李冬萍

（中国有色矿业集团有限公司，北京 100029）

0 引言

分段空场嗣后充填法具有成本低、生产能力大、劳动效率高等突出优点，在中厚及以上矿体的开采中占据重要地位[1-2]。随着现代采矿技术的发展，使得分段空场嗣后充填法向着结构参数增大、采准布置简化、回采工艺高效的趋势发展[3-4]。高分段空场嗣后充填法能大幅减少采准工程量，提高综合回采效率，也伴随出现单次爆破后分段空区暴露面积增大，采场垮冒风险上升[5]。因此，选择合适的稳定性评估方法，针对具体的矿岩条件进行结构参数优化是保障高分段空场法能够顺利实施的前提。

胡高建等[6]利用数字摄影测量技术获取并重构了结构面岩体模型进行了上盘围岩稳定性的研究。胡洪文等[7]基于爆破振动测试的动力学数值模拟，分析了VCR采场上部硐室的稳定性情况。孙星[8]选取断层产状及其与中深孔采场的空间位置关系为变量因素，研究了断层影响下采场围岩的失稳特征。吴高善等[9]针对雨季淹井致使采场充水的特定工程条件，开展了房柱法采场的稳定性研究。魏超城等[10]以深部高地应力测试和岩体质量调查数据为Mathews稳定性系数选取基础，确定了最优采场结构参数的选取范围。刘嘉伟等[11]引用简支梁弹性力学模型，验证了基于拓展的Mathews稳定图法所确定的不同采宽下暴露面稳定性评价结果。谢饶青等[12]提出了一种基于NPCA-GA-BP神经网络的采场稳定性预测方法。李施庆等[13]和王成龙等[14]通过开展地下矿岩地质信息编录，应用Mathews稳定图法计算出了破碎带矿房的水力半径值和极限跨度，为中深孔诱导冒落的采场结构参数确定提供了理论依据。李冬萍等[15]、金鹏等[16]、周宗红等[17]和张晋军[18]分别从结构参数优化的角度对不稳固厚大破碎矿体采矿方法贫损及稳定性控制进行了有关研究。

某金矿采用分段空场嗣后充填法开采，深部矿体开采分段高度由12 m增大至21 m，为提高采场稳定性，需根据矿体厚度变化情况进行采场结构参数优化。基于现场岩体调查测试和室内测试数据，引用考虑等概率线的Mathews合成图，对采宽8～15 m、采长20～50 m变化范围内高分段采场稳定性进行分析评价，为结构参数优化提供依据。

1 工程概况

1.1 开采技术条件

某金矿位处塔吉克斯坦瓦赫达特河谷地区，矿区内背斜和断层构造叠加，矿体赋存于热液-交代蚀变带中，矿体围岩无明显界限。Zone1主矿体西部走向北西，向东转为近东西走向，走向延长约800 m，深部矿体埋深约500 m。产状上缓下陡，上部倾向南西-南，倾角70°～80°，下部近直立，厚度5～80 m，平均30 m，原生矿石为主。矿体范围内构造发育，且多有不规则的岩脉，有断层从Zone1矿体中穿过，区内主要蚀变断层西部倾向175°，倾角62°～65°，断层东部倾向150°～155°，倾角70°～75°。矿体围岩主要为热液交代变质岩和绿片岩，围岩稳定性不佳，原生矿和围岩普氏系数f为6～8。矿床水文地质勘探类型为Ⅱ类，以裂隙含水层充水为主，勘探复杂类型为中等偏复杂。

1.2 高分段空场嗣后充填法

中段内连续布置采场，不留设间柱，分两步骤回采，采场“隔三采一”：一步骤采场使用高强度全尾砂胶结膏体（含10%～20%的-11 mm连续级配掘进碎石）充填；二步骤采场使用微胶结全尾砂膏体充填。采用无轨运输方式，分段凿岩+底部结构堑沟出矿，分段及底部结构内凿岩进路完成后，在采场端部施工切割平巷和切割天井。采用上向中深孔后退式回采，各分段从上至下依次进行垂直平行孔拉槽爆破，待底部结构达到出矿条件后，再从上至下依次进行扇形中深孔超前爆破，形成阶梯形爆破空间。典型回采示意如图1所示。

图1 高分段空场嗣后充填法示意图Fig. 1 Schematic diagram of high sublevel open stope subsequent filling method

