庙沟铁矿挂帮矿安全开采方案研究

许雁超 张树伟 马选林 吕 刚

(1.河钢集团矿业公司庙沟铁矿，河北 秦皇岛 066501；2.河钢集团矿业有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

庙沟铁矿目前矿床已经开采至372 m水平，形成的高陡边坡长度约1 000 m、平均高度247.5 m(最高达300 m)、风化程度由中到强、非工作帮边坡角平均44.5°(局部65°)；露天转地下开采投产时间已推迟至2022年7月。在2020～2022年7月过渡期间为解决资源接续问题，需要对西边帮挂帮矿提前开采，在挂帮矿开采过程中面临最关键的技术难题是：在露采时期大规模开挖对周围岩体造成较大应力扰动的基础上，出现边坡无序塌落等重大工程灾害，因此在投产前覆盖层形成初期必须维护露天采场边坡稳定，而采取何种采矿方法也尤为重要。

1 挂帮矿特征概述

1.1 矿体特征

挂帮矿体呈带状向北延伸至7～9线间，向南延伸至8～10线间。挂帮矿体产状：2勘探线以南近南北走向，向西倾，平均倾角78°、局部90°；2勘探线以北走向渐变至38°，向东倾，倾角约79°(见图1、图2)。

图1 庙沟铁矿挂帮矿体分布

图2 庙沟铁矿挂帮矿体分布

1.2 矿石质量特征

挂帮矿石矿物成份主要有磁铁矿、石英和铁闪石-镁铁闪石，含少量赤铁矿、假象赤铁矿、透闪石-阳起石等；矿石中主要元素为O、Si、Fe，次为Mg、Al、Ca、Ti、Mn、Na，K、S、P，其它元素含量甚微。矿石中主要有用组分为Fe，矿石的全铁(TFe)含量21.09%～58.77%，主要有害元素为S、P。其中S平均含量0.09%；P平均含量0.02%；S主要赋存于黄铁矿、磁黄铁矿中；矿石结构以细粒变晶结构为主，小部分为中粗粒变晶结构；矿石构造以条带状和条纹状构造为主；小部分为细纹状或块状构造；矿体顶底板围岩及夹石主要为黑云角闪变粒岩，mFe含量：顶底板围岩3%～6%，夹石5%～10%[1]。

2 挂帮矿开采技术条件

2.1 水文地质条件

矿山采场现已成为负地形且三面环山，汇水面积较大，矿床充水因素：浅部以大气降水及潜水为主；深部以构造裂隙承压水为主，天降暴雨对矿床可造成短时威胁。含水量小到中等，富水不均一，据近五年统计，矿井总涌水量枯水期12 000 m3/d、雨季洪水期18 000 m3/d，最大达到21 000 m3/d。本区水文地质条件类型属中等型。

2.2 工程地质条件

1)通过响山花岗岩体西边缘的北北东向区域断裂带对矿床开拓工程及未来采矿生产有一定影响；

2)采场东帮：边坡高度平均约260 m，岩体质量比较好，边坡稳定性较好；

3)采场南帮：504 m以上自然山体边坡风化强烈，有时掉块，稳定性较差；504 m以下已开挖部分边坡岩体质量比较好，而且端帮504 m以下裂隙处于闭合状态，边坡稳定性比较好[2]；

4)采场西帮：第4勘探线以南最高达300 m,坡角平均44.5°，局部达65°，局部楔形危岩体有滑落的风险；

5)采场西帮：第4勘探线以北边坡片理化强烈发育，稳定性较差[2]；

6)围岩稳固性：顶底板围岩岩性以黑云角闪变粒岩为主、次有变质闪长岩等，岩石普氏硬度系数为f=10～12。

3 安全开采方案探讨

3.1 安全回采顺序

挂帮矿的回采区域主要指北边帮和西边帮，为了简化生产工人的培训和管理，挂帮矿回采的采矿方法应尽量与2011年《庙沟铁矿地下开采初步设计》中无底柱分段崩落采矿方法相统一，因为无底柱分段崩落法是回收边帮挂帮矿及保安矿柱最常用的一种采矿方法，生产效率高、工艺简单、安全且生产能力较大[1]。

