协同理念下岩金矿脉群连续回采顶板安全跨度研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.03.176

协同理念下岩金矿脉群连续回采顶板安全跨度研究

聂兴信^,, 甘泉^,, 高建, 冯珊珊

西安建筑科技大学资源工程学院，陕西西安 710055

Research on Safety Roof Span in Continuous Mining of Gold Vein Group Under Synergistic Concept

NIE Xingxin^,, GAN Quan^,, GAO Jian, FENG Shanshan

School of Resources Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，Shaanxi，China

通讯作者: 甘泉（1992-），男，陕西西安人，硕士研究生，从事矿床开采技术研究工作。759739118@qq.com

收稿日期: 2019-11-04 修回日期: 2020-02-27 网络出版日期: 2020-07-01

基金资助:

国家自然科学基金项目“地下金属矿山岩体破坏多源异质流数据智能融合与态势评估研究”. 5197040521
陕西省重点研发计划工业攻关项目“高温乏风矿井动态补偿调控关键技术及应用研究”. 2020GY-211

Received: 2019-11-04 Revised: 2020-02-27 Online: 2020-07-01

作者简介 About authors

聂兴信（1972-），男，河南濮阳人，副教授，从事矿山安全、矿床开采技术研究工作niexingxin@126.com , E-mail：niexingxin@126.com

摘要

为高效安全地开采呈条带状赋存的矿脉群，基于协同开采理念，提出集群连续化采矿理念与上向水平分层充填连续采矿法，并通过理论计算、数值模拟和工程验证，研究回采中顶板安全跨度的合理取值范围。采用平板梁理论计算法、普氏压力拱法、厚跨比法、荷载传递交汇线法和结构力学梁理论法推导得出顶板安全跨度计算公式，并引入安全系数，计算得出不同安全系数下的顶板跨度。经协同均算法界定分析，确定集群连续采矿方法的顶板安全跨度范围为23.0~18.6 m。结合理论计算的顶板跨度数据，取安全系数为2.0时的顶板跨度，采用ANSYS进行实体建模，基于FLAC^3D进行数值模拟验证。模拟结果表明：最大主应力为2.84 MPa，最大位移为9.7 mm，矿房中央位置存在小范围剪切应力破坏；工程实例表明：当采场跨度为18 m时，采场顶板局部小范围存在岩块掉落情况，掉落岩块长度与顶板跨度之比为1.67%，数值模拟结果与工程实例情况接近。协同开采理念具有较强的耦合性与包容性，其耦合形成的新理念为多种复杂的矿体开采起到指导作用，能够较好地满足复杂矿体矿山开采要求。

关键词： 协同开采 ; 连续化采矿 ; 矿脉集群 ; 安全跨度 ; 数值模拟

Abstract

In order to mine strip cluster veins efficiently and safely，based on the concept of collaborative mining，the concept of cluster continuous mining and the continuous horizontal layered filling continuous mining method were proposed.First and foremost，the theoretical calculation methods of slab beam，Platts pressure arch method，thick-span ratio method，load transfer intersection line method and structural mechanics beam theory method were used，and the safety factor was introduced to calculate the roof span under different safety factors.The roof safety problem of the continuous mining method is studied.Furthermore，through the analysis，the safe stoping span of cluster continuous mining method is ranged from 23.0 m to 18.6 m. When the safety factor was 2.0，the number of roof span was modeled by ANSYS and verified by Flac^3D. For one thing，the numerical simulation results show that the maximum principal stress is 2.84 MPa，and the maximum displacement is 9.7 mm.There is only a small shear stress failure in the middle chamber.For another，the engineering example shows that: when the stope span is 18 m （rounding 18.6 m），there is rock block falling in a small local area of the roof，and the ratio of the length of the falling block to the roof span is 1.67%.The numerical simulation and engineering example results are alike.Finally，the concept of collaborative mining has strong coupling and inclusiveness.Besides，the new concept plays a guiding role for mining complex ore bodies in China，which can better meet the mining requirements.

