析

通过对4 420～4 465 m中段矿块开采过程的采场应力、变形和塑性区分析可以看出，对于高应力条件下的采场，采用12 m的采场宽度，在矿房采空条件下发生矿柱屈服失稳的可能性相对较大；而采用18 m的采场宽度，在开采过程中及采后覆岩移动相对剧烈，尤其是在采矿过程中采场顶板容易发生破断。综合分析，在深部高应力的条件下，甲玛铜多金属矿采场宽度采用15 m较为合适。结合Mathews法分析结果，推荐的采场结构参数为15 m×60 m。

6 结论

从多方法、多角度对甲玛铜多金属矿大规模开采采场的稳定性进行分析，对采场结构参数进行优化，研究结果对大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法在甲玛矿的实施应用具有一定指导意义和参考价值。主要结论如下：

（1）角岩RMR值为56，矽卡岩RMR值为58，二者均属Ⅲ类岩体，质量较好。

（2）通过理论计算，在确保矿柱稳定的前提下，18 m宽的采场结构参数是可行的。通过Mathews法分析可知，设计推荐45 m×18 m、52.5 m×18 m、60 m×18 m三种结构参数均可行。在确保采场稳定的前提下，当采场宽度为18 m时，最大允许采场长度为77.3 m；当采场采场长度为60 m时，最大允许采场宽度为22.4 m。

（3）FLAC3D数值模拟分析结果表明，采用12 m的采场宽度，在矿房采空条件下发生矿柱屈服失稳的可能性相对较大；而采用18 m的采场宽度，在开采过程中及采后覆岩移动相对剧烈。综合分析，在深部高应力的条件下，甲玛铜多金属矿采场宽度采用15 m较为合适，推荐的采场结构参数为15 m×60 m。

（4）采用理论计算、Mathews稳定图和数值模拟多方法、多角度对甲玛铜多金属矿采场稳定性和结构参数进行分析与优化，不同方法的分析结果互相验证、互为补充，克服了单一方法分析的不足。