铅锌矿大结构参数采场围岩稳定性技术研究

摘要：针对某矿两个坑洞的两大结构参数采场，本文综合运用了理论模型、极限平衡法、Mathews稳定图解法及数值模拟技术，深入研究了采场围岩稳定性。研究结果显示，基于矿山实际需求与工程经验设计的采场结构参数能够有效维持围岩稳定，数值模拟进一步验证，优化后的结构参数在开挖前后均能控制岩体沉降量于较低水平，但仍需采取适当支护措施以抑制周边岩体塑性区发展，确保大结构参数采场的整体稳定。本研究成果不仅为凡口铅锌矿的安全生产提供了重要理论与实践指导，也为同类工程设计施工提供了宝贵参考。

关键词：大结构参数采场；数值模拟；稳定性

0引言

开展铅锌矿大结构参数采场围岩稳定性技术研究，对于保障矿山安全生产、提高资源利用率、促进铅锌矿产业可持续发展具有重要意义。本研究旨在通过理论分析、数值模拟、现场监测等手段，深入探讨大结构参数采场围岩的稳定性机理，提出有效的支护措施和技术方案，为矿山的安全生产和高效开采提供科学依据和技术支持。

1 岩石物理力学性质

通过对矿山岩体质量属性进行细致且精确的鉴定与分析，某矿两个不同深度采坑，采用岩石质量评分（RMR）与巴顿Q分级模型对岩体质量进行综合评定。按RMR分级所划分的等级层次，矿1采场岩体被纳入二级范畴，岩体质量上佳；该采场岩体评定结果为三级，其岩体质量属中等档次，巴顿Q分级结果亦显现，该采场岩体定级结果为二级，该采场岩体评级为三级等级，这两项分类手段的成效彼此互为佐证，本文实现了对两座采场岩体质量的统一性及可靠性评估。

2 理论模型分析

考虑到采场稳定性研究中大结构参数的繁杂性，降低分析复杂性，在着手理论模型分析之初，本文采纳了数项假定及简化举措：（1）该表述假定采场内岩体为连续均匀且各向同性的介质；（2）该表述预设岩体变形未突破弹性范畴，尚未步入塑性变形阶段；（3）该岩体形变量极低，整体稳定性影响甚小；（4）将矿场大结构顶板稳定性难题抽象为薄板低幅弯曲现象进行分析；（5）运用拉伸与剪切应力强度理论，构建材料失效预防模型；（6）以矩形顶板周界固定支撑的力学构型为分析基础。针对四周均实施固定限制的矩形薄片弯曲情形下，薄板核心区挠度普遍呈现峰值，此等假定与简略处理手段，助力更精准把脉大结构参数采场的稳定性关键。如图1所示。

上述式子中，ｑ代表顶板承受的均匀载荷；而μ则代表围岩泊松比；此外Ｅ代表弹性模量。

经过周密核算，可归纳出如下结论：矿1开采区域的上覆岩层承受着1.79×10^2 kN/m²的等量荷载，在此承重框架内，矩形薄板的挠曲量最大界限数已为34.3mm；就矿2开采场地而言，该结构顶部所受的均布载荷数值为1.4×10²KN，该矩形薄板的最大弯曲界限数值为7.3mm。对两个采场顶板位移变化趋势进行横向比较，均未显现出显著性，变形程度远逊于顶板实际厚度量级，基于变形逻辑的探讨，该矿场两大结构参数的顶板均稳固无虞，采场安全屏障得以全面构建。

3 极限平衡法分析

鉴于极限平衡法具有操作简便且计算结果误差较小的优势，该方法适宜被采纳来验证大结构参数采场的稳定性。如图2、式（2）所示。

上述式子中，δmax代表这极限抗拉强度；而γ代表岩石容重；此外，h1则代表采场距地表深度。

经过周密核算，矿洞1采场顶板极限厚度定值为8.2m，该采场矿洞2的极限顶板厚度定在7.15m，考察各采场设计方案的顶板厚度参数，这些厚度均超出了极限破坏时的顶板厚度边界，故而得以核实，该采场顶部结构稳固可靠。

4 数值模拟分析

Flac3D软件在岩土与矿业工程界认可度广且应用普遍，本文依托该软件对凡口铅锌矿的矿洞1和2两个采场在挖掘作业前后的应力分布、位移变动以及塑性变形区域进行了数值模拟研究[1]。本模拟所采用的巨型结构参数数值模型，其基础位于废石堆集地，本设计所采用的围岩为D2db型，以复现实际状况为目的，模型边缘横向移动及底部纵向移动均受到位移限制，上表面所受压力源自上方岩体的等效重力，本篇研究整合岩体应力与位移数据，对围岩稳定性进行全方位评估，岩体所受应力越界至极限强度边界，岩体濒临崩溃边缘。如表1所示。

依据Matthews稳定性图表解析所得的实证数据集，矿洞2采矿区域尺寸规定为纵向50.8m、横向23.4m、垂直30.7m，本数值模型的尺寸维度格局为99m×50m×60m，聚拢176，290格单元与188之配对维度比，节点集合计271枚。其采场规模为长53.6m、宽25.0m、高36.1m，该数值模型所占空间为92.4m×50m×60m，聚拢190，760个网格单元对应202，节点集群共计842枚。如图3所示。

