矿山露天转地下开采之安全实践探讨

林日和

(龙岩市安全生产应急救援服务中心，福建 龙岩 364000)

以连城锰矿四号矿段为工程背景，基于矿山露天转地下开采工程布局和开采现状，提出优化单排孔爆破，控制爆破振动速度，提高紧邻露天采矿边坡稳定性；同时在回采过程及时控制上部采空区，留足保安矿柱，确保边坡的稳定性；另外通过计算确定井下排水涵洞能力，讨论了露天采场遗留凹陷采坑，地表水汇集井下的排水安全问题，对于露天矿山露天转地下开采的安全实践具有一定的借鉴意义。

1 矿山概况

1.1 矿山开采布局

连城锰矿4号矿段415 m标高以下为露天转地下开采，410 m中段为回风兼露天凹陷坑底排水，380 m中段为350，320，285 m回风巷兼残采。矿山采用平硐—盲斜井开拓，目前井下回采矿体位于东南侧露天边坡底，380 m中段残留矿体已回采结束，350 m中段投入生产，320 m和285 m中段处于建设中。采矿方法为分段凿岩分段出矿法和浅孔留矿法。矿区围岩为砂岩及泥质砂岩，较破碎，裂隙较发育，其稳固性较差；东南侧形成近145 m高陡边坡，490 m台阶以下已坍塌形成一体，各台阶坡面角约为70(°)，遗留有490，510，535，550 m 4个安全平台，平台宽度约3～5 m，最终边坡角约为55(°)。

1.2 矿体特征及开采技术条件

矿体分布于四面被断层切割的断陷区内，赋存在上石炭统船山组地层中，含锰岩段的下部，即C3ca层位的顶部，矿体下盘岩性大多为粉砂岩、角砾岩，有的与花岗斑岩接触，上盘一般为角砾状灰岩，少数为粉砂岩。矿体呈似层状，层位稳定，规模较大。矿体上部即SW侧为混合原生锰矿。矿体长87 m，北厚南薄，平均厚度22.02 m。矿体产状：倾向60(°)，倾角50(°)，矿体向SE侧伏，侧伏角63(°)。矿体延深(沿倾斜方向)80 m。在氧化带内，岩石较松软破碎，氧化带以下的原生带内，岩石致密坚硬。围岩蚀变比较强，主要是硅化及碳酸盐化。矿体中的夹石不甚发育，其夹石主要是碎屑岩类及少量角砾状灰岩。矿床矿体呈层状产出，产状与围岩一致，层位稳定，矿体与围岩构成一套有规律的韵律沉积层，原生碳酸锰矿石含有丰富的海相生物化石，泥晶状、鲕状结构，显然是海相沉积形成的。在混合矿石中含有大量的硫锰矿、蔷薇辉石、锰铝榴石等含锰变质矿物，互为交代，关系复杂，但仍然残留有原生沉积的泥晶质菱锰矿，并且具有变质强的分带现象。

矿区工程和水文地质条件属简单型[1]。

2 边坡稳定安全分析及对策

2.1 优化单排孔爆破

除380 m中段残留矿体回采外，井下主要矿体采用分段凿岩分段出矿法采矿，30 m为一个中段，各中段10 m为一个分层，10 m为一采矿进路，扇形中深孔微差爆破，每次起爆一条进路一排炮孔，排距2 m，孔底距在1.8～2.2 m之间，装药量为220 kg。经数据检测，井下坑道最大振动速度为1.5 cm/s，露天东南侧边坡490 m平台最大振动速度为2.6 cm/s，符合《爆破安全规程》相关规定，边坡处于稳定状态。

2.2 边坡稳定性分析

为控制观测边坡稳定性，在原露天边坡台阶490 m和540 m设置了一组监测点，每月进行两次监测，从2019年其中一次抽查可以看出，其位移和沉降均在控制范围内，有效的控制边坡的稳定性，见表1。

表1 连城锰矿4号矿段露天边坡2线与4线位移与沉降监测记录

3 井下采空区安全分析

3.1 严控采空区大小

为最大限度地回采矿石，露天边坡底井下380 m中段进行残采，已形成3个采空区。1号采空区平面上位于该中段南侧4线与2-4线之间，其平面呈南东向展布，大致为梯形，上底(东侧)约8 m，下底(西侧)约12 m，面积约245 m2，采高5～6 m，体积约1 470 m3；采空区入口处底板标高约为380.62 m，端部(东侧)底板标高约为383.16 m，南侧有留设用于支撑边坡稳定矿柱。2号采空区平面上位于该中段南东侧4线与2线之间，其平面呈南东向展布，大致为长方形，长约22 m，宽约12 m，面积约260 m2，采高6～8 m，体积约1 950 m3；采空区入口处底板标高约为380.58 m，端部(东侧)底板标高约为381.15 m，其采空区与1号空区连成一体，中间未留设用于支撑顶板围岩的矿柱。3号采空区平面上位于该中段北东侧4线与2线之间，其平面呈北东向展布，大致为长方形，长约21 m，宽约14 m，面积约290 m2，采高7～8 m，体积约2 280 m3；采空区入口处底板标高约为380.56 m，端部(东侧)底板标高约为384.51 m，其采空区与1号、2号空区连成一体，北侧有留设用于支撑边坡稳定矿柱。3个采空区矿体顶、底岩石为石英砂岩、角砾岩、石英岩、灰岩等，采空区的顶板无明显塌落、冒顶现象，整体稳定性较好，采空区内无积水。

