齊發(fā)富，李學(xué)鋒，蔣夏施，李和群，吳高善，段曉陽(yáng)，宋子賀

(廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

0 引言

南堯金礦位于湖南省平江縣南堯村，開(kāi)采區(qū)域?yàn)槿f(wàn)古金礦區(qū)22號(hào)礦脈東段，礦區(qū)面積為0.7922 km2，緊鄰開(kāi)采22號(hào)脈西段的大洞金礦。南堯金礦設(shè)計(jì)開(kāi)采深度為+240 m～+20 m標(biāo)高，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)礦石量0.45萬(wàn)t。礦山下轄一個(gè)具有獨(dú)立生產(chǎn)系統(tǒng)的垂拱洞新屋采礦坑口，因資源儲(chǔ)量未準(zhǔn)確查明，處于邊探邊采的狀況[1]。南堯金礦礦井采用淺孔留礦法按自上而下的順序進(jìn)行開(kāi)采，頂板暴露面積較大，安全性低，易發(fā)生安全事故[2]；為了保證井下采礦安全并有效提高生產(chǎn)效率，必須進(jìn)一步探索適合南堯金礦的采礦方法。

胡樹(shù)軍等[3]對(duì)礦山開(kāi)采技術(shù)條件展開(kāi)分析，并利用上向水平分層充填采礦法開(kāi)采龍王江金礦急傾斜薄礦脈破碎帶礦體，保證了采場(chǎng)安全性，充分回收礦石，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。王志惠等[4]為解決淺孔留礦采礦法開(kāi)采礦體存在的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)不理想、安全性差和采礦效率低下等問(wèn)題，在黑嵐溝金礦開(kāi)展的上向水平分層充填采礦法試驗(yàn)研究取得了成功，使開(kāi)采問(wèn)題得以解決。王鑫[5]針對(duì)夏家店金礦采用空?qǐng)龇ê捅缆浞ㄩ_(kāi)采礦體過(guò)程中，存在出礦品位和資源利用率低、采場(chǎng)安全條件差的問(wèn)題，提出采用上向水平分層進(jìn)路充填采礦法進(jìn)行開(kāi)采，有效保障了采礦作業(yè)安全，有效降低了礦石損失率。賈萬(wàn)玉等[6]對(duì)三山島金礦上向水平分層充填采礦法進(jìn)行了優(yōu)化研究，解決了采場(chǎng)頂板大面積暴露致使安全性差的問(wèn)題，優(yōu)化了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，提高了采場(chǎng)綜合生產(chǎn)能力。

基于上述上向水平分層充填采礦法被成功應(yīng)用于礦山生產(chǎn)過(guò)程中的諸多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，擬采用此采礦方法作為南堯金礦開(kāi)采方法，并對(duì)礦區(qū)范圍內(nèi)+20 m以上標(biāo)高礦體采場(chǎng)開(kāi)采的安全性技術(shù)條件進(jìn)行分析論證，以確保所選采礦方法合理有效。

1 巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試

為合理評(píng)價(jià)南堯金礦巖體工程地質(zhì)條件，從垂拱洞新屋采礦坑口的采場(chǎng)、巷道中選取礦石和頂、底板圍巖2種類(lèi)別的不規(guī)則巖石試樣56組，利用點(diǎn)載荷儀進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)[7]，根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)分析計(jì)算得出不規(guī)則巖樣點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is（50）、巖石的抗壓度σc、巖石的抗拉強(qiáng)度σt。采用數(shù)學(xué)回歸分析法分析試樣破壞時(shí)的總荷載（P）與巖心直徑（De）的平方的相關(guān)關(guān)系，并在回歸曲線(xiàn)上查找De2=2500 mm2對(duì)應(yīng)的P50值，依據(jù)公式Is（50）=P50/ 2500，得出點(diǎn)載荷強(qiáng)度指數(shù)Is（50），進(jìn)一步計(jì)算得到σc、σt的回歸分析結(jié)果[8]。通過(guò)對(duì)比可知，礦巖的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析結(jié)果與回歸分析結(jié)果一致，礦巖強(qiáng) 度點(diǎn)荷載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和回歸分析結(jié)果見(jiàn)表1。

2 巖體工程地質(zhì)條件分析與質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 巖體工程地質(zhì)條件