Keywords： synergistic mining ; continuous mining ; vein cluster ; safety span ; numerical simulation

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本文引用格式

聂兴信, 甘泉, 高建, 冯珊珊. 协同理念下岩金矿脉群连续回采顶板安全跨度研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(3): 337-344 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.03.176

NIE Xingxin, GAN Quan, GAO Jian, FENG Shanshan. Research on Safety Roof Span in Continuous Mining of Gold Vein Group Under Synergistic Concept[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(3): 337-344 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.03.176

系统协同是指通过统计学和动力学对所研究的系统进行控制与调节，并寻求解决冲突的方法。它是一种使无序或无关系统转变为有序系统，并达到系统内或多系统间和谐协同的状态。矿山开采是一个将原有环境系统重新协调的过程。现有采矿与环境之间的发展理念主要有无废开采理念、协调开采理念、绿色开采理念和采矿环境再造理念。相关学者根据我国金属矿产资源开发理念需求，提出了协同开采理念^[1]，即在全矿山开采过程中的资源挖掘行为、灾害管理行为和其他技术行为相互配合、协调、同步，使采矿系统输出较高的协同效应。协同开采技术阶段目标可划分为协同前期目标、协同中期目标和协同后期目标。协同中期目标主要有协同开采方法设计和岩层控制技术等。许多岩金矿脉因其独特的地质条件易形成条带状矿脉群，采用传统的空场法或削壁充填法回采具有许多局限性。为此，研究人员结合协同开采理论，针对该类矿脉的赋存特征，提出适应性更好的集群连续化采矿方法^[2,3,4]；根据某矿采场结构参数、巷道布置以及地下矿采场结构参数的核主成分进行优化^[5,6]；开展采场和空区顶板安全厚度与临界跨度关系的数值模拟研究^[6,7,8,9]；此外，一些学者开展了基于FLAC^3D的层状岩石强度特征研究与海底大型金属矿床顶柱安全厚度研究^{[10,11,12,13,14,15,16]}。基于协同开采理念，为了实现资源高效开采，同时和谐处理其他不良地质因素，本文提出了集群连续化采矿法，并采用材料力学中平板梁理论计算法、普氏压力拱法、厚跨比法、荷载传递交汇线法和结构力学梁理论法进行计算分析，确定顶板合理跨度，再通过FLAC^3D数值模拟和工业试验验证，该采矿方法的顶板跨度能保证矿岩金矿脉群的安全回采。

1 基于协同开采下的集群连续化采矿理念

1.1 协同开采理念

协同开采的概念源于系统概念，系统是由相互约束的部分组成的具有某些功能的整体^[17]，其主要特征表现为集合性、相关性、整体性、层次性和目的性^[18]。所谓协同开采，是指在存在影响有序开采的危险因素的情况下，或为了同时满足多种工程目的，以达到双赢或多赢的工程效果，采取某种工程技术措施，对拟采区资源进行开采，并协调其他不利于开采的危险因素，最终促进安全、高效、绿色、和谐的资源循环利用。协同开采过程可划分为：（1）协同前期，主要对影响协同开采的综合因素进行分析；（2）协同中期，主要进行协同开采方案创新优化设计，岩层控制技术和潜在危害控制技术选择；（3）协同后期，主要进行协同开采方案实施及效果评价。目前，本文所研究的协同理论下矿脉群连续化回采方案顶板跨度研究处于协同中期，即开采理论构建阶段。

1.2 集群连续化采矿理念

传统的空场法先回采矿房后回采矿柱，即两步骤回采，而矿脉群连续化采矿理念则为一步骤回采^[19]，通过连续化采矿方法，实现数条矿脉的集中高效开采。具体方法如下：通过分段运输巷道将中段均分为2个高度近似相等的分段，再通过采场联络道将分段进一步划分为采场（采场不留间柱顶柱，各采场之间无明显界限）；阶段内相邻矿脉回采时，间隔一个采场（下盘矿脉超前上盘）；同一矿脉内实行连续回采，上下分段实行阶梯式推进（下分段超前回采），多矿脉群同时连续回采推进，分层回采、分层充填，保证一次充填高度与分层回采高度一致，待最后分层充填体完成养护后，即可回采相邻采场。

集群多矿脉的回采推进均为一步骤开采，因采场不留间柱顶柱，无二次作业，即“集群连续化采矿”。

1.3 上向水平分层充填连续采矿法设计

（1）采场结构要素。采场沿矿体走向布置，平均长度为15~20 m，宽度与矿体水平厚度一致，阶段高度为40~50 m（阶段高度视具体地质情况而定），每一阶段均分为2个分段，分段之间通过斜坡道相连，采场与阶段运输巷道（或分段运输巷道）之间通过采场联络道相连，浅孔落矿，一次回采2~5 m，充填高度与回采高度一致。分段上向水平分层充填连续采矿法示意图如图1所示。

图1

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图1 分段上向水平分层充填连续采矿法示意图

1-出矿溜井;2-斜坡道;3-分段平巷;4-泄水井;5-采矿溜井;6-人行通风井;7-充填体;8-采场封堵;9-回风天井;10-采场未采矿石;11-炮孔;12-采场待出矿石;13-中段运输平巷

