露天轉地下掛幫礦崩落法開采邊坡安全防控技術研究

宮長亮 孫哲申 許譯心 李昱衡 任海龍 范曉明

（1.鞍鋼集團礦業有限公司大孤山分公司；2.鞍鋼集團礦業有限公司眼前山分公司；3.東北大學資源與土木工程學院）

露天轉地下過渡期常提通過開采掛幫礦維持礦山的產能［1-3］，掛幫礦開采的過程中，會引起邊坡的巖移和陷落，嚴重威脅露天的安全生產［4-6］。實際生產中，常采用支護和削坡的方法控制邊坡的破壞，從應用效果看，這2 種方法工程量較大、施工程序較為繁瑣，初期能夠保持邊坡的穩定性，但限制了掛幫礦的開采效率，降低了礦山的產能，而且邊坡仍然會出現滑移和陷落，后期治理成本較高。

近些年來，崩落法開采掛幫礦被廣泛應用在露天轉地下過渡期［7-9］，利用崩落礦體回采后形成的空間，容納邊坡陷落的散體［10-13］，不僅能夠提高產能，同時可以降低邊坡的治理和維護成本。但該方法在應用中需要解決邊坡巖移的進程及方向，回采空間能夠容納陷落的散體，滾落至露天坑散體的防護問題等。本文以大孤山鐵礦為工程背景，分析崩落法開采掛幫礦邊坡的巖移機理，提出巖移的控制方法；研究陷落散體所需的回采體積，得出回采體積與保安礦柱寬度之間的函數關系；采用散體滑落試驗，得出防護壩的設置位置，為大孤山鐵礦露天轉地下過渡期的產能銜接和安全生產提供指導。

1 工程背景

大孤山鐵礦為特大型深凹露天礦山，探明的地質儲量為3.4億t，采場封閉圈標高為+78 m，設計最終露天底標高為-486 m，年產礦石700萬t左右，生產剝采比為4～7?，F已處于露天開采的末期，準備轉為地下開采。在露天轉地下過渡期間，為保持礦山產能的接續，需要開采掛幫礦。設計采用工序簡單，產能較大的崩落法開采，崩落法開采過程中將引起邊坡的巖移和陷落，給露天開采帶來一定的安全隱患。為此，需要對崩落法開采掛幫礦過程中邊坡的巖移和陷落問題進行深入研究、分析和計算，提出有效的邊坡巖移、陷落防控方法，在穩定產能的基礎上，確保大孤山鐵礦露天轉地下過渡期的安全生產（圖1）。

2 邊坡巖移機理及進程控制

掛幫礦開采過程中，前期需要保護露天采場及運輸的安全，要控制邊坡巖移的進度。因此，需要研究邊坡巖移機理，從圖2可以看出，掛幫礦開采后，采空區圍巖的受力關系，計算得出空區頂板單位面積上巖體所受壓力T與采空區半跨度l之間的函數關系式為［14］

整理得到

式中，γ為上覆巖層容重，N/m2；h為空區高度，m；H為空區頂板的埋深，m；α為露天邊坡角，（°）。

根據礦山實際情況，將各參數帶入式（2）可以計算出采空區的臨界冒落跨度2l。根據理論研究與現場試驗得出，掛幫礦持續冒落跨度為臨界冒落跨度的1.25～1.65 倍。為控制邊坡巖體冒落進程，提高掛幫礦的生產能力，將崩落法第一分段進路布置在礦體厚度大于3.3l（2l×1.65）的部位。回采時，從礦體上盤的進路逐漸向露天坑方向實施崩落，待崩落至靠近露天坑邊坡的進路時，首采分段底部已全部拉開，跨度大于3.3l，出礦時除留下一定厚度的安全散體墊層外，其余礦石全部出盡，出礦后形成連續的采空區，誘導空區上部的礦巖冒落，冒落的礦石在下一分段進行回收。

掛幫礦第一分段回采時，通過改變開采順序和進度來控制采空區的跨度，實現控制邊坡的冒落進程，當空區能夠容納邊坡冒落范圍內的散體時，可冒透地表，以便保證露天開采的安全。首采分段開采后，下部設置1～2 個分段回采冒落的礦體，開采方向從礦體上盤向露天坑方向，既可以延遲邊坡冒落的時間，又可以最大程度地回采掛幫礦。