南堯金礦礦體出露標(biāo)高為+175～+225 m，工程控制最低標(biāo)高+20 m，控制最大斜深約256 m，控制最大側(cè)伏長(zhǎng)約350 m，礦體呈似層狀，由含金硅化構(gòu)造角礫巖，含金石英脈及含金硅化破碎砂質(zhì)板巖組成，礦體單樣最高金品位5.43×10-6，礦體平均品位3.93×10-6，礦體地表不連續(xù)，在160 m標(biāo)高以下，金礦品位相對(duì)穩(wěn)定，礦體厚度為0.35～1.00 m，平均為0.92 m，礦體平均傾角為53°，屬于傾斜薄礦體。圍巖均為砂質(zhì)板巖、粉砂質(zhì)板巖，礦巖穩(wěn)固性好。

結(jié)合南堯金礦區(qū)域內(nèi)的圍巖特征、礦巖分布狀態(tài)及地質(zhì)構(gòu)造情況，依據(jù)巖石的物理力學(xué)指標(biāo)，將南堯金礦周邊（包括上、下盤(pán)）圍巖按其構(gòu)造特性及組合規(guī)律劃分為石英巖和粉砂質(zhì)板巖2個(gè)工程地 質(zhì)巖組[9]：

表1 垂拱洞新屋坑口礦巖強(qiáng)度分析結(jié)果匯總

（1）粉砂質(zhì)板巖。粉砂質(zhì)板巖巖組現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙調(diào)查位置為礦體上、下盤(pán)，-215 m水平沿脈巷道等處。

該巖組的巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型為塊狀結(jié)構(gòu)，硬度不高，主要發(fā)育有179°∠81°、334°∠33°兩組剪節(jié)理，平均長(zhǎng)度為1 m，密度值分別為44.09%、38.88%；節(jié)理密度JV分別為14.99條/m、5.88條/m。該巖組的巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型為塊狀結(jié)構(gòu)，硬度不高，節(jié)理發(fā)育，穩(wěn)定性一般，巖體變形和破壞主要受Ⅲ、Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面控制，產(chǎn)生巖體破壞；巖體主要物理力學(xué)指標(biāo)為：Rc=57.46 MPa，Rt=2.23 MPa。

（2）石英巖。含金石英脈是組成礦體的主要礦石類(lèi)型，石英巖組現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙調(diào)查位置為-215 m中段沿脈巷道、平場(chǎng)等處。

該巖組巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型為塊狀結(jié)構(gòu)，主要發(fā)育有316°∠43°、20°∠30°、79°∠33°三組剪節(jié)理，平均長(zhǎng)度大于2 m，密度值分別為48.43%、34.55%、17.02%，間距分別為29 cm/條、40 cm/條、10.4 cm/條，節(jié)理密度JV分別為3.45條/m、2.5條/m、9.62條/m。該巖組的巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型亦為塊狀結(jié)構(gòu)，整體強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差，巖體變形和破壞主要受Ⅲ、Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面控制；巖體主要物理力學(xué)指標(biāo)為：Rc=54.06 MPa，Rt=2.09 MPa。

2.2 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

（1）由節(jié)理統(tǒng)計(jì)換算RQD指標(biāo)時(shí)，根據(jù)Palmstrom給出的體積節(jié)理數(shù)JV與體積RQD之間的相關(guān)關(guān)系：KRQD=115-3.3JV（JV為實(shí)測(cè)單位面積內(nèi)節(jié)理數(shù)目乘以系數(shù)K，K=1.15～1.35），對(duì)照RQD分級(jí)指標(biāo)[10]，得到現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果：南堯金礦的粉砂質(zhì)板巖、石英巖為差巖體。巖層分類(lèi)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 巖層分類(lèi)結(jié)果

（2）對(duì)照Q值確定的巖體級(jí)別，利用Q系統(tǒng)分級(jí)方法得出結(jié)果[11]：南堯金礦的石英巖和粉砂質(zhì)板巖巖體質(zhì)量為V級(jí)，屬于差巖體。兩種巖層的Q系統(tǒng)分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表3。

3 采場(chǎng)安全開(kāi)采技術(shù)條件分析

3.1 Mathews圖解方法分析采場(chǎng)穩(wěn)定性

根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)N和形狀因素（水力半徑）HR，可采用Mathews穩(wěn)定性計(jì)算方法分析采場(chǎng)穩(wěn)定性[12-13]。Mathews穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算公式為[1]：

