史吉鹏
摘要：随着科技的进步，金属矿床地下开采的深度也日益剧增，采深的增加也带来了一系列严重的问题。依托岩石力学工作，对招莱金矿带深部矿体采场结构参数进行设计。以矿山实际为典型，运用理论解析法、经验图表法及理论计算法等方法，对焦家金矿深部矿体的采场跨度、长度进行计算，提出了适用于深部特殊应力状态下的采场结构参数，研究发现在采场宽度6 m，采场高度15 m时，采场长度受两帮稳定性影响，最大长度为30 m，考虑到矿体平均水平厚度为45 m，确定尺寸方案为6 m×15 m×22.5 m，设计矿房垂直于矿体走向布置，确保了深部开采过程中采场的稳定性。在此设计过程中随之形成了一套适用于空场采矿法采场结构参数的设计流程，并结合焦家金矿的生产实践，成功对用分段空场嗣后充填采矿法的结构参数进行了设计。
关键词：深部开采；
采动应力；
采场结构；
围岩稳定性；
量化设计
中图分类号：TD853．32 文章编号：1001-1277（2023）06-0015-04
文献标志码：Adoi：10.11792/hj20230604
引 言
深部采场常处于高应力边界条件下，施工一个圆形的开挖结构时，往往会在开挖结构周围形成一个椭圆形的塑性破坏区［1-3］。为了对深部巷道及采场围岩的采动应力进行更加精准的解算，在经典弹性力学计算中，使用椭圆形巷道及采场结构替代传统圆形巷道及采场的结构假设，解算深部巷道采场的采动应力，但由于应力比的增大，尽管巷道两帮的围岩破坏程度减小，但是其顶、底板的破裂程度有着更为明显的扩张［4-7］。
依托于岩石力学工作，对招莱金矿带深部矿体采场结构参数进行设计。设计以山东黄金矿业（莱州）有限公司焦家金矿（下称“焦家金矿”）为典型，运用经验图表法、经验公式法、理论分析法等［8-11］，计算岩体稳定性系数和水力半径，对焦家金矿深部矿體的采场跨度、长度进行计算，提出了适用于深部特殊应力状态下的采场结构参数，确保在深部开采过程中采场的稳定性。
据此提出基于采动应力的采场结构尺寸计算方法，从深部采场所处区域构造应力状态出发，基于采场形状影响因子、岩体质量、采动应力［12］，构建深部采场结构理论解析数学模型，分析计算采场结构尺寸。
1 理论解析法计算采场尺寸
为了分析采动应力因数对采场结构尺寸设计的影响，定义了采场结构最大容许形状因子，代表采场顶板和两帮最大形状影响因子［13］。对于地下稳定采场结构，最大形状影响因子（Smax）可定义为：
2 采场跨度设计
采场跨度设计是指不支护采场跨度或局部采取支护稳定采场的跨度，不包括采用系统支护采场的跨度；
局部支护指控制邻近采场爆破或采矿活动诱发原岩应力重新分布造成采场产生的潜在破坏所采用的支护［14］。
临界跨度是采场最大暴露尺寸，主要和采场顶板的岩体稳定指数和采场形状有关。
临界跨度设计应考虑下列因素：①必须对采场离散楔形体进行识别；
②采用局部支护的顶板跨度；
③采场顶板短期稳定性（超过3个月）；
④水平采场顶板；
⑤采场顶板处于松弛应力状态，否则采场将发生突然垮塌；
⑥临界跨度图适用于RMR值范围的40 %～85 %。
就目前而言，对于采场跨度的设计比较常用的方法为经验图表法，理论计算法及经验公式法。
2.1 经验图表法
采场临界跨度（见图1）为未支护采场或未充填采场上盘内能够标出的最大外接圆的直径。1994年加拿大UBC基于岩体RMR值对上向水平分层充填采矿法采场顶板的稳定性进行分析［15］，经多次补充修正，提出临界跨度曲线法估算采场顶板最大跨度，通过对采场进行岩体地质力学分级RMR，采用临界跨度曲线确定采场临界跨度。
2.2 理论计算法
应用上向水平分层充填采矿法开采缓倾斜矿体时，在采场顶板形成拉应力集中，受岩体结构及其力学性质影响，易造成采场顶板失稳［12］。此外，在矿房顶板中，尤其在靠近矿柱的位置处，产生压应力集中［16］。为保证回采期间采场顶板的稳定，设计采场顶板跨度时，应使采场顶板中不存在拉应力，或拉（压）应力值不超过岩体强度。
3 焦家金矿采场结构参数计算
3.1 采场宽度计算
由于所选择区域阶段高度为45 m，综合考虑设计、施工和开拓进展等因素确定采场高度为15 m。根据采场临界跨度设计方法，并结合岩体质量分级，利用经验图表法和经验公式法对采场宽度进行计算，结果见表1。
利用多种理论分析法计算采场宽度与采场顶板厚度关系。从计算结果可以看出，综合考虑经验图表法和经验公式法，再结合理论分析法结果，矿体允许的跨度为5.5～11 m时，采场稳定的顶板厚度为16～32 m，与采场高度15 m相近，综合考虑确定采场的宽度为6 m。
3.2 采场长度计算
基于采场宽度（6 m和8 m）和采场高度（15 m），结合现场工程地质调查结果，利用公式计算稳定性系数（N′），再利用改进的Mathews稳定图表计算采场长度［15］。
1）修正后的岩体质量指数Q′值确定。根据矿山实际所测得的岩石质量指标（RQD）及现场节理调查情况，利用公式计算矿体Q′值为5。
2）应力系数A值确定。对于应力系数A可以通过关于σc/σ1 的经验公式进行计算，并且采场高度15 m时不同跨度采场顶板、两帮的采动应力可以通过相关测量仪器测量得到，因此，结合岩石力学试验结果可以求出σc/σ1 值，并根据公式计算采场顶板、两帮的岩石应力系数A值，结果见表2。
3）节理产状调整系数B。节理产状调整系数B用于阐述节理方向对采场稳定性的影响，与采场面夹角最小的节理对采场边界的稳定性起主要作用，根据节理调查结果确定调整系数B值，结果见表3。
4）重力調整系数C。重力调整系数C用于阐述重力对采场稳定性的影响。经判断采场破坏形式主要包括顶板的冒落破坏和采场两帮屈曲破坏。根据节理调查结果确定重力调整系数C值，结果见表4。
