弓长岭铁矿高落差端部矿体安全开采技术研究

任凤玉 宋德林 李海英 宫国慧

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819;2.鞍钢集团矿业公司弓长岭矿业公司，辽宁 辽阳111007)

弓长岭铁矿二矿区为沉积变质矿床，矿体走向长4 850 m，划分为西北区、中央区和东南区3区开采［1］，在各采区交界部位，设计留100 m长的采区间柱，以保障各区独立开采。实际生产中，以磁铁矿为主的中央区上盘含铁带主要应用无底柱分段崩落法先行开采，已采至－280 m中段;而东南区上盘含铁带为赤铁矿，近年方进行露天开采，生产标高在+385～+420 m水平。由此导致中央区地下回采工作面与东南区露天工作面的垂直落差高达700 m，如此大的落差，加大了采动岩移的范围，同时中央区从－220 m中段开始又向东南区扩采了200 m，使得采区之间受岩移影响的范围进一步扩大，最终在东南区回采设计中，按70°移动角圈定，在中央区的端部留下约500 m长的采区间柱作为保安矿柱。如此巨大的保安矿柱不能回采，不仅造成资源浪费，而且严重制约采区产能的提高，对矿山企业经济效益影响重大。为此，揭示端部矿体的赋存条件与可能发生的岩移危害形式，提出岩移危害防治措施，据此研发高落差端部矿体的安全开采方案，对于提高资源利用率与改善矿山生产条件意义重大。

1 端部矿体赋存条件与岩移危害分析

弓长岭铁矿端部矿体的剖面形态如图1所示，其地表范围为17线+70 m～21线+70 m，矿体倾角为60°～85°，矿体西端为中央区上盘含铁带开采形成的塌陷坑，该塌陷坑深约100 m、宽度30～100 m，两壁陡立，坑内底部为片落的碎石与块石，矿体东端为东南区上盘含铁带露天采场。在图1所示的端部矿体下部的－220 m中段，中央区应用浅孔留矿法向东南区方向扩采了200 m，至19线+35 m部位，扩采采场中矿柱崩落后形成的采空区，已由冒落的矿岩所充填。在此条件下，端部矿体的开采风险，主要来自中央区地下开采所形成的塌陷坑和扩采形成的空区，塌陷坑散体因下部采动而发生的突然下移、塌陷坑陡立边壁的失稳片落、扩采空区上部矿体的垮落，都将危害到地表作业人员的安全。为此，分析这3种岩移危害在矿山的存在情况并研究潜在岩移危害的防治措施，是解决端部矿体安全开采的先决条件。

图1 端部矿体沿走向剖面示意Fig.1 Profile of orebody at the end of collapse pit along strike

1.1 塌陷坑散体下移危害分析

中央区上盘含铁带塌陷坑内散体厚度约500 m，其下矿体主要应用无底柱分段崩落法开采，在出矿过程中，随着崩落矿石的放出，围岩片落，在地表形成塌陷坑，若塌陷坑内散体出现大规模瞬间下移现象，将危及地表作业人员安全。而引起塌陷坑内散体下移的诱因主要来自两方面:一是下部崩落法采场放矿;二是塌陷坑内散体流动过程中出现结拱现象后，拱体的突然垮落。由于塌陷坑内散体厚度足够大(将近500 m)，无底柱分段崩落法采场单次放出矿岩量所引起的地表散体下移微乎其微，可不考虑其对安全的影响，此时仅需考虑结拱现象的影响。为此，对该塌陷坑内散体的结拱现象发生条件进行了实验研究［2］，得出的结论是弓长岭铁矿塌陷坑散体的结拱概率主要取决于跨径比R(空区跨度与散体粒径的比值)。当跨径比R≥2.6时，散体可连续流动;当跨径比R＜1.6时，出现卡块、结拱现象;当跨径比R处于1.6与2.6之间时，偶尔出现流动停顿、卡块与小型结拱现象。弓长岭铁矿靠近端部矿体的塌陷坑宽度为30～100 m，坑内散体粒径不超过1.0 m，跨径比R的值大于30，远大于2.6，所以，弓长岭端部矿体西侧塌陷坑内散体下移过程中不会发生大规模结拱。也就是说塌陷坑上部表层不存在突然大幅度下移危害。

1.2 扩采空区危害分析

端部矿体中由中央区扩采形成的采空区，现已由冒落的矿岩充填，其上部矿体受到冒落散体的支撑作用将不会出现突然垮落情况，进而端部矿体西侧塌陷坑内的散体也不会出现因矿体突然垮落而引发的大规模瞬间下移现象。因此，扩采空区的存在不会对端部矿体开采形成危害。

