結合多種方法研究張莊鐵礦高階段采場合理暴露面積

2024年3月17日發(作者：長沙周邊自駕游)

M

管理及其他

王南南

（安徽馬鋼張莊礦業有限責任公司，安徽?六安?237471）

anagement and other

結合多種方法研究張莊鐵礦高階段采場合理暴露面積

采場暴露面積關系到采場結構的穩定性，尤其對高階段采場是一個極其重要的采場結構參數。通常所說的采場暴露面

摘??要：

積一般是指采場頂板和采場側幫及圍巖的暴露面積。張莊鐵礦采用階段空場嗣后充填采礦法，還需要討論充填體側幫的暴露面

積。依據Mathews穩定圖法對采場暴露面積進行了計算，并參照國內外類似工程，考慮一定的安全系數，研究張莊鐵礦90m高階

段采場的合理暴露面積，并給出建議值。

采場暴露面積；Mathews穩定圖法；數值模擬計算；充填體側幫

關健詞：

TD861.1 A 11-5004（2019）09-0201-2

中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：

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：R

28

≥2.0??MPa

；R

28

≥2.5??MPa（采場中部）；R

28

≥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

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：

收稿日期：

2019-09

作者簡介：

王南南，男，生于1991年，漢族，安徽阜陽人，本科，助理工程師，

研究方向：采礦工程。

式中RQD——巖體質量指標；J

n

——節理組數系數；J

r

——

節理面粗糙度系數；J

a

——節理面蝕變程度（變異）系數；

J

w

——裂隙水影響折減系數；SRF——地應力影響折減系數。

其中，RQD與J

n

之比值可粗略表示巖石的塊度；J

r

與J

a

之

比表示嵌合巖塊的抗剪強度；J

w

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J

w

＝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，

σ

/

σ

單軸抗壓強度

σ

c

與誘生的壓

應力

（2）

i

之比值較大，

B值

即

σ

ci

＞10，故取強度因子A=1。

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2352m

2

，采場側幫的暴露面積為13246m

2

，上下盤直接

201

（采場上部）

（）

M

管理及其他

anagement and other

由于充填體的灰砂比不同，其力學強度不一，由此產生的充

2

填體側幫暴露面積也相差較大，從1500m～9600m

2

的都有。國

2

內李樓-吳集鐵礦，充填體側幫暴露面積最大時達8000m，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8050m

2

，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。

圍巖（花崗片麻巖）的暴露面積為13110m

2

；②當采場沿礦體

走向布置時，采場頂板的暴露面積為1260m

2

，采場側幫的暴露

面積為6184m

2

；上下盤直接圍巖（花崗片麻巖）的暴露面積為

6068m

2

；③充填體強度值R

28

=3.0??MPa時，充填體的側幫暴露面

積為8603m

2

。

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

4?結論

22

露面積超過1600m的礦山較少，一般都控制在1600m之內。通前面依據Mathews穩定圖法計算了采場暴露面積值，參照國

2

常而言，頂板暴露面積超過1600m時，采場巖體的穩定性已經內外類似工程，根據采場布置方式及巖體中節理裂隙發育程度的

很好了；暴露面積達到2000m

2

時，巖體的穩定性必須相當好，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

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積值：①當采場垂直礦體走向布置，采場寬度15m～20m時，推

222

采時允許的暴露面積才可以大于2000m。當然，這一看法可能薦采場頂板合理的暴露面積為2000m～2200m；采場側幫及圍

22

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巖（花崗片麻巖）的暴露面積為10000m～12000m。②當采場沿

很高的（磁鐵礦的單軸抗壓強度平均為192.91MPa，花崗片麻巖礦體走向布置，采場寬度15m～20m時，推薦采場頂板合理的暴

22

平均為192.74MPa)，但其節理裂隙略為發育，在一定程度上影響露面積為1000m～1200m；采場側幫及圍巖（花崗片麻巖）的暴

22

了采場頂板暴露面積值。露面積為5000m～6000m。③充填體強度值R

28

=3.0??MPa時，推薦

222

礦體側幫暴露面積一般不超過10000m，通常都控制在充填體的側幫暴露面積為7000m～8500m。此值對應的充填體暴

8000m

2

之內。湖南郴州柿竹園鉛鋅礦的空場高度達90m，長露長度為82m～100m（采場高度為85m）。④當節理裂隙較發育時

67m，側幫暴露面積為6030m

2

，空區的穩定性較好，10多年之后（或充填質量較差時）取小值，反之取大值。

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

參考文獻

2

[1] 王少泉．階段空場嗣后充填采礦方法結構參數的巖石力學分析[J]．礦業工

暴露面積達到10000m時，巖體的穩定性必須很好。

程，2007，5（1）：15-18．

（上接200頁）

工進度，影響工程的整體質量，同時還可能會威脅到工作人員的

人身安全。雖然裝配式鋼結構的工程施工速度很快，但若在裝配

的過程當中恰巧遭遇了臺風的襲擊也會對工程帶來毀滅性的破

壞。因此在施工之前要對近期的天氣情況做好預測，避免在臺風

多發的季節進行施工，在施工的過程當中也要隨時進行臺風的

監控，合理安排工程施工的工期進度，若在施工的過程中遭遇了

突發的臺風，則應該盡快做好現場的支護工作，并將施工現場的

人員疏散，將損失減小到最低。

圖1??裝配式鋼結構中節點構造

此外，如圖1所示，裝配式鋼結構中存在著很多的節點，而

對于裝配式鋼結構中節點的處理，采用傳統的焊接方式進行焊

接很容易會使構件的節點處在高溫、高濕、高鹽霧等復雜環境的

作用下產生氧化反應，影響構件的節點強度和構建整體的穩定

程度。通過上述的涂漆方式可以在一定程度上緩解節點的銹蝕

現象，但是這樣會增加工作人員的工作量，且工作人員出現操作

不當時還會對節點的防銹可靠性降低。因此對于裝配式鋼結構

的節點可以選擇自攻螺釘的連接方法，這種方法不僅操作簡便

而且可以提高構件整體的耐銹蝕性，從而使工程施工的可靠性

得到提升。

2.2

?

臺風等季節性氣候條件影響施工

一些惡劣的氣候環境也會對裝配式鋼結構在工程施工中的

應用造成影響，例如臺風、暴雨等惡劣氣候會嚴重拖延工程的施

3?結束語

裝配式鋼結構在建筑工程施工中有著巨大的優勢和廣闊的

應用前景，目前的裝配式鋼結構還處于前期的探索階段，缺乏對

其深入的研究和相關實際工程施工中的資料，在未來的研究還

需要更加的深入，在獲得充足的實驗數據以及實踐經驗后，裝配

式鋼結構會在工程施工中得到充分的應用和發展。

參考文獻

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[3]

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202