庙沟铁矿挂帮矿安全开采关键技术理论应用效果及存在问题探讨

张子祥 许雁超 张树伟 柳金旺

(1.河钢集团矿业公司矿山设计院，河北 唐山 063700；2.河钢集团矿业公司庙沟铁矿，河北 秦皇岛 066501；3.河钢集团矿业有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

截止2018年底，庙沟铁矿露天采场最低标高为372 m，边坡高度平均247.5 m，非工作帮边坡角平均44.5°，在减产期(2020年1月～2022年底)，对挂帮矿实施提前开采以缓解产量衔接难题。开采挂帮矿时期面临最大技术难题是：①工程技术背景复杂；②边坡变形及是否有序塌落问题；③挂帮矿安全开采研究所采取的技术思路。基于此，为解决挂帮矿开采技术难题，特选课题“中强风化高陡边坡挂帮矿安全开采关键技术研究与应用”进行挂帮矿安全开采研究。

1 研究思路

为解决庙沟铁矿露天转地下规模接续问题，为实现挂帮矿安全开采和边坡有序塌落提供科学依据，同时也为转地下开采起示范作用，确定研究思路如下：

1)确定项目研究主要内容:①挂帮矿资源条件；②挂帮矿开采技术条件；③挂帮矿开采研究；④露天采场边坡稳定性研究；⑤挂帮矿安全开采方案。

2)以分析挂帮矿资源条件和挂帮矿开采技术条件为基础，进行挂帮矿开采可行性研究[1]。

3)从10个方面入手进行边坡稳定性研究，包括露天采场边坡工程地质勘查、采场边坡岩石饱和单轴抗压强度计算、露天采场边坡分化破碎带测试、露天采场边坡结构面调查、露天采场边坡岩体质量评价、边坡稳定性计算、边坡安全系数计算、边坡安全系数计算结果分析、采空区上覆岩体自稳能力评价、成果结论，并以此为依据，提出挂帮矿安全开采方案。

4)确定项目研究预期目标:①为挂帮矿安全开采提供技术依据；②露天转地下过渡期有效回采372～420 m水平西部挂帮矿约231万t，预计露天转地下共采出挂帮矿356.98万t，预测总经济效益2.5亿元，同时产生一定的生态环境效益、安全效益和社会效益。③提出复杂工程背景下露天转地下过渡期(2020～2022年)挂帮矿安全开采方案。

2 关键技术理论

2.1 挂帮矿特征与资源量估算

1)通过运用基础地质学、矿物学、岩石学理论、外业地质观察研究挂帮矿资源条件包括矿体特征、矿石质量特征(矿石矿物成分、矿石化学成分、矿石结构构造、矿石类型与品级和矿体围岩与夹石)。

2)运用矿物加工工程学原理、选矿工艺学原理探讨矿石加工技术性能。

3)用传统方法与3Dmine相结合建立挂帮矿体模型，并进行挂帮矿量估算。

2.2 挂帮矿开采可研

1)根据水文地质学和工程地质学原理探讨挂帮矿开采技术条件，确定水文地质类型。

2)根据采矿工程学理论和对比分析方法确定挂帮矿开采方式、开拓方式、采矿方法确定及挂帮矿回采顺序。

3)根据水文地质学和工程地质学原理进行露天采场边坡工程地质分区勘查，对球状风化及片理化等地质现象进行深入分析、摄制照片或制图。

2.3 边坡稳定性研究

1)露天采矿场边坡岩石单轴抗压强度计算。依据1995年国家标准《岩体工程分级标准》，按岩石单轴抗压强度Rc=22.82Is(50)0.75计算。

2)进行采场边坡结构面调查。露天采场西边坡岩体中Ⅳ、Ⅴ级结构面存在百分比较大，极大影响边坡岩体的完整性，控制了边坡岩体的破坏形式。本次结构面调查采用的是ShapeMetriX 3D测量系统，测试成果节理体密度(条/m3)，东边帮4～8线2.502(条/m3)、西边帮1～7线由于岩石及其破碎，未得准确结果、西边帮8～10线3.6(条/m3)、西边帮4～6线2.386(条/m3)、西边帮1～4线2.686(条/m3)。

3)对露天采场边坡风化破碎带测试[2]。根据声波在岩石中的纵波传递速度与岩石的完整性及强度成正比原理，为配合波速测量，在西边坡564 m水平和516 m水平共布设了6个钻孔。