Fig.1 Schematic diagram of segmentic upward horizontal stratification and filling continuous mining method

（2）采准工程布置。当集群矿脉数量较多时，可采用上下盘环形布置。阶段运输巷道与分段运输巷道距矿体15~20 m，分别位于上下盘移动带之外。在上下两阶段运输巷道之间掘进一条斜坡道，将一个完整的中段均分为2个分段。自阶段（分段）运输巷道每隔12~20 m向矿体掘进一条采场联络道，连通所有矿脉群。到达矿体后，根据矿体的厚度，向左右两侧进行切割拉槽工作，底部施工为堑沟结构，以便于出矿。自下一阶段采场联络道打一条回风天井与上一阶段采场联络道贯通，使之形成一个长为15 m、高为2.5 m，矿体水平厚度的底部拉槽，为后续回采提供作业空间。

2 协同理念下最大顶板安全跨度计算

2.1 力学模型

对上向水平分层充填连续采矿法采场模型进行简化，用于数学计算，该模型可简化为采场顶板长度L（采场顶板岩体跨度,需计算确定），顶板厚度H为25 m（与中段高度相同），顶板宽度为5 m（与矿体真实厚度相同）的简支梁模型，综合采用平板梁理论计算法、普氏压力拱法、厚跨比法、荷载传递交汇线法和结构力学梁理论法进行计算，使用五法协同均算界定法处理不同安全系数下最大顶板安全跨度计算结果，从而确定合理跨度L。所构建的采场简化模型如图2所示。

图2

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图2 采场简化模型（简支梁模型）

Fig.2 Simplified model of stope（simply supported beam model）

2.2 岩体力学参数选取

对某金矿4345中段上下盘围岩及矿岩进行现场取样，并在四川省核工业地质局二八二大队进行了岩石力学试验。试样加工数量和精度均严格遵守试验规程，故符合要求。但由于试验环境为理想状态，各岩石力学参数均为最优，未考虑现场环境中不可控力的影响，如节理现象、密度不均、岩体裂隙和地下水体分布情况等，故参照《岩土工程勘察规范》^[20]与《工程岩体分级标准》^[21]采用系数折减法确定相应的岩体力学参数，如表1所示。

表1 岩石力学参数

Table 1 Rock mechanics parameters

岩体名称	密度/(g·cm^-3)	弹性模量/GPa	泊松比	单轴抗拉强度/MPa	黏聚力/MPa	内摩擦角/（°）
晶屑凝灰岩（围岩）	2.70	3.41	0.25	1.38	0.75	27
蚀变凝灰岩（矿体）	2.72	3.41	0.25	1.38	0.75	27
充填体	1.80	0.40	0.28	0.20	0.30	25

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2.3 协同均算界定法下的顶板跨度计算

（1）平板梁理论法。一种较常用的顶板跨度算法，假设矿房顶板为固定梁结构，可以通过系数折减将岩体的物理力学性质和结构弱化系数综合考虑在内，但该方法未考虑岩体的地质和结构破坏特征对顶板安全厚度、顶板形状和工作设备等外加荷载的影响。顶板跨度计算公式可表示为

L = \sqrt[]{\frac{σ_{极} \cdot 2 H}{n ρ}}

（1）

式中： $σ$ _极为顶板岩石抗拉强度（MPa）； $ρ$ 为顶板岩石容重（t/m³）；H为顶板厚度（m）；L为顶板岩体跨度（m）；n为安全系数。

（2）荷载传递交汇线法。该方法假设外载荷中心位置沿重力方向竖直向下传播，扩散角为30°~35°。当顶板的传递交汇线位于采空区外时，认为采空区外壁围岩或矿柱直接支撑顶板的外载荷和上层岩体的重量，此时顶板岩体处于安全状态。该方法的原理如图3所示，图中x、y为横纵坐标轴，H为顶板岩体厚度，L为顶板岩体跨度。

图3

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图3 荷载传递交汇线法计算示意图

Fig.3 Calculation diagram of load transfer intersection method

设 $α$ 为荷载传递线与顶板安全厚度隔离层顶部中心线夹角。顶板跨度计算公式可表示为

L \leq \frac{2 H t a n α}{n}

（2）

（3）采矿厚跨比法。该方法常用于稳固围岩，采矿厚跨比理论是指安全顶板厚度与采场跨度之比H/L≥0.5时，采场顶板处于安全状态，根据这一比值关系引入安全系数n，得到不同安全系数下采场顶板跨度和安全顶板厚度的计算结果。该方法的缺点是难以考虑顶板荷载的完整性、形状、荷载的大小和性质以及顶板的性质。顶板跨度计算公式可表示为

