1 引言

空場采礦法(Open Stope Method)主要應用于傾角較陡的厚大礦體, 其設計主要是確定空場的穩定性. 總的來說, 有兩類方法可以分析空場的穩定性. 一類方法是通過解析或數值模擬技術分析空場圍巖的應力和應變, 例如FLAC3D, 3DEC, RS3等, 很多年前, 我們使用位移不連續方法---一種間接邊界元法分析過一個銅礦空場的穩定性, 以此確定合適的礦房,間柱以及頂柱和底柱尺寸, 最大化地取出礦體; 另一類方法是基于經驗的空場設計方法, 簡稱穩定性圖法(Modified Stability Graph Method), 這種方法起源于加拿大, 在加拿大和澳大利亞的地下金屬礦山中廣為使用. 這個筆記簡要回顧了穩定性圖法的歷史.

2 歷史背景

加拿大的地下金屬礦山至少有50%都采用空場采礦法進行開采, 因此積累了大量的實測數據. 1980年, Golder Associates溫哥華分公司的Mathews和他的幾位同事為CANMET寫了一份研究報告<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.>, 提出了基于經驗的空場設計方法, 后稱Mathews穩定方法. 

3 重要改進

Potvin(1988)在UBC完成他的博士論文時, 對Mathews的穩定方法作了改進. <Potvin, Y. 1988. Empirical open stope design in Canada. Ph.D. thesis, Dept. Mining and Mineral Processing, University of British Columbia. 350p>. 他使用了改進的穩定性數N′ (Modified Stability Number), 稱作Modified Stability Graph. 如下圖所示. 

圖中的橫坐標是靜水力半徑, 它是空場面積與空場周長的比值. 這種方法的一個主要特征是可以單獨分析每個空場面的穩定性.  N′越大,表明巖體的質量越好. 

其中Q′ is 改進的Q指標, 參考如下鏈接:

邊坡工程巖體分類系統Q-slope

Q-System巖石塊體尺寸的估算(RQD/Jn)

A是應力系數; B是巖石調節系數; C是重力系數. 

在原始的Q表達式中, 令SRF=1, 則得Q′, 如下式所示:

A使用原巖的單軸抗壓強度UCS和平行于空場面的壓應力σ1來決定, 如下式所示:  

B表示空場面節理產狀對穩定性的影響. 下面的圖用來決定B值.  

C表示空場面的傾斜程度對穩定性的影響. 下式用來決定C的值:

4 使用條件

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.> 指出穩定性圖不適用于如下場景: (1) 嚴重的巖爆條件; (2) 大變形巖體; (3) 有進路的采礦方法.

5 參考文獻

[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.