深凹露天礦轉地下過渡期掛幫礦安全高效開采方法研究

武會強，任鳳玉

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

某露天鐵礦是一個典型的大型深凹露天礦，該礦露天坑封閉圈標高位于+78 m，在2015年年底時露天坑回采至-310 m水平，為擴大露天開采范圍、延長露天開采服務年限，礦山對露天境界進行了優化，優化后最終露天坑底標高確定在-474 m，則礦山還有近5 000萬t的礦石可利用露天方式進行回采，若按照礦山2015年300萬t的年產能計算，則露天開采還可維持13 a左右，隨后便需要轉入地下開采。一般來說，在露天開采轉地下開采過渡期，由于露天工作面的減小，地下工作面還未鋪開，加之地下開采的相互干擾，使得過渡期的采礦作業安全性變差，同時礦石產量難以保障。而在露天開采境界之外通常存在大量的掛幫礦，若在過渡期能實現掛幫礦的安全高效開采，不僅可以實現礦產資源的充分回收，還有助于化解露天轉地下的減產過渡難題[1-2]。

1 掛幫礦開采條件

礦山掛幫礦主要分布在露天坑的北幫、東幫和南幫。其中，北幫掛幫礦位于7號勘探線以北，東幫掛幫礦位于7號勘探線～10號勘探線之間，南幫掛幫礦位于10號勘探線以南。礦山露天坑形態及各部分掛幫礦位置如圖1所示。

要實現露天轉地下的穩產過渡，就需要在過渡期對掛幫礦進行回采，盡管礦山的北幫、東幫、南幫三個部位均分布有掛幫礦，但需要提前分析其是否適合在過渡期進行回采。由于露天坑的運輸系統位于北部邊坡，因此回采北幫掛幫礦和靠近北幫的東幫掛幫礦，都會對露天運輸系統的穩定性造成破壞，因此在過渡期不宜對北幫掛幫礦和東幫掛幫礦進行回采；而南幫掛幫礦遠離露天運輸系統，對其開采后即便造成邊坡失穩也不會影響到露天運輸系統，因此在過渡期率先考慮對南幫掛幫礦進行開采。本文重點對該礦山露天轉地下過渡期南掛幫礦的安全高效開采方法展開研究。 南幫掛幫礦形態如圖2所示，該礦體沿垂直走向長度為240～270 m，礦體寬120 m左右，高度為150 m，可采礦量達830萬t。礦體為磁鐵礦，中等穩固，礦體上盤邊坡圍巖為千山花崗巖，不穩固。

經現場地質勘查，南幫邊坡礦體及巖體均節理裂隙發育，再加之受露天采礦卸荷作用和頻繁的爆破振動，使得礦巖變得更為破碎(圖3)。

2 掛幫礦安全高效開采方案

總體而言，南幫掛幫礦較為厚大，但礦巖破碎，若采用常規的掛幫礦回采方法，如充填法[3]、空場法[4]等回采該部分掛幫礦，既難以適應礦體開采條件，也難以滿足礦山在過渡期想要實現掛幫礦安全高效開采的生產需求。參照類似工程經驗[5-6]，綜合分析礦山掛幫礦的實際開采條件，研究得出南幫掛幫礦適宜采用誘導冒落法進行開采。采用誘導冒落法回采掛幫礦勢必引發邊坡失穩[7]，但可通過控制回采順序誘導邊坡向采空區方向失穩，不使其沖向露天坑底威脅露天采礦，從而在過渡期實現露天與地下的安全高效協同開采[8]。為提升掛幫礦的產能和效率，可采用大結構參數崩落法進行回采，采場分段高度設定為20 m，進路間距設定為20 m，崩礦步距取2.2 m。 首采分段(也稱誘導分段)布置于-354 m水平，為迅速擴展采空區空間，回采時首采分段與第二分段同時回采，以誘導上部礦體自然冒落。第一分段、第二分段回采至末期，同時對第三分段、第四分段進行回采，回采過程中充分回收冒落下來的礦石。

為了迅速完成掛幫礦開采的開拓系統，一旦露天坑-324 m水平運輸平臺完成后便向掛幫礦方向掘進斜坡道，依次達到各回采和運輸水平；當露天坑回采下降到-414 m水平時，通過露天平臺向掛幫礦掘進運輸平硐與井下開拓系統銜接，形成掛幫礦的運輸系統，由此，各分段回采的掛幫礦統一下放至-414 m水平集中裝車，再通過露天運輸系統運往-258 m破碎站進行破碎，最終運至選廠。掛幫礦回采開拓系統形式布置如圖4所示。

