豐山銅礦北緣試驗(yàn)采場(chǎng)穩(wěn)定性研究

摘要：通過礦巖力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試和工程地質(zhì)調(diào)查對(duì)豐山銅礦北緣試驗(yàn)采場(chǎng)穩(wěn)定性開展研究，重點(diǎn)分析礦巖質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果和采場(chǎng)頂板水力半徑計(jì)算結(jié)果。研究結(jié)果表明：RMR法和Q分類法對(duì)礦巖質(zhì)量評(píng)價(jià)均為好；通過Mathews穩(wěn)定性圖表法計(jì)算得出，北緣矽卡巖的無支護(hù)安全跨度為9.19～11.49 m；大理巖的無支護(hù)安全跨度為9.45～11.81 m；花崗閃長(zhǎng)斑巖的無支護(hù)安全跨度為11.40～18.00 m。

關(guān)鍵詞：豐山銅礦；地質(zhì)調(diào)查；礦巖質(zhì)量評(píng)價(jià)；Mathews穩(wěn)定性圖表法；水力半徑;穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TD853""""""""""文章編號(hào)：1001-1277（2024）08-0064-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240809

引"言

礦石和圍巖的穩(wěn)定性決定采場(chǎng)的地壓管理、采礦方法的選擇和采場(chǎng)構(gòu)成要素及落礦方法。影響穩(wěn)定性的因素十分復(fù)雜，包括礦巖的成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造節(jié)理狀況、風(fēng)化程度，以及水文地質(zhì)條件，還與礦巖在開采過程中形成的相對(duì)空間關(guān)系相關(guān)。

目前大冶有色金屬有限責(zé)任公司豐山銅礦（下稱“豐山銅礦”）不論是分層充填采礦法的分層高度、點(diǎn)柱尺寸，還是分段塊石膠結(jié)充填采礦法的分段高度與采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定，均憑借設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，沒有根據(jù)礦巖的穩(wěn)固性確定合理的暴露面積和暴露時(shí)間、支護(hù)方式，導(dǎo)致采礦損失貧化較大，采場(chǎng)的安全性有待進(jìn)一步提高［1-2］。

為了實(shí)現(xiàn)豐山銅礦順利達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，亟須對(duì)現(xiàn)有采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究［3］。全面開展巖石力學(xué)研究，提出合理有效的支護(hù)方式與支護(hù)參數(shù)［4］，并對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與回采順序進(jìn)行優(yōu)化［5］，為井下采場(chǎng)與盤區(qū)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)組織提供技術(shù)支撐，以確保安全高效生產(chǎn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)具有重要意義［6］。

1"礦巖穩(wěn)定性參數(shù)調(diào)查

1.1"巖石力學(xué)試驗(yàn)

主要對(duì)豐山銅礦矽卡巖、大理巖和礦石進(jìn)行取樣測(cè)試，取樣地點(diǎn)應(yīng)該選擇具有代表性的區(qū)域。試樣分組及巖性描述如表1所示。

在試驗(yàn)采場(chǎng)進(jìn)行取樣并加工，測(cè)試按照GB/T 50266—2013 《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，同一含水狀態(tài)下每組試驗(yàn)試樣的數(shù)量不應(yīng)少于3個(gè)。主要開展的巖石力學(xué)試驗(yàn)有單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)（巴西劈裂法）和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

1.2"工程地質(zhì)測(cè)試

為全面掌握豐山銅礦各采區(qū)3種巖性的工程地質(zhì)條件，確保節(jié)理裂隙調(diào)查結(jié)果具有代表性，選擇穿透礦體或揭露上下盤圍巖的巷道開展節(jié)理裂隙調(diào)查。地下工程結(jié)構(gòu)面調(diào)查測(cè)線地點(diǎn)分布如表3所示。

