王 維

（中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司）

蒼山鐵礦地處魯南山區(qū)與蘇北平原過渡地帶，山體的展布受南北向及北東向斷裂控制，山背走向近南北，總體形成中部高，東、西低的丘陵地貌特征。礦區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造及斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，礦體呈鞍狀，屬于緩傾斜～傾斜、薄～中厚礦體，厚度為4～25 m，走向長度將近2.5 km，為典型的難采礦體。根據(jù)蒼山鐵礦礦體的開采技術(shù)條件及礦山的發(fā)展要求，并針對復(fù)雜多層、分支—復(fù)合—分支礦體開采的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計采用點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法［1］回采，但褶皺、斷層發(fā)育，部分區(qū)域礦巖破碎。因此，合理的采場幾何尺寸，對礦體安全、高效開采具有重要意義。

1 礦床地質(zhì)特征

礦體均賦存于石閆背斜第Ⅱ、Ⅲ含礦層中，各礦體多呈平行展布，走向近東西，呈層狀、似層狀賦存于泰山巖群山草峪組中。礦體賦存于+20～-340 m標(biāo)高，工程控制主礦體長度為2 592 m，最大控制斜深610 m，礦床平均品位TFe32.36%。主礦體的地質(zhì)特征見表1。

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礦體賦存于泰山巖群山草峪組變質(zhì)地層中，礦體頂?shù)装鍑鷰r主要為黑云母變粒巖和黑云角閃片片巖，少量含磁鐵黑云角閃片片巖、磁鐵角閃片石英巖等。礦床礦體內(nèi)夾石多呈透鏡狀，順礦體產(chǎn)出，沿走向或傾向連續(xù)性較差。巖性為含磁鐵黑云角閃片巖、黑云角閃片巖和黑云變粒巖等。蒼山鐵礦已探明工業(yè)礦體2個，②礦體、③礦體為主要礦體，其余為零星的小礦體［2］。

2 采場頂板和上盤的可暴露面積分析

暴露面積是衡量頂板（上盤）的重要參數(shù)之一，采場開采時應(yīng)將頂板暴露面積控制在適度范圍內(nèi)，暴露面積過大，直接影響采場穩(wěn)定，可能導(dǎo)致局部冒落。暴露面積越大，采場穩(wěn)定性越差，越容易引發(fā)頂板失穩(wěn)，可見暴露面積與采場穩(wěn)定性密切相關(guān)［3］。

2.1 Mathews圖解法簡介

Mathews圖解法以水力半徑HR和穩(wěn)定系數(shù)N為計算基礎(chǔ)，然后將HR和N值匯總在預(yù)測穩(wěn)定區(qū)、潛在不穩(wěn)定區(qū)和崩落區(qū)圖上。水力半徑HR值反映采空區(qū)的尺寸和形狀，穩(wěn)定性系數(shù)N值表示巖體在特定應(yīng)力下維持穩(wěn)定的能力［4］。Mathews穩(wěn)定性系數(shù)的計算公式為

式中，Q′為修正的Q值；A為巖石應(yīng)力系數(shù)；B為節(jié)理方位系數(shù)；C為重力調(diào)整系數(shù)；N為Mathews穩(wěn)定性系數(shù)。

Mathews穩(wěn)定性圖解方法采用了NGI隧道質(zhì)量的修正指標(biāo)Q′，與Q值不同的是，Q′值中的節(jié)理滲水折減系數(shù)（J w）和應(yīng)力折減系數(shù)（SRF）都為1.0，因此Q′值的計算公式為

式中，RQD指的是巖體質(zhì)量指標(biāo)；J n指的是節(jié)理組數(shù)；J r指的是節(jié)理粗糙度；J a指的是節(jié)理蝕變影響程度。

2.2 Mathews圖解法參數(shù)計算

利用Mathews穩(wěn)定性圖解法分析計算采場的穩(wěn)定性參數(shù)如下。

（1）Q′值，見表2。

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（2）巖石應(yīng)力系數(shù)A，應(yīng)力數(shù)據(jù)采用估算值，見表3。

