弓長(zhǎng)嶺鐵礦高落差端部礦體安全開(kāi)采技術(shù)研究

任鳳玉 宋德林 李海英 宮國(guó)慧

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819;2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司弓長(zhǎng)嶺礦業(yè)公司，遼寧 遼陽(yáng)111007)

弓長(zhǎng)嶺鐵礦二礦區(qū)為沉積變質(zhì)礦床，礦體走向長(zhǎng)4 850 m，劃分為西北區(qū)、中央?yún)^(qū)和東南區(qū)3區(qū)開(kāi)采［1］，在各采區(qū)交界部位，設(shè)計(jì)留100 m長(zhǎng)的采區(qū)間柱，以保障各區(qū)獨(dú)立開(kāi)采。實(shí)際生產(chǎn)中，以磁鐵礦為主的中央?yún)^(qū)上盤(pán)含鐵帶主要應(yīng)用無(wú)底柱分段崩落法先行開(kāi)采，已采至－280 m中段;而東南區(qū)上盤(pán)含鐵帶為赤鐵礦，近年方進(jìn)行露天開(kāi)采，生產(chǎn)標(biāo)高在+385～+420 m水平。由此導(dǎo)致中央?yún)^(qū)地下回采工作面與東南區(qū)露天工作面的垂直落差高達(dá)700 m，如此大的落差，加大了采動(dòng)巖移的范圍，同時(shí)中央?yún)^(qū)從－220 m中段開(kāi)始又向東南區(qū)擴(kuò)采了200 m，使得采區(qū)之間受巖移影響的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，最終在東南區(qū)回采設(shè)計(jì)中，按70°移動(dòng)角圈定，在中央?yún)^(qū)的端部留下約500 m長(zhǎng)的采區(qū)間柱作為保安礦柱。如此巨大的保安礦柱不能回采，不僅造成資源浪費(fèi)，而且嚴(yán)重制約采區(qū)產(chǎn)能的提高，對(duì)礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益影響重大。為此，揭示端部礦體的賦存條件與可能發(fā)生的巖移危害形式，提出巖移危害防治措施，據(jù)此研發(fā)高落差端部礦體的安全開(kāi)采方案，對(duì)于提高資源利用率與改善礦山生產(chǎn)條件意義重大。

1 端部礦體賦存條件與巖移危害分析

弓長(zhǎng)嶺鐵礦端部礦體的剖面形態(tài)如圖1所示，其地表范圍為17線+70 m～21線+70 m，礦體傾角為60°～85°，礦體西端為中央?yún)^(qū)上盤(pán)含鐵帶開(kāi)采形成的塌陷坑，該塌陷坑深約100 m、寬度30～100 m，兩壁陡立，坑內(nèi)底部為片落的碎石與塊石，礦體東端為東南區(qū)上盤(pán)含鐵帶露天采場(chǎng)。在圖1所示的端部礦體下部的－220 m中段，中央?yún)^(qū)應(yīng)用淺孔留礦法向東南區(qū)方向擴(kuò)采了200 m，至19線+35 m部位，擴(kuò)采采場(chǎng)中礦柱崩落后形成的采空區(qū)，已由冒落的礦巖所充填。在此條件下，端部礦體的開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)，主要來(lái)自中央?yún)^(qū)地下開(kāi)采所形成的塌陷坑和擴(kuò)采形成的空區(qū)，塌陷坑散體因下部采動(dòng)而發(fā)生的突然下移、塌陷坑陡立邊壁的失穩(wěn)片落、擴(kuò)采空區(qū)上部礦體的垮落，都將危害到地表作業(yè)人員的安全。為此，分析這3種巖移危害在礦山的存在情況并研究潛在巖移危害的防治措施，是解決端部礦體安全開(kāi)采的先決條件。

