, 任凤玉1, 肖冬1, 毛亚纯11. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819;
2. 鞍钢集团 鞍千矿业有限责任公司, 辽宁 鞍山 114043
收稿日期：2018-01-09
基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFC0801600);国家自然科学基金资助项目(41371437, 61473072, 61203214)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N160404008)。
作者简介：范晓明(1987-)，男，辽宁鞍山人，东北大学博士研究生;
任凤玉(1956-)，男，内蒙古敖汉旗人，东北大学教授, 博士生导师。
摘要：大孤山铁矿为大型深凹露天铁矿山, 在露天转地下过渡期中, 采用诱导冒落法开采挂帮矿的新型露天转地下过渡模式.对大孤山铁矿现存挂帮矿进行三维建模分析, 依据过渡模式的露天地下协同开采的安全要求, 选择南帮挂帮矿作为过渡期第一阶段露天地下协同开采区域, 通过采用合理的回采顺序控制边坡上塌陷坑范围和塌陷坑容积, 使滑移体全部滑入塌陷坑.开采东帮挂帮矿为露天转地下第二阶段, 利用露天原有运输系统迅速提高地下产能, 并采用合理方式控制东帮边坡滑移岩体.最后采用该方法对大孤山铁矿露天转地下进行方案设计和验证.
关键词：挂帮矿深凹特征诱导冒落开采大孤山矿露天转地下
Improved Induced Caving Mining Method for Hanging Wall Ore with Deep Concave Features
FAN Xiao-ming1,2
, REN Feng-yu1, XIAO Dong1, MAO Ya-chun11. School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. Anqian Mining Co., Ltd., Anshan Iron and Steel Group, Anshan 114043, China
Corresponding author: FAN Xiao-ming, E-mail: 576009975@qq.com
Abstract: The Dagushan iron mine is a large deep concave open-pit iron mine. During the transitional period from open-pit to underground mining, a new underground transition mode of improved induced caving mining for hanging wall ore was adopted. The 3D modeling of the existing hanging wall ore was carried out in Dagushan mine. Based on the the safety requirements of open-pit and underground cooperative mining in transitional mode, the south-hanging wall ore was selected as the open-pit and underground cooperative mining area during the first phase of the transitional period. By adopting a reasonable sequence of extraction, the range and volume of collapse pit at the slope were controlled, so that the slip body slides into the collapse pit. In the second stage of the transition from open-pit to underground mining, the mining of the east hanging wall ore was used to rapidly improve the underground mining capacity and to control the sliding rock mass of the east side slope in a reasonable manner. Finally, it was used to design and verify the mining method of transition from open-pit to underground in Dagushan iron ore mine.
Key words: hanging wall oredeep concave featuresinduced caving miningDagushan minefrom open-pit to underground mining
大孤山采区为典型的深凹露天矿, 该矿采场封闭圈标高为+78 m, 截止2015年底, 露天最低开采水平为-310 m, 露天境界优化后, 境界坑底标高为-474 m, 露天还有可采储量4 900万t, 按设计产能300万t/a计算, 还可延长开采13年, 之后转入地下开采.
在露天开采境界之外存在大量挂帮矿, 挂帮矿体的开采会使岩体受到二次扰动, 产生复杂的应力场[1], 挂帮矿往往有着深凹的特征, 产生了严重的边坡问题, 边坡会发生蠕动、松动变形产生滑坡、崩裂破坏[2], 为保障露天转地下平稳过渡, 亟需进行过渡期挂帮矿高效安全开采的研究, 关于挂帮矿的开采和回收, 国内外的专家开展了大量的研究.程高福[3]根据姑山铁矿挂帮的实际情况, 进行了二期开采工程设计方案; 李大凯[4]对首钢矿业公司二马采区露天转地下挂帮矿开采的开拓系统及采矿方法进行了合理选择; 宋华等[5]对融冠铁锌矿露天转地下开采时无底柱分段崩落法的应用情况进行了探讨, 并对边孔角度、阶段高度等参数进行了优化; Zhang[6]提出了一种基于冲击波碰撞和应力叠加的悬挂方法, 减少了矿石的损失.Jin等[7]利用离散单元的模拟方法探究无底柱的矿岩的开采.Cheng等[8]通过室内的材料模拟, 研究降水对挂帮矿的影响.Cai等[9]根据大冶铁矿二号挂帮矿实际开采的方法, 讨论了开采过程中的减震控制爆破和边坡变形监测. Yi等[10]对诱导冒落法进行了数值模拟, 分析了方法的可靠性, 取得良好的效果.