根据上述计算依据公式，计算不同跨度采场稳定性系数，结果见表5。
5）采场尺寸确定。根据改进的Mathews稳定图表，利用各个分区边界公式［15］，根据稳定性系数N′计算结果确定稳定区、未支护过渡区和支护稳定区在采场不同跨度下顶板和两帮处水力半径范围，利用公式对采场长度进行计算，将不同跨度下采场长度范围计算结果汇总至表6。再根据采场结构参数设计原则，结合矿床开采技术条件对采场结构参数的不同组合进行优选，最终确定采场结构参数。
根据表6计算结果，在采场宽度6 m，采场高度15 m时，采场长度受两帮稳定性影响，最大长度为30 m，考虑到矿体平均水平厚度为45 m，确定尺寸方案为6 m×15 m×22.5 m，设计矿房垂直于矿体走向布置。
4 结 论
本文依托于岩石力学工作，对招莱金矿带深部矿体采场结构参数进行设计。以矿山实际为典型，运用理论解析法、经验图表法及理论计算法等方法，对焦家金矿深部矿体的采场跨度、长度进行计算，提出了适用于深部特殊应力状态下的采场结构参数，确保在深部开采过程中采场的稳定性。得出的结论主要有：
1）通过现场工程地质调查及岩石力学试验对研究区域内矿岩的岩体质量进行多尺度评价，调查节理情况可知Q′为5，当跨度为6 m时，顶板和两帮的稳定性系数分别为0.64和6.3。
2）通过理论研究与数值模拟的手段对采场结构参数进行设计及其稳定性进行分析，形成了一套适用于空场采矿法采场结构参数的设计流程。
3）结合焦家金矿的生产实践，成功对用分段空场嗣后充填采矿法的结构参数进行了设计，在采场宽度6 m，采场高度15 m时，采场长度受两帮稳定性影响，最大长度为30 m，考虑到矿体平均水平厚度为45 m，确定尺寸方案为6 m×15 m×22.5 m。
［参 考 文 献］
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Abstract：With the advancements in technology，the depth of underground mining of metal deposits has been increasing，which has resulted in a series of serious problems.Based on the rock mechanics work，the structural para-meters of the deep mine area of the Zhaolai gold belt were designed.Using the theoretical analysis method，empirical chart method，theoretical calculation method，and other methods，the span and length of the deep mine area of the Jiaojia Gold Mine were calculated，and the structural parameters applicable to the special stress state in the deep area were proposed.It was found that when the width of the mine area is 6 m and the height is 15 m，the length of the mine area is affected by the stability of the two sides，and the maximum length is 30 m.Considering that the average horizontal thickness of the ore body is 45 m，the size scheme is determined to be 6 m×15 m×22.5 m，and the mine chamber is designed to be arranged perpendicular to the direction of the ore body to ensure the stability of the mine area during deep mining.In this design process，a set of design procedures applicable to the open room mining method for the structural parameters of the mine area were formed，and taking into account the production practice of the Jiaojia Gold Mine，the structural parameters of the sublevel open room filling mining method were successfully designed.
Keywords：deep mining;mining dynamic stress;stope structure;surrounding rock stability;quantitative design
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