采场地压和顶板控制---地下采矿稳定性分析步骤和方法

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1 引言

采场地压和顶板控制是地下采矿最重要的考虑因素【采场地压及顶板控制是地下采矿的核心】，由于实施了科学的管理制度、预测方法以及施工技术，尽管开采深度已经超过2千米【19个全球最深的地下矿山(开采深度均超过2千米)】，严重的顶板冒落事故在一些采矿工业发达的国家很少发生，这些国家有澳大利亚、美国、加拿大和南非，甚至包括一些南美的采矿国家如秘鲁和智利。通过统计，很惊奇地发现，露天开采造成的伤亡人数大于地下开采造成的伤亡人数。不过，在中国和印度，一方面由于矿山数量多，另一方面由于监管制度不健全，地下采矿发生的事故远高于露天开采发生的事故。

2023年2月26日9时57分，四川省巴中市南江县五铜包铁矿发生了一起采场顶板冒落事故，造成5人立即死亡，3人重伤。该矿是一个开采能力非常小的矿山，设计规模仅为6万吨/年。

本文从岩石工程角度简要讨论了地下采矿在数据不充分的条件下进行稳定性分析和顶板控制的流程，包括采场、巷道、硐室、溜矿井等开挖的稳定性。

2 数据准备

进行稳定性分析和评估的前提是要收集相关的地质和岩土数据，一些小型矿山可能没有太多的岩土钻孔数据，但至少应该作2~3个钻孔的岩石力学试验，通过钻孔获得粗略的岩体的RQD、断裂密度和断裂间距等岩体性质。此外，需要对开挖体附近的岩体测量节理数量和间距、节理倾向和倾角等基本的工程地质特征，有条件的可以使用现代测绘设备如LiDar对岩体扫描。总之，尽可能多得获取岩体结构信息。

3 工程岩体分类

使用上述获得岩体结构信息，进行综合的工程岩体分类【岩石边坡工程---工程岩体分类[Engineering Rock Mass Classification](C5)】，包括使用Q-System，RMR和GSI分类系统，使用这些分类方法的一个优点是可以初步估算岩体参数值，如岩体的变形模量、岩体强度等，另一个优点是可以初步估算支护压力和是否需要进行支护，特别是Q-System和RMR【使用RMR估算巷道支护压力 (Support Pressure)】，有着悠久的使用历史。

4 结构控制的稳定性

根据岩体的工程地质信息以及工程岩体分类指标，大致能确定出开挖周围的岩体性质是结构控制的还是应力和变形控制的【地下开挖岩石楔形体稳定性分析(Rock Wedges stability)】，使用Dips可以统计出控制性的节理组，然后使用UnWedge进行稳定性分析【构造控制的隧道稳定性分析---Rock Wedge】，也可以使用更高级的分析工具3DEC【3DEC V1.0 到V9.0---岩石顶板楔稳定性分析(Falling Wedge)的命令演化】。如果需要支护，则参考由工程岩体分类得出的支护推荐，再次使用UnWedge和3DEC进行支护设计。

5 应力和变形控制的稳定性

根据上述步骤，如果初步判断出开挖稳定性是由应力和变形控制的，最简单的方法是使用RocSupport进行分析【基于地层反映曲线GRC的隧道支护设计---RocSupport】，对于开挖断面不太大的矩形断面，可以等效成圆形断面，虽然RocSupport不能直接计算出支护设计参数，但可以估算塑性圈的范围，通过结合工程岩体分类的推荐值，能够给出初步的支护设计方案。在此基础上进行详细的稳定性分析，使用的工具软件主要为RS2, RS3, EX3, UDEC或3DEC，尤其推荐使用二维有限元分析程序RS2【二维有限元分析锚杆(Bolt)的模拟方法】，与UDEC和3DEC相比，最大的优点是分析速度快，但能够满足一般的工程需求。在硬岩开挖稳定性分析中，不太推荐使用FLAC。

6 结束语

在稳定性分析中，有一个很关键的参数是原岩应力，原岩应力的大小和方向对开挖稳定性起着非常重要的作用，不过，对于大多数小型矿山来说，没有能力测量原岩应力【原岩应力测量(In-Situ Stress Measurement)】，在这种情况下，只能依靠假设和经验关系【原岩应力(in-situ stresses)的估算】，通过不同组合来得到最佳的解答。稳定性分析的另一关键因素是岩体的结构分布，极大地影响着计算结果，因而使用概率方法和DFN技术【离散断裂网络[DFN.]FISH函数分类与解析(UDEC和3DEC)】有助于开挖稳定性的风险评估。

最后，尽管计算和分析对开挖稳定性起着举足轻重的作用，然而对于采矿工程师和岩石工程师来说，工程判断力仍是非常关键的。

来源：计算岩土力学

System 断裂岩土 3DEC 控制试验

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首次发布时间：2023-03-18