结合多种方法研究张庄铁矿高阶段采场合理暴露面积

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管理及其他
M 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
王南南
（安徽马钢张庄矿业有限责任公司，安徽 六安 237471）
摘 要：
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。

关健词：
采场暴露面积；Mathews 稳定图法；数值模拟计算；充填体侧帮中图分类号：TD861.1 文献标识码：A 文章编号：
11-5004（2019）09-0201-2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。

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 （采场上部）；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（N.Barton）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
：
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，单轴抗压强度c σ与诱生的压
应力i σ之比值较大，即i c σσ/＞10，故取强度因子A=1。

（2）B 值
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
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围岩（花岗片麻岩）的暴露面积为13110m2；②当采场沿矿体走向布置时，采场顶板的暴露面积为1260m2，采场侧帮的暴露面积为6184m2；上下盘直接围岩（花岗片麻岩）的暴露面积为6068m2；③充填体强度值R28=3.0 MPa时，充填体的侧帮暴露面积为8603m2。

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，采场顶板暴露面积超过1600m2的矿山较少，一般都控制在1600m2之内。

通常而言，顶板暴露面积超过1600m2时，采场岩体的稳定性已经很好了；暴露面积达到2000m2时，岩体的稳定性必须相当好，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采时允许的暴露面积才可以大于2000m2。

当然，这一看法可能有点保守。

从岩石本身的强度来说，张庄铁矿岩石的力学强度是很高的（磁铁矿的单轴抗压强度平均为192.91MPa，花岗片麻岩平均为192.74MPa)，但其节理裂隙略为发育，在一定程度上影响了采场顶板暴露面积值。

矿体侧帮暴露面积一般不超过10000m2，通常都控制在8000m2之内。

湖南郴州柿竹园铅锌矿的空场高度达90m，长67m，侧帮暴露面积为6030m2，空区的稳定性较好，10多年之后只跨塌了一小部分。

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，侧帮暴露面积达到10000m2时，岩体的稳定性必须很好。

由于充填体的灰砂比不同，其力学强度不一，由此产生的充填体侧帮暴露面积也相差较大，从1500m2～9600m2的都有。

国内李楼-吴集铁矿，充填体侧帮暴露面积最大时达8000m2，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8050m2，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。

4 结论
前面依据Mathews稳定图法计算了采场暴露面积值，参照国内外类似工程，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积值：①当采场垂直矿体走向布置，采场宽度15m～20m时，推荐采场顶板合理的暴露面积为2000m2～2200m2；采场侧帮及围岩（花岗片麻岩）的暴露面积为10000m2～12000m2。

②当采场沿矿体走向布置，采场宽度15m～20m时，推荐采场顶板合理的暴露面积为1000m2～1200m2；采场侧帮及围岩（花岗片麻岩）的暴露面积为5000m2～6000m2。

③充填体强度值R28=3.0 MPa时，推荐充填体的侧帮暴露面积为7000m2～8500m2。

此值对应的充填体暴露长度为82m～100m（采场高度为85m）。

④当节理裂隙较发育时（或充填质量较差时）取小值，反之取大值。

参考文献
[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
程，2007，5（1）：15-18．
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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。

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
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