武會(huì)強(qiáng)，任鳳玉

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

某露天鐵礦是一個(gè)典型的大型深凹露天礦，該礦露天坑封閉圈標(biāo)高位于+78 m，在2015年年底時(shí)露天坑回采至-310 m水平，為擴(kuò)大露天開采范圍、延長露天開采服務(wù)年限，礦山對露天境界進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后最終露天坑底標(biāo)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(jìn)行回采，若按照礦山2015年300萬t的年產(chǎn)能計(jì)算，則露天開采還可維持13 a左右，隨后便需要轉(zhuǎn)入地下開采。一般來說，在露天開采轉(zhuǎn)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(yè)安全性變差，同時(shí)礦石產(chǎn)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(shí)現(xiàn)掛幫礦的安全高效開采，不僅可以實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的充分回收，還有助于化解露天轉(zhuǎn)地下的減產(chǎn)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(tài)及各部分掛幫礦位置如圖1所示。

要實(shí)現(xiàn)露天轉(zhuǎn)地下的穩(wěn)產(chǎn)過渡，就需要在過渡期對掛幫礦進(jìn)行回采，盡管礦山的北幫、東幫、南幫三個(gè)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(jìn)行回采。由于露天坑的運(yùn)輸系統(tǒng)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(huì)對露天運(yùn)輸系統(tǒng)的穩(wěn)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(jìn)行回采；而南幫掛幫礦遠(yuǎn)離露天運(yùn)輸系統(tǒng)，對其開采后即便造成邊坡失穩(wěn)也不會(huì)影響到露天運(yùn)輸系統(tǒng)，因此在過渡期率先考慮對南幫掛幫礦進(jìn)行開采。本文重點(diǎn)對該礦山露天轉(zhuǎn)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(tài)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(dá)830萬t。礦體為磁鐵礦，中等穩(wěn)固，礦體上盤邊坡圍巖為千山花崗巖，不穩(wěn)固。

經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)勘查，南幫邊坡礦體及巖體均節(jié)理裂隙發(fā)育，再加之受露天采礦卸荷作用和頻繁的爆破振動(dòng)，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(guī)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(yīng)礦體開采條件，也難以滿足礦山在過渡期想要實(shí)現(xiàn)掛幫礦安全高效開采的生產(chǎn)需求。參照類似工程經(jīng)驗(yàn)[5-6]，綜合分析礦山掛幫礦的實(shí)際開采條件，研究得出南幫掛幫礦適宜采用誘導(dǎo)冒落法進(jìn)行開采。采用誘導(dǎo)冒落法回采掛幫礦勢必引發(fā)邊坡失穩(wěn)[7]，但可通過控制回采順序誘導(dǎo)邊坡向采空區(qū)方向失穩(wěn)，不使其沖向露天坑底威脅露天采礦，從而在過渡期實(shí)現(xiàn)露天與地下的安全高效協(xié)同開采[8]。為提升掛幫礦的產(chǎn)能和效率，可采用大結(jié)構(gòu)參數(shù)崩落法進(jìn)行回采，采場分段高度設(shè)定為20 m，進(jìn)路間距設(shè)定為20 m，崩礦步距取2.2 m。 首采分段(也稱誘導(dǎo)分段)布置于-354 m水平，為迅速擴(kuò)展采空區(qū)空間，回采時(shí)首采分段與第二分段同時(shí)回采，以誘導(dǎo)上部礦體自然冒落。第一分段、第二分段回采至末期，同時(shí)對第三分段、第四分段進(jìn)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(tǒng)，一旦露天坑-324 m水平運(yùn)輸平臺完成后便向掛幫礦方向掘進(jìn)斜坡道，依次達(dá)到各回采和運(yùn)輸水平；當(dāng)露天坑回采下降到-414 m水平時(shí)，通過露天平臺向掛幫礦掘進(jìn)運(yùn)輸平硐與井下開拓系統(tǒng)銜接，形成掛幫礦的運(yùn)輸系統(tǒng)，由此，各分段回采的掛幫礦統(tǒng)一下放至-414 m水平集中裝車，再通過露天運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)往-258 m破碎站進(jìn)行破碎，最終運(yùn)至選廠。掛幫礦回采開拓系統(tǒng)形式布置如圖4所示。

