結(jié)合多種方法研究張莊鐵礦高階段采場(chǎng)合理暴露面積

王南南

（安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 六安 237471）

關(guān)健詞：采場(chǎng)暴露面積；Mathews穩(wěn)定圖法；數(shù)值模擬計(jì)算；充填體側(cè)幫

1 概述

張莊鐵礦-450m中段的開(kāi)采已接近尾聲，根據(jù)礦山目前的階段高度以及采礦設(shè)備的性能，將新中段高度提高到90m，即新中段為-390m至-300m水平。目前揭露-390m水平礦體最大水平厚約170m，-300m水平最大水平厚約233m。因-390中段礦體水平厚度變大，且采礦中段高度由60m提高到90m，同時(shí)開(kāi)采中段進(jìn)一步靠近地表及礦體上部強(qiáng)風(fēng)化層。為確保高階段采場(chǎng)回采安全，需要優(yōu)化新中段的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，尤其是采場(chǎng)合理暴露面積。

2 采場(chǎng)合理暴露面積計(jì)算

張莊鐵礦與采場(chǎng)穩(wěn)定性關(guān)系密切的巖體主要有2種，即磁鐵礦和花崗片麻巖，其中，磁鐵礦為礦體本身，花崗片麻巖為礦體上下盤(pán)直接圍層。由于節(jié)理裂隙分布不同的原因，采場(chǎng)垂直礦體走向布置和采場(chǎng)沿礦體走向布置，這兩種不同的采場(chǎng)布置方式其采場(chǎng)穩(wěn)定性有所不同，合理的暴露面積也不一樣，故需要區(qū)別對(duì)待。

關(guān)系到采場(chǎng)的穩(wěn)定性，除了礦體和圍巖以外，還有充填體。充填體由于灰砂比不同，充填工藝有所差別，其力學(xué)性能亦有差別。不同強(qiáng)度的充填體，其合理的暴露面積不一，故需要具體對(duì)待。張莊鐵礦-390中段采場(chǎng)充填體強(qiáng)度值有3個(gè)：R28≥2.0 MPa（采場(chǎng)上部）；R28≥2.5 MPa（采場(chǎng)中部）；R28≥3.0 MPa（采場(chǎng)下部）。

對(duì)于礦體而言，為了研究問(wèn)題的全面，需要同時(shí)討論其頂板的暴露面積和側(cè)幫的暴露面積；而對(duì)于圍巖和充填體而言，則只需要討論其側(cè)幫的暴露面積。下面對(duì)5種材料（1種礦體、1種圍巖及3種充填體）的合理暴露面積進(jìn)行探討。

2.1 Q值修正

Q系統(tǒng)分級(jí)法最早是由挪威巖土工程研究所（NGI）的巴頓（N.Barton）等人根據(jù)212個(gè)隧道案例于1974年提出的，至2013年累積已達(dá)1480案例。Q是巖體質(zhì)量的簡(jiǎn)稱(chēng)。考慮的因素與Bieniawski的RMR分類(lèi)法比較接近，但是它采用的得分計(jì)算方法卻是乘積法。其表達(dá)式如下：

式中RQD——巖體質(zhì)量指標(biāo)；Jn——節(jié)理組數(shù)系數(shù)；Jr——節(jié)理面粗糙度系數(shù)；Ja——節(jié)理面蝕變程度（變異）系數(shù)；Jw——裂隙水影響折減系數(shù)；SRF——地應(yīng)力影響折減系數(shù)。

其中，RQD與Jn之比值可粗略表示巖石的塊度；Jr與Ja之比表示嵌合巖塊的抗剪強(qiáng)度；Jw與SRF之比反映巖石的有效應(yīng)力（或稱(chēng)主動(dòng)應(yīng)力）。這些參數(shù)的取值規(guī)則可參考相關(guān)文獻(xiàn)。計(jì)算所得Q值的可能范圍為0.001～1000。

