考虑崩落围岩行为的深部陡倾斜薄矿脉矿房稳定性评估：经验-数值混合方法

《Mining》：Assessing Stope Stability in Steep Thin-Vein Mine at Deep Depths: A Hybrid Empirical-Numerical Approach Considering Caved Rock Behavior

　　

本研究针对乌兹别克斯坦Zarmitan金矿深部陡倾斜薄矿脉开采中的矿房稳定性问题，采用经验方法与数值模拟相结合的混合方法进行评估。传统数值研究常将采空区视为空区或充填体，鲜有研究模拟采空区作为由顶板冒落自然演化形成的弱松散崩落围岩介质。本研究通过逐步模拟崩落围岩来填补这一空白，使分段崩落法开采中的采掘空间表征更加真实。研究采用Mathews稳定图法（Mathews stability graph method）提供初始设计指导，并利用三维有限差分程序FLAC3D模拟含崩落围岩显式表征的采掘顺序。参数研究考察了应力比（K = σ_H/σ_v）、沿走向矿房长度及矿柱厚度对整体稳定性的影响。结果表明，应力比是控制矿房行为的主导因素；矿房长度显著影响破坏范围，较短矿房在同等条件下表现更优；增加矿柱厚度可改善稳定性并降低关键区域拉应力，但所有情况下顶板支护仍必不可少。数值结果验证了经验预测，同时提供了经验方法无法单独捕捉的应力分布与破坏机制的定量认识。研究结果为矿山运营者提供了定量的、场地特定的设计准则， notably 在实测高水平应力条件下，将矿房长度限制于40 m、矿柱厚度增至8 m可显著改善顶板稳定性，展示了混合经验-数值方法如何直接支持深部窄矿脉开采中更安全、更经济的矿石回采。

本研究围绕乌兹别克斯坦Zarmitan金矿深部陡倾斜薄矿脉的矿房稳定性问题展开系统研究，旨在为类似地质与应力条件下的采矿设计提供科学依据。

研究背景方面，随着全球矿产资源需求持续增长，采矿作业逐渐向深部延伸以开采剩余矿石资源。深部开采面临显著的地质力学挑战，首要特征为高地应力，可能引发岩爆、过度变形及不可控贫化等稳定性问题。陡倾斜薄矿脉矿体尤为复杂，因为采掘空间狭窄、暴露面常受结构面控制，且生产布局多采用多个邻近矿房排列，相邻矿房与残留矿柱之间的相互作用主导稳定性响应。当水平-垂直应力比（K = σ_H/σ_v）较高时，问题更为敏感，因其增大应力差并促进硐室周边及矿柱内的屈服区与受拉区扩展。Zarmitan矿区现场应力测量已证实显著构造应力的存在，研究表明水平应力可达垂直应力的1.0至1.4倍。经验性的Mathews稳定图法是矿房初始设计的主要工具，该方法利用稳定数（N′）与水力半径（HR）预测矿房顶板稳定性，但其依赖固定案例数据库，无法充分捕捉复杂三维应力重分布、岩体渐进破坏特性及高应力环境下多矿房-矿柱相互作用。数值模拟已成为岩土工程中克服上述局限的必要手段，FLAC3D等程序可详细模拟采掘顺序、地质条件显式表征（矿脉、围岩）以及采掘空间周围应力、位移和破坏区的分析。将经验方法用于初始指导与数值模型进行详细验证相结合，可获得更稳健可靠的矿房设计。

研究方法与数据来源方面，本研究采用经验-数值混合方法，样本队列来源于乌兹别克斯坦Zarmitan金矿现场实测数据，包括实验室测试、地下编录及为矿区开发的现场应力模型。具体技术方法包括：（1）Mathews稳定图法进行经验性矿房设计分析，计算水力半径、修正稳定数（N′ = Q′ × A × B × C）及稳定性分类；（2）基于广义Hoek-Brown准则的岩体强度表征，对花岗闪长岩围岩和石英矿脉进行岩体参数计算；（3）三维有限差分数值建模，采用FLAC3D（版本5.01）建立200 m × 200 m × 300 m的计算域，模型包含三种区域分组：下盘围岩、矿脉和上盘围岩，矿脉厚2 m、倾角75°，通过网格敏感性分析确定矿脉厚度方向4个分区（局部分辨率约0.5 m）的网格配置；（4）采掘顺序模拟分三阶段进行：初始平衡、矿房开挖（将矿脉区域设为null模型模拟两矿房同时开挖，下矿房标高90–144 m，上矿房标高150–204 m，留设6 m矿柱）、崩落围岩充填（将开挖区域充填为崩落围岩材料并求解至平衡）；（5）参数化研究，系统分析应力比（K = 1.0、1.4、2.0）、沿走向矿房长度（40 m、50 m、60 m）和矿柱厚度（4 m、6 m、8 m）对稳定性的影响，监测点布置于上矿房顶板（P1）、矿柱中心（P2）、下矿房底板（P3）和上盘（P4）；（6）矿房稳定性评价指标包括最大顶板位移、矿柱压缩量、底板回弹、上盘位移以及关键区域主应力峰值和屈服状态图。

