基于运动学分析与数值模拟的采场支护系统优化研究——可持续采矿新方法

为解决传统岩体分类方法在浅层采矿环境中的局限性，研究人员通过支持阻力设计准则和先进数值模拟技术（RS2/Unwedge），优化了津巴布韦Silobela矿区采场支护系统。研究整合地质力学特性与支护配置，针对楔形破坏、块体滑落和剥落三种失效模式提出定制化方案，经济分析表明优化设计虽成本略增，但显著提升安全性和长期效益，为复杂地质条件下的可持续采矿提供新范式。

　　

在浅层采矿环境中，岩体稳定性面临独特挑战：缺乏深部矿山常见的水平扩张应力，导致悬挂壁形成延伸拉伸带，易引发岩层分离和大规模坍塌。传统依赖Q系统和RMR（岩体质量评分）的支护设计方法存在明显缺陷——无法充分考虑节理走向与局部地质条件的动态相互作用。津巴布韦Silobela矿区作为典型案例，其北部Bulawayan绿岩带内复杂的火山岩-辉长岩地层组合，加上北西向剪切带和三种主要节理组（NE-SW/NW-SE/E-W），使得采场支护设计亟需突破传统框架的革新方案。

针对这一难题，来自国外研究机构的研究团队在《Results in Earth Sciences》发表了一项开创性研究。该研究摒弃传统分类法，首创性地将支持阻力准则与运动学分析、数值模拟技术相结合，构建了一套基于现场数据的优化设计流程。通过采集矿区地质部门记录的岩崩数据库，团队采用累积频率曲线确定临界崩落厚度（0.9m），结合1.6倍安全系数计算出39.55 kN/m²
的支持阻力需求。关键技术包括：1）基于JBlock的块体失效概率分析；2）RS2软件模拟轴向应力与强度因子（>1即安全）；3）Unwedge评估楔形体稳定性（安全系数1.615）；4）经济性验证模型。

研究结果揭示：

1. 现有系统缺陷：当前使用的20mm直径Shepard crooks（间距2m×2m）仅提供27.5 kN/m²
   支持阻力，且14mm环状间隙远超最优值（2.5-4.5mm），导致灌浆性能下降。
2. 优化设计方案：将支护间距缩至1.7m，锚杆长度从2.2m优化至1.6m（0.67m临界粘结长度+0.9m弱区厚度），采用24mm钻孔和22mm水泥胶囊，使支持阻力提升至39.55 kN/m²
   。
3. 失效模式验证：JBlock显示爆破期间工作面2m内存在高风险区（但作业时无人），RS2证实围岩强度因子>1无剥落风险，Unwedge证明所有楔形体安全系数>1.6。
4. 经济性平衡：每采场成本增加71美元（总成本874.52美元），但减少70%事故发生率，符合"安全优先于利润"的采矿准则。

这项研究的意义在于建立了地质数据-数值模型-经济评估的全链条优化方法。通过精确量化支持阻力需求，不仅解决了浅层采矿特有的高变应力与低闭合难题，更实现了岩体控制从经验判断向数据驱动的范式转变。研究提出的"弱区锚固+动态验证"框架，为全球类似矿区的可持续开采提供了可复制的技术模板，其核心创新点在于：1）用累积频率曲线替代传统分类图表；2）整合运动学与应力分析的混合验证法；3）首次在浅层环境证实完整岩石强度（而非GSI修正值）可用于稳定性评估。这些发现推动了采矿工程从保守设计向精准优化的跨越，同时通过减少支护材料用量（长度优化28%）体现了资源效率与安全的双赢。