岩体的厚度和节理发育等因素很大程度上影响着整个矿体的稳定性[11-12], 本文针对大孤山铁矿挂帮矿的特点, 采用露天转地下楔形转接过渡方式, 利用诱导冒落法开采挂帮矿, 通过合理布置采场和调整回采顺序保证露天、地下协同开采的安全高效, 使大型深凹露天矿露天转地下过渡期产能平稳衔接.
1 露天转地下新型转接过渡方案大孤山铁矿露天转地下过渡方案采用楔形转接过渡方法(见图 1).这是一种新型的不留设保安矿柱的过渡方法, 与传统预留矿柱的过渡方法相比, 该方法可以有效加快地下开采进度, 缩短过渡期, 还可以进行露天、地下的协同开采, 保障过渡期产能平稳, 避免减产过渡甚至停产过渡.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 露天转地下楔形转接过渡模式Fig.1 Open-pit to underground wedge transition model |
该方法将处于露天开采末期的开采境界按照楔形几何特点划分为露采区域和地采区域, 水平方向上露采与地采区域不重叠, 创造同时开采的安全条件; 垂直方向上露采区域位于地采区域的上方, 露天按适宜边坡角继续向下延伸开采, 地下开采先开采挂帮矿, 再按照楔形几何特点逐步向下扩大地采范围, 伴随露采深度增大产能下降, 地采深度增大产能提高, 按此开采顺序保障产能平稳过渡.
由于露天采场和地下采场水平投影不重叠, 新型过渡方法可以创造一个露天、地下同时开采互不影响的安全环境.挂帮矿为露天转地下过渡期露天开采残留矿体, 在露天开采和爆破的作用下, 挂帮矿体的岩体裂隙进一步发育, 岩体质量劣化, 适于采用诱导冒落法开采挂帮矿体(见图 2).
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 挂帮矿诱导冒落法开采示意图Fig.2 Diagram of induced caving mining for hanging wall ore |
设置首采分段为诱导冒落水平, 回采后形成拉底的空区, 顶板围岩应力集中, 随着开采范围增大空区范围随之增大, 当空区跨度超过岩体自稳跨度后, 顶板围岩在高应力作用下失稳破坏, 上覆矿岩破碎塌落, 在首采分段下部设置回收分段, 接收上部冒落矿石.
该过渡方法存在的主要安全问题是:采用诱导冒落法开采挂帮矿会引起边坡失稳破坏产生滑移, 这种边坡灾害会对露天生产造成危险.诱导冒落产生的空区会随着回采面积扩大不断向上扩展, 直至冒透地表形成塌陷坑, 这会破坏深凹露天坑高陡边坡脆弱的稳定状态, 导致边坡滑移, 大规模的高速滑移体会对露天仍在生产的采场造成极大危害.
在海南铁矿露天转地下过渡期岩移危害控制研究中发现, 在诱导冒落挂帮矿形成塌陷坑的过程中, 如果形成的塌陷坑容积可以容纳边坡的滑移岩体, 那么可采用塌陷坑收纳边坡滑落的岩体.为使边坡岩移不影响露天生产, 只要控制塌陷坑几何形状、边坡岩体的滑移量和滑移方向, 使滑移体均向塌陷坑移动且不会溢出即可(见图 3).
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 边坡岩移危害控制方法示意图Fig.3 Diagram of control method for slope instability hazard |
根据上述研究, 为解决大孤山铁矿露天地下同时开采边坡岩移危害, 需通过合理调整诱导冒落法工程回采顺序, 控制采空区形态的发展, 使滑移体滑向形成的塌陷坑内, 避免滑移体威胁露天采场.为防止个别散石溢出塌陷坑滚向露天坑底, 在挂帮矿一侧露天坑底布置挡石坝, 预留安全距离.