3 陷落散體與回采體積關系研究

露天邊坡的巖移和陷落，主要取決于邊坡巖體的穩固條件。受露天開采爆破震動及開采擾動等因素的影響，掛幫礦開采過程中邊坡巖體的穩定性逐漸減弱，隨著開采范圍的不斷擴大，邊坡出現滑移、陷落，陷落的散體不允許流入露天坑底，威脅露天的安全開采。這就要求開采掛幫礦所形成的空區能夠容納邊坡陷落的散體。為此，需要研究邊坡巖體的陷落跨度，以及回采體積與陷落散體體積之間的函數關系。圖3為邊坡陷落后的幾何圖。

根據圖3中的各個參數，要保證露天開采的絕對安全，計算得出回采體積Vh要滿足公式（3）的條件［14］：

式中，L為走向長度，m；α為露天邊坡角，（°）；α1為滑落散體坡面角，（°）；β為礦巖滑移角，（°）；B為回采寬度，m；A為保安礦柱寬度，m；η為礦巖碎脹系數。

圖3為大孤山鐵礦回采區與滑落區位置關系圖，圖中A+B=H（cotα-cotβ），H=200 m，L=1 m，α=42°，α1=35°，β=56°，η=1.12，帶入式（3）得到回采體積Vh與 保 安 礦 柱 寬 度A關 系 為：Vh＞0.41A2-72.53A+4 116.52，該公式為二次函數，函數曲線形狀為開口向上的拋物線，拋物線的對稱軸為l=88.45 m，圖4 為回采體積Vh與保安礦柱寬度A之間的關系圖。

由圖4可見，所需回采體積Vh先隨著保安礦柱寬度A的增加而減小，當保安礦柱的寬度為88.45 m 時，所需回采體積Vh最小，之后又隨著保安礦柱寬度的增加而增大。在實際生產中，根據現場實際情況，通過保安礦柱寬度A與回采體積Vh之間的函數關系，計算得出能夠容納邊坡冒落散體體積所需的最小回采體積，留出一定寬度的保安礦柱，既能夠開采掛幫礦，保持礦山的產能，又能夠確保露天開采的安全。此外，在工程布置時，還應考慮到盡可能多地回收礦體和留有足夠的大的邊坡散體回收空間。崩落采礦法的拉底跨度應大于礦巖臨界冒落跨度，保證邊坡圍巖冒落的順利進行。

4 露天防護壩設置

掛幫礦開采前期，邊坡未發生陷落時，受采動影響，邊坡表面的巖石散體存在滾落至露天坑的可能。特別是高陡邊坡部位，地下開采形成的空區不足以容納上部陷落的散體。散體充滿空區后，多余的散體繼續滑動向露天坑底，對露天生產帶來極大的安全隱患。為保證露天生產的絕對安全，需要在邊坡的某一臺階上設置防護壩，阻擋多余散體繼續滑落至露天采場。為此，現場進行露天邊坡散體滑落試驗，根據多次試驗結果，確定了散體滑落的最遠距離，在散體滑落臺階下方的1～2 臺階設置防護壩，確保露天開采的絕對安全。根據大孤山鐵礦邊坡散體滑落試驗結果，防護壩設置在露天坑底的上一個臺階（圖5）。

5 結 論

（1）理論研究與實踐得出，掛幫礦持續冒落跨度為臨界冒落跨度的1.25～1.65倍。第一分段進路布置在礦體厚度大于3.3l的位置，通過改變開采順序和進度，實現控制邊坡的冒落進程，既能充分回采掛幫礦資源，又能保證露天開采的安全。

（2）研究表明，在保證大孤山鐵礦邊坡陷落安全的前提下，回采體積與保安礦柱寬度之間存在二次函數關系，回采體積先隨著保安礦柱寬度的增加而減小，后又隨著保安礦柱寬度的增加而增大，當保安礦柱的寬度為88.45 m 時，所需回采體積最小。實際生產中，根據現場礦體條件，預留一定寬度的保安礦柱，便能得出所需開采掛幫礦的體積，保證露天礦的安全開采。

（3）散體滑落試驗得出，在散體滑落臺階下方的1～2 臺階設置防護壩，能夠確保露天開采的安全，大孤山鐵礦邊坡防護壩設置在露天坑底的上一個臺階。