結合多種方法研究張莊鐵礦高階段采場合理暴露面積

王南南

（安徽馬鋼張莊礦業有限責任公司，安徽 六安 237471）

關健詞：采場暴露面積；Mathews穩定圖法；數值模擬計算；充填體側幫

1 概述

張莊鐵礦-450m中段的開采已接近尾聲，根據礦山目前的階段高度以及采礦設備的性能，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，同時開采中段進一步靠近地表及礦體上部強風化層。為確保高階段采場回采安全，需要優化新中段的采場結構參數，尤其是采場合理暴露面積。

2 采場合理暴露面積計算

張莊鐵礦與采場穩定性關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直接圍層。由于節理裂隙分布不同的原因，采場垂直礦體走向布置和采場沿礦體走向布置，這兩種不同的采場布置方式其采場穩定性有所不同，合理的暴露面積也不一樣，故需要區別對待。

關系到采場的穩定性，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，其力學性能亦有差別。不同強度的充填體，其合理的暴露面積不一，故需要具體對待。張莊鐵礦-390中段采場充填體強度值有3個：R28≥2.0 MPa（采場上部）；R28≥2.5 MPa（采場中部）；R28≥3.0 MPa（采場下部）。

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

2.1 Q值修正

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

式中RQD——巖體質量指標；Jn——節理組數系數；Jr——節理面粗糙度系數；Ja——節理面蝕變程度（變異）系數；Jw——裂隙水影響折減系數；SRF——地應力影響折減系數。

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度；Jw與SRF之比反映巖石的有效應力（或稱主動應力）。這些參數的取值規則可參考相關文獻。計算所得Q值的可能范圍為0.001～1000。

依據《張莊鐵礦建設關鍵技術研究與實踐》統計，礦體的RQD值從88%～99%，花崗片麻巖的RQD值從86%～100%。為了穩妥起見，二者均取其小值。充填體的巖體質量指標RQD值最佳的獲取途徑是通過現場鉆孔取巖芯，當缺少現場取樣資料的情況下，這里參照類似工程（安徽李樓-吳集鐵礦）確定相關參數。

按照Mathews穩定圖方法的要求對Q值進行修正，將地應力影響因素SRF設為1.0，地下水的影響因素Jw＝1，按照Q系統分級法計算得到5種材料的Q′（即修正后的Q值）。

2.2 參數A、B、C值的確定

（1）A值

根據有限單元法數值模擬計算的結果，在采場周邊大部分地方誘生的壓應力值一般都較小，單軸抗壓強度σc與誘生的壓應力σi之比值較大，即σc/σi＞10，故取強度因子A=1。

（2）B值

礦體和圍巖中主要節理和構造的傾角一般都較大（大約60°），而充填體中節理裂隙很難發現，一般是水平的居多。根據相關的使用經驗確定節理方向調整參數B：對于礦體頂板，B=0.8；對于礦體側幫和圍巖，根據使用經驗，取B=0.5；對于充填體，B=1.0。

（3）C值

重力調整因子，與重力作用下的待分析采空面的破壞模式有關，實則與產狀有關，與失穩面的傾角關系密切。

由于礦體相當厚大，對于-390中段來說，采場頂板傾角為0°，側幫傾角為90°；對于直接圍巖，傾角視為90°；對于充填體，側幫傾角為90°。計算重力調整因子C值如下。

磁鐵礦，頂板C＝1.0，側幫C＝8.0。

花崗片麻巖，上下盤C＝8.0。

充填體，C＝8.0。

2.3 估算暴露面積

根據形狀因子的數值，按照采場實際高度85m、采場寬度15m，計算各類礦巖及充填體的暴露面積。Mathews穩定圖法計算結果表明：①當采場垂直礦體走向布置時，采場頂板的暴露面積為2352m2，采場側幫的暴露面積為13246m2，上下盤直接圍巖（花崗片麻巖）的暴露面積為13110m2；②當采場沿礦體走向布置時，采場頂板的暴露面積為1260m2，采場側幫的暴露面積為6184m2；上下盤直接圍巖（花崗片麻巖）的暴露面積為6068m2；③充填體強度值R28=3.0 MPa時，充填體的側幫暴露面積為8603m2。

3 采場暴露面積類比

國內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，采場長度80m。安慶銅礦的中段高度達到了120m，分段高60m。從使用空場回采嗣后充填法礦山的情況來看，采場頂板暴露面積超過1600m2的礦山較少，一般都控制在1600m2之內。通常而言，頂板暴露面積超過1600m2時，采場巖體的穩定性已經很好了；暴露面積達到2000m2時，巖體的穩定性必須相當好，這樣的巖體一般少見。有關文獻資料認為，只有極穩固的巖體回采時允許的暴露面積才可以大于2000m2。當然，這一看法可能有點保守。從巖石本身的強度來說，張莊鐵礦巖石的力學強度是很高的（磁鐵礦的單軸抗壓強度平均為192.91MPa，花崗片麻巖平均為192.74MPa)，但其節理裂隙略為發育，在一定程度上影響了采場頂板暴露面積值。

礦體側幫暴露面積一般不超過10000m2，通常都控制在8000m2之內。湖南郴州柿竹園鉛鋅礦的空場高度達90m，長67m，側幫暴露面積為6030m2，空區的穩定性較好，10多年之后只跨塌了一小部分。當然，柿竹園鉛鋅礦的巖體強度還是較高的，礦石的單軸抗壓強度平均為150MPa左右。通常而言，側幫暴露面積達到10000m2時，巖體的穩定性必須很好。

由于充填體的灰砂比不同，其力學強度不一，由此產生的充填體側幫暴露面積也相差較大，從1500m2～9600m2的都有。國內李樓-吳集鐵礦，充填體側幫暴露面積最大時達8000m2，充填體穩定；通過對現場充填體取樣測試，灰砂比為1：4，1：6和1：8的充填體，其平均單軸抗壓強度分別為3.67 MPa，2.84 MPa和2.35 MPa。安慶銅礦，充填體長×寬×高=40～70×15×115m，其側幫暴露面積達8050m2，沒有產生過坍塌，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的分級尾砂膠結充填，其單軸抗壓強度為2.08MPa～3.47MPa。

4 結論

前面依據Mathews穩定圖法計算了采場暴露面積值，參照國內外類似工程，根據采場布置方式及巖體中節理裂隙發育程度的不同，或者充填體質量的好壞，建議礦巖及充填體的合理暴露面積值：①當采場垂直礦體走向布置，采場寬度15m～20m時，推薦采場頂板合理的暴露面積為2000m2～2200m2；采場側幫及圍巖（花崗片麻巖）的暴露面積為10000m2～12000m2。②當采場沿礦體走向布置，采場寬度15m～20m時，推薦采場頂板合理的暴露面積為1000m2～1200m2；采場側幫及圍巖（花崗片麻巖）的暴露面積為5000m2～6000m2。③充填體強度值R28=3.0 MPa時，推薦充填體的側幫暴露面積為7000m2～8500m2。此值對應的充填體暴露長度為82m～100m（采場高度為85m）。④當節理裂隙較發育時（或充填質量較差時）取小值，反之取大值。