经验的空场设计历史回顾
1 引言
空场采矿法(Open Stope Method)主要应用于倾角较陡的厚大矿体, 其设计主要是确定空场的稳定性. 总的来说, 有两类方法可以分析空场的稳定性. 一类方法是通过解析或数值模拟技术分析空场围岩的应力和应变, 例如FLAC3D, 3DEC, RS3等, 很多年前, 我们使用位移不连续方法---一种间接边界元法分析过一个铜矿空场的稳定性, 以此确定合适的矿房,间柱以及顶柱和底柱尺寸, 最大化地取出矿体; 另一类方法是基于经验的空场设计方法, 简称稳定性图法(Modified Stability Graph Method), 这种方法起源于加拿大, 在加拿大和澳大利亚的地下金属矿山中广为使用. 这个笔记简要回顾了稳定性图法的历史.
2 历史背景
加拿大的地下金属矿山至少有50%都采用空场采矿法进行开采, 因此积累了大量的实测数据. 1980年, Golder Associates温哥华分公司的Mathews和他的几位同事为CANMET写了一份研究报告<Mathews, K. E., Hoek, E., Wyllie, D. C. and Stewart, S. B. V. (1980). Prediction of stable excavation spans for mining at depths below 1,000 metres in hard rock. Golder Associates report to CANMET. Department of Energy and Resources: Ottawa.>, 提出了基于经验的空场设计方法, 后称Mathews稳定方法.
3 重要改进
Potvin(1988)在UBC完成他的博士论文时, 对Mathews的稳定方法作了改进. <Potvin, Y. 1988. Empirical open stope design in Canada. Ph.D. thesis, Dept. Mining and Mineral Processing, University of British Columbia. 350p>. 他使用了改进的稳定性数N′ (Modified Stability Number), 称作Modified Stability Graph. 如下图所示.
图中的横坐标是静水力半径, 它是空场面积与空场周长的比值. 这种方法的一个主要特征是可以单独分析每个空场面的稳定性. N′越大,表明岩体的质量越好.
其中Q′ is 改进的Q指标, 参考如下链接:
A是应力系数; B是岩石调节系数; C是重力系数.
在原始的Q表达式中, 令SRF=1, 则得Q′, 如下式所示:
A使用原岩的单轴抗压强度UCS和平行于空场面的压应力σ1来决定, 如下式所示:
B表示空场面节理产状对稳定性的影响. 下面的图用来决定B值.
C表示空场面的倾斜程度对稳定性的影响. 下式用来决定C的值:
4 使用条件
Potvin (2001) <Potvin, Y., Hadjigeorgiou, J. (2001) The stability graph method for open stope design. In: Hustrulid, W. A., Bullock, R. L. (eds), Undergound mining methods: engineering fundamentals and international case studies. Society for Mining Metallurgy and Exploration, Inc. SME, Colorado, 513–520.> 指出稳定性图不适用于如下场景: (1) 严重的岩爆条件; (2) 大变形岩体; (3) 有进路的采矿方法.
5 参考文献
[1] Grenon M, & Hadjigeorgiou J. (2003) Open stope stability using 3D joint networks. Rock Mechanics and Rock Engineering. 36(3), 183-208.
[2] Capes, G (2009). Open stope hangingwall design based on general and detailed data collection in rock masses with unfavourable
hangingwall conditions. Ph.D thesis, University of Saskatchewan.
[3] Sharp, J (2011) Applicability of the Mathews stability method to open stope stability assessment at Olympic Dam Mine. Masters thesis, University of Canterbury.
