结合多种方法研究张庄铁矿高阶段采场合理暴露面积

2024年3月17日发(作者：长沙周边自驾游)

M

管理及其他

王南南

（安徽马钢张庄矿业有限责任公司，安徽 六安 237471）

anagement and other

结合多种方法研究张庄铁矿高阶段采场合理暴露面积

采场暴露面积关系到采场结构的稳定性，尤其对高阶段采场是一个极其重要的采场结构参数。通常所说的采场暴露面

摘  要：

积一般是指采场顶板和采场侧帮及围岩的暴露面积。张庄铁矿采用阶段空场嗣后充填采矿法，还需要讨论充填体侧帮的暴露面

积。依据Mathews稳定图法对采场暴露面积进行了计算，并参照国内外类似工程，考虑一定的安全系数，研究张庄铁矿90m高阶

段采场的合理暴露面积，并给出建议值。

采场暴露面积；Mathews稳定图法；数值模拟计算；充填体侧帮

关健词：

TD861.1 A 11-5004（2019）09-0201-2

中图分类号：文献标识码：文章编号：

1 概述

张庄铁矿-450m中段的开采已接近尾声，根据矿山目前的阶

段高度以及采矿设备的性能，将新中段高度提高到90m，即新中

段为-390m至-300m水平。目前揭露-390m水平矿体最大水平厚

约170m，-300m水平最大水平厚约233m。因-390中段矿体水平厚

度变大，且采矿中段高度由60m提高到90m，同时开采中段进一

步靠近地表及矿体上部强风化层。为确保高阶段采场回采安全，

需要优化新中段的采场结构参数，尤其是采场合理暴露面积。

2 采场合理暴露面积计算

张庄铁矿与采场稳定性关系密切的岩体主要有2种，即磁铁

矿和花岗片麻岩，其中，磁铁矿为矿体本身，花岗片麻岩为矿体

上下盘直接围层。由于节理裂隙分布不同的原因，采场垂直矿体

走向布置和采场沿矿体走向布置，这两种不同的采场布置方式

其采场稳定性有所不同，合理的暴露面积也不一样，故需要区别

对待。

关系到采场的稳定性，除了矿体和围岩以外，还有充填体。

充填体由于灰砂比不同，充填工艺有所差别，其力学性能亦有差

别。不同强度的充填体，其合理的暴露面积不一，故需要具体对

待。张庄铁矿-390中段采场充填体强度值有3个：R

28

≥2.0󰀃MPa

；R

28

≥2.5󰀃MPa（采场中部）；R

28

≥3.0󰀃MPa（采场下

部）。

对于矿体而言，为了研究问题的全面，需要同时讨论其顶板

的暴露面积和侧帮的暴露面积；而对于围岩和充填体而言，则

只需要讨论其侧帮的暴露面积。下面对5种材料（1种矿体、1种

围岩及3种充填体）的合理暴露面积进行探讨。

2.1

Q值修正

Q系统分级法最早是由挪威岩土工程研究所（NGI）的巴顿

等人根据212个隧道案例于1974年提出的，至2013

年累积已达1480案例。Q是岩体质量的简称。考虑的因素与

Bieniawski的RMR分类法比较接近，但是它采用的得分计算方

法却是乘积法。其表达式如下：

收稿日期：

2019-09

作者简介：

王南南，男，生于1991年，汉族，安徽阜阳人，本科，助理工程师，

研究方向：采矿工程。

式中RQD——岩体质量指标；J

n

——节理组数系数；J

r

——

节理面粗糙度系数；J

a

——节理面蚀变程度（变异）系数；

J

w

——裂隙水影响折减系数；SRF——地应力影响折减系数。

其中，RQD与J

n

之比值可粗略表示岩石的块度；J

r

与J

a

之

比表示嵌合岩块的抗剪强度；J

w

与SRF之比反映岩石的有效应

力（或称主动应力）。这些参数的取值规则可参考相关文献。计

算所得Q值的可能范围为0.001～1000。

依据《张庄铁矿建设关键技术研究与实践》统计，矿体的

RQD值从88%~99%，花岗片麻岩的RQD值从86%~100%。为