在完成对上端及下端洞室的挖掘作业后，本文对两座矿坑的顶底板位移幅度及主应力场进行了细致剖析，矿洞2采场顶板最大垂直沉降数值为17.1mm，底板最大凸起范围达6.1mm；矿洞1采场顶板最大垂直沉降数值为15.9mm，底板最大凸起规格7.85mm。位移量均未突破20mm界限，故而可推断，现阶段情形，该采矿点与相邻采矿点岩体均稳定如初，各采场岩体所承受的最大应力均未达到其压缩强度极限值，应力近乎无，进一步验证了岩体的结构稳固性[2]。

结构参数分析揭示，采场上部硐室顶板主要承受零散的剪切损伤，顶板岩体中拉伸破坏现象微弱，值得注意地，采场矿柱内部显现出明显的剪切断裂层，部分矿柱全然嵌入其中，此情形对矿山安全开采形成重大隐患，提高矿山开采安全系数，采场顶板支护措施的实施紧迫性明显，此技术有效减少了矿柱所受的上覆岩层压力，规避矿柱超负荷损害，进而杜绝顶板坍塌隐患。

对矿洞2及矿洞1深部大采场开挖后的应力分布特征进行定量描述，顶板及两侧岩体正遭受复杂的压拉应力侵袭，矿洞2采场顶板岩体的极限抗拉强度达到4.1MPa，该拉应力层厚度大致为5m，该岩体所承受的最大压缩应力为61.7MPa，尚未达到岩石抗压强度极限值，转角区域两端显现出应力集聚现象。矿洞1采场顶板岩体的最大拉应力水平偏高，4.4MPa压力单位，该拉应力层厚度约莫5m上下，该采场周边岩体应力分布更胜一筹，应力集聚带狭窄，该采场岩体所遭遇的最大应力量级为70.3MPa，表述未能突破岩石压缩强度极限界限，采场转角处亦暴露应力集聚迹象，此情形或引发应力消散，顶板与边帮岩体面临潜在风险，两个矿区的岩体均未达到围岩强度临界值，该区块两大结构参数采场整体稳定状态未变。

参照位移云图数据展开分析，矿洞2采场岩体位移沉降最大数值为40.7mm，位于顶板之上，底座平面凸起11.6mm，矿洞1采场岩体的位移沉降数值较为显眼，直径测量结果为48.3mm，亦在顶盖区域显现，底板隆起量测为11.8mm。值得注意地，矿洞1采场顶板局部区域连通下沉模式显现，该状况提升了顶板塌陷的隐患，按照位移稳定性约束参照系，即便两个采场开挖完毕，岩体整体依旧维持着稳定态势，考虑到顶板岩体位移的局部连接互通性，有必要实施采场顶板加固措施，强化其稳固性，采场两侧岩体位移量均未逾越11mm界限，依据位移稳定性界限，依据科学分析，确认采场开挖后结构稳固，塌陷可能性极低，全局状况维持稳定格局。

检视采场开挖所显现的塑性区域分布状况图，可以得出如下推论：矿洞2采矿区开挖告一段落，顶板四围及两侧墙体已发生剪切式破坏，纵然塑性区域覆盖面不广，顶板岩体内部存在应力汇聚现象，此举提升了采场顶板岩体坍塌的威胁等级。这一现象与矿洞2采场开挖后局部区域测得的4.1MPa拉伸应力值相比对，矿洞1采场顶板经开挖检验，未发现明显破坏痕迹，两侧边墙仅出现轻微剪切损伤，采场周边岩体坚不可摧。

整合矿洞1大型结构参数采场开挖成效后的应力场解析数据，该采场应力峰值已触及4.4MPa临界点，该值与岩体抗拉极限值相差无几，提升矿业生产安全系数，必须增强顶板岩体的结构抗剥脱刚度。

即便两处采石场的岩体整体上未现不稳定，鉴于顶板大面积显露，顶板岩体面临坍塌隐患，埋设了安全问题的伏笔，对采场顶部及两侧墙体执行专项支护作业，实现采场岩体稳定保障。

5 结论

综上所述，（1）对顶板力学模型进行深入挖掘，矿洞1采场顶板挠度最大评定数值34.3mm，该采场顶板挠度峰值不过7.3mm，观测结果显示，两处采矿区的地表沉降幅度微乎其微。（2）采用极限稳定分析法，对宏大结构采矿场岩体稳定性参数进行了理论层面的实证检验，计算结果输出表，该采场矿洞1与矿洞2的实际顶板厚度均超出了极限破坏临界点的顶板厚度标准，该表述证实了岩体的结构耐扭转性。（3）依循初始设计标准，对矿洞2与矿洞1矿坑顶部岩层的稳定性概率进行了量化分析，统计结果分别为89.8%及88.5%，要求岩体稳定概率须达95%，矿洞1与矿洞2采场顶板暴露走向长度上限分别设为53.6m及50.8m。（4）模拟分析揭示出，矿洞2及矿洞1开采区沉降数值均未触及岩体稳定位移的上限，两个采场开挖完毕，各自呈现出特定区域的塑性变形带，保障采场各部位岩体稳定状态恒定不变，必须采纳适宜的支撑手段强化岩层稳定度。

参考文献：

[1]陈卫东，石勇，史秀志.凡口铅锌矿大结构参数采场围岩稳定性分析[J].黄金，2023，44（4）：5-9

[2]张建伟，赵江波，姚景亮.红岭铅锌矿采场结构参数优化研究[J].黄金，2024，45（6）：6-10