李运胜，杨 波

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南长沙 410012;2.辰州矿业湘安钨矿有限责任公司，湖南益阳市 413500)

0 前言

湘安钨矿为接触变质型白钨矿床，埋深一般50～250 m，最大300 m。矿床产于大神山花岗岩体外接触带的下震旦统南沱砂岩组有利地段，沿走向控制长度1300 m，最大倾向延深大于860 m。在其成矿空间大于50 m的范围内，有彼此平行的层状、似层状矿体叠覆出现。矿区内共见三层具有一定规模的矿体，自上而下分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ矿层，大致平行分布，各矿体的间距较小，如果三层矿体同时开采，会对矿山的开采安全造成一定的影响，因此，如何开采这三层矿体就显得十分重要，本文针对三层矿体之间的开采顺序以及相互之间的影响，采用岩石力学软件，从理论上进行分析，并确定其正确的开采顺序。

1 地质概况及矿体开采技术条件

湘安钨矿位处川黔南北构造带上，矿区总面积58 km2，由高坪和白岩两个矿区组成，为一大型海相沉积磷块岩矿床。矿区出露地层及主要岩性特征由老至新分别为:五强溪组(Ptbnw):板岩、砂质板岩、细砂岩;南沱组(Zan):砂岩，出露厚度42～54 m，于矿区南部呈向南突出的弧形带状分布;南沱冰碛砾岩组(Zann):冰碛砾泥岩;陡山沱组(Zbd):板岩、粉砂岩，厚度数十米;灯影组(Zbdn):厚层硅质岩为主。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ矿层倾角上缓下陡，上部一般为18°～30°，深部稍陡，为 30°～40°，平均 17°～33°。Ⅱ矿体距Ⅰ矿体底板水平距离5～20 m，垂距2～15 m，Ⅱ矿体无明显的构造标志层，Ⅳ矿体距Ⅰ矿体水平距离70～90 m，距Ⅱ矿体底板0～5 m，垂距0～3 m。Ⅰ矿层在地表出露完整，其它矿层均为盲矿体。

Ⅰ矿体为矿区内的主矿体，平均厚度1.61 m。Ⅱ矿体平均厚度1.56 m;Ⅳ矿体平均厚度1.92 m。Ⅱ矿体距Ⅰ矿体底板2～15 m，Ⅳ矿体距Ⅱ矿体底板0～3 m。

矿区上盘围岩约为70～80 m的南沱冰碛砾岩组砾岩，直接顶底板约为6～7 m南沱组砂岩，下盘围岩一般为五强溪组板岩。矿体普氏硬度系数f=14～16，矿体连续完整，下部围岩硬度系数f=12～14，坚硬稳固;矿石松散系数 k=1.7。

矿岩物理力学参数见表1。

表1 岩体强度参数

2 开采顺序对采场安全的影响

矿山三层矿体在垂直空间内呈多层状赋存，各矿体之间的走向、厚度及品位的变化，容易形成复杂的开采格局和较大的采空区，给矿石回采及地压管理带来了很大的难度，同时，开采顺序如果选择不恰当的话，会形成“楼板”，因此，确定多层矿体相互之间的开采顺序对采场的安全极为重要。

3 Ⅳ矿脉采场暴露面积的分析

依据矿山工程地质现场调查，采用Mathews图解方法对开采现状以及采场采空区上盘暴露面积进行稳定性分析。Mathews稳定性图解包含3个区域，区域之间被2个过渡带分隔(见图1)。

图1 稳定性系数与水力半径的相关关系

(1)稳定区。开挖体无支护或局部支护可以自立。

(2)无支护过渡区～支护稳定区～支护过渡区。发生局部破坏，但形成稳定的平衡拱。

(3)崩落区。开挖体将产生破坏，一直到开挖空间被填满。应用稳定性图表方法需要计算两个参数，一个是形状因素，另一个是稳定性系数。形状因素考虑了单独采场暴露表面的尺寸和形状，形状系数是暴露面的水力半径;稳定性系数反映了在一定的应力条件下岩体自立的能力。

Mathews稳定性系数的计算公式为:

式中:Q＇—修正的Q系统分级法;

A—岩石应力系数，为评价的采空面边界上岩

石单轴抗压强度σc与诱生的压应力σi之比，

取值范围为:若 σc/σi＜ 2 ，A=0.1;如果2 ＜σc/σi＜ 10 ，则A=0.1125 ×(σc/σi)－0.125;如果 σc/σi＞ 10，则 A=1;

B—节理方位系数，取决于关键不连续的节理面方向与需要分析的面方位间的差值;

C—重力调整系数。

以湘安钨矿基本矿岩物理力学参数为依据，按Q系统分级的方法对矿体顶底板的砾岩、砂岩、板岩和矿体进行分类，得出分析结果:砾岩Q=13.47，砂岩 Q=10.3，Ⅰ矿体 Q=7.2，Ⅱ矿体 Q=7，Ⅳ矿体 Q=6.5，板岩 Q=16.75。

根据矿体的产状、工程地质调查以及岩石力学参数试验结果，换算得出湘安钨矿主要围岩及矿体保持稳定性时各项指标和稳定水力半径，具体见表2。

表2 Mathews稳定性系数的计算参数表

根据表2中的计算参数，按式(1)以及图1，可得出在开采Ⅳ矿体时，保证Ⅰ矿体和Ⅱ矿体稳定状况的各区容许水力半径分别为:稳定区水力半径为0 ～6.0;无支护过渡区水力半径为 6.0 ～7.25;水力半径大于7.25为崩落区。

根据设计中开采Ⅳ矿体采场结构参数，采场上盘暴露面积、水力半径，得出采场上盘围岩的稳定性状况(见表3)。

表3 开采Ⅳ矿体时采场上盘暴露面水力半径及稳定性状况表

从表3中可以看出:湘安钨矿顶柱矿石的跨度在10 m以下时，水力半径按Hn=6计算顶柱是稳定安全的，此时对应顶板的稳定暴露面积只要控制在50～60 m2(大致相当于走向长度为50 m，宽12～20 m的采场暴露面积)即可，超过此值后，随着上下采场顶底柱、相邻采场间柱被采出，采场高度和长度增加，上盘暴露面积逐渐增大，上盘围岩处于无支护过渡区和崩落区。会对Ⅰ矿体和Ⅱ矿体开采造成影响，直至上盘围岩发生垮冒，采空区被充填满。

4 结语

通过对矿山采场的稳定性进行分析可以知道，矿山对于多层矿体的开采，其顺序为先开采下层矿体，后开采上层矿体，即先开采Ⅳ矿体，然后再开采Ⅱ矿体和Ⅰ矿体，开采Ⅳ矿体时，采场长度为50～80 m，中段高度为40 m，采空区上盘围岩整体处于稳定区，整体稳定性良好，不会影响Ⅰ矿体和Ⅱ矿体开采，如果采场长度大于80 m、中段高度大于40 m，则会造成采空区上盘围岩不稳定。

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