深凹露天矿转地下过渡期挂帮矿安全高效开采方法研究

武会强，任凤玉

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

某露天铁矿是一个典型的大型深凹露天矿，该矿露天坑封闭圈标高位于+78 m，在2015年年底时露天坑回采至-310 m水平，为扩大露天开采范围、延长露天开采服务年限，矿山对露天境界进行了优化，优化后最终露天坑底标高确定在-474 m，则矿山还有近5 000万t的矿石可利用露天方式进行回采，若按照矿山2015年300万t的年产能计算，则露天开采还可维持13 a左右，随后便需要转入地下开采。一般来说，在露天开采转地下开采过渡期，由于露天工作面的减小，地下工作面还未铺开，加之地下开采的相互干扰，使得过渡期的采矿作业安全性变差，同时矿石产量难以保障。而在露天开采境界之外通常存在大量的挂帮矿，若在过渡期能实现挂帮矿的安全高效开采，不仅可以实现矿产资源的充分回收，还有助于化解露天转地下的减产过渡难题[1-2]。

1 挂帮矿开采条件

矿山挂帮矿主要分布在露天坑的北帮、东帮和南帮。其中，北帮挂帮矿位于7号勘探线以北，东帮挂帮矿位于7号勘探线～10号勘探线之间，南帮挂帮矿位于10号勘探线以南。矿山露天坑形态及各部分挂帮矿位置如图1所示。

要实现露天转地下的稳产过渡，就需要在过渡期对挂帮矿进行回采，尽管矿山的北帮、东帮、南帮三个部位均分布有挂帮矿，但需要提前分析其是否适合在过渡期进行回采。由于露天坑的运输系统位于北部边坡，因此回采北帮挂帮矿和靠近北帮的东帮挂帮矿，都会对露天运输系统的稳定性造成破坏，因此在过渡期不宜对北帮挂帮矿和东帮挂帮矿进行回采；而南帮挂帮矿远离露天运输系统，对其开采后即便造成边坡失稳也不会影响到露天运输系统，因此在过渡期率先考虑对南帮挂帮矿进行开采。本文重点对该矿山露天转地下过渡期南挂帮矿的安全高效开采方法展开研究。 南帮挂帮矿形态如图2所示，该矿体沿垂直走向长度为240～270 m，矿体宽120 m左右，高度为150 m，可采矿量达830万t。矿体为磁铁矿，中等稳固，矿体上盘边坡围岩为千山花岗岩，不稳固。

经现场地质勘查，南帮边坡矿体及岩体均节理裂隙发育，再加之受露天采矿卸荷作用和频繁的爆破振动，使得矿岩变得更为破碎(图3)。

2 挂帮矿安全高效开采方案

总体而言，南帮挂帮矿较为厚大，但矿岩破碎，若采用常规的挂帮矿回采方法，如充填法[3]、空场法[4]等回采该部分挂帮矿，既难以适应矿体开采条件，也难以满足矿山在过渡期想要实现挂帮矿安全高效开采的生产需求。参照类似工程经验[5-6]，综合分析矿山挂帮矿的实际开采条件，研究得出南帮挂帮矿适宜采用诱导冒落法进行开采。采用诱导冒落法回采挂帮矿势必引发边坡失稳[7]，但可通过控制回采顺序诱导边坡向采空区方向失稳，不使其冲向露天坑底威胁露天采矿，从而在过渡期实现露天与地下的安全高效协同开采[8]。为提升挂帮矿的产能和效率，可采用大结构参数崩落法进行回采，采场分段高度设定为20 m，进路间距设定为20 m，崩矿步距取2.2 m。 首采分段(也称诱导分段)布置于-354 m水平，为迅速扩展采空区空间，回采时首采分段与第二分段同时回采，以诱导上部矿体自然冒落。第一分段、第二分段回采至末期，同时对第三分段、第四分段进行回采，回采过程中充分回收冒落下来的矿石。

为了迅速完成挂帮矿开采的开拓系统，一旦露天坑-324 m水平运输平台完成后便向挂帮矿方向掘进斜坡道，依次达到各回采和运输水平；当露天坑回采下降到-414 m水平时，通过露天平台向挂帮矿掘进运输平硐与井下开拓系统衔接，形成挂帮矿的运输系统，由此，各分段回采的挂帮矿统一下放至-414 m水平集中装车，再通过露天运输系统运往-258 m破碎站进行破碎，最终运至选厂。挂帮矿回采开拓系统形式布置如图4所示。

