弓長嶺鐵礦高落差端部礦體安全開采技術研究

任鳳玉 宋德林 李海英 宮國慧

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

弓長嶺鐵礦二礦區為沉積變質礦床，礦體走向長4 850 m，劃分為西北區、中央區和東南區3區開采［1］，在各采區交界部位，設計留100 m長的采區間柱，以保障各區獨立開采。實際生產中，以磁鐵礦為主的中央區上盤含鐵帶主要應用無底柱分段崩落法先行開采，已采至－280 m中段;而東南區上盤含鐵帶為赤鐵礦，近年方進行露天開采，生產標高在+385～+420 m水平。由此導致中央區地下回采工作面與東南區露天工作面的垂直落差高達700 m，如此大的落差，加大了采動巖移的范圍，同時中央區從－220 m中段開始又向東南區擴采了200 m，使得采區之間受巖移影響的范圍進一步擴大，最終在東南區回采設計中，按70°移動角圈定，在中央區的端部留下約500 m長的采區間柱作為保安礦柱。如此巨大的保安礦柱不能回采，不僅造成資源浪費，而且嚴重制約采區產能的提高，對礦山企業經濟效益影響重大。為此，揭示端部礦體的賦存條件與可能發生的巖移危害形式，提出巖移危害防治措施，據此研發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°，礦體西端為中央區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，坑內底部為片落的碎石與塊石，礦體東端為東南區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，中央區應用淺孔留礦法向東南區方向擴采了200 m，至19線+35 m部位，擴采采場中礦柱崩落后形成的采空區，已由冒落的礦巖所充填。在此條件下，端部礦體的開采風險，主要來自中央區地下開采所形成的塌陷坑和擴采形成的空區，塌陷坑散體因下部采動而發生的突然下移、塌陷坑陡立邊壁的失穩片落、擴采空區上部礦體的垮落，都將危害到地表作業人員的安全。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

中央區上盤含鐵帶塌陷坑內散體厚度約500 m，其下礦體主要應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，若塌陷坑內散體出現大規模瞬間下移現象，將危及地表作業人員安全。而引起塌陷坑內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;二是塌陷坑內散體流動過程中出現結拱現象后，拱體的突然垮落。由于塌陷坑內散體厚度足夠大(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，此時僅需考慮結拱現象的影響。為此，對該塌陷坑內散體的結拱現象發生條件進行了實驗研究［2］，得出的結論是弓長嶺鐵礦塌陷坑散體的結拱概率主要取決于跨徑比R(空區跨度與散體粒徑的比值)。當跨徑比R≥2.6時，散體可連續流動;當跨徑比R＜1.6時，出現卡塊、結拱現象;當跨徑比R處于1.6與2.6之間時，偶爾出現流動停頓、卡塊與小型結拱現象。弓長嶺鐵礦靠近端部礦體的塌陷坑寬度為30～100 m，坑內散體粒徑不超過1.0 m，跨徑比R的值大于30，遠大于2.6，所以，弓長嶺端部礦體西側塌陷坑內散體下移過程中不會發生大規模結拱。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 擴采空區危害分析

端部礦體中由中央區擴采形成的采空區，現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突然垮落情況，進而端部礦體西側塌陷坑內的散體也不會出現因礦體突然垮落而引發的大規模瞬間下移現象。因此，擴采空區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，若長時間受風化和雨水作用，解理及結構面逐漸張開，巖體會發生片落，大規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而浪費資源。

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

文獻［3］中研究了散體對塌陷坑側壁的支撐作用，提出了臨界散體柱概念。塌陷坑內散體對塌陷坑側壁既有主動施壓，又有抵抗邊壁變形的被動施壓，兩者一起阻止側壁巖體的片落活動。在圍巖穩定性一定的條件下，當塌陷坑內緩慢下移的散體柱達到臨界散體柱高度時，在塌陷坑側壁變形時便可提供足夠大的抵御其變形的支撐力，制止側壁圍巖的片落，隨之限制側壁圍巖的陷落范圍［3］。當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生片落。在弓長嶺鐵礦中央區臨界散體柱高度為93.66～118.09 m。端部礦體西側塌陷坑內散體厚度約500 m，遠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。但端部礦體西側塌陷坑內還有近100 m的高度未被散體充填，邊壁有片落風險，此時可采取向坑內繼續充填廢石的方法，使臨界散體柱位置上移，這樣上部邊壁片落將受限制。

向塌陷坑內充填廢石時，充填的最終高度，應以確保邊壁穩定，同時便于端部礦體上部礦量的露天開采為準則。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超過+360 m水平。塌陷坑深度較大，壁面陡立，表明巖體穩定性較好，從塌陷坑邊壁的穩定狀態來看，廢石充填并保持在+344 m水平，即可消除邊壁大規模片落的可能性。為此，廢石散體應充填到+344 m臺階水平，并保持隨沉隨填，使散體頂面穩定于+344 m水平。

充填方案實施過程中，應采用沿塌陷坑軸線方向與邊幫協同排放廢石的工藝，如圖2所示，即從塌陷坑端部和上盤側邊幫同時向塌陷坑內排放廢石，提高充填效率，解決廢石向塌陷坑的安全排放的技術難題。

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

3 端部礦體開采方案及實施情況

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而不可開采的端部礦體可以納入露天采場開采范圍內，該部分礦體可由原東南區露天采場向西擴采完成。礦體西端塌陷坑內散體充填高度為+344 m水平，之上的全部礦體可由原東南區露天采場向西擴采完成，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入露天境界內，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，采到原設計的最低水平(+268 m水平)。這樣，當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，其上部側壁受到臨界散體柱提供的支撐力作用，不再發生片落。在塌陷坑有散體保護的前提下，東南區露天采場正準備向西擴幫，開采端部礦體。

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

4 結論

(1)弓長嶺鐵礦高落差端部礦體的開采風險，主要為塌陷坑散體因下部采動而發生的突然陷落以及塌陷坑邊壁礦巖的大規模片落。

(2)中央區塌陷坑內廢石流動性好，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，地表不會出現突然陷落情況。

(3)采取繼續向塌陷坑內充填廢石的措施，使塌陷坑上部側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入露天采場，之后采用露天擴采的方式開采端部礦體，可使端部礦體安全回采。

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