采场结构参数为中段高度60 m，顶柱厚度5 m，底部结构高13 m，一分段高21 m，二分段高21 m。根据矿体厚度沿走向或垂直走向划分采场：采场垂直走向布置时，采场长度为矿体厚度，采场宽度根据矿体厚度变化进行优化设计；当矿体厚度小于20 m时，沿走向布置采场，采场宽度即为矿体厚度，根据采场宽度优化设计采场长度。

2 稳定性分析方法

2.1 岩体质量调查测试方法

该金矿深部采区已完成2050 m中段和1990 m中段开拓工程施工，针对2050 m中段回采矿体进行岩体质量调查测试。2084 m分段地质平面图如图2所示。

图2 2084 m分段地质平面图Fig. 2 Geological plan of 2084 m sublevel

1）钻孔岩芯调查。在2084 m分段东部#15线及西部#4线附近进行钻孔岩芯取样，对这两处钻孔岩芯进行RQD值计算，并对岩体节理密度进行统计，作为井下东部、西部两个典型非稳固区域的岩体质量参考值。

2）点荷载强度测试。对2084 m分段、2063 m分段及2050 m中段#3线～#15线穿脉工程所揭露的矿体和围岩，现场取岩块试样，按照《工程岩体测试标准》（GB/T 50266—2013）[19]进行点荷载强度测试，获取深部岩体上盘围岩、下盘围岩及矿体抗压强度估算值。

3）室内物理力学测试。对钻孔岩芯进行分选，并加工成标准岩石试件，按照《工程岩体测试标准》（GB/T 50266—2013）[19]进行岩石体重测量、单轴抗压强度测试、巴西劈裂抗拉强度测试，水饱和状态岩石软化系数测定，掌握该金矿深部矿体和围岩基础物理力学参数。

4）岩体质量分类评价。选定井下深部东、西两个典型非稳固区域进行现场岩体质量调查，使用地质力学RMR分类标准和巴顿岩体质量分类标准进行采场岩体分类评价，并根据式（1）对两套体系评价结果进行相互验证。

式中：RMR为地质力学分类评分值；Q为巴顿岩体质量分类评分值；RMR（Q）则为根据Q值换算得到的地质力学分类评分值。

2.2 等概率线Mathews合成图法

基础的Mathews稳定性图解法是以改良的Q系统为基础，根据硬岩矿井现场实际数据总结而成的经验性方法。Mathews图以岩体稳定性系数N为纵坐标，以采场暴露面水力半径S为横坐标，以表征采场在不同岩体性质及不同结构参数下的稳定性状况。

为提高图解法的量化性，使分析结果更为科学客观，刘嘉伟等[11]、张宗国等[20]引入统计学Logit概率模型，得到由岩体稳定性系数N和暴露面水力半径S表征的稳定概率方程，见式（2）。

式中，y为预测的稳定概率P的对数值，y与P的计算关系表述为式（3）。

根据式（3）可计算得到稳定概率P，参照基础Mathews稳定性经验结果，并以稳定概率为定量依据，将Mathews图划分为四个评估区域：崩落区（P≤0%）、破坏-严重破坏区（0%

岩体稳定性系数N根据式（4）进行计算，Q系统分类评价指标Q值根据式（5）计算。

式中：Q′为Q的修正值，与节理水折减系数Jw和应力折减系数SRF有关，当Q分类系统中Jw/SRF=1时，Q'等于Q值；A为考虑采动应力作用的应力调整因子；B为考虑岩体节理影响的方位调整因子；C为考虑暴露面空间几何特征的重力调整因子；RQD为岩石质量指标；Jn为节理组数；Jr为节理粗糙系数；Ja为节理蚀变系数。

典型采场三维示意图如图3所示，由此根据式（6）计算采场内各暴露面水力半径S。

图3 典型采场三维示意图Fig. 3 Three-dimensional diagram of typical stope

式中：W为暴露面宽度；L为暴露面长度。

3 结果分析

3.1 岩体质量分析

1）钻孔岩芯质量。对2084 m分段东区、西区两处典型破碎岩体进行钻孔岩芯取样，其中#15线钻孔0～6 m为矿体上盘（北部），16～32 m为矿体，32～47 m为矿体下盘（南部）；#4线钻孔0～12 m为矿体上盘（北部），12～45 m为矿体，45～60 m为矿体下盘（南部），岩芯质量调查统计结果见表1。