依據(jù)《張莊鐵礦建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐》統(tǒng)計(jì)，礦體的RQD值從88%～99%，花崗片麻巖的RQD值從86%～100%。為了穩(wěn)妥起見(jiàn)，二者均取其小值。充填體的巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD值最佳的獲取途徑是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取巖芯，當(dāng)缺少現(xiàn)場(chǎng)取樣資料的情況下，這里參照類(lèi)似工程（安徽李樓-吳集鐵礦）確定相關(guān)參數(shù)。

按照Mathews穩(wěn)定圖方法的要求對(duì)Q值進(jìn)行修正，將地應(yīng)力影響因素SRF設(shè)為1.0，地下水的影響因素Jw＝1，按照Q系統(tǒng)分級(jí)法計(jì)算得到5種材料的Q′（即修正后的Q值）。

2.2 參數(shù)A、B、C值的確定

（1）A值

根據(jù)有限單元法數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，在采場(chǎng)周邊大部分地方誘生的壓應(yīng)力值一般都較小，單軸抗壓強(qiáng)度σc與誘生的壓應(yīng)力σi之比值較大，即σc/σi＞10，故取強(qiáng)度因子A=1。

（2）B值

礦體和圍巖中主要節(jié)理和構(gòu)造的傾角一般都較大（大約60°），而充填體中節(jié)理裂隙很難發(fā)現(xiàn)，一般是水平的居多。根據(jù)相關(guān)的使用經(jīng)驗(yàn)確定節(jié)理方向調(diào)整參數(shù)B：對(duì)于礦體頂板，B=0.8；對(duì)于礦體側(cè)幫和圍巖，根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，取B=0.5；對(duì)于充填體，B=1.0。

（3）C值

重力調(diào)整因子，與重力作用下的待分析采空面的破壞模式有關(guān)，實(shí)則與產(chǎn)狀有關(guān)，與失穩(wěn)面的傾角關(guān)系密切。

由于礦體相當(dāng)厚大，對(duì)于-390中段來(lái)說(shuō)，采場(chǎng)頂板傾角為0°，側(cè)幫傾角為90°；對(duì)于直接圍巖，傾角視為90°；對(duì)于充填體，側(cè)幫傾角為90°。計(jì)算重力調(diào)整因子C值如下。

磁鐵礦，頂板C＝1.0，側(cè)幫C＝8.0。

花崗片麻巖，上下盤(pán)C＝8.0。

充填體，C＝8.0。

2.3 估算暴露面積

根據(jù)形狀因子的數(shù)值，按照采場(chǎng)實(shí)際高度85m、采場(chǎng)寬度15m，計(jì)算各類(lèi)礦巖及充填體的暴露面積。Mathews穩(wěn)定圖法計(jì)算結(jié)果表明：①當(dāng)采場(chǎng)垂直礦體走向布置時(shí)，采場(chǎng)頂板的暴露面積為2352m2，采場(chǎng)側(cè)幫的暴露面積為13246m2，上下盤(pán)直接圍巖（花崗片麻巖）的暴露面積為13110m2；②當(dāng)采場(chǎng)沿礦體走向布置時(shí)，采場(chǎng)頂板的暴露面積為1260m2，采場(chǎng)側(cè)幫的暴露面積為6184m2；上下盤(pán)直接圍巖（花崗片麻巖）的暴露面積為6068m2；③充填體強(qiáng)度值R28=3.0 MPa時(shí)，充填體的側(cè)幫暴露面積為8603m2。