1)北边帮和西边帮剩余挂帮矿的回采采用无底柱分段崩落法；

2)剩余的挂帮矿范围：北边帮挂帮矿、东边帮挂帮矿和西边帮2线～4线之间的372 m水平以上剩余部分(宽约30～40 m)。

(1)北边帮：利用小斜坡道独立开拓系统和采切工程进行回采，为保护露天采场安全留设保安矿柱(在5线～7线间)；

(2)东边帮：为零星分布的几个小矿体，品位较低，可在汽车运输废石补充东侧覆盖层之后，布置简易回采系统进行回采；

(3)西边帮：只在2线～4线之间的372 m水平剩余约30～40 m宽矿体，走向长约为一个无底柱分段崩落法回采矿块的宽度，与240 m中段的第一个分段(340 m分段)构成一个高端壁无底柱分段崩落法矿块进行回采；

3)过渡期回采的挂帮矿

400 m分段、380 m分段工程主要作用是处理西部挂帮矿，并且与地下主采场首采分段360 m分段接近，从空间上也影响着地下主提升系统投产后主采场的生产，因此加快这两个分段的施工对资源顺利衔接有着至关重要的作用。380 m分段北部与小斜坡道联通，南部通过联络巷与主斜坡道联通，400 m分段北部也联通小斜坡道，南部通过分段斜坡道与380 m分段联通，均能实现从南北分别通过主斜坡道与小斜坡道进行双向施工，以加快工程进度。待露天采场闭坑，即可进行西部挂帮矿崩落，届时根据实际情况既可当作覆盖层进行回填，也可进行回采出矿。

3.2 穿孔、爆破

1)严格采空区穿爆管理

在采空区顶底板边界、周边拐点处及巷道边界凿穿透孔，首先认真探测采空区准确尺寸和几何形态，准确掌握顶底板厚度、空区内部高度和矿体几何尺寸；

2)应用数码电子雷管技术

为实现挂帮矿安全开采，引进“数码电子雷管技术”以达到降震、提高爆破质量、提高生产效率，减少露天爆破对已完工或正在进行的采准工程的破坏，降低大块率，降本增效，切实提高爆破作业的安全效益；

(1)计划使用电子雷管全面应用于露天台阶深孔爆破、边坡控制爆破、地下中深孔爆破，部分用于井巷掘进爆破；

(2)充分利用数码电子雷管自由设置延期时间的优势，找到适用于不同类型爆破的雷管合理延时参数，以达到最优爆破效果；

3)优化爆破参数

(1)优化炮孔深度。目前炮孔直径76～80 mm，孔深28 m。炮孔深度随矿体围岩性质、厚度及赋存状态变化随时优化调整；一般坚硬岩、比较坚硬岩、软岩石孔深依次为28 m、27.5 m、27 m ，

(2)优化最小抵抗线

最小抵抗线(扇形孔、平行孔)

(1)

式中：W—最小抵抗线，m；d—炮孔直径，1×10 cm计；Δ—装药密度，g/cm3；η—装药系数，η=0.7～0.8；m—深孔密集系数，m=0.8～1.2。

最小抵抗线优化：坚硬岩石W=(23～30)d，中等坚硬岩石W=(30～35)d，较软岩石W=(35～40)d。

(3)优化孔间距

(1)开发教学资源：①通过引进、内化德国机电类行业培训标准、教育资源、对接德国职业标准和典型岗位工作过程、开发模块化职业技能和新技术培训课程、开发系列培训教材等一系列方式培养“师傅型”师资基于工作过程的教学理念、教材把控能力、实践教学能力等关键教育教学能力；②依托跨企业培训中心企业化的现场实践教学环境及现场管理，将典型合作企业现场管理体系融入实践教学中，强调学徒5S管理和良好职业素养的培养。

a=mW

(2)

式中：a—孔间距；m—深孔密集系数，扇形孔底m=1.5～2.0；W—最小抵抗线，m。

根据最小抵抗线的定期变化，参考临近系数定期优化孔间距。

(4)优化单位炸药消耗量

平行孔每次装药量：

Qh=qmW2L

(3)

式中：Qh—每米装药量，kg；q—单位炸药消耗量，kg/m3；m—密集系数(临近系数)；W—最小抵抗线，m；L—孔深，m。

扇形孔：

Qp=qWS

(4)