图4 南帮挂帮矿开拓系统剖面图Fig.4 Mining development system for hanging-wallore-body in south slope

TAN等[6]对挂帮矿的合理回采方案进行了深入对比研究，研究结果表明，从挂帮矿中央向两侧退采，同时在边坡外侧预留保安矿柱拦截垮落边坡散体的方案最为安全，因此本文参考该研究结果，设定出先开挖边坡内侧矿体，同时在边坡外侧预留保安矿柱的挂帮矿诱导冒落回采方案。在本文提出的利用诱导冒落法回采挂帮矿的方案中，为了防止失稳的边坡冲出采空区威胁到下方露天坑底的露天采矿，需要对挂帮矿进行分区开采，即以挂帮矿的中央部位为界线将挂帮矿划分为两个回采区域，靠近边坡岩体内部的一侧称之为Ⅰ采区，靠近露天坑一侧称之为Ⅱ采区。回采时先对Ⅰ采区进行回采，在该采区内，为提高产能，回采进路沿矿体走向布置，切割槽位于矿岩交界部位，Ⅰ采区保持由中间向两端、由内向外的退采顺序。Ⅱ采区作为保安矿柱，预防Ⅰ采区开采引发的失稳边坡冲出采空区，在Ⅱ采区内回采进路垂直于矿体走向布置，并利用通向露天采场的措施平硐作为进路联巷和切割平巷，采取从北向南退采的模式。Ⅰ采区、Ⅱ采区协同退采，整个采场内共布置3个溜井，溜井由-360 m分段通-414 m运输水平，采场布置形式如图5所示。

为尽快扩大地下采空区以容纳失稳边坡，挂帮矿回采时第一分段和第二分段协同作业，利用采矿形成的采空区诱导上部矿体自然冒落和边坡失稳。待上部矿岩充分冒落后，再对第三分段、第四分段进行回采，如此便可基本保证有三个采场在同时作业，出矿采用斗容4 m3铲运机出矿，生产能力可达120万t/a。

图5 南帮挂帮矿采场布置形式及回采顺序Fig.5 Stope layout and mining sequence of hanging-wallore-body in south slope

3 挂帮矿开采方案数值模拟研究

3.1 模型建立

为研究该矿山露天转地下过渡期南挂帮矿开采方案的可行性和安全性，本文采用非连续变形分析方法(DDA)研究南帮挂帮矿诱导冒落过程中的边坡失稳过程及采矿安全性，对挂帮矿的开采方案进行数值预研，为边坡失稳带来的风险预测与预防提供技术支撑。模型几何尺寸、测点分布等如图6(a)所示，模型中边坡高度为515 m，边坡宽度660 m，最终帮坡角45°。模型底部设置有一个监测点，用于确定模型的初始应力平衡状态及首次开挖时间。现场矿岩节理调查结果显示，南帮边坡花岗岩包含了两组主节理，其倾角为70°和175°，两组节理的间距均在1 m左右，矿体也包含了两组主节理，其倾角为90°和0°，两组节理的间距均在0.5 m左右。由于矿岩节理连续性均较好，再加之受爆破振动、采矿卸荷等作用的影响，在模型中将这矿岩节理均设定为贯通节理。同时为减小模型中的块体数量，又兼顾模型的仿真度和可算性，将各组节理的间距按照整数倍进行放大，最终模型中各组节理的间距均设定为8 m。模型中挂帮矿共划分了四个回采分段，分别代表实际中的-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模型见图6(b)，模型中块体3 214个(不包含模型边框)。

图6 模型几何尺寸及DDA模型Fig.6 Model geometry and DDA model

3.2 开挖步骤及数值控制参数

模型在开挖前应先使模型达到初始应力平衡，由于露天采矿已经释放了构造应力，因此在静态条件下给模型中每个块体仅施加重力来获取模型的初始应力状态，当模型达到初始应力平衡后，对挂帮矿进行分次开挖，开挖后模型自动转为动态计算。模型中底部测点的应力演化情况如图7所示，可以看出模型计算时间t=40 s时达到了初始应力平衡，至此模型共运行了40 000时步，此时便可对模型执行开挖。

