任鳳玉 宋德林 李海英 宮國慧

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

弓長嶺鐵礦二礦區(qū)為沉積變質(zhì)礦床，礦體走向長4 850 m，劃分為西北區(qū)、中央?yún)^(qū)和東南區(qū)3區(qū)開采［1］，在各采區(qū)交界部位，設(shè)計留100 m長的采區(qū)間柱，以保障各區(qū)獨(dú)立開采。實(shí)際生產(chǎn)中，以磁鐵礦為主的中央?yún)^(qū)上盤含鐵帶主要應(yīng)用無底柱分段崩落法先行開采，已采至－280 m中段;而東南區(qū)上盤含鐵帶為赤鐵礦，近年方進(jìn)行露天開采，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，加大了采動巖移的范圍，同時中央?yún)^(qū)從－220 m中段開始又向東南區(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)計中，按70°移動角圈定，在中央?yún)^(qū)的端部留下約500 m長的采區(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采方案，對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)上盤含鐵帶開采形成的塌陷坑，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)上盤含鐵帶露天采場。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，端部礦體的開采風(fēng)險，主要來自中央?yún)^(qū)地下開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)用無底柱分段崩落法開采，在出礦過程中，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自兩方面:一是下部崩落法采場放礦;二是塌陷坑內(nèi)散體流動過程中出現(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)，無底柱分段崩落法采場單次放出礦巖量所引起的地表散體下移微乎其微，可不考慮其對安全的影響，此時僅需考慮結(jié)拱現(xiàn)象的影響。為此，對該塌陷坑內(nèi)散體的結(jié)拱現(xiàn)象發(fā)生條件進(jìn)行了實(shí)驗研究［2］，得出的結(jié)論是弓長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，散體可連續(xù)流動;當(dāng)跨徑比R＜1.6時，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，偶爾出現(xiàn)流動停頓、卡塊與小型結(jié)拱現(xiàn)象。弓長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1.0 m，跨徑比R的值大于30，遠(yuǎn)大于2.6，所以，弓長嶺端部礦體西側(cè)塌陷坑內(nèi)散體下移過程中不會發(fā)生大規(guī)模結(jié)拱。也就是說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)的存在不會對端部礦體開采形成危害。

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，若長時間受風(fēng)化和雨水作用，解理及結(jié)構(gòu)面逐漸張開，巖體會發(fā)生片落，大規(guī)模的片落將對端部礦體的安全開采形成威脅，同時使可采礦體范圍變小進(jìn)而浪費(fèi)資源。

通過分析可知，弓長嶺鐵礦端部礦體在開采過程中，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 端部礦體開采巖移危害控制技術(shù)

文獻(xiàn)［3］中研究了散體對塌陷坑側(cè)壁的支撐作用，提出了臨界散體柱概念。塌陷坑內(nèi)散體對塌陷坑側(cè)壁既有主動施壓，又有抵抗邊壁變形的被動施壓，兩者一起阻止側(cè)壁巖體的片落活動。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，在塌陷坑側(cè)壁變形時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，可通過填充地表塌陷坑，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，此時可采取向坑內(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，充填的最終高度，應(yīng)以確保邊壁穩(wěn)定，同時便于端部礦體上部礦量的露天開采為準(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象，為此充填的最大高度不應(yīng)超過+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側(cè)邊幫同時向塌陷坑內(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 端部礦體開采方案及實(shí)施情況

3.1 端部礦體開采方案

在具備塌陷坑邊壁片落控制措施的前提下，原來因處于移動帶內(nèi)而不可開采的端部礦體可以納入露天采場開采范圍內(nèi)，該部分礦體可由原東南區(qū)露天采場向西擴(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采時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32 m寬的臨時保安礦柱，在礦柱范圍之外布置臺階正常開采，采到原設(shè)計的最低水平(+268 m水平)。這樣，當(dāng)露天端部境界邊坡角取50°時，露天坑底的西端可采至18線附近，見圖3。

圖3 端部礦體開采方案示意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)露天采場正準(zhǔn)備向西擴(kuò)幫，開采端部礦體。

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

4 結(jié)論

(1)弓長嶺鐵礦高落差端部礦體的開采風(fēng)險，主要為塌陷坑散體因下部采動而發(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)廢石流動性好，塌陷坑寬度與散體粒徑比值足夠大，散體將隨地下開采順暢下移，地表不會出現(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，保障露天采場不受巖移危害。

(4)弓長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，之后采用露天擴(kuò)采的方式開采端部礦體，可使端部礦體安全回采。

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