1、Mathew 法在矿山深部采场稳定性分析中的应用 张小华 王建国 刘国寅 李鹏飞 陈洲 何进 云南锡业研究院有限公司 云南农业大学建筑工程学院 昆明坤泽矿业技术有限责任公司 云南省国防科技工业局研究设计院 摘 要： 采矿工程中采场结构参数是影响其安全和经济效益的重要因素。采用 Mathew 法对老厂矿 13-8#矿群采场进行结构尺寸设计和稳定性分析。分析结果表明, 顶板为稳固性差的玄武岩时, 采场最大暴露面积为 160m2, 采场规格参数为8m20m 或 10m15m;顶板为较稳固的大理岩时, 可采取相应的顶板控制措施, 增大最大暴露面积, 建议采场最大允许暴露面积控制在 750m2 以下,
2、且在同等暴露面积条件下, 可以通过减小采场跨度, 增大采场长度来改善顶板稳固性。关键词： Mathew 法; 采场稳定性; 采场结构参数优化; 极限暴露面积; 作者简介：张小华 (1986-) , 男, 工程师, 硕士, 采矿工程专业, 主要从事采矿工艺研究。作者简介：王建国 (1987-) , 男, 博士, 岩土工程专业, 主要从事工程爆破和岩石动力学方面的研究。基金：云南省科技厅基础研究青年项目 (2016FD029) Application of Mathew method in the stability analysis of stope in deep minesZHANG Xia
3、ohua WANG jianguo LIU Guoyin LI Pengfei CHEN Zhou HE Jin Yunnan Tin Research Institute Co., Ltd.; College of Civil and Architectural Engineering, Yunnan Agricultural University; Kunming Kunze Mining Technology Co., Ltd.; R Abstract： Stope structure parameters are the important factors that affect th
4、e safety and economic benefits in mining engineering.The Mathew method is used to analyze the structural design and stability of the 13-8#mine.The results show that, when the top plate is poorly basalt, the maximum exposure area is 160 m2, the stope specifications are 8 m20 mor 10 m15 m.When the roo
5、f is a more stable marble, the corresponding roof control can be taken measures to increase the maximum exposure area, it is suggested that the maximum allowable exposure area of the stope should be controlled below 750 m2, and the stability of the roof can be improved by reducing the span of the st
6、ope and increasing the stope length under the same exposed area.Keyword： Mathew method; steady stope; optimization of stope parameters; limit exposed area; 为保证地下采场连续开采稳定性, 通常对采场结构参数进行优化设计。不同地质条件下, 采场的最优结构参数不同, 通过对其优化, 可实现安全、经济、规模化开采。不少学者已将 Mathew 法应用于采场结构参数优化1-5;文献6-7则运用 Mathew 法分析采场及顶板的稳定性;许红坤8、孙成9
7、分别将 Mathew法应用于胶结矿柱的可靠度分析和回采顺序优化;周科平等10将 Mathew 法与数值模拟相结合, 经 Mathew 法分析提出多种采场结构参数方案并进行数值模拟, 从而选择优化确定合理的采场结构参数方案;陶国栋等11根据监测数据, 结合Mathew 法对空区稳定情况进行分析和预测, 为控制顶板大面积冒落提供理论依据。本文以云锡集团老厂矿 13-8 矿群为例, 运用 Mathew 法确定该矿深部采场的最优结构尺寸并对其稳定性进行评价分析。1 矿山概况13-8 矿群是云锡集团老厂矿田白龙井矿段的一部分, 在空间上总体呈多层状重叠产出。矿体倾角 019, 平均 10, 矿体宽 35
8、321 m, 长 100550m, 矿体最大厚度达 21.9 m, 单层平均厚度为 2.5011.56m, 埋深 800m, 属于典型的深埋缓倾斜薄中厚多层矿体, 顶板岩石主要为大理岩、变玄武岩或花岗岩。此类深埋缓倾斜薄中厚多层矿体开采难度大, 技术要求高, 开采过程中存在着出矿困难、生产能力低、作业条件差等缺点, 在寻求新的采矿工艺技术与装备来适应矿山安全、高效开采前, 必须确定最优的采场结构尺寸。2 Mathew 法计算步骤2.1 稳定性指数 N稳定性指数 N 的计算式为1:式中:Q修改的 NGI 岩体质量指数;A应力系数;B岩体缺陷方位修正系数;C设计采场暴露面方位修正系数。工程应用中,
9、 岩体为上盘时系数 A 取 1, 顶板时取 0.5;系数 B 由顶板暴露面倾角确定, 当倾角为 10、20、30、45和 60时, 依次取 0.2、0.3、0.35、0.4、0.8;设计采场暴露面水平时, 系数C 取 1, 其他情况按式 (2) 计算2:式中:暴露面与水平面的夹角。Barton 等人提出用岩体质量指数 Q 作为岩体稳定性分级的标准, Q 值用下式计算3:式中:R岩体质量指标 (取样完好率) ;J r节理粗糙度;J w节理裂隙水折减系数;J n节理组数;J a节理蚀变、充填及胶结程度;S f应力折减系数, 取Sf=1, 其他参数不变, 则由上式得到的 Q 值即为修改的 NGI 岩