圖4 南幫掛幫礦開拓系統(tǒng)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(jìn)行了深入對比研究，研究結(jié)果表明，從掛幫礦中央向兩側(cè)退采，同時(shí)在邊坡外側(cè)預(yù)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(jié)果，設(shè)定出先開挖邊坡內(nèi)側(cè)礦體，同時(shí)在邊坡外側(cè)預(yù)留保安礦柱的掛幫礦誘導(dǎo)冒落回采方案。在本文提出的利用誘導(dǎo)冒落法回采掛幫礦的方案中，為了防止失穩(wěn)的邊坡沖出采空區(qū)威脅到下方露天坑底的露天采礦，需要對掛幫礦進(jìn)行分區(qū)開采，即以掛幫礦的中央部位為界線將掛幫礦劃分為兩個(gè)回采區(qū)域，靠近邊坡巖體內(nèi)部的一側(cè)稱之為Ⅰ采區(qū)，靠近露天坑一側(cè)稱之為Ⅱ采區(qū)?；夭蓵r(shí)先對Ⅰ采區(qū)進(jìn)行回采，在該采區(qū)內(nèi)，為提高產(chǎn)能，回采進(jìn)路沿礦體走向布置，切割槽位于礦巖交界部位，Ⅰ采區(qū)保持由中間向兩端、由內(nèi)向外的退采順序。Ⅱ采區(qū)作為保安礦柱，預(yù)防Ⅰ采區(qū)開采引發(fā)的失穩(wěn)邊坡沖出采空區(qū)，在Ⅱ采區(qū)內(nèi)回采進(jìn)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(jìn)路聯(lián)巷和切割平巷，采取從北向南退采的模式。Ⅰ采區(qū)、Ⅱ采區(qū)協(xié)同退采，整個(gè)采場內(nèi)共布置3個(gè)溜井，溜井由-360 m分段通-414 m運(yùn)輸水平，采場布置形式如圖5所示。

為盡快擴(kuò)大地下采空區(qū)以容納失穩(wěn)邊坡，掛幫礦回采時(shí)第一分段和第二分段協(xié)同作業(yè)，利用采礦形成的采空區(qū)誘導(dǎo)上部礦體自然冒落和邊坡失穩(wěn)。待上部礦巖充分冒落后，再對第三分段、第四分段進(jìn)行回采，如此便可基本保證有三個(gè)采場在同時(shí)作業(yè)，出礦采用斗容4 m3鏟運(yùn)機(jī)出礦，生產(chǎn)能力可達(dá)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(shù)值模擬研究

3.1 模型建立

為研究該礦山露天轉(zhuǎn)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(xù)變形分析方法(DDA)研究南幫掛幫礦誘導(dǎo)冒落過程中的邊坡失穩(wěn)過程及采礦安全性，對掛幫礦的開采方案進(jìn)行數(shù)值預(yù)研，為邊坡失穩(wěn)帶來的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測與預(yù)防提供技術(shù)支撐。模型幾何尺寸、測點(diǎn)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(shè)置有一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，用于確定模型的初始應(yīng)力平衡狀態(tài)及首次開挖時(shí)間?，F(xiàn)場礦巖節(jié)理調(diào)查結(jié)果顯示，南幫邊坡花崗巖包含了兩組主節(jié)理，其傾角為70°和175°，兩組節(jié)理的間距均在1 m左右，礦體也包含了兩組主節(jié)理，其傾角為90°和0°，兩組節(jié)理的間距均在0.5 m左右。由于礦巖節(jié)理連續(xù)性均較好，再加之受爆破振動(dòng)、采礦卸荷等作用的影響，在模型中將這礦巖節(jié)理均設(shè)定為貫通節(jié)理。同時(shí)為減小模型中的塊體數(shù)量，又兼顧模型的仿真度和可算性，將各組節(jié)理的間距按照整數(shù)倍進(jìn)行放大，最終模型中各組節(jié)理的間距均設(shè)定為8 m。模型中掛幫礦共劃分了四個(gè)回采分段，分別代表實(shí)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(gè)(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(shù)值控制參數(shù)

模型在開挖前應(yīng)先使模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡，由于露天采礦已經(jīng)釋放了構(gòu)造應(yīng)力，因此在靜態(tài)條件下給模型中每個(gè)塊體僅施加重力來獲取模型的初始應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡后，對掛幫礦進(jìn)行分次開挖，開挖后模型自動(dòng)轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)計(jì)算。模型中底部測點(diǎn)的應(yīng)力演化情況如圖7所示，可以看出模型計(jì)算時(shí)間t=40 s時(shí)達(dá)到了初始應(yīng)力平衡，至此模型共運(yùn)行了40 000時(shí)步，此時(shí)便可對模型執(zhí)行開挖。

