采场结构参数优化与验证

采场结构参数优化与验证
吴贤图;胡华瑞;岑海;唐秀伟;韦志兴;陈庆发
【摘要】How to set the parameters of stope structure more reasonably is a technical problem that the mining enterprises need to solve.With mining engineering in +340 m of northeast mining area as the background,the rationality of existing stope design parameters with Mathew method is checked,and stope structure parameters are optinized.The study result shows:① Reasonable mine pillar size can ensure the safety of
mining;②Under the condition that ore plagioctase is 60 m,the calculation value of the width limit theory in Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ mine stope along ore body trend is 13.5 m,and 10.8 m.It is suggested that the room width is set as 9 m in future mining design.③The reasonable arrangement of the Northwest Mining Area Ⅱ,Ⅲ mineral pillar and Ⅰ mine goaf makes them corresponding,so as to reduce the hidden trouble caused by unreasonable layout of pillar.%合理设置采场结构参数是矿山企业需解决的技术难题.以大新锰矿西北采区+340 m中段的采矿工程为背景,采用Mathew图法验核现有采场设计参数的合理性,优化了采场结构参数.研究结果为:①矿山矿柱尺寸选取合理,能够保证开采安全;②矿块斜长为60 m时,Ⅰ矿与Ⅱ、Ⅲ矿的矿房沿走向的极限宽度理论计算值分别为13.5,10.8 m;建议在今后采矿设计中矿房宽度取9m;③合理布置西北采区Ⅱ、Ⅲ矿矿柱与Ⅰ矿矿房采空区位置,使之达到上下对应,减少矿柱不合理布置带来的安全隐患.
【期刊名称】《金属矿山》
【年(卷),期】2017(000)001
【总页数】3页(P60-62)
【关键词】采场结构参数;Mathew图法;矿柱尺寸;极限宽度
【作者】吴贤图;胡华瑞;岑海;唐秀伟;韦志兴;陈庆发
【作者单位】广西大学资源与冶金学院,广西南宁530004;中信大锰矿业有限责任公司,广西南宁530029;广西大学资源与冶金学院,广西南宁530004;中信大锰矿业有限责任公司,广西南宁530029;中信大锰矿业有限责任公司,广西南宁530029;中信大锰矿业有限责任公司,广西南宁530029;广西大学资源与冶金学院,广西南宁530004
【正文语种】中文
【中图分类】TD211
采场结构参数是影响采场稳定性的重要因素之一[1]。

在釆矿方案设计时，若设计的矿柱尺寸过大、矿房跨度过小，将导致矿石损失大、回收率低；若设计的矿柱尺寸过小，矿房稳定性降低、生产成本提高，且易发生大规模地压活动[2]。

实际工程中，常采用工程类比法、相似材料实验法和数值模拟实验法等确定采场结构参数[3]，但对于地质条件复杂、岩体差异性较大的矿山，工程类比法适用性较差，相似材料实验法、数值模拟实验法难以考虑到结构面对地下工程的影响，试验难度亦较大[4]。

Mathew法被广泛应用于矿山设计，且该方法不断完善[5]，常应用于优化采场结构参数，可保障矿山开采利益的最大化。

本研究以大新锰矿西北采区+340 m中段的采矿工程为背景，利用Mathew法验证采场结构参数安全性，并建议最优的采场设计参数。

1.1 稳定性指数
稳定性指数N的计算公式为
N=QABC，
式中，Q为岩体质量指数，Q=RJrJw/(JnJaJf)，其中：R为岩体质量指标，即取样完好率；Jr为节理粗糙度；Jw为节理裂隙水折减系数；Jn为节理组数；Ja为节理蚀变、充填及胶结程度；Jf为应力折减系数。

A为应力系数，其值为完整岩块无约束抗压强度和采场壁中线处诱发的压应力之比，上盘取1，顶板取0.5。

B为岩体缺陷方位修正系数，底板取0.5，顶板岩体缺陷方位修正系数按表1选取。

C为设计采场暴露面方位修正系数，可按C=8-6cosα计算，其中α为暴露面与水平面的夹角。

1.2 采场暴露面形状系数
采场形状系数S计算公式如下：
式中，L为采场宽度，m；L1为采场长度，m。

采场形状系数在L1/L>4时几乎无变化，L的值决定暴露面的稳定性。

1.3 采场稳定性指数
利用稳定性指数N与形状系数S之间的关系来评价采场暴露面积的稳定性，结合图1，根据暴露面岩块的片落情况来判别其稳定与否，崩落则指暴露面发生崩落致崩落矿石充满暴露空间。

2.1 工程概况
大新锰矿主要由南部、中部、北部矿段组成，存在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3个锰矿层。