了稳妥起见，二者均取其小值。充填体的岩体质量指标RQD值

最佳的获取途径是通过现场钻孔取岩芯，当缺少现场取样资料

的情况下，这里参照类似工程（安徽李楼-吴集铁矿）确定相关

参数。

按照Mathews稳定图方法的要求对Q值进行修正，将地应

力影响因素SRF设为1.0，地下水的影响因素J

w

＝1，按照Q系

统分级法计算得到5种材料的Q′（即修正后的Q值）。

2.2

参数A、B、C值的确定

（1）A值

根据有限单元法数值模拟计算的结果，在采场周边大部分

地方诱生的压应力值一般都较小，

σ

/

σ

单轴抗压强度

σ

c

与诱生的压

应力

（2）

i

之比值较大，

B值

即

σ

ci

＞10，故取强度因子A=1。

矿体和围岩中主要节理和构造的倾角一般都较大（大约

60°），而充填体中节理裂隙很难发现，一般是水平的居多。根

据相关的使用经验确定节理方向调整参数B：对于矿体顶板，

B=0.8；对于矿体侧帮和围岩，根据使用经验，取B=0.5；对于

充填体，B=1.0。

（3）C值

重力调整因子，与重力作用下的待分析采空面的破坏模式

有关，实则与产状有关，与失稳面的倾角关系密切。

由于矿体相当厚大，对于-390中段来说，采场顶板倾角为

0°，侧帮倾角为90°；对于直接围岩，倾角视为90°；对于充

填体，侧帮倾角为90°。计算重力调整因子C值如下。

磁铁矿，顶板C＝1.0，侧帮C＝8.0。

花岗片麻岩，上下盘C＝8.0。

充填体，C＝8.0。

2.3

估算暴露面积

根据形状因子的数值，按照采场实际高度85m、采场宽度

15m，计算各类矿岩及充填体的暴露面积。Mathews稳定图法计

算结果表明：①当采场垂直矿体走向布置时，采场顶板的暴露

面积为2352m

2

，采场侧帮的暴露面积为13246m

2

，上下盘直接

201

（采场上部）

（）

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管理及其他

anagement and other

由于充填体的灰砂比不同，其力学强度不一，由此产生的充

2

填体侧帮暴露面积也相差较大，从1500m～9600m

2

的都有。国

2

内李楼-吴集铁矿，充填体侧帮暴露面积最大时达8000m，充填

体稳定；通过对现场充填体取样测试，灰砂比为1：4，1：6和1：

8的充填体，其平均单轴抗压强度分别为3.67󰀃MPa，2.84󰀃MPa和

2.35󰀃MPa。安庆铜矿，充填体长×宽×高=40~70×15×115m，

其侧帮暴露面积达8050m

2

，没有产生过坍塌，但局部有片帮，增

加了贫化。安庆铜矿采用灰砂比为1:4、1:8的分级尾砂胶结充

填，其单轴抗压强度为2.08MPa～3.47MPa。

围岩（花岗片麻岩）的暴露面积为13110m

2

；②当采场沿矿体

走向布置时，采场顶板的暴露面积为1260m

2

，采场侧帮的暴露

面积为6184m

2

；上下盘直接围岩（花岗片麻岩）的暴露面积为

6068m

2

；③充填体强度值R

28

=3.0󰀃MPa时，充填体的侧帮暴露面

积为8603m

2

。

3 采场暴露面积类比

国内最典型的矿山为安徽李楼-吴集铁矿，其次为安庆铜

矿及冬瓜山铜矿。李楼-吴集铁矿的中段高度为100m，分段高

25m，采场长度80m。安庆铜矿的中段高度达到了120m，分段高

60m。从使用空场回采嗣后充填法矿山的情况来看，采场顶板暴

4 结论

22

露面积超过1600m的矿山较少，一般都控制在1600m之内。通前面依据Mathews稳定图法计算了采场暴露面积值，参照国

2

常而言，顶板暴露面积超过1600m时，采场岩体的稳定性已经内外类似工程，根据采场布置方式及岩体中节理裂隙发育程度的