\frac{H}{0.5 n} \geq L

（3）

（4）普氏地压理论。根据普氏地压理论，顶板上覆岩层在采场或采空区开挖后形成抛物线型拱带，采场或采空区上部形成的自然拱承受上层岩体全部质量。对于坚硬岩体，由于顶板承受垂直压力，侧帮不受压，即可形成自然拱。顶板跨度计算公式可表示为

l = h \cdot f - h t a n (45 ° - φ / 2)

（4）

L = 2 l / n

（5）

式中：l为顶板跨度一半（m）；h为分层开采高度（m）； $φ 为岩石内摩擦角$ （°）； $f 为岩石坚固系数$ ，对于完整性较好的岩体，可以采用如下经验公式： $f = R_{c} / 10$ ，其中 $R_{c}$ 为岩石的单轴极限抗压强度（MPa）。

（5）结构力学梁理论方法。假定采场顶板岩体为两端固定的扁梁结构。覆岩总荷载由顶板岩体和人、机械等附加外荷载构成，以岩体的弯拉强度作为采场顶板弯曲控制指标。采场顶板的弯矩可表示为：

H = 0.25 L \frac{γ L + \sqrt[]{γ^{2} L^{2} + 8 σ_{许} q b}}{σ_{许} b}

（6）

式中： $σ$ _许为允许拉应力（kPa）； $γ$ 为矿岩密度（kN/m³）； $b$ 为顶板宽度（m）； $q 为$ 附加荷载（kPa）。推导出采场顶板的安全跨度L为

L = \sqrt[]{\frac{σ {}_{许}b H^{2}}{0.0625 (8 q + 8 H γ)}}

（7）

对该法引入安全系数n，则得到：

L = \frac{4 H}{n} \sqrt[]{\frac{σ_{许} b}{8 q + 8 γ H}}

（8）

2.4 顶板最大安全跨度计算结果分析

由于采空区常处于不规则形态且岩性情况较为复杂，无论是经验类比法还是理论抽象法，都难以综合考虑复杂的地质情况，同时理论计算方法存在其适用范围，单一模型的计算结果只能作为参考。因此，将多种理论模型的计算结果进行均算处理，使计算结果更接近工程实际。采用协同均算界定法对不同方法计算结果进行处理，计算公式为

E \bar{L} = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} L_{i}

（9）

式中： $L_{i}$ 为不同方法的计算结果；n为计算方法总个数； $E \bar{L}$ 为不同方法均算结果。同时对该方法的计算结果 $E \bar{L}$ 取方差 $D \bar{L}$ ，以确定其离散程度。

D \bar{L} = \frac{1}{n - 1} (\sum_{i = 1}^{n} L_{i}^{2} - n E {\bar{L}}^{2})

（10）

不同方法的计算结果如图4所示，其中平板梁理论法和结构力学梁理论法得出的结果偏低，而厚跨比法和普氏拱法计算结果偏高。经综合分析，推荐安全系数与安全顶板跨度、不同结果离散程度的对应关系如表2所示。根据地下矿山开采经验，安全系数范围应取1.6~2.0，该安全系数下不同计算结果的离散程度为8.34~6.38，能满足数学要求，综上所述，该采矿方法安全跨度范围应取23.0~18.6 m。

图4

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图4 不同方法下安全系数与安全跨度关系

Fig.4 Relationship between safety factor and safety span obtained by different methods

表2 协同均算界定法确定的顶板安全跨度结果与离散程度

Table 2 Results and dispersion degree of the safe roof span by the collaborative uniform calculation method

安全系数n	协同均算计算结果/m	不同结果离散程度
1.4	26.1	9.76
1.5	24.5	9.00
1.6	23.0	8.34
1.7	21.7	7.76
1.8	20.5	7.25
1.9	19.5	6.79
2.0	18.6	6.38
2.1	17.7	6.02
2.2	17.0	5.68
2.3	16.3	5.38

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3 协同开采理念下顶板跨度数值模拟验证

3.1 集群连续回采法采场模型建立

根据所提出的采矿方法构建采场实体模型，所建模型如图5所示。考虑到真实地质情况与理论计算值之间的差异，对该计算值进行数值模拟时取顶板跨度为18 m。根据Saint-Venan原理完全弹性体的边界影响范围为计算工程尺寸的3~5倍，因此，数值模拟模型在X方向上取值范围为0~80 m，Y方向为0~100 m，Z方向为0~90 m。计算模型只能对矿区范围内研究采场的稳定性起主控作用，小型节理和裂隙等结构面则在岩体属性或其力学参数中予以适当折减。

