戴超群，桂祖輝，鄭九文

（銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司 安慶銅礦，安徽 安慶 246000）

1 引言

某礦使用上向水平分層（進(jìn)路）充填法進(jìn)行開采，礦房和礦柱垂直礦體走向布置，采場長度為礦體水平厚度。在開采淺部資源時(shí)，采場跨度隨礦體穩(wěn)定性差異而改變，當(dāng)?shù)V體穩(wěn)定性較差時(shí)，采用斷面規(guī)格為3.5m×3.5m的進(jìn)路式回采方案；當(dāng)?shù)V體穩(wěn)定性較好時(shí)，對采場跨度進(jìn)行適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)幫處理，擴(kuò)幫后的采場跨度在4～5m。采準(zhǔn)工程的布置從主斜坡道經(jīng)分段聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入分段巷，再通過分層聯(lián)絡(luò)巷和采場聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入采場［1-2］，其采礦方法示意圖如圖1所示。

圖1 上向水平分層充填采礦法示意圖

隨著礦山開采深度的增加，礦體節(jié)理發(fā)育，但整體穩(wěn)定性卻優(yōu)于淺部礦體，如果一直沿用淺部礦體所用的機(jī)械化上向水平進(jìn)路（分層）充填法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，將會導(dǎo)致深部礦體開采成本的大幅增加、貧化率過高等問題，房智恒［3］綜合運(yùn)用Mathew穩(wěn)定圖法和集成技術(shù)對初步擬定的兩種開采方案形成的空場進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)，結(jié)果表明Mathew穩(wěn)定圖法與數(shù)值模擬結(jié)論相一致。Smith P. F.［4］結(jié)合Mathews穩(wěn)定性圖與Barton極限跨度理論，為有效進(jìn)行采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了一種方法。本文針對礦山深部礦體的賦存條件，通過理論計(jì)算，選用合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)有效降低高應(yīng)力帶來的各種危害［5-6］。

2 采場極限跨度理論計(jì)算

常見的計(jì)算極限跨度的方法有普氏壓力拱理論、載荷傳遞交匯線理論和Mathews穩(wěn)定圖表方法等［7-8］。本論文采用以下三種方法，并將所得結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出最終極限跨度。

2.1 普氏壓力拱理論

當(dāng)冒落巖體可以視為具有一定凝聚力的松散體時(shí)，由普氏地壓理論得知，在形成巷道或者采空區(qū)后，其頂板巖體會形成拋物線形的壓力拱。采空區(qū)未破壞時(shí)，處于自然平衡狀態(tài)。巖石發(fā)生位移、變形，從而形成壓力拱，其采場跨度可根據(jù)式（1）計(jì)算得出［9］。

式中：w為采場跨度，m；b為頂板厚度，m；H為采場最大高度，m；f為普氏系數(shù)；φ為巖體內(nèi)摩擦角。

需要注意：在運(yùn)用上式求采場跨度時(shí)，選取的頂板厚度b應(yīng)滿足式（2）：

此時(shí)，才能確保形成壓力拱。

2.2 載荷傳遞交匯線理論

載荷傳遞交匯線法規(guī)定：當(dāng)傳遞線的位置在頂板與采場的兩端交點(diǎn)以外的時(shí)候，端部位置直接承受來自于頂板上的外載荷和巖石的自重兩方面的壓力，此時(shí)認(rèn)定頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)［10］。頂板厚度與礦房跨度之間的計(jì)算公式為：

式中：w為采場跨度，m；b為頂板厚度，m；α為荷載傳遞線與頂板中心豎直線之間的夾角，一般取30°。

2.3 厚跨比理論

厚跨比理論定義的頂板安全準(zhǔn)則為：頂板的厚度與跨度之間的比值應(yīng)該大于等于0.5，如式（4）所示［10］：

即：

式中：w為采場跨度，m；b為頂板厚度，m；n為安全系數(shù)。

3 結(jié)果匯總

運(yùn)用上述方法計(jì)算采場的極限跨度，首先需要確定頂板厚度、普氏系數(shù)、巖體內(nèi)摩擦角、安全系數(shù)等參數(shù)。在本礦山中，上述公式中所涉及的參數(shù)如表1所示。

表1 跨度計(jì)算所需參數(shù)

通過表1中參數(shù)計(jì)算得出的極限跨度只是理論值，缺乏對現(xiàn)場地壓、節(jié)理等因素的綜合考慮。文獻(xiàn)［11］中，唐亞男等利用彈塑性力學(xué)、厚跨比理論和載荷傳遞交匯線理論對頂板跨度進(jìn)行了理論求解，再利用UDEC軟件對4m、6m、8m和10m四種跨度進(jìn)行了位移場和應(yīng)力場分析，結(jié)果得出數(shù)值模擬的合理跨度與理論計(jì)算跨度之間存在0.86～0.99之間的修正系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)［11］，考慮到深部開采的高應(yīng)力和節(jié)理發(fā)育等復(fù)雜情況，在本論文中修正系數(shù)取0.7～0.9之間。具體計(jì)算結(jié)果如下表2所示。最終本方案中礦房和礦柱跨度選擇為6 m，并且沿著礦體走向交替布置，分層高度為4 m，采場長度為礦體水平厚度。

表2 采場極限跨度計(jì)算結(jié)果

4 應(yīng)用效果

通過優(yōu)化和改進(jìn)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，經(jīng)礦山實(shí)踐，取得良好效果。主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比見表3。由表3可知，改進(jìn)后的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益明顯。

表3 采場技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

5 結(jié)論

（1）礦山深部采場通過普氏壓力拱理論、載荷傳遞交匯線理論和Mathews穩(wěn)定圖表方法對比分析得出最終極限跨度為6 m。

（2）通過改進(jìn)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)取得了較好的經(jīng)濟(jì)成果，生產(chǎn)能力得到提高，礦石貧化率降低1.9 %，礦石損失率降低2.5 %，采礦成本每噸降低16元。