研究结果部分按照原文结构进行介绍。

基线工况方面，分析了三种应力比条件下的矿房行为。等应力条件（K = 1.0）下，开挖后矿柱与围岩出现剪切-拉张组合破坏，崩落围岩充填后矿柱主动剪切区减小，但上盘拉张破坏基本不变，最小主应力（σ₁）峰值达?40.8 MPa（应力集中系数约3.0），最大主应力（σ₃）在上盘出现+0.0138 MPa的拉应力，上盘位移最大（?2.77 mm）。实测应力条件（K = 1.4）下，矿柱呈现分区破坏特征，崩落围岩充填未能阻止矿柱主动剪切和上盘主动拉张，最小主应力峰值升至?55.4 MPa（应力集中系数约4.1），最大主应力峰值+0.0166 MPa，上盘位移?2.75 mm仍为最大。高应力敏感性工况（K = 2.0）下，矿柱几乎完全破坏，崩落围岩仅提供轻微约束，最小主应力峰值达?78.0 MPa（应力集中系数约5.8），最大主应力峰值+0.0346 MPa，表明该几何条件下采场无法安全使用。

应力比影响方面，通过基线对比得出应力比是控制矿房稳定性的主导因素。随K值增大，矿柱剪切破坏范围显著扩展，应力集中系数从3.0增至5.8；顶板沉降从?0.018 mm增至?1.14 mm；上盘位移在K = 1.0至2.0范围内保持?2.42至?2.77 mm的最大变形特征。

矿房长度影响方面，保持K = 1.4和矿柱厚度6 m不变，改变沿走向长度。40 m矿柱无任何破坏，上盘无净拉应力；50 m矿柱出现分区破坏；60 m矿柱破坏更广泛，破坏沿采场边界扩展至上部顶板。最小主应力峰值分别为?41.6 MPa（L = 40 m）、?55.4 MPa（L = 50 m）、?63.9 MPa（L = 60 m），增幅达54%；上盘位移分别为?2.19 mm、?2.75 mm、?3.17 mm，呈递增趋势。

矿柱厚度影响方面，保持K = 1.4和矿房长度50 m不变，改变矿柱厚度。4 m矿柱以"剪切-n剪切-p"破坏为主，矿柱几乎完全失效，最小主应力峰值?66.8 MPa，上盘位移?3.18 mm；8 m矿柱无整体破坏，稳定核保留，最小主应力峰值降至?48.5 MPa，上盘位移减至?2.33 mm。最大主应力显示，8 m矿柱使上盘峰值拉应力从约+0.0162 MPa微降至+0.0159 MPa，整体应力分布和稳定性条件得到改善。

讨论与结论部分，研究人员综合了经验方法与数值模拟的结果，得出以下主要结论：

应力比是控制稳定性的最重要因素。当K从1.0增至2.0时，矿柱峰值压应力从?40.8 MPa升至?78.0 MPa（增幅91%），顶板沉降从?0.18 mm增至?1.14 mm；K ≥ 1.4时基准几何条件（50 m矿房、6 m矿柱）临界失稳。

矿房长度对破坏范围影响显著。K = 1.4时，将长度从60 m减至40 m使矿柱峰值应力从?63.4 MPa降至?41.6 MPa（降幅35%），40 m矿房在实测应力条件下明显更稳定。

矿柱厚度改善稳定性并降低采掘空间周围变形。将矿柱厚度从4 m增至8 m（K = 1.4，L = 50 m），虽上盘峰值拉应力降低幅度有限（从约+0.0162 MPa至+0.0159 MPa），但显著改善了整体力学响应：减少主动剪切、保留更稳定的矿柱核心、大幅降低破坏区和位移量。然而所有情况下上盘仍表现出受拉行为，证实无论矿柱厚度如何，独立的上盘支护（如锚索）仍必不可少。

崩落围岩有助于稳定性但无法阻止拉张破坏。充填后多数情况下矿柱主动剪切减小或转为过去剪切，但除矿柱较厚情况外，上盘拉张破坏在所有情况下持续存在。

混合方法验证并改进了经验预测。数值结果与Mathews稳定图法预测一致，均表明上盘为最关键面且不稳定性随K增大和矿房加长而恶化，但经验方法无法展示破坏范围、实际应力值及三维矿柱-矿房相互作用。

实际设计建议方面：当前实测应力条件（K ≈ 1.4，深度约500 m）推荐采用40 m矿房长度和6 m矿柱厚度，该设计无矿柱破坏、上盘无净拉应力且位移小；若生产需要50 m矿房，将矿柱厚度增至8 m可显著降低上盘拉应力（约90%）并改善整体稳定性，但以部分矿石损失为代价；对于更高应力比（对应更大深度或局部构造带），即使40 m矿房也要求更厚矿柱（≥8 m）和额外支护，此种条件下应考虑其他采矿方法如分层充填法配合快速充填。该系统性方法为Zarmitan矿提供了实用设计指导，并为其他类似深部陡倾斜窄矿脉矿山提供了可借鉴的方法论。论文发表于《Mining》。