10、体质量指数 Q。2.2 形状因子 S形状因子 S 反映了采场的尺寸和形状4, 本研究采用形状因子 S 作顶板稳定性的评价指标。按下式计算:式中:L采场宽度;L 1采场长度。采场暴露面的稳定性通过给出稳定性系数 N 和形状因子 S 的值进行评价。3 工程应用与分析3.1 稳定性指数 N3.1.1 修改的 NGI 岩体质量指数由于式 (3) 中的参数暂未获得, 这里采用经验公式 (5) 计算:参考矿区大理岩的 RMR=60, 可算得 Q=5.92, 用 Q 近似代替 Q, 考虑到实际工程地质条件的变化, 取 Q=6;玄武岩的 RMR=33, 可算得 Q=0.29, 取 Q=0.3。3.1.2 应力
11、系数 A13-8 矿群主要有大理岩、玄武岩和矽卡岩三种代表性的矿岩, 根据试验所得的物理力学参数 (如表 1 所示) , 结合式 (1) 对 A 的取值约定, 本矿群计算 A 取值定为 1。表 1 13-8 矿群矿岩物理力学参数试验结果 Table 1 Test results of the physical and mechanical parameters of 13-8mining group 下载原表 3.1.3 岩体缺陷方位修正系数 B根据现场工程地质调查情况, 结合式 (1) 对 B 的取值约定, 分析认为本矿群计算 B 可取 0.50.8。3.1.4 设计采场暴露面方位修正系数
12、C研究范围内矿体上盘的倾角值为 19, 依据式 (2) 计算 C 值:综合上述分析计算过程, 仅考虑的稳定系数, 可得大理岩 N 的取值为4.1436.629, 玄武岩 N 的取值为 0.2070.331。3.2 采场形状因子 S对大理岩, 根据得到的稳定性指数 N=4.1436.629, 求得采场稳定的形状因子S=4.384.79, 极限暴露面积的形状因子 S=6.37.4。这里分别取最大值, 则采场的稳定和极限暴露面积的形状因子分别为 4.79 和 7.4。对玄武岩, 根据得到的稳定性指数 N=0.2070.331, 求得采场稳定的形状因子S=1.31.7, 极限暴露面积的形状因子 S=3
13、.23.4。分别取最大值, 则采场的稳定和极限暴露面积的形状因子分别为 1.7 和 3.4。3.3 采场的稳定暴露面积和极限暴露面积基于以上计算, 运用 Mathew 法对不同采场规格的大理岩顶板和玄武岩顶板进行稳定性评价, 评价结果统计于表 2、表 3 中。表 2 矿体大理岩顶板 Mathew 稳定性图评价 Table 2 The stability evaluation results of marble roof by Mathew method 下载原表 表 3 矿体玄武岩顶板 Mathew 稳定性图评价 Table 3 The stability evaluation results
14、 of basalt roof by Mathew method 下载原表 综上所述, 顶板为大理岩时, 建议采场的宽度为 1520m 比较合理, 选取 15m 宽度时, 采场长度应控制在 2550m, 视现场条件变化, 极限暴露面积为 375750m;选取 20m 宽度时, 采场长度应控制在 2030m, 视现场条件变化, 极限暴露面积为400600m, 此时可尽可能发挥岩石的自支承能力。在顶板为玄武岩, 且无任何顶板加固措施的情况下, 采场宽度在 810m 比较合理, 选取 8m 宽度时, 采场长度应控制在 1020m, 视现场条件变化, 极限暴露面积为 80160m, 选取 10m 宽度
15、时, 采场长度应控制在 15 m 以内, 极限暴露面积为 150, 此时可尽可能发挥岩石的自支承能力。根据经验, 当采取顶板支护措施后, 顶板最大允许暴露面积可相应增大约1.52 倍, 因此, 建议矿山采取相应的顶板支护措施, 以增大采场结构参数, 扩大顶板允许暴露面积, 提高生产能力, 节省工程费用。4 结论通过 Mathew 法对研究范围内采场极限暴露面积进行了初步分析计算, 建议实际生产过程中:1) 顶板为稳固性差的玄武岩时, 采场最大暴露面积为 160m, 采场规格参数为8m20 m 或 10m15m。2) 顶板为较为稳固的大理岩时, 可以根据矿山现场经验, 增大最大暴露面积, 但必须
16、采取相应的顶板控制措施, 确保采场顶板安全。3) 在采取一定顶板控制措施及适当留有夹石或低品位矿石作为点柱的条件下, 建议采场最大允许暴露面积控制在 750m 以下, 且应考虑在同等暴露面积条件下, 可以通过减小采场跨度, 增大采场长度来改善顶板稳固性。5 展望本文分析结果为采矿技术、采区稳定性分析、地压监测管理等工作提供了支撑, 尤其是为后文的采场稳定性分析和采场结构参数优化提供了基础。但由于现场条件的限制, 有一部分工程地质调查是在 13-2 矿体进行, 该矿体的工程地质条件与 13-8 矿群相似, 因此可以参照 13-2 矿体的工程地质调查结果, 作为 13-8矿群岩体质量评价的依据,
17、但 13-8 矿群的具体情况应当在工程到位后进行进一步研究分析, 以对采矿方案优化起到更为准确的指导作用。参考文献1董国庆.Mathew 法在某矿采场结构参数中的应用J.新疆有色金属, 2011, 34 (增刊 1) :34-36. 2徐坤明, 程永民, 姜丽颖, 等.用 Mathew 法确定侯庄矿区矿房的结构参数J.冶金矿山设计与建设, 2001, 33 (2) :1-3. 3尚精华, 万国春.Mathew 法在矿房结构参数设计中的应用J.采矿技术, 2009, 9 (2) :5-7. 4郭然, 于润沧, 张文荣.Mathew 法在采矿方法设计中的应用J.金属矿山, 1999 (9) :22
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