式中：Qp—每排扇形孔总装药量，kg；S—排扇形孔可担负的面积，m2；q—单位炸药消耗量，kg/m3；W—最小抵抗线，m。

依据炮孔深度、矿体围岩性质、厚度及赋存状态变化随时调整单位炸药消耗量。

(5)优化填塞长度。依据扇形深孔填塞长度范围(0.8～0.4)W，根据炸药单位消耗量、采取交错不同的填塞长度，以此避免孔口附近炸药过分集中。

3.3 顶底板维护

1)做好顶底板巷道支护管理

除地表出现片理化破碎情况外，小斜坡道5勘探线以北480 m中段、460 m中段、400 m中段、380 m中段和、360 m中段均出现不同程度的片理化破碎，基于此，在井下作业时若发现顶底板出现片理化破碎情况，必须及时采取相应的支护措施(如钢拱架支护、钢筋混凝土柱子支护、锚杆、锚网喷)，以防止冒顶片帮。

2)采场边坡塌落线管理

此次计算采取Ⅱ号矿体平均倾角76°(局部倾斜地段65°)计算并推测采场边坡塌落线，具体拐点位置坐标如表1。以采场纵向轴线和第4勘探线交线为中心，该中心北东方向10°～30°范围内塌落线距柏树村级公路较近。露天转地下开拓主井与村级公路直距仅26 m、开拓副井与村级公路直距仅15 m，公路东侧就是河床。如果在雨季洪水期边坡无序塌落，将严重堵塞矿床西侧河道，势必造成以下两种后果，一是矿床西侧洪水直接灌入地下采场；二是洪水严重威胁主井与副井的安全。这就要求在挂帮矿开采过程中，必须严格边坡塌落线管理，具体措施是：提前设计、提前施工，做好塌落预案；同时对北部5～9线底板范围内穿孔技术与爆破技术及岗位安全工作进行严格监督与管理。以确保公路行人、主井和副井的安全。

表1 采场边坡塌落线具体拐点位置坐标表 (6°带)

3)选择性开采

针对以下地段，采取有选择性临时保留矿体的方式来增加巷道的稳固性，主要为：强烈破碎地段、片理化挤压带、断层交汇地段、曾经塌冒地段。

4)经常维护排水系统

由于庙沟铁矿地下开拓系统主、副井都坐落在河床上(区域性断裂带上)，这决定了地下排水系统一定受河流影响，尤其雨季洪水期，河流洪水与矿床基岩裂隙水或构造承压水结合往往造成巷道突涌水、淹井或顶板透水事故。因此必须定期或不定期检查排水系统，发现问题及时整改。

3.4 边坡维稳

对西边帮北区和南区的潜在危险区段采取必要的监测措施和排水措施，应重点监测西边帮北区(第4勘探线以北)[3]。

1)控制地表径流，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。

2)节理裂缝重点加固，实施灌水泥砂浆、打锚杆或挂网。

3)栽树，种草、种花，注重生态植被的种植。

4)建立位移监测控制点及监测点。

监测控制点及监测点的布置：监测点控制点应布设在地势高且与各监测点具有良好通视条件的稳定区域，通过现场考察，两个位移监测控制点(K1，K2)分别位于采场东帮和北帮，其坐标如表2所示；边坡监测点分别布设在采场460 m、560 m台阶和东排土场，其编号分别为A1～A13，其中A6监测点布设在460 m台阶、A1～A5和A7～A11布设在560 m台阶、A12和A13布设在东排土场，各点相对位置如图3所示。

表2 边坡监测控制点坐标 m

图3 监测控制点布设图

4 结语

通过安全方案的初步实施，取得以下效果：

1)2020年回采挂帮矿82.85万t,弥补了露天转地下过渡期矿石资源不足；方案应用产生经济效益5 809.60万元；

2)产生良好的安全效益：露天转地下过渡期内安全回采挂帮矿，已经并将继续有效防止边坡意外无序塌落造成矿山内部人员伤亡、矿量及设备损失。提前预测边坡塌落范围，提出实现未来边坡有序塌落具体措施，将从根本上消除由边坡无序塌落带来的次生地质灾害重大事故隐患，有效保护外部行人生命安全和财产不受损失。