部分測(cè)線布置如圖1所示。

工程地質(zhì)測(cè)試的主要內(nèi)容有：節(jié)理裂隙傾向、傾角、統(tǒng)計(jì)節(jié)理組數(shù)，測(cè)量其產(chǎn)狀、延展長(zhǎng)度及寬度，在不同巖性巖石中的變化、發(fā)育程度，節(jié)理面形態(tài)，開裂寬度，充填物及其性質(zhì)；編制相關(guān)的圖件，確定優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的發(fā)育方向等。測(cè)試結(jié)果如表4所示。

2"礦巖質(zhì)量評(píng)價(jià)及分級(jí)結(jié)果

2.1"RMR法

南非賓尼亞斯基1973年首次提出用巖體質(zhì)量指標(biāo)（Rock Mass Rating，RMR）來進(jìn)行巖體分級(jí)。該方法采用完整的巖石強(qiáng)度、巖體質(zhì)量指標(biāo)、節(jié)理間距、節(jié)理狀態(tài)和地下水條件等5個(gè)分級(jí)參數(shù)，其評(píng)價(jià)公式為：

2024年第8期/第45卷""礦業(yè)工程礦業(yè)工程""黃"金

RMR=R1+R2+R3+R4+R5（1）

式中：R1為單軸抗壓強(qiáng)度評(píng)分值；R2為巖體質(zhì)量指標(biāo)（RQD）評(píng)分值；R3為節(jié)理間距評(píng)分值；R4為節(jié)理狀態(tài)評(píng)分值；R5為地下水狀況評(píng)分值。

2.2nbsp;Q分類法

Q分類法是由挪威的Barton于1974年提出的一種地下硐室圍巖質(zhì)量分類方法，英文全稱是Rock Mass Quality，簡(jiǎn)稱Q分類法。Q分類法由6個(gè)參數(shù)來確定，其計(jì)算公式為：

Q=RQDJn·JrJa·JwSRF（2）

式中：RQD為巖體質(zhì)量指標(biāo)；Jn為節(jié)理組數(shù)；Jr為節(jié)理粗糙系數(shù)；Ja為節(jié)理蝕變系數(shù)；Jw為節(jié)理水折減系數(shù)；SRF為應(yīng)力折減系數(shù)。

根據(jù)上述試驗(yàn)和調(diào)查結(jié)果，采用RMR法和Q分類法評(píng)分后得到計(jì)算結(jié)果，如表5所示。

根據(jù)RMR法：北緣大理巖、花崗閃長(zhǎng)斑巖、矽卡巖巖體的質(zhì)量等級(jí)均為好；根據(jù)Q分類法：北緣大理巖、矽卡巖巖體質(zhì)量均為好，北緣花崗閃長(zhǎng)斑巖巖體質(zhì)量為很好。

3"試驗(yàn)采場(chǎng)礦巖穩(wěn)定性分析

3.1"Mathew穩(wěn)定性圖表法

英國(guó)Golder公司的Mathew于1981年建立了巖體穩(wěn)定性指數(shù)N與采礦暴露面水力半徑S之間關(guān)系的穩(wěn)定性圖表，如圖2所示。Mathew穩(wěn)定性圖表法實(shí)質(zhì)上是利用NGI巖體分級(jí)指標(biāo)Q計(jì)算巖體穩(wěn)定性指數(shù)N，初步確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)并計(jì)算采場(chǎng)暴露面水力半徑S，將N和S值投影到Potvin修改后的穩(wěn)定性圖表上即可初步判斷采場(chǎng)的總體穩(wěn)定性。穩(wěn)定性指數(shù)N反映了在附加應(yīng)力條件下巖體保持穩(wěn)定的能力，其計(jì)算公式為：

N=Q′ABC（3）

式中：Q′為修正后的NGI巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)；A為巖石強(qiáng)度因子；B為節(jié)理方向調(diào)整參數(shù)；C為重力調(diào)整因子。

A值根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度與最大誘導(dǎo)應(yīng)力的比值關(guān)系確定，B值根據(jù)采礦工作面與節(jié)理間夾角的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定，C值主要考慮采場(chǎng)頂板與開采角度不同所導(dǎo)致頂板不同位置穩(wěn)定性的差別確定。根據(jù)上述參數(shù)值，計(jì)算豐山銅礦3種礦巖的穩(wěn)定性指數(shù)N，并計(jì)算水力半徑S，結(jié)果如表6所示。