圖1 端部礦體沿走向剖面示意Fig.1 Profile of orebody at the end of collapse pit along strike

1.1 塌陷坑散體下移危害分析

中央?yún)^(qū)上盤(pán)含鐵帶塌陷坑內(nèi)散體厚度約500 m，其下礦體主要應(yīng)用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采，在出礦過(guò)程中，隨著崩落礦石的放出，圍巖片落，在地表形成塌陷坑，若塌陷坑內(nèi)散體出現(xiàn)大規(guī)模瞬間下移現(xiàn)象，將危及地表作業(yè)人員安全。而引起塌陷坑內(nèi)散體下移的誘因主要來(lái)自兩方面:一是下部崩落法采場(chǎng)放礦;二是塌陷坑內(nèi)散體流動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)拱現(xiàn)象后，拱體的突然垮落。由于塌陷坑內(nèi)散體厚度足夠大(將近500 m)，無(wú)底柱分段崩落法采場(chǎng)單次放出礦巖量所引起的地表散體下移微乎其微，可不考慮其對(duì)安全的影響，此時(shí)僅需考慮結(jié)拱現(xiàn)象的影響。為此，對(duì)該塌陷坑內(nèi)散體的結(jié)拱現(xiàn)象發(fā)生條件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究［2］，得出的結(jié)論是弓長(zhǎng)嶺鐵礦塌陷坑散體的結(jié)拱概率主要取決于跨徑比R(空區(qū)跨度與散體粒徑的比值)。當(dāng)跨徑比R≥2.6時(shí)，散體可連續(xù)流動(dòng);當(dāng)跨徑比R＜1.6時(shí)，出現(xiàn)卡塊、結(jié)拱現(xiàn)象;當(dāng)跨徑比R處于1.6與2.6之間時(shí)，偶爾出現(xiàn)流動(dòng)停頓、卡塊與小型結(jié)拱現(xiàn)象。弓長(zhǎng)嶺鐵礦靠近端部礦體的塌陷坑寬度為30～100 m，坑內(nèi)散體粒徑不超過(guò)1.0 m，跨徑比R的值大于30，遠(yuǎn)大于2.6，所以，弓長(zhǎng)嶺端部礦體西側(cè)塌陷坑內(nèi)散體下移過(guò)程中不會(huì)發(fā)生大規(guī)模結(jié)拱。也就是說(shuō)塌陷坑上部表層不存在突然大幅度下移危害。

1.2 擴(kuò)采空區(qū)危害分析

端部礦體中由中央?yún)^(qū)擴(kuò)采形成的采空區(qū)，現(xiàn)已由冒落的礦巖充填，其上部礦體受到冒落散體的支撐作用將不會(huì)出現(xiàn)突然垮落情況，進(jìn)而端部礦體西側(cè)塌陷坑內(nèi)的散體也不會(huì)出現(xiàn)因礦體突然垮落而引發(fā)的大規(guī)模瞬間下移現(xiàn)象。因此，擴(kuò)采空區(qū)的存在不會(huì)對(duì)端部礦體開(kāi)采形成危害。

1.3 塌陷坑邊壁片落危害分析

端部礦體西側(cè)塌陷坑還有近100 m的高度未被散體充填，塌陷坑壁面陡立，若長(zhǎng)時(shí)間受風(fēng)化和雨水作用，解理及結(jié)構(gòu)面逐漸張開(kāi)，巖體會(huì)發(fā)生片落，大規(guī)模的片落將對(duì)端部礦體的安全開(kāi)采形成威脅，同時(shí)使可采礦體范圍變小進(jìn)而浪費(fèi)資源。

通過(guò)分析可知，弓長(zhǎng)嶺鐵礦端部礦體在開(kāi)采過(guò)程中，僅存在邊壁片落這一種形式的巖移危害，因此，只考慮塌陷坑邊壁片落的控制措施即可。

2 端部礦體開(kāi)采巖移危害控制技術(shù)

文獻(xiàn)［3］中研究了散體對(duì)塌陷坑側(cè)壁的支撐作用，提出了臨界散體柱概念。塌陷坑內(nèi)散體對(duì)塌陷坑側(cè)壁既有主動(dòng)施壓，又有抵抗邊壁變形的被動(dòng)施壓，兩者一起阻止側(cè)壁巖體的片落活動(dòng)。在圍巖穩(wěn)定性一定的條件下，當(dāng)塌陷坑內(nèi)緩慢下移的散體柱達(dá)到臨界散體柱高度時(shí)，在塌陷坑側(cè)壁變形時(shí)便可提供足夠大的抵御其變形的支撐力，制止側(cè)壁圍巖的片落，隨之限制側(cè)壁圍巖的陷落范圍［3］。當(dāng)塌陷坑尚未完全充填時(shí)，可通過(guò)填充地表塌陷坑，使臨界散體柱上移，使邊壁獲得足夠支撐力而不發(fā)生片落。在弓長(zhǎng)嶺鐵礦中央?yún)^(qū)臨界散體柱高度為93.66～118.09 m。端部礦體西側(cè)塌陷坑內(nèi)散體厚度約500 m，遠(yuǎn)大于臨界散體柱高度最大值，此時(shí)塌陷坑被散體填充部分圍巖片落受臨界散體柱作用而受到限制。但端部礦體西側(cè)塌陷坑內(nèi)還有近100 m的高度未被散體充填，邊壁有片落風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)可采取向坑內(nèi)繼續(xù)充填廢石的方法，使臨界散體柱位置上移，這樣上部邊壁片落將受限制。