按照所设定的回采方案，每个分段均采取由边坡内向边坡外的回采顺序，为简化开挖程序，将四个回采分段划分为了若干个刚性块体，以刚性块体的开挖来代表各分段进路的回采。第一分段、第二分段同时回采，即同时对模型中编号为1的块体进行开挖，以诱导顶部矿石(编号为2的块体)冒落；同时第一分段、第二分段中对编号为4的块体暂不开挖，作为保安矿柱防止滑落边坡冲出采空区，该部分矿石相当于回采方案中的Ⅱ号回采区域。待编号为2的顶板矿石完全冒落后将其移除，代表实际中放矿回收冒落矿石，继而对第三分段、第四分段进行开挖，先移除编号为3的块体，代表回采分段的向下延深，随即移除第一分段、第二分段中编号为4的块体，代表第一分段、第二分段回采完全结束，同时为确保失稳的边坡不冲出塌陷坑，第三分段、第四分段中编号为5的块体暂不开挖，作为预留保安矿柱，确保边坡滑落后不冲出塌陷坑。表1为模型中矿体及岩体的主要力学参数。

图7 监测点在求解初始应力平衡过程中的应力演化情况Fig.7 The stress evolution of measuring points inthe process of solving initial stress equilibrium

表1 模型中矿岩体主要力学参数Table 1 Some key mechanical and numerical controlparameters in model

3.3 数值模拟结果分析

图8(a)～(d)依次给出模型在第1～4步开挖后的边坡失稳状态。由图8(a)可知，模型在第1步进行第一分段和第二分段协同开挖拉底后，顶板矿石(编号为2的块体)发生冒落，同时边坡沿指向坑底的贯通节理发生失稳滑移，冒落的矿石和滑落的边坡落入采空区之中，由于保安矿柱(编号为4的块体)的存在，有效阻拦了失稳边坡冲出采空区；由图8(b)可知，模型在第2步对冒落矿石进行移除后，使采空区腾出更大的空间来容纳已失稳的边坡，在此过程中边坡破坏范围未扩大，也没有失稳的边坡散体冲出采空区；由图8(c)可知，模型在第3步对第三分段、第四分段进行协同开采后，使得采空区的空间进一步扩大，但新采矿活动也引发了更大范围的边坡破坏，但在保安矿柱(编号为4和5的块体)的阻拦作用下，滑落的边坡被采空区完全容纳，没有冲向露天坑底；由图8(d)可知，模型在第4步对第一分段、第二分段的保安矿柱(编号为4的块体)进行回采后，失去冲击动能的失稳边坡依然能够被剩余采空区完全容纳，并不会冲出采空区。

此处需要特别强调的是，尽管数值模拟结果表明利用诱导冒落法回采挂帮矿方案是安全可行的，但在实际生产中，爆破振动和降水等因素也会影响到边坡的垮落范围，因此在实际中操作该方案时，要尽可能的对露天台阶爆破和挂帮矿地下地下中深孔爆破均采用分段微差爆破，以减少爆破振动对边坡滑落的影响，同时在边坡上部及周边修建截水沟，将降水引流，减少降水对边坡滑落的影响；此外，当挂帮矿开采后边坡的角度也将增大，为了防止陡立边坡发生突发性的失稳，建议在挂帮矿回采前进行边坡滚石实验并根据实验结果在露天坑底合适位置修建滚石拦截坝，以提高该方案的安全性。

图8 诱导冒落法回采挂帮矿的数值模拟过程Fig.8 The numerical simulation process of mining hanging-wall ore body by induced caving method

4 结 论

1) 矿山在露天转地下过渡期为实现稳产过渡可对挂帮矿进行回采，由于北帮挂帮矿和东帮挂帮矿的回采均会对矿山露天运输系统造成破坏，而南帮挂帮矿的开采不会对露天坑底的采矿造成不利影响，因此在过渡期更适宜优先对南帮挂帮矿进行回采。

2) 矿山南帮挂帮矿矿体厚大且矿岩破碎，利用传统挂帮矿回采方法无法充分释放挂帮矿产能，可采用诱导冒落法对其进行开采，并通过控制回采顺序，使塌陷边坡滑向采空区而不冲向露天坑底威胁露天采场，实现过渡期露天与地下的安全高效协同开采。

3) 数值模拟表明，利用诱导冒落法回采挂帮矿时，采用由边坡内部向边坡外侧退采的回采顺序，可有效控制边坡的失稳方向，同时迅速扩展地下采空区，使采空区容纳失稳边坡散体，从而实现挂帮矿的安全高效开采，此外还可通过加强边坡失稳监测、增设滚石拦截坝等措施来进一步提高挂帮矿回采方案的安全性。