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（3）節(jié)理方位系數(shù)B值是根據(jù)采場表面的相對方位與控制性節(jié)理確定，所以，劃分為采場頂板、側(cè)幫、上盤和下盤4個區(qū)域和現(xiàn)場節(jié)理調(diào)查結(jié)果分別進(jìn)行分析。其節(jié)理方位系數(shù)見表4。采場頂板和側(cè)幫圍巖均為礦巖，主要發(fā)育2組節(jié)理：①11°∠23°，②345°∠76°。采場頂板呈水平狀，按最不利情況進(jìn)行取值，采場頂板礦體節(jié)理方位系數(shù)B取0.2。采場側(cè)幫近似為垂直狀，其開挖面與圍巖的優(yōu)勢節(jié)理面的赤平投影圖如圖1所示。采場上盤圍巖為變粒巖，主要發(fā)育有2組節(jié)理：①13°∠41°，②337°∠70°。采場上盤暴露面與變粒巖控制性節(jié)理赤平投影圖如圖2所示。

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（4）采場頂板為水平狀，重力調(diào)整系數(shù)C=8－6cos0°=2.0。采場側(cè)幫為水平垂直狀，重力調(diào)整系數(shù)C=8－6cos90°=8.0。礦體為傾斜礦體，根據(jù)蒼山鐵礦探礦資料，取其平均傾角40°，其上圍巖主要為變粒巖，采場上盤暴露面的重力調(diào)整系數(shù)C=8－6cos40°=3.4。

（5）根據(jù)Mathews穩(wěn)定性系數(shù)的計算參數(shù)，按公式（1）、水力半徑和穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系圖，可得出穩(wěn)定狀況下的水力半徑HR和穩(wěn)定性系數(shù)N的值，計算結(jié)果見表5。

一般地，側(cè)幫穩(wěn)定性優(yōu)于上盤，上盤穩(wěn)定性優(yōu)于頂板。從多數(shù)礦山實(shí)際情況看，面積較大的采空區(qū)，其頂板和上盤的跨度和暴露面積較大，穩(wěn)定性相對較差，而側(cè)幫大多近于垂直，穩(wěn)定定相對較好，少有失穩(wěn)現(xiàn)象。由表5可知，頂板穩(wěn)定性系數(shù)較小，上盤次之，側(cè)幫最大，符合礦山采空區(qū)穩(wěn)定性的一般規(guī)律，以下重點(diǎn)對頂板和上盤的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

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2.3 頂板和上盤穩(wěn)定性分析

水力半徑是采場暴露面積與周長的比值，即水力半徑由暴露面積計算轉(zhuǎn)化所得的衡量采場穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。由表5可知，頂板穩(wěn)定區(qū)的水力半徑極限值為5.6，上盤穩(wěn)定區(qū)的水力半徑極限值為6.8，即當(dāng)頂板水力半徑小于5.6時，頂板處于穩(wěn)定區(qū)；當(dāng)上盤水力半徑小于6.8時，上盤處于穩(wěn)定區(qū)。蒼山鐵礦采用點(diǎn)柱式上向水平分層充填法開采，礦柱間距為10 m，頂板和上盤的暴露面積較小，對礦山采空區(qū)頂板和上盤水力半徑進(jìn)行計算，采空區(qū)頂板和上盤的水力半徑均不超過4.5，對比表5中穩(wěn)定區(qū)的水力半徑可知，其頂板和上盤處于穩(wěn)定區(qū)，據(jù)此，目前礦山采場頂板的暴露面積較小，采場的穩(wěn)定性總體較好。

3 基于Q系統(tǒng)分級的最大無支護(hù)跨度計算

巖體開挖體的最大無支護(hù)跨度D與Q值和開挖體支護(hù)比ESR的關(guān)系式

根據(jù)礦巖的Q分類結(jié)果，當(dāng)巷道作為礦山永久性工程時，取ESR＝1.6；當(dāng)老采空區(qū)及巷道只作為礦山臨時通道時，取ESR＝3.0［5］。根據(jù)研究的需要及工程經(jīng)驗(yàn)，取兩者之間的值作為最大無支護(hù)跨度的過渡參考系數(shù)，由上述關(guān)系可計算出各種巖性條件下的最大無支護(hù)跨度D，結(jié)果見表6。

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礦山頂板和上盤分別為礦巖和變粒巖，由表6可知，頂板和上盤的最大無支護(hù)跨度為13 m，由此確定采場跨度不宜超過13 m。

