凹山采场不良地质体回采技术研究

2023-03-21张启文刘文胜朱末琳贺仁华郑意郭奇峰张英

现代矿业 2023年1期

张启文刘文胜朱末琳贺仁华郑意郭奇峰张英

（1.安徽马钢矿业资源集团南山矿业有限公司;2.北京科技大学土木与资源工程学院）

凹山铁矿是一座有着60多年开采历史的大型露天采场。采场生产自2013 年后，开采最深已达-210 m，采场设计境界范围内可利用资源已近枯竭。为了更大程度地利用采场空间内的资源，提高矿山经济效益，凹山采场开始转入对采场西南帮边坡不良地质体的治理及对部分挂帮矿实施回收。在边坡治理过程中形成新空间状态下的生产系统和确保采动条件下高陡边坡及不良地质体自身的稳定是凹山采场所要面临的重要研究课题。

采场边坡的治理对于露天矿的发展具有重要的作用，大量学者对其进行了研究［1-3］。吴亚伦等［4］通过从边坡调查和治理措施两方面提出了建设性的意见；张峰［5］根据采场边坡的地质条件，基于数值模拟手段，对边坡稳定性进行了研究，进而提出清帮处理的边坡治理技术；贾翱翔［6］通过对某铜钼露天矿边坡失稳影响因素进行分析，提出了防治露天边坡的失稳措施及建议，具有重要参考意义；商连勇等［7］对露天矿边坡的重要性作出综述，并总结了边坡的治理措施。

通过对西南帮边坡不良地质体的治理，采场空间区域资源将得到有效利用，同时可进一步扩大采场空间容积，为后续凹山坑改建成尾矿坑增大库容量提供一条有效途径。

1 研究现状

凹山采场空间内的固定边帮是在大规模开采后留存下来的，长期的开挖对边坡岩体造成了较大应力扰动，在底部台阶的坡脚更容易应力集中。在进行边坡治理时，露天大爆破和生产作业将使得采场高陡边帮形成更加复杂的次生应力场，进一步促使围岩变形和破坏，再加上边帮节理裂隙比较发育和结构面软弱等不良地质体的存在，容易导致边帮滑坡。

从近年来发表的对末期采场边帮开采相关文献来看［8-10］，针对不良地质体高陡边帮的开采论述，主要是对开采方法、回采工序、采场运输及开采安全问题做简单的陈述，仍然是粗放型开采模式。

2 回采技术思路

（1）研究采场固定边坡，根据穿孔取样进行推断，结合现有地质资料进行分析，圈算凹山采场固定边坡可利用资源分布特征及储量。

（2）在明确凹山可回收利用资源分布特征和储量的基础上，确定边坡治理部位，初步圈定边坡治理境界；综合考虑边坡稳定性、平均剥采比、外围限制条件等多因素的分析比较，确定安全可靠、技术可行、经济合理的可利用资源回收部位，最终确定边坡治理境界和实施方案。

（3）在高陡边帮上进行边坡治理，治理方法、工艺和运输方式不能沿用正常设计参数，需要形成新条件的作业模式。

（4）治理过程中还应考虑爆破振动对不良地质体段固定边坡稳定性的影响，治理坡度角增大后边坡自身的稳定性会发生改变，在治理施工过程中的现场作业安全，边坡预警的准确度。

（5）加强资源的综合利用，促进废弃物回收利用，从根本上改善和提高矿区生态环境质量，提高矿山经济效益。

通过进行技术的集成创新，既通过治理采场露天边坡，为采场后续空间综合利用提供保障，也通过资源的综合利用，产生重大经济效益。

3 回采技术方案可行性分析

3.1 采场现状分析

（1）采场空间状况分析。凹山采场西侧0 m 固定转载台为双铁路线转载。东南帮地质环境治理结束后，采场采剥总量下降，双铁路线固定转载台可改造为单铁路线转载。在-45 m 水平以下，采场内现有西、南两侧分别布置有公路开拓运输系统，随着汽车运输量的下降，可消除一套公路运输系统，减少运输系统空间占用。西南帮+45 m 平台以及0 m 平台宽，可适当减少宽度。

（2）采场现有地质资料分析。采场南帮-75～-189 m及以下赋存有110 万t 高品位（品位约27.5%）的好磨好选矿石。根据资源分布特征及储量分析，采场西南帮-60 m以下边坡赋存约300万t可利用资源。

3.2 边坡治理技术

（1）减震爆破技术。根据以往治理经验，采场南帮F3 节理两侧各70 m 范围为非爆破区，实施机械破碎作业，以减少爆破振动对该处不稳定边坡的不利影响。但考虑到机械破碎作业严重影响了扩帮作业进度，且能耗大，生产效率低。凹山车间进行减震爆破技术试验。在治理高危边坡时，考虑到边坡容易受不良地质条件的影响，治理期不宜过长，而预裂爆破费时，影响推进进度，故不建议采用。为此，采用孔底空气间隔器减少最大段药量来有效地降低爆破振动的峰值质点振速，减小对固定边坡的影响。在凹山采场南帮-90～-105 m 台阶，经过分层爆破与全深孔爆破实测的爆破振动速度对比分析，爆破振动引起的边坡质点的振动速度随爆心距的增加而递减，当爆心距测点距离相同时，分层及孔底放置空气间隔器的爆破对边帮质点振动速度最小，振动速度降幅大部分在65%～75%。