2 大孤山铁矿挂帮矿开采研究2.1 挂帮矿现场调查和区域研究根据大孤山铁矿最终境界, 大孤山采区挂帮矿由三部分组成, 北帮挂帮矿位于7#线以北, 东帮挂帮矿位于7#~10#线之间, 南帮挂帮矿位于10#线以南.挂帮矿的位置如图 4所示.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 大孤山采区挂帮矿体赋存位置Fig.4 Occurrence location of hanging wall ore in Dagushan open-pit mine (a)—大孤山最终境界；(b)—大孤山矿体-456 m水平切面图. |
在大孤山露天转地下过渡期, 为加快地下开采进程, 地采仍采用露天运输系统, 由此需要保护北帮露天运输系统, 北帮挂帮矿体需要滞后开采.
东帮和南帮远离露天运输系统, 过渡期开采不会影响露天运输.为此, 本文重点研究东帮和南帮挂帮矿体的诱导冒落法开采方案.
南帮挂帮矿(见图 5)位于露天采坑南帮边坡下, 开采范围为10#勘探线以南、-400 m水平以上的矿量, 这部分矿量垂直矿体走向长度240~270 m, 宽120 m, 高150 m, 可采矿量830万t.上部覆岩为千山花岗岩, 矿体为磁铁矿.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 南挂帮矿模型Fig.5 Hanging wall ore model of south boundary |
东帮挂帮矿体呈三棱柱形(见图 6), 开采范围为7#勘探线和10#勘探线之间、-456 m以上矿体, 沿走向长284 m, 宽136 m, 高90 m, 矿量约为600万t.挂帮矿为磁铁矿, 上盘围岩为含铁石英岩和绿泥石英片岩.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 东帮挂帮矿模型Fig.6 Hanging wall ore model of east boundary |
根据大孤山铁矿现场结构面调查和取样矿岩的点荷载试验, 对大孤山铁矿矿岩稳定性进行分级评价(见表 1).
表 1(Table 1)
 表 1 大孤山采区矿岩稳定性分级表Table 1 Stability classification table of rock in Dagushan mining area
| 表 1 大孤山采区矿岩稳定性分级表 Table 1 Stability classification table of rock in Dagushan mining area |
由矿岩分级结果可见, 矿体坚硬但节理裂隙较发育, 采用诱导冒落法开采可使矿石呈合适块度崩落, 上盘石英岩较矿体稳固性稍差, 南端的千山花岗岩和上盘绿泥石英片岩岩体质量更差, 如果矿体进入冒落状态, 其上覆围岩由于岩性更差必然会冒落.所以根据岩体稳定性分级指标, 大孤山铁矿东帮和南帮挂帮矿适于进行诱导冒落法开采.
根据大孤山铁矿南北长东西窄的几何特征, 深凹露天坑和高陡边坡的特点, 结合露天转地下楔形转接过渡方法, 提出深凹露天矿露天转地下转接过渡方案.
由于大孤山铁矿南北长东西短, 导致其露天坑底东西方向较窄, 且为高陡边坡, 露天地下协同开采时, 无法在东西方向留设足够的安全距离设置挡石坝, 且东帮挂帮矿高度较小, 其几何特点导致形成的塌陷坑可能无法完全容纳边坡滑移体.露天地下协同开采第一阶段, 选择南帮挂帮矿与露天同时开采, 维持产能平稳过渡, 露天开采完毕后, 再进行东帮挂帮矿开采, 补充产能.
2.2 南帮挂帮矿开采方案针对南帮挂帮矿深凹地质条件, 采用大结构参数诱导冒落开采方法.设置分段高度为20 m, 进路间距为20 m, 上下分段之间进路菱形布置.布置三个回采分段, -354 m分段为首采分段, 联同-374 m分段的回采, 诱导上部70~100 m高矿体自然冒落.-374 m分段联同-394 m分段, 回采过程中充分接收冒落的矿石.