4 采場幾何尺寸優(yōu)化分析

采場幾何尺寸主要是指采場的暴露尺寸，即跨度和長度。由于礦山頂板和上盤為不同巖性巖體，且產(chǎn)狀各異，根據(jù)Mathews圖解法分析結(jié)果（表5），其穩(wěn)定性系數(shù)各不相同，因此，對采場幾何尺寸優(yōu)化分析時應(yīng)將二者加以區(qū)別，分別對頂板和上盤的幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析。

4.1 頂板幾何參數(shù)優(yōu)化計算

根據(jù)無支護(hù)的最大跨度計算，采場的無支護(hù)跨度不宜超過13 m。礦山目前采用上向水平分層充填法開采，采場跨度為10 m。結(jié)合此兩項(xiàng)數(shù)據(jù)，將采場跨 度 設(shè) 計 為10，11，12和13 m四 種 方 案 ，根 據(jù)Mathews圖解法，分別計算不同采場暴露尺寸下頂板水力半徑。繪制的采場頂板暴露尺寸與水力半徑關(guān)系見圖3。

根據(jù)Mathews圖解法穩(wěn)定狀況下的容許水力半徑HR值、Q系統(tǒng)分類得出的礦體無支護(hù)最大跨度和圖3匯總結(jié)果得出如下結(jié)論。

（1）采場寬度10，11和12 m時，采場長度不超過100 m均能確保采場頂板的穩(wěn)定性。

（2）采場寬度13 m時，采場長度80 m以下能保證采場頂板的穩(wěn)定性；采場長度80～100 m時，采場頂板處于無支護(hù)臨界穩(wěn)定區(qū)，頂板稍加支護(hù)也能確保采場頂板穩(wěn)定性。

4.2 上盤幾何參數(shù)優(yōu)化計算

根據(jù)上向水平分層充填采礦法特點(diǎn)和水力半徑確定方法的圖解，對單層采高為6 m的（取礦體上盤平均傾角約為40°），不同采場長度暴露條件下上盤的水力半徑進(jìn)行了分析，根據(jù)計算結(jié)果繪制采場上盤暴露尺寸與水力半徑關(guān)系圖，如圖4所示。

由于礦山采用上向水平分層充填法開采，單層開采高度為8 m，即暴露高度為8 m，按平均傾角40°計算，上盤的跨度（斜長）為12.4 m。由此可計算不同采場長度條件下的水力半徑（表8）。當(dāng)采場長度為20 m時，上盤水力半徑為3.8 m；增加采場長度至60 m時，上盤水力半徑為5.1 m；當(dāng)采場長度增加至為100 m時，上盤水力半徑為5.5 m。根據(jù)上盤水力半徑根據(jù)穩(wěn)定狀況下的容許水力半徑H（R表5），當(dāng)水力半徑小于6.8 m時即可保持采場穩(wěn)定。目前，礦山采場長度均在100 m以內(nèi)，由以上分析，采場長度不超過100 m時能確保采場上盤的穩(wěn)定性。

如圖4所示，當(dāng)采高增加至10 m時，水力半徑也相應(yīng)增大，最大可達(dá)6.7 m（采場長度為100 m），此時水力半徑已接近上盤穩(wěn)定區(qū)水力半徑允許值6.8 m。繼續(xù)增大采高至12 m，當(dāng)采場長度超過50 m時，水力半徑即大于允許值6.8 m，此時采場上盤處于無支護(hù)臨界穩(wěn)定區(qū)，通常需對上盤圍巖稍加支護(hù)以確保其穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過基于Q系統(tǒng)分級的無支護(hù)跨度計算，可得頂板和上盤的最大無支護(hù)跨度為13 m。當(dāng)采場寬度為13 m時，采場最大長度不超過80 m可以保證采場頂板和上盤的穩(wěn)定性；當(dāng)采場長度小于12 m時，采場最大長度不超過100 m可以保證采場頂板和上盤的穩(wěn)定性。根據(jù)優(yōu)化計算結(jié)果，蒼山鐵礦采用了采場跨度為12 m，長度不超過100 m，最大頂板暴露面積不超過1 200 m 2的采場布置方式，實(shí)際回采過程中，采場頂板及上盤穩(wěn)定性保持較好，未發(fā)生頂板冒落現(xiàn)象，提高了采場生產(chǎn)能力和礦石回采率，實(shí)現(xiàn)了安全回采的目的。Mathews圖解法和Q系統(tǒng)分類法應(yīng)用于鐵礦山優(yōu)化采場參數(shù)，為類似礦山提高回采效率，確保安全生產(chǎn)具有一定的借鑒價值。