圖4 南幫掛幫礦開拓系統剖面圖Fig.4 Mining development system for hanging-wallore-body in south slope

TAN等[6]對掛幫礦的合理回采方案進行了深入對比研究，研究結果表明，從掛幫礦中央向兩側退采，同時在邊坡外側預留保安礦柱攔截垮落邊坡散體的方案最為安全，因此本文參考該研究結果，設定出先開挖邊坡內側礦體，同時在邊坡外側預留保安礦柱的掛幫礦誘導冒落回采方案。在本文提出的利用誘導冒落法回采掛幫礦的方案中，為了防止失穩的邊坡沖出采空區威脅到下方露天坑底的露天采礦，需要對掛幫礦進行分區開采，即以掛幫礦的中央部位為界線將掛幫礦劃分為兩個回采區域，靠近邊坡巖體內部的一側稱之為Ⅰ采區，靠近露天坑一側稱之為Ⅱ采區。回采時先對Ⅰ采區進行回采，在該采區內，為提高產能，回采進路沿礦體走向布置，切割槽位于礦巖交界部位，Ⅰ采區保持由中間向兩端、由內向外的退采順序。Ⅱ采區作為保安礦柱，預防Ⅰ采區開采引發的失穩邊坡沖出采空區，在Ⅱ采區內回采進路垂直于礦體走向布置，并利用通向露天采場的措施平硐作為進路聯巷和切割平巷，采取從北向南退采的模式。Ⅰ采區、Ⅱ采區協同退采，整個采場內共布置3個溜井，溜井由-360 m分段通-414 m運輸水平，采場布置形式如圖5所示。

為盡快擴大地下采空區以容納失穩邊坡，掛幫礦回采時第一分段和第二分段協同作業，利用采礦形成的采空區誘導上部礦體自然冒落和邊坡失穩。待上部礦巖充分冒落后，再對第三分段、第四分段進行回采，如此便可基本保證有三個采場在同時作業，出礦采用斗容4 m3鏟運機出礦，生產能力可達120萬t/a。

圖5 南幫掛幫礦采場布置形式及回采順序Fig.5 Stope layout and mining sequence of hanging-wallore-body in south slope

3 掛幫礦開采方案數值模擬研究

3.1 模型建立

為研究該礦山露天轉地下過渡期南掛幫礦開采方案的可行性和安全性，本文采用非連續變形分析方法(DDA)研究南幫掛幫礦誘導冒落過程中的邊坡失穩過程及采礦安全性，對掛幫礦的開采方案進行數值預研，為邊坡失穩帶來的風險預測與預防提供技術支撐。模型幾何尺寸、測點分布等如圖6(a)所示，模型中邊坡高度為515 m，邊坡寬度660 m，最終幫坡角45°。模型底部設置有一個監測點，用于確定模型的初始應力平衡狀態及首次開挖時間。現場礦巖節理調查結果顯示，南幫邊坡花崗巖包含了兩組主節理，其傾角為70°和175°，兩組節理的間距均在1 m左右，礦體也包含了兩組主節理，其傾角為90°和0°，兩組節理的間距均在0.5 m左右。由于礦巖節理連續性均較好，再加之受爆破振動、采礦卸荷等作用的影響，在模型中將這礦巖節理均設定為貫通節理。同時為減小模型中的塊體數量，又兼顧模型的仿真度和可算性，將各組節理的間距按照整數倍進行放大，最終模型中各組節理的間距均設定為8 m。模型中掛幫礦共劃分了四個回采分段，分別代表實際中的-354 m回采分段、-374 m回采分段、-394 m回采分段、-414 m回采分段，分段高度20 m。所建立的DDA模型見圖6(b)，模型中塊體3 214個(不包含模型邊框)。

圖6 模型幾何尺寸及DDA模型Fig.6 Model geometry and DDA model

3.2 開挖步驟及數值控制參數

模型在開挖前應先使模型達到初始應力平衡，由于露天采礦已經釋放了構造應力，因此在靜態條件下給模型中每個塊體僅施加重力來獲取模型的初始應力狀態，當模型達到初始應力平衡后，對掛幫礦進行分次開挖，開挖后模型自動轉為動態計算。模型中底部測點的應力演化情況如圖7所示，可以看出模型計算時間t=40 s時達到了初始應力平衡，至此模型共運行了40 000時步，此時便可對模型執行開挖。