4)露天采场边坡岩体质量评价[3]。根据岩石性质、组织结构和岩体中结构面发育差异，选择岩体基本质量指标(BQ)为岩体质量分级标准。结合根据上节采场边坡工程地质分区勘查、采场边坡岩石饱和单轴抗压强度试验、风化破碎带测试分析和采场边坡结构面调查及分析结果(节理体密度)，选取西边帮564 m水平边坡8～10、4～6线、1～4线和东边帮516 m水平4～8线、西边帮1～3线边坡作为代表性分析评价对象，确定庙沟铁矿边坡岩体基本质量指标。

5)边坡稳定性计算:①计算方法确定。对采矿场现状边坡的安全系数计算方法选择国家标准《冶金矿山采矿设计规范》GB50830-2013中极限平衡法中的“瑞典条分法”、“简化毕肖普法(Simplified Bishop)”和“简布法(Janbu)”三种计算方法，计算分析软件采用“北京理正岩土软件包中的边坡稳定分析软件”。②计算剖面选择。本次对于露天采矿场现状边坡的稳定性分析计算剖面系在由庙沟铁矿地勘作业区于2019年1月26日实测的《庙沟铁矿采剥现状图》(电子版，比例尺1:1000)基础上分别选择西边帮、东边帮和南端帮有代表性的地段而进行的，共计12条计算剖面，其中，西边帮5条(剖面编号1#～5#)、南端帮2条(剖面编号6#～7#)、东边帮5条(剖面编号8#～12#)。现状露天采场边坡各计算剖面中非工作帮的风化层破碎带厚度约在10～15 m左右。

6)采空区上覆风化边坡及岩体自稳能力评估。3Dmine矿业工程软件与传统边坡稳定性研究成果相结合，根据技术报告表采用3Dmine软件构建挂帮矿采空区模型，结合挂帮矿开采后形成的采空区及上覆岩体的空间分布几何特征，依据GB/T50218-2014《中华人民共和国工程岩体分级标准》进行庙沟铁矿采空区上覆岩体自稳能力评估，庙沟铁矿挂帮矿采空区上覆岩体自稳能力评估汇总表。松动变形区两个，分别是西边帮南区采空区6～8线、2～4线；变形塌落区3个，分别是西边帮南区4～6线、西边帮北区0～3线、东边帮0～6线；基本稳定3个，分别是南端帮10线、东边帮0～1、6～8线；稳定区1个，是东边帮8～10线。

7)成果结论。虽然庙沟铁矿露天采场枯水期现状边坡的安全系数计算值能满足现行规范要求，但是东、西两帮部分空区边坡在饱水状态下处于极限平衡状态，尤其西帮4线以北区域阳起石片理化带，面对强降雨及爆破震动，局部台阶边坡存在大面积片帮塌落的可能，需对该区段的边坡采取重点监测控制。

2.4 安全开采方案[4]

穿孔爆破：严格采空区穿爆管理、应用数码电子雷管技术、优化爆破参数。

顶底板维护：做好顶底板巷道支护管理、做好采场边坡塌落线管理、经常维护排水系统。

边坡维稳：全员参与边坡安全监测，提前做好水害防治措施，重点监测西边帮4线以北区域。控制地表径流，在露天采场每隔24 m即两个平台高度修建明渠；在兵沟口已新建涵洞，对原涵洞(箭杆沟口)进行加固。

3 应用效果

本研究成果2020年起在庙沟铁矿得到初步应用，使矿山获得年经济效益5 809.60万元，预计未来两年内可获得经济效益19 223.19万元，累计获得经济效益(纯利润)2.5亿元，还获生态效益、安全效益及社会效益。

4 研究存在问题

本次研究不足方面，对采空区上覆边坡及岩体自稳能力评估只用二维模拟分析，今后最为理想的研究方向，是运用三维有限元法对挂帮矿开采前后边坡变形进行模拟分析，以便于准确定量模拟分析采空区上覆风化边坡及岩体变形机理，更专业地进行采空区上覆边坡岩体自稳能力评估，更科学地提出挂帮矿安全开采关键技术方案。

5 结语

通过实施运用本研究成果提出的安全开采方案，使矿山2020年获得5 809.60万元的经济效益，同时获得环境生态效益、安全效益和社会效益。初步实现露天转地下无底柱分段崩落法开采条件下露天边坡有序塌落；避免“由于回采方法不当，导致大部分挂帮矿形成覆盖层，造成一定周期内维持企业简单及重复再生产资金大量积压”；避免地下投产后无底柱分段崩落开采挂帮矿形成大面积空区后回采困难”；实现了两个同步，即资源回采与生态修复同步、挂帮矿开采与边坡维稳同步。该技术成果及其应用效果树立了露天转地下开采矿山过渡期挂帮矿安全开采典范，具有广阔的推广前景和应用价值，可以为我国其他露天转地下开采矿山提供技术支撑。