南帮挂帮矿体的采准工程布置见图 7和图 8.为便于控制采空区形状和塌陷坑形态, 靠近露天坑一侧, 回采巷道沿边坡方向(垂直矿体走向)布置.分段内的回采顺序为中间向两端退采.在图 7所示采准工程布置形式下, 当具备三个分段同时出矿条件时, 可3个采场同时出矿, 生产能力可达200万t/a.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 大孤山南帮挂帮矿-394 m分段工程布置图Fig.7 Segmented project plan of hanging wall ore in the south slope -394 m level in Dagushan mining area |
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 大孤山南帮挂帮矿1#勘探线剖面Fig.8 1# prospecting line profile map of hanging wall ore in the south slope in Dagushan mining area |
为加快南帮挂帮矿地采进程, 需要尽早进行南帮挂帮矿的开拓采准工程, 以保证在露天闭坑时, 形成三分段同时出矿条件.根据施工进度和产能衔接时间安排, 需在露天运输公路已下降到-414 m水平时, 从-342 m平台与-414 m平台向南帮挂帮矿掘进斜坡道与平硐, 在矿体中进行采准开拓工程施工.南帮挂帮矿回采时, 仍采用露天运输系统, 在露天转地下过渡期充分利用现有工程, 快速达到稳产过渡(见图 9).
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 挂帮矿开拓系统露天位置图Fig.9 Open-pit location of development system for hanging wall ore |
2.3 东帮挂帮矿开采方案东帮挂帮矿矿体呈三棱柱形, 矿体与上盘围岩中等稳固, 局部出露的绿泥石英片岩不稳固.
在露天开采完全结束时, 进行东帮挂帮矿诱导冒落开采, 补充地下产能的不足.当露天开采水平下降至-430 m时, 向挂帮矿掘进措施平硐, 加快挂帮矿中开拓采准工程施工进度.
虽然东帮开采时露天生产已经结束, 但是东帮挂帮矿仍然采用露天原有下盘侧的运输系统, 仍需控制回采顺序, 尽量减小边坡滑移至坑底的岩石量.靠近露天坑一侧, 回采巷道沿矿体走向布置; 为远离边坡靠近上盘一侧的矿体垂直走向布置回采进路.采准工程布置形式如图 10和图 11所示.靠近露天坑的采区采用由中间向两边退采的方式, 控制塌陷坑形态, 控制岩移.
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 1#勘探线剖面图Fig.10 Prospecting line profile map of 1# |
图 11(Fig. 11)
 | 图 11 -430 m水平采准工程布置图Fig.11 Mining engineering layout in -430 m level |
3 控制塌陷坑形态和岩移的工艺方法诱导冒落法开采挂帮矿, 采用中深孔爆破, 沿回采巷道退采, 主要通过控制回采顺序和回采出矿量来控制塌陷坑形态和岩移.在水平和垂直两个维度控制回采顺序, 水平上采用由中间向两端退采, 回采工作面呈梯形分布, 回采区域呈椭圆形扩大, 以此控制塌陷坑呈椭圆形向四周扩大; 采用多分段同时开采, 通过控制回采区域的深度来控制塌陷坑垂直深度.在保证避免冲击气浪危害的条件下, 快速出矿, 以保障塌陷坑容积增大, 足以承接滑移边坡岩体.
4 结论1) 针对大孤山铁矿深凹露天坑和高陡边坡的特点, 提出结合挂帮矿诱导冒落开采的露天转地下楔形转接过渡方案.
2) 根据过渡模式的协同开采安全要求, 选择南帮挂帮矿作为进行露天地下协同开采区域, 布置垂直端帮的回采进路, 采用由中间向两边退采的回采顺序, 控制塌陷坑形状, 完整容纳边坡滑移岩体, 保护露天采场.
3) 露天开采结束后, 仍使用原有露天运输系统开采东帮挂帮矿, 增大转入地下初期产能.为保护运输系统的安全, 靠近露天坑一侧, 采用垂直边坡面方向布置回采巷道, 采用由中间向两端的回采顺序; 远离露天坑一侧, 采用平行边坡面方向布置回采巷道, 采用向远离露天坑一侧退采的回采顺序, 控制东边坡破坏滑移进程和影响范围.
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