表3 Q系統(tǒng)分級(jí)結(jié)果

式中：Q′為修正的Q值；A為巖石應(yīng)力系數(shù)，完整巖體的單軸抗壓強(qiáng)度與平行開(kāi)挖面的最大誘導(dǎo)應(yīng)力的比值；B為節(jié)理方位系數(shù)，根據(jù)控制性節(jié)理與采場(chǎng)表面的相對(duì)方位確定；C為重力調(diào)整系數(shù)，考慮了重力對(duì)采場(chǎng)暴露表面崩落、滑落等穩(wěn)定性的影響，重力調(diào)整系數(shù)C和采場(chǎng)表面傾角的關(guān)系，計(jì)算公式為C=8-6cos（采場(chǎng)工作面傾角度數(shù)）。

式中，KROD為KROD值分級(jí)方法得出的巖體質(zhì)量指標(biāo)；Jr為節(jié)理粗糙度；Jn為節(jié)理組數(shù)；Ja為節(jié)理蝕變影響程度。

（1）修正的Q′值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

（2）巖石應(yīng)力系數(shù)A，見(jiàn)表5。

表4 Q′值計(jì)算結(jié)果

表5 巖石應(yīng)力系數(shù)A

（3）節(jié)理方位系數(shù)B。根據(jù)采場(chǎng)頂板的節(jié)理裂隙發(fā)育特征，采場(chǎng)頂板為水平狀，按最不利的原則，采場(chǎng)頂板礦體中的節(jié)理方位系數(shù)B取0.2。

表6 穩(wěn)定性系數(shù)N計(jì)算結(jié)果

（4）重力調(diào)整系數(shù)C。重力調(diào)整系數(shù)C考慮了重力對(duì)采場(chǎng)暴露表面崩落、滑落等穩(wěn)定性的影響。采場(chǎng)頂板為水平狀，重力調(diào)整系數(shù)C為2.0，上盤(pán)圍巖暴露面的重力調(diào)整系數(shù)C為4.39。

3.2 采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性分析

南堯金礦礦脈賦存條件變化大，礦脈較窄，僅為0.92 m，采幅為1.6 m，采場(chǎng)頂板暴露面積為64 m2，故頂板暴露面的水力半徑為0.77，而采場(chǎng)頂板巖層容許水力半徑為2.0～2.6，因此頂板巖層具有較好的穩(wěn)定性。

3.3 采場(chǎng)上盤(pán)圍巖的穩(wěn)定性分析[12-13]

南堯金礦+20 m以上盤(pán)圍巖主要為粉砂質(zhì)板巖，礦體傾角為53°，采用淺孔留礦法開(kāi)采，采場(chǎng)出礦時(shí)，上盤(pán)暴露面最大斜長(zhǎng)將達(dá)39.9 m，暴露面寬度為40 m，則上盤(pán)巖層暴露面的水力半徑為9.99，而上盤(pán)巖層的容許水力半徑為3.5。因此，上盤(pán)巖層的穩(wěn)定性較差，將會(huì)出現(xiàn)冒落垮塌現(xiàn)象，存在安全隱患。因此，為確保南堯金礦采場(chǎng)作業(yè)安全，必須改變現(xiàn)有的采礦方法。

選用安全性較好的上向水平分層充填采礦法，“兩采一充”時(shí)的頂板最大高度為5 m，上盤(pán)暴露面斜長(zhǎng)為8.31 m，暴露面走向長(zhǎng)度為40 m，上盤(pán)巖層暴露面的最大水力半徑為3.44，而上盤(pán)巖層的容許水力半徑為3.5，經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，上盤(pán)巖層能保持較好的穩(wěn)定性，故選用上向水平分層充填采礦法開(kāi)采南堯金礦的采礦方案可行。

4 結(jié)論

根據(jù)南堯金礦+20 m以上標(biāo)高礦體賦存的實(shí)際情況，開(kāi)展巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試、巖體的工程地質(zhì)條件分析與質(zhì)量評(píng)價(jià)，并結(jié)合Mathews圖解方法對(duì)采場(chǎng)開(kāi)采技術(shù)條件進(jìn)行分析論證，證實(shí)采用上向水平分層充填采礦法開(kāi)采南堯金礦的采礦方案可行，能保證采場(chǎng)上盤(pán)巖層穩(wěn)定性。此采礦法易于實(shí)施，開(kāi)采過(guò)程可有效降低廢石混入率，提高礦石回收率；礦石采出后崩落圍巖來(lái)充填采空區(qū)，可降低充填成本，經(jīng)濟(jì)效益良好。