Mathews稳定图法在某铅锌矿围岩稳定性分析中的应用.doc

Mathews稳定图法在某铅锌矿围岩稳定性分析中的应用闻 磊（长沙矿山研究院 湖南 长沙 410012）摘要：Mathews稳定性图解法应用于采空区围岩稳定性分析，可为采场结构参数设计提供可靠依据。本文将Mathews稳定性图解方法应用于某铅锌矿，分析了该矿山现阶段未处理的采空区围岩的稳定性，为空区治理提供了帮助。关键词：Mathews稳定图 、围岩稳定性、采场参数 Analysis of surrounding rock stability of a lead-zinc mine by the use of the mathews stability graph methodWen Lei Huang Yinghua Luo Cheng Li Chang(Changsha Institute of Mining Research，Changsha，Hunan410012,China)Abstract：the Mathews stability graph method is applicable to analyse the stability of Surrounding Rock and is used for designing of structural parameter. In this paper, the method is used for analysis of stability of a lead-zinc mine wall rock and provide the basis for mine goaf management.Key words: the Mathews stability graph; stability of Surrounding Rock; stope parameterMathews（马修斯）稳定图（Mathews等，1981）类似于Laubscher（劳斯切尔）的崩落法图表，随着更进一步收集到稳定性数据，稳定性图表已经在原有基础上经历了几个版本的调整和补充。尽管Stewart和Forsyth（1995）提议将其应用于崩落法的可崩性预测，而其原意是仅用于预测采场的稳定性。最初的Mathews稳定性图解包括三个带，三个带之间被两个过渡带分隔，三个稳定性分带表示了如下的意义：稳定，即开挖体无支护或局部支护可以自立；过度区，即发生局部破坏，但形成稳定的平衡拱，调整设计或安装锚索支护可以减小破坏范围；崩落，即开挖体将产生破坏，直到开挖空间被填满。Potvin（1988）通过242个案例（176个无支护，66个支护）和重新定义某些调整系数修改了Mathews设计方法，采用了修改的稳定性N，值。Potvin的修改方法已成为熟知的修正稳定性图解方法。1 Mathews稳定性图解法分析过程简介采用Mathews稳定性图解方法分析采空区顶板及围岩的稳定性，应用稳定性图表方法需要计算两个参数：形状因素和稳定性系数。稳定性系数反映了在一定的应力条件下岩体自立的能力，形状因素考虑了单独采场暴露表面的尺寸和形状。形状系数是暴露面的水力半径。Mathews稳定性系数的计算公式如下3： 式中：N：Mathews稳定性系数；Q：修正的Q值；A：岩石应力系数；B：节理方位系数；C：重力调整系数。Mathews稳定性系数与水力半径的相关关系如图1所示。图1 Mathews稳定性系数与水力半径的相关关系图（1）Q值Mathews稳定性图解方法采用了修正的NGI隧道质量指标Q，与Q值不同的是，Q值中的应力折减系数（SRF）和节理渗水折减系数（Jw）都为1.0，这样Q值的计算公式为： （2）岩石应力系数A值考虑高应力影响降低岩体稳定。A值为完整岩体的单轴抗压强度与平行开挖面的最大诱导应力的比值。A值与成线性关系，变化范围为0.1到1.0。A值可以根据图2确定。图2 岩石应力系数A的图解 (Potvin，1988)（3）节理方位系数BB值要考虑不连续面的方向影响，B值根据控制性节理与采场表面的相对方位确定，结构面与开挖面的夹角为90时，B系数被赋值1，不连续结构面与开挖表面的夹角为20时，B值为0.2，如图3。 图3 节理方位系数B的图解（Potvin，1988）（4）重力调整系数C由于重力的影响，采场顶板的稳定性小于侧帮，重力调整系数C考虑了重力对采场暴露表面崩落、滑落等稳定性的影响，重力调整系数C和采场表面倾角的关系由下式确定。 （1）图4 重力调整系数C的图解 （Potvin，1988）（5）水力半径（HR）水力半径是开挖面表面积与暴露面周长的比值，可采用下面的方法确定，见图5。（上盘的水力半径面积/周长XY/(2X+2Y)）图5 水力半径确定方法图解2 实例分析 某铅锌矿矿区矿脉主要是受灰岩岩体的形态、规模、产状及其断裂所控制，围岩主要以灰岩为主。矿山采用斜井开拓，房柱法开采。根据其颁发的采矿许可证，矿区面积为0.0597km2，生产规模为0.35万吨/年，开采深度为+1800m+1650m标高，企业性质为民营企业。采用Mathews稳定性图解方法，对采空区围岩的稳定性进行了分析。（1） 修正的值，见表1 表1 修正的Q值计算结果 岩 性RQDJnJrJa值灰岩886127.3（2）岩石应力系数A，见表2。 表2 岩石应力系数A 岩 性灰岩岩石应力系数Rc/141.1A1.0（3）节理方位系数BB值根据控制性节理与采场表面的相对方位确定，根据现场调查的采空区分布状况和现场节理调查结果进行分析。采空区顶板产状为25030，灰岩主要发育有如下两组节理，34331，25730，灰岩岩组和采空区上盘暴露面的赤平投影图如图6所示；图6 采空区上盘与灰岩节理赤平投影图根据图6可以得出灰岩岩组中的节理与空区上盘暴露面的夹角。由此可分别得出节理方位系数B，分析结果见表3。表3 节理方位系数B分析结果岩性灰岩节理产状3433125730夹角776B值0.90.25（4）重力调整系数C由于重力的影响，采空区顶板的稳定性小于侧帮，重力调整系数C考虑了重力对采场暴露表面崩落、滑落等稳定性的影响。矿山采用房柱法开采，其采场暴露面的倾角基本与矿体倾角一致，约为30，重力调整系数C为：根据计算的Mathews稳定性系数的计算参数，按公式，以及稳定性系数与水力半径的相关关系图（图1），可得出稳定性系数N和稳定状况下的容许水力半径HR，根据现场节理裂隙调查结果，B值的取值按主要节理的产状和上盘暴露面的夹角来确定，计算结果如表4。由于铅锌矿区井下采空区上盘围岩和顶板均为灰岩，根据水力半径的确定方法（图5），对井下各采场水力半径进行了计算分析，结果如表5所示。 表4 稳定性系数N计算结果 岩性QABCN允许水力半径HR灰岩7.31.00.92.818.47.9表5 采空区围岩稳定性计算结果 空区编号周长（m）面积（m2）计算水力半径（HR）稳定性状况328579917.7稳定性差983944.0稳定性较好1469126.2稳定性一般 根据稳定性系数N和稳定状况下的允许水力半径HR计算分析结果，除和采空区顶板暴露面积较小，稳定性状况相对较好外。采空区上盘岩层稳定性状况较差，暴露面积远大于上盘岩层（灰岩）的容许暴露面积。3 结论（1） Mathews稳定性图解法计算结论与采空区现场调查结果相符，该方法是一种简便的图解方法，可方便地对采空区顶板和侧帮的稳定性进行评价与分析。（2） 铅锌矿区和采空区顶板暴露面积较小，稳定性状况相对较好。采空区上盘岩层稳定性状况较差，应及时处理，可采用用充填料充填空区，用矿柱支撑空区或封闭隔离处理空区等方法。（3） Mathews稳定性图解方法应用于采空区围岩稳定性分析，可为该矿山下阶段的采场结构参数设计提供依据。参考文献1 李爱兵. 缓倾斜层状矿体崩落步距的Mathews稳定图方法研究J. 中国矿业, 2007, 16(2): 67-69. (LI Ai-bing. Caving spacing study for the flat inclined layered ore-body by Mathews methodJ.China Mining Magazing,2007,16(2): 6769.(in Chinese)2 冯兴隆, 王李管, 等. 基于Mathews稳定图的矿体可崩性研究J. 岩土工程学报, 2008, 30(4): 600-604. (FENG Xinglong, WANG Liguan, et al. collapsibility of orebody based on Mathews stability graph approachJ. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(4): 600-604. (in Chinese)3 MILNE D,HADJIGEORGIOU J,PAKALNIS R.Rock mass characterization for underground hard rock minesJ. Tunn