1.3 塌陷坑边壁片落危害分析

端部矿体西侧塌陷坑还有近100 m的高度未被散体充填，塌陷坑壁面陡立，若长时间受风化和雨水作用，解理及结构面逐渐张开，岩体会发生片落，大规模的片落将对端部矿体的安全开采形成威胁，同时使可采矿体范围变小进而浪费资源。

通过分析可知，弓长岭铁矿端部矿体在开采过程中，仅存在边壁片落这一种形式的岩移危害，因此，只考虑塌陷坑边壁片落的控制措施即可。

2 端部矿体开采岩移危害控制技术

文献［3］中研究了散体对塌陷坑侧壁的支撑作用，提出了临界散体柱概念。塌陷坑内散体对塌陷坑侧壁既有主动施压，又有抵抗边壁变形的被动施压，两者一起阻止侧壁岩体的片落活动。在围岩稳定性一定的条件下，当塌陷坑内缓慢下移的散体柱达到临界散体柱高度时，在塌陷坑侧壁变形时便可提供足够大的抵御其变形的支撑力，制止侧壁围岩的片落，随之限制侧壁围岩的陷落范围［3］。当塌陷坑尚未完全充填时，可通过填充地表塌陷坑，使临界散体柱上移，使边壁获得足够支撑力而不发生片落。在弓长岭铁矿中央区临界散体柱高度为93.66～118.09 m。端部矿体西侧塌陷坑内散体厚度约500 m，远大于临界散体柱高度最大值，此时塌陷坑被散体填充部分围岩片落受临界散体柱作用而受到限制。但端部矿体西侧塌陷坑内还有近100 m的高度未被散体充填，边壁有片落风险，此时可采取向坑内继续充填废石的方法，使临界散体柱位置上移，这样上部边壁片落将受限制。

向塌陷坑内充填废石时，充填的最终高度，应以确保边壁稳定，同时便于端部矿体上部矿量的露天开采为准则。由塌落形成的塌陷坑边界终止于+360 m水平，其上为自然形成的地表山坡。由于填充的废石不能作为后期露天剥离的对象，为此充填的最大高度不应超过+360 m水平。塌陷坑深度较大，壁面陡立，表明岩体稳定性较好，从塌陷坑边壁的稳定状态来看，废石充填并保持在+344 m水平，即可消除边壁大规模片落的可能性。为此，废石散体应充填到+344 m台阶水平，并保持随沉随填，使散体顶面稳定于+344 m水平。

充填方案实施过程中，应采用沿塌陷坑轴线方向与边帮协同排放废石的工艺，如图2所示，即从塌陷坑端部和上盘侧边帮同时向塌陷坑内排放废石，提高充填效率，解决废石向塌陷坑的安全排放的技术难题。

图2 塌陷坑安全排岩技术示意Fig.2 The safety dumping technology into collapse pit

3 端部矿体开采方案及实施情况

3.1 端部矿体开采方案

在具备塌陷坑边壁片落控制措施的前提下，原来因处于移动带内而不可开采的端部矿体可以纳入露天采场开采范围内，该部分矿体可由原东南区露天采场向西扩采完成。矿体西端塌陷坑内散体充填高度为+344 m水平，之上的全部矿体可由原东南区露天采场向西扩采完成，直到塌陷坑边界;而充填高度之下的矿体开采时需要防止充填散体进入露天境界内，为此在+344 m水平留一个32 m宽的临时保安矿柱，在矿柱范围之外布置台阶正常开采，采到原设计的最低水平(+268 m水平)。这样，当露天端部境界边坡角取50°时，露天坑底的西端可采至18线附近，见图3。

图3 端部矿体开采方案示意Fig.3 Open pit mining schematic diagram of orebody at the end of collapse pit

3.2 方案实施情况

目前矿山已按图2所示方案对端部矿体西端的塌陷坑进行了充填，充填后效果如图4所示，塌陷坑基本被废石充填满，其上部侧壁受到临界散体柱提供的支撑力作用，不再发生片落。在塌陷坑有散体保护的前提下，东南区露天采场正准备向西扩帮，开采端部矿体。

图4 排岩工艺实施效果Fig.4 The implement result of dumping technology

4 结论

(1)弓长岭铁矿高落差端部矿体的开采风险，主要为塌陷坑散体因下部采动而发生的突然陷落以及塌陷坑边壁矿岩的大规模片落。

(2)中央区塌陷坑内废石流动性好，塌陷坑宽度与散体粒径比值足够大，散体将随地下开采顺畅下移，地表不会出现突然陷落情况。

(3)采取继续向塌陷坑内充填废石的措施，使塌陷坑上部侧壁受到临界散体柱提供的支撑力作用，可阻止上部塌陷坑边壁片落，保障露天采场不受岩移危害。

(4)弓长岭铁矿利用充填废石控制塌陷坑引起的岩移危害，并在充填水平留矿柱防止散体进入露天采场，之后采用露天扩采的方式开采端部矿体，可使端部矿体安全回采。

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