表1 钻孔岩芯调查统计表Table 1 Statistical table of drill core survey

由表1可知，东区矿岩体完整性相比西区较好，东区上盘及矿体RQD值在50%左右，西区则降低至30%以下。矿体走向延伸范围内下盘围岩破碎，上盘围岩完整性优于矿体和下盘围岩。东区下盘（南部）有断层与下盘矿-岩过渡带接触，因而导致矿岩局部破碎。西区上盘（北部）含有多条矿脉，蚀变带发育，走向平行节理切割矿岩，随着Zone1主矿体埋深增大，上盘平行矿脉尖灭，西区矿岩完整性提高。

2）岩石强度。2050 m中段三个水平的近30条穿脉揭露矿岩点荷载强度分布情况如图4所示。根据岩性强度数据可知，矿体强度最大，上盘围岩次之，下盘围岩最小。强度沿走向分布情况表现为由西向中略微上升，向东显著降低。随埋深增加，强度整体有所增大，西区平行蚀变带多有尖灭，节理密度减小，矿岩强度上升趋势明显，深部矿岩稳固性提高，而东区仍受贯穿断层影响，矿岩破碎，强度较低。

图4 点荷载测试岩石强度分布图Fig. 4 Distribution plot of point load test rock strength

岩芯标准试样室内测试结果见表2。上盘岩石强度为42.36 MPa，下盘岩石强度为34.16 MPa，矿石强度为83.69 MPa，现场点荷载与室内测试结果相近，矿石硬度系数较高，而围岩偏软。矿岩抗拉性能极差，抗拉强度仅为抗压强度的5%左右，一般在2.5～4.5 MPa之间。矿岩抗水饱和软化性能一般。

表2 矿岩物理力学特性参数表Table 2 Table of physical and mechanical properties parameters of ore rock

3）岩体质量分类评价。选用RMR法和Q系统对深部2050 m中段矿岩质量分类评价，结果见表3。根据Q值换算所得的RMR（Q）值与评价指标计算所得的RMR值相近，可认为本文评价结果贴合一般性工程经验，可信度较好。深部矿岩一般为Ⅲ类～Ⅳ类岩体，东区矿岩稳固性整体一般，受断层破碎带影响，下盘围岩稳固性差，接触交代明显（图5（a））；西区矿岩稳固性稍差，平行节理发育，裂隙夹泥层填充量较大（图5（b））；东区、西区过渡段岩体稳固性较好。矿体地下水状态为湿，矿体上盘地下水状态为湿，矿体下盘地下水状态为滴水。

表3 深部岩体质量分类评价表Table 3 Quality classification and evaluation table of deep rock mass

图5 深部岩体结构特征图Fig. 5 Structural characteristic diagram of deep rock mass

3.2 采场稳定性分析

1）A值、B值、C值及N值、S值取值。根据前文所述的岩体质量调查结果，依照取值计算方法[11]得到各类岩体的稳定性系数N见表4。

表4 岩体稳定性系数N取值Table 4 Values of rock mass stability coefficient N

为对21 m高分段采场进行结构参数优化，设计两个控制变量组，对结构参数进行横向梯度对比：①固定采场长度25 m，设置8～15 m范围的8个采场宽度；②固定采场宽度11 m，设置20～50 m范围的5个采场长度。根据围岩、矿体在回采过程中的最大暴露尺寸为暴露面水力半径S的计算尺寸，计算结果见表5和表6。

表5 水力半径S取值（采场长度25 m）Table 5 Values of hydraulic radius S (stope length 25 m)

表6 水力半径S取值（采场宽度11 m）Table 6 Values of hydraulic radius S (stope width 11 m)

2）采场稳定性分析。根据表4～表6计算结果，绘制不同采场结构参数影响的等概率线Mathews合成图，如图6所示。

图6 不同采场结构参数影响的等概率线Mathews合成图Fig. 6 Equal probability line Mathews composite plot of the influence of different stope structural parameters

采场空区高度不变的情况下，上盘、下盘围岩揭露面水力半径与采场宽度有关，矿体侧帮揭露面水力半径与采场长度有关，顶板揭露面与采场长度和宽度有关，顶板稳定性对采场结构参数的变化更为敏感。由图6可知，在不同岩体质量条件下，研究范围内结构参数的变化不会引起采场稳定性发生突变，采场稳定性均位于稳定-破坏边界（P>60%）以上。东区采场上盘围岩揭露面稳定性远好于其他暴露面，采场宽度增大时，上盘揭露面稳定性由95%以上降低至90%～95%，下盘及顶板揭露面稳定性由90%～95%降低至80%～90%；采场长度增大时，矿体侧帮揭露面稳定性由80%～90%降低至60%～80%，稳定性变化更为显著。东区、西区采场各揭露面稳定性接近，采场宽度或长度增大时，暴露面稳定性均由80%～90%降低至60%～80%，逐渐趋于稳定-破坏边界，失稳风险上升。东区采场整体稳定性优于西区采场，但采场长度发生变化时，东区采场矿体侧帮揭露面更易发生失稳。