3.2"試驗(yàn)采場(chǎng)穩(wěn)定性分析

采場(chǎng)的穩(wěn)定性主要與水力半徑相關(guān)，需根據(jù)目前的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算水力半徑，并與理論水力半徑值對(duì)比。如果要保持采場(chǎng)穩(wěn)定，需要控制采場(chǎng)水力半徑不超過穩(wěn)定區(qū)水力半徑。

3.2.1"采區(qū)頂板穩(wěn)定性分析

豐山銅礦北緣礦帶采用上向水平分層尾砂充填采礦法回采時(shí)，礦體厚度小于6 m的采場(chǎng)沿走向布置，礦體厚度大于6 m的采場(chǎng)垂直走向布置。目前開采已進(jìn)入深部，深部礦體厚度普遍大于6 m，北緣深部采場(chǎng)基本沿垂直走向布置。豐山銅礦現(xiàn)有采礦技術(shù)條件下，采場(chǎng)的暴露面積形狀系數(shù)、穩(wěn)定采場(chǎng)長(zhǎng)度和極限暴露面積分布情況如表7所示。

由表7可知：豐山銅礦現(xiàn)有采礦工藝，采場(chǎng)垂直走向布置，采場(chǎng)跨度即為礦體厚度，礦體厚度均值為25 m，北緣礦體的平均傾角為65°，北緣花崗閃長(zhǎng)斑巖上盤、矽卡巖礦體的穩(wěn)定采場(chǎng)長(zhǎng)度分別為54.11 m、11.59 m，暴露面積分別為1 352.85 m2、289.81 m2。

為提高開采效率，若改為大盤區(qū)采場(chǎng)，考慮采場(chǎng)長(zhǎng)度分別為80 m、100 m、120 m時(shí)，采場(chǎng)的允許暴露面積和極限暴露面積。當(dāng)采場(chǎng)沿走向布置，長(zhǎng)度分別為80 m、100 m、120 m時(shí)采場(chǎng)的暴露面積形狀系數(shù)、穩(wěn)定采場(chǎng)跨度和極限暴露面積分布情況如表8所示。

由表8可知：當(dāng)階段高為60 m、采場(chǎng)沿走向布置，采場(chǎng)長(zhǎng)度為80 m，北緣礦體的平均傾角為65°，北緣花崗閃長(zhǎng)斑巖上盤、矽卡巖礦體的穩(wěn)定采場(chǎng)跨度分別為21.75 m、8.79 m，暴露面積分別為1 739.90 m2、703.22 m2；當(dāng)階段高為60 m、采場(chǎng)沿走向布置，采場(chǎng)長(zhǎng)度為100 m，北緣礦體的平均傾角為65°，北緣花崗閃長(zhǎng)斑巖上盤、矽卡巖礦體的穩(wěn)定采場(chǎng)跨度分別為20.63 m、8.60 m，暴露面積分別為2 062.73 m2、860.12 m2；當(dāng)階段高為60 m、采場(chǎng)沿走向布置，采場(chǎng)長(zhǎng)度為120 m，北緣礦體的平均傾角為65°，北緣花崗閃長(zhǎng)斑巖上盤、矽卡巖礦體的穩(wěn)定采場(chǎng)跨度分別為19.94 m、8.48 m，暴露面積分別為2 393.00 m2、1 017.56 m2。

3.2.2"采場(chǎng)安全跨度

為了較全面的了解豐山銅礦巖體，分別采用巖體分類系統(tǒng)和巖體質(zhì)量指標(biāo)對(duì)礦區(qū)巖體進(jìn)行分類，并根據(jù)分類結(jié)果對(duì)井下采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。

Q分類法綜合了RQD值、節(jié)理組數(shù)、節(jié)理面粗糙度、節(jié)理面蝕變程度、裂隙水及地應(yīng)力的影響6個(gè)方面的因數(shù)Q。本次圍巖分類采用2002年修正的Q計(jì)算公式。

