阶段空场嗣后充填采矿法具有作业安全、采充效率高和损失贫化率低等优点,在控制岩爆炸、控制地表沉陷等方面具有不可替代的优势,正成为国内外矿山开采倾斜或急倾斜厚大矿体的首选采矿方法。中关铁矿以倾斜厚大矿体为主,属大型优质铁矿山,为保证帷幕注浆稳定性及有效控制地表沉陷,拟采用阶段空场嗣后充填采矿法回采。采场结构参数确定的基础上,合理的充填体矿柱强度和矿体回采顺序是确保该采矿方法安全、高效实施的关键。为此,本文以中关铁矿南区一期开采范围为工程背景,运用理论分析、解析计算、数值计算和物理试验等手段,旨在为矿山实际开采提供理论支持和方法参考。主要内容包括以下几点: (1)基于Terzaghi散体地压理论,分析了矿房开挖后顶板压力随埋深的变化趋势,结合滑楔体极限平衡理论,建立了阶段充填体矿柱滑移失稳模型,分别得出了单侧和双侧暴露时的阶段充填体矿柱强度数学模型,研究了埋深、采场尺寸、内摩擦角、充填体与矿岩接触面特性对人工矿柱所需强度值得影响。结合矿山工程实际,确定了各水平中段充填体矿柱所需强度值,与经验公式进行了对比,得出了经典强度设计模型仍需选取4~5倍安全系数的结论。 (2)对中关铁矿全尾砂的物理化学性质进行了检测,开展了充填材料强度、塌落度、流动度和泌水率试验,确定了满足回采和输送要求的充填配比方案。研究了灰砂比、料浆质量浓度和养护龄期三个主要影响因素与充填体强度之间的定量函数关系,基于灰色关联分析法得出了强度对三个因素的敏感度。 (3)分别建立了盘区内矿房回采顺序优化和中段间回采顺序优化的FLAC数值计算模型,对比了各方案开挖后采场应力、变形和塑性区分布情况,确定了隔二采一的矿房回采方案和上行式的中段间回采方案,分析了各中段回采后地表沉陷评价指标(倾斜、曲率和水平变形值)的变化规律,与相关技术规范允许变形值进行了对比。