3 采場(chǎng)暴露面積類(lèi)比

國(guó)內(nèi)最典型的礦山為安徽李樓-吳集鐵礦，其次為安慶銅礦及冬瓜山銅礦。李樓-吳集鐵礦的中段高度為100m，分段高25m，采場(chǎng)長(zhǎng)度80m。安慶銅礦的中段高度達(dá)到了120m，分段高60m。從使用空?qǐng)龌夭伤煤蟪涮罘ǖV山的情況來(lái)看，采場(chǎng)頂板暴露面積超過(guò)1600m2的礦山較少，一般都控制在1600m2之內(nèi)。通常而言，頂板暴露面積超過(guò)1600m2時(shí)，采場(chǎng)巖體的穩(wěn)定性已經(jīng)很好了；暴露面積達(dá)到2000m2時(shí)，巖體的穩(wěn)定性必須相當(dāng)好，這樣的巖體一般少見(jiàn)。有關(guān)文獻(xiàn)資料認(rèn)為，只有極穩(wěn)固的巖體回采時(shí)允許的暴露面積才可以大于2000m2。當(dāng)然，這一看法可能有點(diǎn)保守。從巖石本身的強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，張莊鐵礦巖石的力學(xué)強(qiáng)度是很高的（磁鐵礦的單軸抗壓強(qiáng)度平均為192.91MPa，花崗片麻巖平均為192.74MPa)，但其節(jié)理裂隙略為發(fā)育，在一定程度上影響了采場(chǎng)頂板暴露面積值。

礦體側(cè)幫暴露面積一般不超過(guò)10000m2，通常都控制在8000m2之內(nèi)。湖南郴州柿竹園鉛鋅礦的空?qǐng)龈叨冗_(dá)90m，長(zhǎng)67m，側(cè)幫暴露面積為6030m2，空區(qū)的穩(wěn)定性較好，10多年之后只跨塌了一小部分。當(dāng)然，柿竹園鉛鋅礦的巖體強(qiáng)度還是較高的，礦石的單軸抗壓強(qiáng)度平均為150MPa左右。通常而言，側(cè)幫暴露面積達(dá)到10000m2時(shí)，巖體的穩(wěn)定性必須很好。

由于充填體的灰砂比不同，其力學(xué)強(qiáng)度不一，由此產(chǎn)生的充填體側(cè)幫暴露面積也相差較大，從1500m2～9600m2的都有。國(guó)內(nèi)李樓-吳集鐵礦，充填體側(cè)幫暴露面積最大時(shí)達(dá)8000m2，充填體穩(wěn)定；通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)充填體取樣測(cè)試，灰砂比為1：4，1：6和1：8的充填體，其平均單軸抗壓強(qiáng)度分別為3.67 MPa，2.84 MPa和2.35 MPa。安慶銅礦，充填體長(zhǎng)×寬×高=40～70×15×115m，其側(cè)幫暴露面積達(dá)8050m2，沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)坍塌，但局部有片幫，增加了貧化。安慶銅礦采用灰砂比為1:4、1:8的分級(jí)尾砂膠結(jié)充填，其單軸抗壓強(qiáng)度為2.08MPa～3.47MPa。

4 結(jié)論

前面依據(jù)Mathews穩(wěn)定圖法計(jì)算了采場(chǎng)暴露面積值，參照國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程，根據(jù)采場(chǎng)布置方式及巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育程度的不同，或者充填體質(zhì)量的好壞，建議礦巖及充填體的合理暴露面積值：①當(dāng)采場(chǎng)垂直礦體走向布置，采場(chǎng)寬度15m～20m時(shí)，推薦采場(chǎng)頂板合理的暴露面積為2000m2～2200m2；采場(chǎng)側(cè)幫及圍巖（花崗片麻巖）的暴露面積為10000m2～12000m2。②當(dāng)采場(chǎng)沿礦體走向布置，采場(chǎng)寬度15m～20m時(shí)，推薦采場(chǎng)頂板合理的暴露面積為1000m2～1200m2；采場(chǎng)側(cè)幫及圍巖（花崗片麻巖）的暴露面積為5000m2～6000m2。③充填體強(qiáng)度值R28=3.0 MPa時(shí)，推薦充填體的側(cè)幫暴露面積為7000m2～8500m2。此值對(duì)應(yīng)的充填體暴露長(zhǎng)度為82m～100m（采場(chǎng)高度為85m）。④當(dāng)節(jié)理裂隙較發(fā)育時(shí)（或充填質(zhì)量較差時(shí)）取小值，反之取大值。