向塌陷坑內(nèi)充填廢石時(shí)，充填的最終高度，應(yīng)以確保邊壁穩(wěn)定，同時(shí)便于端部礦體上部礦量的露天開(kāi)采為準(zhǔn)則。由塌落形成的塌陷坑邊界終止于+360 m水平，其上為自然形成的地表山坡。由于填充的廢石不能作為后期露天剝離的對(duì)象，為此充填的最大高度不應(yīng)超過(guò)+360 m水平。塌陷坑深度較大，壁面陡立，表明巖體穩(wěn)定性較好，從塌陷坑邊壁的穩(wěn)定狀態(tài)來(lái)看，廢石充填并保持在+344 m水平，即可消除邊壁大規(guī)模片落的可能性。為此，廢石散體應(yīng)充填到+344 m臺(tái)階水平，并保持隨沉隨填，使散體頂面穩(wěn)定于+344 m水平。

充填方案實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)采用沿塌陷坑軸線方向與邊幫協(xié)同排放廢石的工藝，如圖2所示，即從塌陷坑端部和上盤(pán)側(cè)邊幫同時(shí)向塌陷坑內(nèi)排放廢石，提高充填效率，解決廢石向塌陷坑的安全排放的技術(shù)難題。

圖2 塌陷坑安全排巖技術(shù)示意Fig.2 The safety dumping technology into collapse pit

3 端部礦體開(kāi)采方案及實(shí)施情況

3.1 端部礦體開(kāi)采方案

在具備塌陷坑邊壁片落控制措施的前提下，原來(lái)因處于移動(dòng)帶內(nèi)而不可開(kāi)采的端部礦體可以納入露天采場(chǎng)開(kāi)采范圍內(nèi)，該部分礦體可由原東南區(qū)露天采場(chǎng)向西擴(kuò)采完成。礦體西端塌陷坑內(nèi)散體充填高度為+344 m水平，之上的全部礦體可由原東南區(qū)露天采場(chǎng)向西擴(kuò)采完成，直到塌陷坑邊界;而充填高度之下的礦體開(kāi)采時(shí)需要防止充填散體進(jìn)入露天境界內(nèi)，為此在+344 m水平留一個(gè)32 m寬的臨時(shí)保安礦柱，在礦柱范圍之外布置臺(tái)階正常開(kāi)采，采到原設(shè)計(jì)的最低水平(+268 m水平)。這樣，當(dāng)露天端部境界邊坡角取50°時(shí)，露天坑底的西端可采至18線附近，見(jiàn)圖3。

圖3 端部礦體開(kāi)采方案示意Fig.3 Open pit mining schematic diagram of orebody at the end of collapse pit

3.2 方案實(shí)施情況

目前礦山已按圖2所示方案對(duì)端部礦體西端的塌陷坑進(jìn)行了充填，充填后效果如圖4所示，塌陷坑基本被廢石充填滿，其上部側(cè)壁受到臨界散體柱提供的支撐力作用，不再發(fā)生片落。在塌陷坑有散體保護(hù)的前提下，東南區(qū)露天采場(chǎng)正準(zhǔn)備向西擴(kuò)幫，開(kāi)采端部礦體。

圖4 排巖工藝實(shí)施效果Fig.4 The implement result of dumping technology

4 結(jié)論

(1)弓長(zhǎng)嶺鐵礦高落差端部礦體的開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)，主要為塌陷坑散體因下部采動(dòng)而發(fā)生的突然陷落以及塌陷坑邊壁礦巖的大規(guī)模片落。

(2)中央?yún)^(qū)塌陷坑內(nèi)廢石流動(dòng)性好，塌陷坑寬度與散體粒徑比值足夠大，散體將隨地下開(kāi)采順暢下移，地表不會(huì)出現(xiàn)突然陷落情況。

(3)采取繼續(xù)向塌陷坑內(nèi)充填廢石的措施，使塌陷坑上部側(cè)壁受到臨界散體柱提供的支撐力作用，可阻止上部塌陷坑邊壁片落，保障露天采場(chǎng)不受巖移危害。

(4)弓長(zhǎng)嶺鐵礦利用充填廢石控制塌陷坑引起的巖移危害，并在充填水平留礦柱防止散體進(jìn)入露天采場(chǎng)，之后采用露天擴(kuò)采的方式開(kāi)采端部礦體，可使端部礦體安全回采。

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