按照所設(shè)定的回采方案，每個(gè)分段均采取由邊坡內(nèi)向邊坡外的回采順序，為簡化開挖程序，將四個(gè)回采分段劃分為了若干個(gè)剛性塊體，以剛性塊體的開挖來代表各分段進(jìn)路的回采。第一分段、第二分段同時(shí)回采，即同時(shí)對模型中編號為1的塊體進(jìn)行開挖，以誘導(dǎo)頂部礦石(編號為2的塊體)冒落；同時(shí)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(qū)，該部分礦石相當(dāng)于回采方案中的Ⅱ號回采區(qū)域。待編號為2的頂板礦石完全冒落后將其移除，代表實(shí)際中放礦回收冒落礦石，繼而對第三分段、第四分段進(jìn)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(jié)束，同時(shí)為確保失穩(wěn)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(yù)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(xué)參數(shù)。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)在求解初始應(yīng)力平衡過程中的應(yīng)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(xué)參數(shù)Table 1 Some key mechanical and numerical controlparameters in model

3.3 數(shù)值模擬結(jié)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(wěn)狀態(tài)。由圖8(a)可知，模型在第1步進(jìn)行第一分段和第二分段協(xié)同開挖拉底后，頂板礦石(編號為2的塊體)發(fā)生冒落，同時(shí)邊坡沿指向坑底的貫通節(jié)理發(fā)生失穩(wěn)滑移，冒落的礦石和滑落的邊坡落入采空區(qū)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(wěn)邊坡沖出采空區(qū)；由圖8(b)可知，模型在第2步對冒落礦石進(jìn)行移除后，使采空區(qū)騰出更大的空間來容納已失穩(wěn)的邊坡，在此過程中邊坡破壞范圍未擴(kuò)大，也沒有失穩(wěn)的邊坡散體沖出采空區(qū)；由圖8(c)可知，模型在第3步對第三分段、第四分段進(jìn)行協(xié)同開采后，使得采空區(qū)的空間進(jìn)一步擴(kuò)大，但新采礦活動(dòng)也引發(fā)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(qū)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(jìn)行回采后，失去沖擊動(dòng)能的失穩(wěn)邊坡依然能夠被剩余采空區(qū)完全容納，并不會(huì)沖出采空區(qū)。

此處需要特別強(qiáng)調(diào)的是，盡管數(shù)值模擬結(jié)果表明利用誘導(dǎo)冒落法回采掛幫礦方案是安全可行的，但在實(shí)際生產(chǎn)中，爆破振動(dòng)和降水等因素也會(huì)影響到邊坡的垮落范圍，因此在實(shí)際中操作該方案時(shí)，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(dòng)對邊坡滑落的影響，同時(shí)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(dāng)掛幫礦開采后邊坡的角度也將增大，為了防止陡立邊坡發(fā)生突發(fā)性的失穩(wěn)，建議在掛幫礦回采前進(jìn)行邊坡滾石實(shí)驗(yàn)并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dǎo)冒落法回采掛幫礦的數(shù)值模擬過程Fig.8 The numerical simulation process of mining hanging-wall ore body by induced caving method

4 結(jié) 論

1) 礦山在露天轉(zhuǎn)地下過渡期為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)過渡可對掛幫礦進(jìn)行回采，由于北幫掛幫礦和東幫掛幫礦的回采均會(huì)對礦山露天運(yùn)輸系統(tǒng)造成破壞，而南幫掛幫礦的開采不會(huì)對露天坑底的采礦造成不利影響，因此在過渡期更適宜優(yōu)先對南幫掛幫礦進(jìn)行回采。

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

3) 數(shù)值模擬表明，利用誘導(dǎo)冒落法回采掛幫礦時(shí)，采用由邊坡內(nèi)部向邊坡外側(cè)退采的回采順序，可有效控制邊坡的失穩(wěn)方向，同時(shí)迅速擴(kuò)展地下采空區(qū)，使采空區(qū)容納失穩(wěn)邊坡散體，從而實(shí)現(xiàn)掛幫礦的安全高效開采，此外還可通過加強(qiáng)邊坡失穩(wěn)監(jiān)測、增設(shè)滾石攔截壩等措施來進(jìn)一步提高掛幫礦回采方案的安全性。