李楼铁矿采场回采参数研究

刘仁

安徽开发矿业有限公司 安徽六安市 237400

摘要：李楼铁矿采用高阶段嗣后充填采矿法回采矿房、矿柱，阶段高度100m，且地表为民房和农田，对采场稳定性要求较高。本文通过力学模型研究，寻求不同采场长度下，采场顶板和围岩的应力大小，最终确定最佳的采场回采参数。

关键词：嗣后充填采矿法；采场结构参数；采场长度

1采矿方法概述

李楼矿体为沉积变质矿床，矿床矿带长3.4 km，宽0.25 km～0.04 km。主矿体平均真厚度48.2 m，属于厚大矿体；矿体走向近南北，上部倾向西，倾角65°～75°，中部（-500 m上下）近乎直立，深部（-500 m以下）向东倒转，倾角72°～88°，属于急倾斜矿体。，矿体顶板岩性主要为白云石大理岩，黑云斜长片麻岩和石英二云片岩，局部为辉绿岩、黑云石英片岩，角闪斜长片麻岩，二云石英片岩石；矿体底板岩性主要为绿泥石片岩和白云石大理岩，局部为绿泥石英片岩和硅化岩。李楼铁矿运用分段凿岩阶段空场嗣后充填法，利用上向扇形孔爆破，矿块分为矿柱、矿房，先回采矿房，再回采矿柱，菜场阶段高度为100米，分段高度为25米，前期通过论证，采场宽度为20米。

2 采场结构参数优化力学模型

通常，力学模型的规模按照开挖空间直径或最大跨度3-5倍的影响范围截取就可以。为规避模型构造产生的误差，本次有限元力学模型的规模，按开挖空间，最大跨度4-5倍的影响范围确定。垂直矿体垂直矿体，力学模型长度520米，沿矿体走向方向，模型宽度480米，垂直方向，模型高度500米，模型长宽高总尺寸520×480×500m^3。

为确保模型计算精度，利用20节点的高精度等参单元离散模型网络。没有开挖之前，整个模型单元共11616个，节点总数51221个。模型初始单元网格见图1。

图 1 有限元计算模型初始单元网格

通过岩土工程中经常运用的德拉克-普拉格（Drucker-prager）塑性屈服准则，进行多步骤开挖的三维弹塑性有限元计算分析。

充填体的受力情况，有专门的章节看来叙述，只需一个开挖步骤，就能够满足研究目标需求。本力学模型中各计算方案均按一下两个步骤进行计算：

矿房宽为20米，矿房、矿柱长40-100米，高度50-125米。因采取空场回采嗣后充填法，需研究空场条件下的采场结构参数。

第一步，计算初始应力场；

第二步，回采两个矿房，留下中间的矿柱。

3 计算结果与分析

根据研究需要，对有限元数值模拟计算输出的数据中，选取最大拉应力和最大压应力作为方案比较的依据。岩体属于脆性材料，其拉伸强度较低，绝大部分岩体工程的破坏都是由于拉应力所引起的，故最大拉应力值将作为主要的判别依据；压应力和最大剪应力值作为辅助比较指标。

3.1采场长度优化计算结果与分析

空场状态下，应力极值一般位于采场周边。采场顶板、两帮及上下盘是容易产生拉应力的部位，最大压应力和最大剪应力通常位于两个或三个面的交叉处。

本文选取4个数值模拟计算方案（方案一～方案四）进行讨论，采场长度尺寸分别为40m、60m、80m和100m，采场周围各个方案的最大拉应力、最大压应力（绝对值）和最大剪应力（绝对值）情况见表1。

表 1 采场长度优化的有关计算结果

据表1可知，采场周围的最大拉应力、压应力和剪应力均随着采场长度尺寸的增大呈增加趋势。从数值大小来看，采场周围的压应力和剪应力值都不算大，一般不会造成采场破坏；拉应力值倒是比较大，拉应力的存在将是导致采矿工程破坏的主要原因。

最大拉应力存于采场顶板及两帮矿柱中。采场顶板和两帮中的最大拉应力随着采场长度尺寸的增加，均比上下盘围岩中的最大拉应力增长快。李楼铁矿矿石试块的抗拉强度平均为15.005~16.797MPa，经过工程处理后，得到铁矿体的抗拉强度为0.765~0.889MPa。当岩体中的拉应力超过其极限抗拉强度时，将会发生岩体破坏。当采场长度小于80米，采场周围的最大拉应力值呈缓慢增长，数值小于0.841MPa，对照铁矿体的抗拉强度（0.765~0.889MPa）这一数值（0.841MPa）基本上可以接受；当采场长度大于80m达到100m长时，采场周围的最大拉应力值迅速增长，最大数值达1.026MPa，已经超出了铁矿体的抗拉强度，将会导致采场冒顶和片帮。可见，采场长度以不超过80m为宜。

此外，上下盘围岩中的拉应力值也比较大。当采场长度为40m时，上下盘围岩中的最大拉应力值为0.746MPa；采场长60m时，增为0.746MPa；长80m时，增至0.836MPa；采场长100m时，上下盘围岩中的最大拉应力值达0.950MPa。

李楼铁矿矿体的上盘围岩绿泥石片岩和白云石片岩，其岩石试块的抗拉强度平均为3.403~5.554MPa，经过工程处理后，得到岩体抗拉强度为0.295~0.529MPa；下盘大理岩试块的抗拉强度平均为7.621MPa，处理后的岩体抗拉强度为0.747MPa。可见，相对于上下盘围岩的抗拉强度而言，存在于上下盘围岩中的拉应力值均偏大，都超出了其抗拉强度，将会导致上下盘围岩片帮或冒落，造成采矿贫化率增大。

综合上述分析认为，采场长度最好不要超过80m，否则采场稳定性急剧恶化，采场顶板、两帮及上下盘围岩中的拉应力值迅速增大。

4 结束语

在实际生产过程中，李楼铁矿采场长度为30~80m，在回采过程中，采场顶板和侧帮围岩得到了很好的保护，未出现由于应力集中导致的地质事故，矿体贫化率也在控制范围内，矿体开采的经济性得到很好的保障。