按照所設定的回采方案，每個分段均采取由邊坡內向邊坡外的回采順序，為簡化開挖程序，將四個回采分段劃分為了若干個剛性塊體，以剛性塊體的開挖來代表各分段進路的回采。第一分段、第二分段同時回采，即同時對模型中編號為1的塊體進行開挖，以誘導頂部礦石(編號為2的塊體)冒落；同時第一分段、第二分段中對編號為4的塊體暫不開挖，作為保安礦柱防止滑落邊坡沖出采空區，該部分礦石相當于回采方案中的Ⅱ號回采區域。待編號為2的頂板礦石完全冒落后將其移除，代表實際中放礦回收冒落礦石，繼而對第三分段、第四分段進行開挖，先移除編號為3的塊體，代表回采分段的向下延深，隨即移除第一分段、第二分段中編號為4的塊體，代表第一分段、第二分段回采完全結束，同時為確保失穩的邊坡不沖出塌陷坑，第三分段、第四分段中編號為5的塊體暫不開挖，作為預留保安礦柱，確保邊坡滑落后不沖出塌陷坑。表1為模型中礦體及巖體的主要力學參數。

圖7 監測點在求解初始應力平衡過程中的應力演化情況Fig.7 The stress evolution of measuring points inthe process of solving initial stress equilibrium

表1 模型中礦巖體主要力學參數Table 1 Some key mechanical and numerical controlparameters in model

3.3 數值模擬結果分析

圖8(a)～(d)依次給出模型在第1～4步開挖后的邊坡失穩狀態。由圖8(a)可知，模型在第1步進行第一分段和第二分段協同開挖拉底后，頂板礦石(編號為2的塊體)發生冒落，同時邊坡沿指向坑底的貫通節理發生失穩滑移，冒落的礦石和滑落的邊坡落入采空區之中，由于保安礦柱(編號為4的塊體)的存在，有效阻攔了失穩邊坡沖出采空區；由圖8(b)可知，模型在第2步對冒落礦石進行移除后，使采空區騰出更大的空間來容納已失穩的邊坡，在此過程中邊坡破壞范圍未擴大，也沒有失穩的邊坡散體沖出采空區；由圖8(c)可知，模型在第3步對第三分段、第四分段進行協同開采后，使得采空區的空間進一步擴大，但新采礦活動也引發了更大范圍的邊坡破壞，但在保安礦柱(編號為4和5的塊體)的阻攔作用下，滑落的邊坡被采空區完全容納，沒有沖向露天坑底；由圖8(d)可知，模型在第4步對第一分段、第二分段的保安礦柱(編號為4的塊體)進行回采后，失去沖擊動能的失穩邊坡依然能夠被剩余采空區完全容納，并不會沖出采空區。

此處需要特別強調的是，盡管數值模擬結果表明利用誘導冒落法回采掛幫礦方案是安全可行的，但在實際生產中，爆破振動和降水等因素也會影響到邊坡的垮落范圍，因此在實際中操作該方案時，要盡可能的對露天臺階爆破和掛幫礦地下地下中深孔爆破均采用分段微差爆破，以減少爆破振動對邊坡滑落的影響，同時在邊坡上部及周邊修建截水溝，將降水引流，減少降水對邊坡滑落的影響；此外，當掛幫礦開采后邊坡的角度也將增大，為了防止陡立邊坡發生突發性的失穩，建議在掛幫礦回采前進行邊坡滾石實驗并根據實驗結果在露天坑底合適位置修建滾石攔截壩，以提高該方案的安全性。

圖8 誘導冒落法回采掛幫礦的數值模擬過程Fig.8 The numerical simulation process of mining hanging-wall ore body by induced caving method

4 結 論

1) 礦山在露天轉地下過渡期為實現穩產過渡可對掛幫礦進行回采，由于北幫掛幫礦和東幫掛幫礦的回采均會對礦山露天運輸系統造成破壞，而南幫掛幫礦的開采不會對露天坑底的采礦造成不利影響，因此在過渡期更適宜優先對南幫掛幫礦進行回采。

2) 礦山南幫掛幫礦礦體厚大且礦巖破碎，利用傳統掛幫礦回采方法無法充分釋放掛幫礦產能，可采用誘導冒落法對其進行開采，并通過控制回采順序，使塌陷邊坡滑向采空區而不沖向露天坑底威脅露天采場，實現過渡期露天與地下的安全高效協同開采。

3) 數值模擬表明，利用誘導冒落法回采掛幫礦時，采用由邊坡內部向邊坡外側退采的回采順序，可有效控制邊坡的失穩方向，同時迅速擴展地下采空區，使采空區容納失穩邊坡散體，從而實現掛幫礦的安全高效開采，此外還可通過加強邊坡失穩監測、增設滾石攔截壩等措施來進一步提高掛幫礦回采方案的安全性。