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究，Barton等建議采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式（4）來確定工程跨度：

W=2EzQ0.4（4）

式中：W為無支護(hù)巷道最大安全跨度（m）；Ez為支護(hù)比；Q為巖體質(zhì)量指標(biāo)。

對(duì)于永久性礦山工程，Ez=1.6～2.0；對(duì)于臨時(shí)性礦山巷道或工程，取Ez=3～5。不同支護(hù)跨距與Q值關(guān)系如圖3所示。

根據(jù)De-Q值曲線（如圖4所示），可以估算出所需要的支護(hù)。

由于豐山銅礦北緣試驗(yàn)采場(chǎng)的井下部分礦塊采用上向充填，采空區(qū)在礦石回采完畢后會(huì)立即進(jìn)行充填處理，但需在采空區(qū)下進(jìn)行鏟運(yùn)機(jī)自動(dòng)化作業(yè)，因此，取Ez=1.6～2.0，按式（4）計(jì)算豐山銅礦井下開采時(shí)無支護(hù)采場(chǎng)的安全跨度，其結(jié)果如表9所示。

4"結(jié)"論

1）通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)測(cè)試，掌握了豐山銅礦各采區(qū)矽卡巖、花崗閃長(zhǎng)斑巖、大理巖3種巖性的工程地質(zhì)條件?；赗MR法和Q分類法的礦巖質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果均為好，可見豐山銅礦北緣試驗(yàn)采場(chǎng)具有良好的礦巖穩(wěn)定性。

2）結(jié)合巖體Q分類法結(jié)果，對(duì)各巖體無支護(hù)安全跨度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示：北緣矽卡巖的無支護(hù)安全跨度為9.19～11.49 m；大理巖的無支護(hù)安全跨度為9.45～11.81 m；花崗閃長(zhǎng)斑巖的無支護(hù)安全跨度為11.40～18.00 m。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］"羅衛(wèi)兵，石大慶，武鵬杰，等.豐山銅礦深部巖爆特征及防治措施研究［J］.世界有色金屬，2023（17）：160-162.

［2］"馬明輝.殘礦回采圍巖-充填體協(xié)同承載機(jī)制與穩(wěn)定性分析［D］.北京：北京科技大學(xué)，2023.

［3］"王冠男，童大志，汪杰.考慮結(jié)構(gòu)特征的采場(chǎng)膠結(jié)充填體穩(wěn)定性分析［J］.黃金，2023，44（9）：21-30.

［4］"陳霖，黃明清，唐紹輝，等.大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ú蓤?chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性分析［J］.金屬礦山，2022（11）：44-51.

［5］"李勝輝，王立杰，劉志義，等.復(fù)雜破碎礦體試驗(yàn)采場(chǎng)穩(wěn)定性分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化［J］.金屬礦山，2021（8）：41-45.

［6］"屈利群.某礦區(qū)地下采場(chǎng)群穩(wěn)定性分析［D］.蘭州：蘭州交通大學(xué)，2021.

Stability study of trial stope on the northern margin of Fengshan Copper Mine

Zhang Hongrong1，Zhang Chunfeng1，F(xiàn)u Chen1，Wang Yiming2，Du Shuangcheng2，Shi Daqing2，Liu Pengpeng2

（1.Daye Nonferrous Metals Co.，Ltd.;

2.School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing）

Abstract：This study investigates the stability of trial stope on the northern margin of Fengshan Copper Mine through ore rock mechanics strength tests and engineering geological surveys.The focus is on analyzing rock mass quality assessment results and calculating the hydraulic radius of the stope roof.The research findings indicate：that rock mass quality is rated as good using both the RMR method and the Q classification method;according to the Mathews stability graph method，the unsupported safe span for skarn in the northern margin ranges from 9.19 m to 11.49 m;the unsupported safe span for granite ranges from 9.45 m to 11.81 m; the unsupported safe span for granodiorite porphyry ranges from 11.40 m to 18.00 m.

Keywords：Fengshan Copper Mine;geological survey;rock mass quality assessment;Mathews stability graph method;hydraulic radius;stability