（2）边坡多元耦合在线监测系统。根据边坡工程地质和岩石力学的综合调查，确定监测边坡的重点区域，对区域建立边坡位移、应力、声发射等多元信息耦合的边坡稳定性监测网。

（3）资源的综合利用。南山矿铁矿资源以贫矿为主，资源质量较差，铁矿石品位较低，加之长期以来的粗放式经营，导致铁矿资源利用率较低。我国重点铁矿山露天矿采矿回采率一般在90%左右，而地方及个体小矿山回采率则更低。大量有用矿物进入排土场和围岩中，且有相当数量的残矿、边界品位以下的矿石残留在采场及矿坑中，形成了宝贵的二次矿产资源。15%以下的含铁岩土经干选回收，可选出品位在18%左右的铁矿石，其他固体废料经简单加工后可做建筑材料。

（4）边坡生态再造技术。采场+45～+15 m 边坡扩帮之后，边坡裸露。雨季冲刷，严重影响0 m 转载台空间，矿用汽车无法在平台转弯、掉头、倒车等，因此需要进行绿化。在高陡边坡上设土工网，设置挡板及喷附保水层，铺设有管状植生袋，植生袋上还布设简易的滴灌装置。通过在土工网上增设挡板，有效克服了陡峭边坡喷播基材易流失、厚度难以保证的缺陷，同时提高了整个绿化结构的保水性、稳定性。通过保水层中植物纤维的天然吸水性及韧性，增强边坡蓄水能力，为植被生长提供水分。使用充填基质和植被种子的植生袋，避免基质或植被在生长初期被雨水冲刷摧毁，提高了植被的成活率，从而达到了高陡边坡生态再造的目的。植被成活后，有效减少了边坡的雨水冲刷，同时植被的根系得到生长，深入边坡，对边坡有加固作用。

4 不良地质体回采技术的创新性

为力保治理作业安全有序，凹山采场实施了多层次、多专业、全方位、全过程的集成技术创新。

4.1 爆破减震技术创新

南帮失稳区域安全允许质点震动速度为10 cm/s。通过爆破试验及爆破参数的不断优化，采用空气间隔加分层爆破的技术方案，南帮失稳区域受保护边坡的爆破震动速度可以降到10 cm/s以下。

4.2 边坡雷达瞬时监测技术

率先在露天金属矿山引进雷达边坡瞬时监测项目，充分发挥雷达边坡监测预警作用的同时，将雷达监测技术和露天扩帮工艺相结合，有效解决了复杂地质边坡、高陡边坡下露天台阶作业安全高效推进的技术难题。为同类型矿山的扩帮作业做了很好的示范，创新了露天台阶作业的思路、方法，具有很好的借鉴作用和推广价值。

4.3 边坡生态绿化再造技术创新

凹山采场西南帮+45～+15 m 台阶边坡生态绿化再造工程采用以现代喷播绿化为主、传统种植绿化为辅的生态修复工艺手段，在裸露的岩石坡面上进行植被重建、景观再造、生态修复，从而达到比传统工程防护（挂柔性防护网或喷混凝土）更强的护坡能力、更好的生态景观效果，降低边坡酸水的产生，起到净化水质的作用。凹山采场边坡生态再造工程实施以来，已经初步显现出良好的效果，工程后期将会带来更为明显的生态效益、景观效益和社会效益。为我国金属矿山“边开采、边复绿”和“闭坑矿区生态恢复”提供示范样本。

5 实施效果

（1）新的生产作业模式确保采矿作业的稳定和采剥作业的平衡，有利于提高生产系统的安全，稳定生产的组织安排及入选矿量，大幅提升采剥效率，缩短工期。

（2）建立凹山采场边坡位移、应力、声发射等多元信息耦合的边坡稳定性监测网，通过多元监测技术理论研究结合雷达检测，对边坡稳定性进行实时评价和预测，并制定保证边坡稳定和开采安全的相关防控措施，为凹山采场边坡残矿开采提供技术支持。在其实时精准监控和有效保障下，对存在数组裂隙的采场南帮-15～-135 m 区域，将局部边坡角由原先的31.7°提高到36.0°，因边坡角提高4.3°，减少了由上到下常规作业中大量的卸载剥离量，同时将南帮原允许的边坡安全系数由1.15降为1.05的最低限，使南帮上部支护大幅减少，降低了支护成本并缩短了工期。

（3）在靠帮挖掘过程中，电铲挖掘边坡角难以达到设计要求，而反铲装载，较电铲灵活，装载效率高，生产组织方便。在挖掘清理靠帮边坡过程中，边坡角较容易达到设计要求。