根据式（2）和式（3），对东区采场、西区采场各暴露面稳定概率进行计算，得到各结构参数下采场稳定概率变化曲线如图7所示。

图7 不同采场结构参数下采场稳定性概率曲线Fig. 7 Probability curve of stope stability at different stope structural parameters

由图7可知，采场宽度的变化对西区采场暴露面的稳定概率影响更加显著。当采场宽度超过10.5 m时，西区采场下盘围岩及顶板揭露面稳定概率均下降至80%以下；当采场宽度超过13 m时，西区采场上盘围岩揭露面稳定概率降低至80%以下，此时西区采场超过半数的暴露面稳定概率低于80%。采场长度的变化对东区采场矿体侧帮暴露面的稳定概率影响更加显著。当采场长度超过22.5 m时，西区采场顶板稳定概率降低至80%以下；当采场长度超过27.5 m时，东区采场矿体侧帮揭露面稳定概率降低至80%以下；当采场长度超过45 m时，西区采场矿体侧帮揭露面稳定概率低于80%，此时西区采场超过半数的暴露面稳定概率低于80%。

由于该金矿下盘围岩稳固性差，深部开拓、采准工程均布置于上盘岩体内，矿体回采首先揭露采场下盘岩体，如采取激进的结构参数设计，将导致回采初始阶段就面临着极高的采场端面垮冒的风险。同时，考虑国外偏远地区现场施工技术水平和工程质量控制效果，认为该金矿采场暴露面稳定概率在80%以上时，稳定性设计可靠度才足以应对现场突发状况。综合上述分析及岩体质量调查结果可知，东区蚀变断层对采场暴露面稳定性的不利影响较小，在控制采场长度（25 m以内）的情况下，不同采场宽度下各暴露面稳定概率均能达到80%以上，考虑到东区矿体较为厚大（厚度一般约为30 m），根据临界水力半径计算结果，推荐采场宽度设置为11 m。西区矿岩条件不利于布置大采宽采场，根据西区矿体厚度情况（一般约为25 m），采场宽度宜控制在10.5 m以内。随着开采深度的增加，西区矿岩稳固性提升，可根据揭露岩体情况，可根据岩体质量调查结果适当将西区采场宽度增至11 m。

4 结论

1）对深部首采中段矿体进行了钻孔岩芯调查、点荷载及室内物理力学测试，使用RMR法及Q系统进行了岩体质量分类评价，在充分的现场调查测试基础上，引用量化性等概率线Mathews合成图，对两个控制变量组的采场结构参数进行了横向梯度对比，可为高分段采场结构参数优化提供依据。

2）深部采区东区上盘、矿体以及西区矿体为Ⅲ类一般岩体，东区下盘以及西区上盘、下盘岩体为Ⅳ类差岩体；上盘岩体稳定性系数N为1.92，矿体为3.58，下盘岩体为0.45；东区受断层与下盘矿-岩过渡带接触、贯穿影响，矿岩局部破碎；西区上盘平行矿脉发育，蚀变带与走向平行节理切割矿岩，岩石片理结构突出，随着主矿体埋深增大，上盘平行矿脉尖灭，西区矿岩完整性提高。

3）东区采场整体稳定性优于西区采场，但采场长度发生变化时，东区采场矿体侧帮揭露面更易发生失稳。采场宽度的变化对西区采场暴露面的稳定概率影响更加显著，固定采场长度25 m，当采场宽度超过13 m时，西区采场超过半数的暴露面稳定概率低于80%。

4）考虑现场施工情况，根据Mathews合成图稳定性分析所得，东区矿体（厚度30 m）推荐采场宽度设置为11 m，西区矿体（厚度25 m），采场宽度宜控制在10.5 m以内，此时采场各暴露面稳定概率均大于80%，稳定性设计可靠度足以应对现场突发情况。随着开采深度的增加，西区矿岩稳固性提升，可根据揭露岩体情况，可根据岩体质量调查结果适当将西区采场宽度增至11 m。