在380 m中段残留矿体回采过程中，为了减少爆破振动对露天边坡的影响，靠近露天边坡的采矿全部采用浅孔留矿法，严控一次爆破装药量在50 kg以内，减少爆破有害效应。同时，结合矿体分布情况，合理布置采准切割工程，通过放样留足保安矿柱，控制井下采空区顶板距离露天边坡至少在30 m以上，确保边坡的稳定性。

3.2 及时治理采空区

考虑采空区暴露面积较小，结合井下实际，对380 m中段已回采结束的采空区采用隔离法进行治理。1号采空区入口巷道断面为三心拱，规格为宽×高=6 800 mm×3 000 mm，断面积为20.1 m2；采用封堵厚度为1 m，内外各一道厚200 mm的浆砌砖墙，浆砌砖石量为8.04 m3；两道墙之间采用废石进行充填密实，充填废石量为12.06 m3；同时在中上部中间位置留有泄压窗。2号和3号采空区入口巷道断面均为三心拱，规格均为宽×高=2 500 mm×2 600 mm，断面积为6.06 m2，采用封堵厚度为0.8 m，浆砌砖墙进行隔离，浆砌砖石量为4.84 m3。

380 m中段残采结束后，其暴露面积较小，充分利用已有预留的矿柱支承露天边坡，以较长时间维护采空区安全；同时在采场入口砌筑封闭隔墙，使其隔绝采空区，并利用泄压窗释放冲击波，一旦顶板围岩产生冒落可减缓对边坡的冲击影响。

4 矿山排水安全分析

4.1 井下排水涵洞能力确定

4.1.1 露天坑底暴雨洪峰流量计算

QP=ΦSPF=1.97 m3/s

(1)

式(1)中：QP为流量，m3/s；Φ为径流系数，因比较陡峭，取0.9；SP为当地近年来小时最大降雨强度，取246.5 mm；F为汇水面积，取32 000 m2。

4.1.2 410 m排水硐过流量计算

Q=W(R2)1/3i1/2/n=6.42 m3/s

(2)

式(2)中：Q为断面过流量，m3/s；W为过流断面面积，W=(b+mh)h，m2；R为水力半径，R=(b+mh)h/[b+2(1+m2)0.5h]，m。其中：b为排水硐底宽，2 m；m为边坡系数，m=ctgθ，θ为边坡角，取70°；h为水深，取1 m；i为排水硐水力坡降，取3‰；n为粗糙率，取0.017。

综上(1)和(2)，露天坑底暴雨洪峰流量为1.97 m3/s，实际410 m排水硐过流量可达6.42 m3/s，410 m排水硐完全可以满足露天坑底暴雨洪峰流量需求[2-3]。

4.2 井下排水能力确定

4.2.1 井下排水量统计

根据连城锰矿4号矿段2019年来的抽排水资料，在285 m中段排水量最小值为160 m3/d，最大值为620 m3/d，正常值为360 m3/d，见表2。

表2 2019年连城锰矿4号矿段285 m水仓排水量统计

4.2.2 井下水仓容积计算

V=4Q/K=48 m3

(3)

式(3)中：V为水仓容积，m3；Q为正常涌水量，m3/h；K为水仓容积利用系数，取0.75～0.85。

在285 m中段有两个独立巷道组成的水仓，其总容积为220 m3，在水泵房内安装3台多级离心泵D46-50×4(流量46 m3/h，单级扬程50 m，总扬程200 m，功率45 kW)，配两套管路，能满足相关规程规范要求[3]。

4.3 防排水安全对策措施

清理和加固露天台阶490 m截排水设施，确保露天排水畅通；在露天凹陷坑底周围筑截排水沟，汇水直接流入410 m排水硐；确保410 m排水硐畅通；及时掌握当地降雨情况，严格执行应急值守制度，遇重大险情停产撤人。

5 结 语

1)通过对连城锰矿4号矿段地下爆破振动的测试分析，巷道的最大振动速度为1.5 cm/s，露天东南侧边坡490 m平台最大振动速度为2.6 cm/s，符合《爆破安全规程》相关规定，边坡处于稳定状态。地下爆破振动主频远大于边坡体结构的自振频率，不易引起共振，爆破地震对露天边坡体的影响较小。

2)为减少爆破振动对露天边坡的影响，靠近露天边坡的采矿采用浅孔留矿法，严控一次爆破装药量，减少爆破有害效应。通过放样留足保安矿柱，控制井下空区顶板距露天边坡至少在30 m以上，确保边坡的稳定性；同时通过隔离法治理采空区，利用泄压窗释放冲击波，减少对边坡冲击影响。

3)基于矿区水文地质条件及地下水运动规律，认为岩体构造和岩性是控制地下水运动的两个主要因素；在分析了矿区一年的降雨特征、洪峰流量类型的基础上，总结了雨水截流、雨水贮存、雨水渗透、雨水管理等防洪排水综合措施，确保了生产建设安全。