很好了；暴露面积达到2000m

2

时，岩体的稳定性必须相当好，不同，或者充填体质量的好坏，建议矿岩及充填体的合理暴露面

这样的岩体一般少见。有关文献资料认为，只有极稳固的岩体回积值：①当采场垂直矿体走向布置，采场宽度15m～20m时，推

222

采时允许的暴露面积才可以大于2000m。当然，这一看法可能荐采场顶板合理的暴露面积为2000m～2200m；采场侧帮及围

22

有点保守。从岩石本身的强度来说，张庄铁矿岩石的力学强度是岩（花岗片麻岩）的暴露面积为10000m～12000m。②当采场沿

很高的（磁铁矿的单轴抗压强度平均为192.91MPa，花岗片麻岩矿体走向布置，采场宽度15m～20m时，推荐采场顶板合理的暴

22

平均为192.74MPa)，但其节理裂隙略为发育，在一定程度上影响露面积为1000m～1200m；采场侧帮及围岩（花岗片麻岩）的暴

22

了采场顶板暴露面积值。露面积为5000m～6000m。③充填体强度值R

28

=3.0󰀃MPa时，推荐

222

矿体侧帮暴露面积一般不超过10000m，通常都控制在充填体的侧帮暴露面积为7000m～8500m。此值对应的充填体暴

8000m

2

之内。湖南郴州柿竹园铅锌矿的空场高度达90m，长露长度为82m～100m（采场高度为85m）。④当节理裂隙较发育时

67m，侧帮暴露面积为6030m

2

，空区的稳定性较好，10多年之后（或充填质量较差时）取小值，反之取大值。

只跨塌了一小部分。当然，柿竹园铅锌矿的岩体强度还是较高

的，矿石的单轴抗压强度平均为150MPa左右。通常而言，侧帮

参考文献

2

[1] 王少泉．阶段空场嗣后充填采矿方法结构参数的岩石力学分析[J]．矿业工

暴露面积达到10000m时，岩体的稳定性必须很好。

程，2007，5（1）：15-18．

（上接200页）

工进度，影响工程的整体质量，同时还可能会威胁到工作人员的

人身安全。虽然装配式钢结构的工程施工速度很快，但若在装配

的过程当中恰巧遭遇了台风的袭击也会对工程带来毁灭性的破

坏。因此在施工之前要对近期的天气情况做好预测，避免在台风

多发的季节进行施工，在施工的过程当中也要随时进行台风的

监控，合理安排工程施工的工期进度，若在施工的过程中遭遇了

突发的台风，则应该尽快做好现场的支护工作，并将施工现场的

人员疏散，将损失减小到最低。

图1  装配式钢结构中节点构造

此外，如图1所示，装配式钢结构中存在着很多的节点，而

对于装配式钢结构中节点的处理，采用传统的焊接方式进行焊

接很容易会使构件的节点处在高温、高湿、高盐雾等复杂环境的

作用下产生氧化反应，影响构件的节点强度和构建整体的稳定

程度。通过上述的涂漆方式可以在一定程度上缓解节点的锈蚀

现象，但是这样会增加工作人员的工作量，且工作人员出现操作

不当时还会对节点的防锈可靠性降低。因此对于装配式钢结构

的节点可以选择自攻螺钉的连接方法，这种方法不仅操作简便

而且可以提高构件整体的耐锈蚀性，从而使工程施工的可靠性

得到提升。

2.2

台风等季节性气候条件影响施工

一些恶劣的气候环境也会对装配式钢结构在工程施工中的

应用造成影响，例如台风、暴雨等恶劣气候会严重拖延工程的施

3 结束语

装配式钢结构在建筑工程施工中有着巨大的优势和广阔的

应用前景，目前的装配式钢结构还处于前期的探索阶段，缺乏对

其深入的研究和相关实际工程施工中的资料，在未来的研究还

需要更加的深入，在获得充足的实验数据以及实践经验后，装配

式钢结构会在工程施工中得到充分的应用和发展。

参考文献

[1]

[2]

[3]

[4]

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