矿山+340 m中段已完成开拓，并进行局部开采，由于矿区褶皱、断裂较发育，开采时需设置大量不规则矿柱对顶板进行支护。

为提高矿石采出率，减少支护投入，开展了西北采区采场结构参数优化研究。

西北采区矿体受褶皱、断裂影响呈波状起伏。

矿层顶、底板为稳固石英硅质岩和泥
灰岩，普氏系数f=10，风化后的围岩f=6；矿体相对稳固，f介于8～15。

2.2 采场稳定性分析
利用Lunder、Pakalnis 强度理论[6]与覆岩总重假说分别计算矿柱载荷和矿柱强度，此时矿柱稳定性由矿柱载荷和矿柱强度的比值来决定。

矿柱强度按下式计算：
P=(0.44M)(0.68+0.52Kf),
式中，P为矿柱强度，MPa；M为完整岩样强度，MPa；Kf为矿柱摩擦系数；Cp 为矿柱平均强度系数； h、L分别为矿柱高度和宽度，m。

根据矿山试验实测数据:M=100.24 MPa ，h=2 m，L=3 m，得出P=52.93 MPa。

矿柱荷载按下式计算：
式中，σp为单矿柱承载力，MPa；S为矿柱间采矿区面积，m2；H为矿层埋深；ρ为围岩密度，kg/m3；S1为预留矿柱面积，m2。

现场实测资料：S=80 m2，H=45 m，ρ=3 000 kg/m3，S1=9 m2，得出σp为14.04 MPa。

则安全系数K：
得K=3.77。

基于对大量房柱法开采矿山的调查，发现选取安全系数介于1.2～2.5的矿山，其
矿柱未发生明显破坏。

本矿山安全系数达到3.77，证明矿柱稳定性较好；众多类
似开采条件的矿山将矿柱尺寸设为3 m×3 m，生产时稳定运行，更说明其稳定性之好。

2.3 采场极限暴露面积
Ⅲ矿矿体岩石相关参数值见表2。

通过式(1)计算得，Q=2.3，N= 5.1。

根据图1所示的稳定性图表，于稳定区和不稳定区的临界线上取24组(N，S)点，如表3所示。

分析拟合表3中的24组(N,S)点，得出N与S的关系式为S=2.713 6N-0.327 6。

结合N-S关系式，当N =5.1时，S=4.6。

故Ⅱ、Ⅲ矿采场倾向方向长60 m时，沿走向宽10.8 m，暴露面积为648 m2；倾向方向长50 m时，沿走向宽11.3 m，暴露面积为563 m2。

在Ⅰ-Ⅱ矿之间夹Ⅰ岩体相关参数见表4。

通过式(1)计算得Q=4.2；N= 9。

结合式(2)可求得N=9时，S=5.5。

故Ⅰ矿采场在倾向方向长60 m时，沿走向宽13.5 m，暴露面积为810 m2；倾向方向长50 m时，沿走向宽14 m，暴露面积为700 m2。

矿山现采用房柱法回采，Ⅰ矿平均厚1.72 m，采高约为2 m，Ⅱ、Ⅲ矿及夹二总厚3.1 m，采高为总厚度。

采场相关参数见表5，具体布置见图2。

据调查，此采场结构参数存在3个问题：①上山数目过多，加大采切工作量，降低了回采率；
②施工经验表明：采场跨度为9 m时，是稳定的，为12 m时垮落；③Ⅰ矿与Ⅱ、Ⅲ矿空区的矿柱布置不合理，易导致Ⅰ矿顶板受剪破坏。

分析采场极限暴露面积，矿块斜长为60 m，且忽略安全系数时，Ⅰ矿和Ⅱ、Ⅲ矿矿房沿走向的极限宽度理论计算值分别为13.5 m、10.8 m，鉴于上、下矿层矿柱相对应，取10.8 m。

安全系数一般取1.1～1.3，相应矿房宽度取8.3～9.8 m，平均值为9.05 m，因此，建议矿房宽度取9 m。

故矿山生产时，矿房宽度依经验选取9～10 m较合适；对比矿房宽度的理论计算值，认为矿山生产时部分矿房宽度
取12 m发生垮落，是由节理裂隙所致。

(1)利用覆岩假说理论、Lunder 和 Pakalnis 强度理论对矿柱稳定性进行了分析，
计算出安全系数K为3.77，说明本矿山矿柱尺寸设置合理。

(2)采场极限暴露面积利用Mathew稳定图法进行核算，矿块斜长为60 m时，Ⅰ矿和Ⅱ、Ⅲ矿矿房沿走向的极限宽度理论计算值分别为13.5、 10.8 m。

建议矿房
宽度取9 m，可广泛应用于实际生产。

(3)通过优化设计方案，合理布置西北采区Ⅱ、Ⅲ矿矿柱与Ⅰ矿矿房采空区位置，使之达到上下对应，减少矿柱不合理布置带来安全的隐患。

【相关文献】
[1] 周科平，苟国刚，罗佳，等.基于Mathew与数值模拟法的采场结构参数优化及稳定性研究[J].科技导报,2013,31(30)：34-38. Zhou Keping,Gou Guogang,Luo Jia,et al.Optimization of structural parameters and stability of stope based on Mathew method and numerical simulation method[J].Science & Technology Review,2013,31(30):34-38.
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