图5

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图5 采场实体模型图

Fig.5 Solid model diagram of stope

3.2 最大安全跨度下顶板位移应力塑性区云图分析

采场顶板数值模拟主要是对采矿扰动效应进行评价，可以不考虑时间效应的影响，因此将岩体视为完全弹塑性介质。根据计算采场模型形态，对实体模型进行网格划分，关键部位相对较密，边界位置相对较疏，各单元在外部荷载或边界条件约束下，根据约定的线性或非线性应力—应变关系，进行力学响应计算。对应的应力、位移和塑性区云图如图6所示。

图6

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图6 顶板应力（a）、位移（b）和塑性区（c）云图

Fig.6 Stress（a）,displacement（b） and plastic zone（c） cloud map for the roof plate

由图6（a）可得，最大主应力为2.84 MPa，主要存在于采场中央范围内，最大压应力为0.187 MPa，主要存在于采场中央下盘围岩范围内；上盘围岩应力摄动范围大于下盘围岩，而下盘围岩更接近原岩应力，因此，在采矿活动中应加强上盘围岩摄动区的监测。由图6（b)可知，最大位移集中出现在采场顶板中央位置，最大位移为9.7 mm，随着采空区出现，上盘围岩扰动逐步出现，且该范围大于下盘围岩，最大位移小于《采矿设计手册》中规定的相对收敛值18~45 mm的下限^[22]，因此可以保证回采过程中位移的安全要求。由6（c)可知，随着开挖推进，顶板内、顶板侧面及顶板上盘范围出现了1~3 m的塑性区破坏，相比较而言，顶板中央位置存在较严重的小范围剪切应力破坏，开采过程中应注意采场顶板局部岩体掉落。

3.3 采场顶板最大安全跨度实例分析

某金矿矿体赋存于上三叠统鄂拉山组第二岩性段蚀变凝灰岩中，呈脉状、似层状和透镜状，矿体走向与地层基本一致，矿区内围岩广泛分布晶屑凝灰岩，主要含矿岩性为蚀变凝灰岩，总体地质情况良好。以该金矿4345中段38#采场为例，根据顶板计算所得安全跨度进行采场布置，采场长度为18 m，倾角为65°，采场宽度为5 m，回采过程中采场顶板基本处于稳固状态，除有较小范围岩体碎裂之外，整体稳定性较好，采场顶板情况如图7所示。局部破碎范围与顶板跨度之比为 $δ$ =30/(18×100)≈1.67%，实例分析表明，采用数学计算方法与数值模拟可以较好地获得采场顶板最大安全跨度。

图7

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图7 顶板局部破碎岩体实拍图

Fig.7 Photo of partial broken rock mass on roof

4 结论

（1）协同开采理念具有较强的耦合性与包容性，可与其他理念耦合形成新的复合理念，为我国赋存条件复杂的各类矿体的安全有效开采提供更为广泛的指导。总之，整个采矿过程中的资源开采与灾害管理行为和其他技术行为是协调与同步的，这使得采矿系统产生并输出较高的协同效应。在协同开采理念指导下，提出了符合多矿脉集群岩金矿山开采的上向水平分层充填连续采矿法。

（2）根据协同开采理念对顶板安全跨度进行计算，通过多种方法计算得到安全跨度范围在23.0~18.6 m之间。由于矿房形状、尺寸和岩性等极为复杂，经验类比法和理论抽象法均有一定的局限性，所建立的模型中节理与裂隙情况等都不足以与真实岩体情况相匹配，同时，理论方法存在其适用范围，单一结果只能作为参考。本文根据不同方法，采用协同均算界定法对计算结果进行验证，如果某一个值偏离较大，则需要进行数值模拟验算和工程试验，进而确定最终结果。

（3）顶板安全跨度数值模拟结果表明，最大主应力为2.84 MPa，最大位移为9.7 mm，矿房中央位置存在小范围剪切应力破坏；工程实例表明，当采场跨度为18 m时，采场顶板除有小范围岩体掉落之外，矿房顶板整体稳定性较高，能够满足矿山安全开采要求。使用数值模拟优化顶板安全跨度问题的优点是可以考虑复杂的地质条件，使计算结果更接近工程实际，有利于解决矿山顶板跨度等岩体力学问题。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2020/1005-2518/1005-2518-2020-28-3-337.shtml

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

陈庆发

协同采矿方法的发展及类组归属

[J].金属矿山，2018，47（10）：1-6.