露天转地下挂帮矿崩落法开采边坡安全防控技术研究

宫长亮 孙哲申 许译心 李昱衡 任海龙 范晓明

（1.鞍钢集团矿业有限公司大孤山分公司；2.鞍钢集团矿业有限公司眼前山分公司；3.东北大学资源与土木工程学院）

露天转地下过渡期常提通过开采挂帮矿维持矿山的产能［1-3］，挂帮矿开采的过程中，会引起边坡的岩移和陷落，严重威胁露天的安全生产［4-6］。实际生产中，常采用支护和削坡的方法控制边坡的破坏，从应用效果看，这2 种方法工程量较大、施工程序较为繁琐，初期能够保持边坡的稳定性，但限制了挂帮矿的开采效率，降低了矿山的产能，而且边坡仍然会出现滑移和陷落，后期治理成本较高。

近些年来，崩落法开采挂帮矿被广泛应用在露天转地下过渡期［7-9］，利用崩落矿体回采后形成的空间，容纳边坡陷落的散体［10-13］，不仅能够提高产能，同时可以降低边坡的治理和维护成本。但该方法在应用中需要解决边坡岩移的进程及方向，回采空间能够容纳陷落的散体，滚落至露天坑散体的防护问题等。本文以大孤山铁矿为工程背景，分析崩落法开采挂帮矿边坡的岩移机理，提出岩移的控制方法；研究陷落散体所需的回采体积，得出回采体积与保安矿柱宽度之间的函数关系；采用散体滑落试验，得出防护坝的设置位置，为大孤山铁矿露天转地下过渡期的产能衔接和安全生产提供指导。

1 工程背景

大孤山铁矿为特大型深凹露天矿山，探明的地质储量为3.4亿t，采场封闭圈标高为+78 m，设计最终露天底标高为-486 m，年产矿石700万t左右，生产剥采比为4～7。现已处于露天开采的末期，准备转为地下开采。在露天转地下过渡期间，为保持矿山产能的接续，需要开采挂帮矿。设计采用工序简单，产能较大的崩落法开采，崩落法开采过程中将引起边坡的岩移和陷落，给露天开采带来一定的安全隐患。为此，需要对崩落法开采挂帮矿过程中边坡的岩移和陷落问题进行深入研究、分析和计算，提出有效的边坡岩移、陷落防控方法，在稳定产能的基础上，确保大孤山铁矿露天转地下过渡期的安全生产（图1）。

2 边坡岩移机理及进程控制

挂帮矿开采过程中，前期需要保护露天采场及运输的安全，要控制边坡岩移的进度。因此，需要研究边坡岩移机理，从图2可以看出，挂帮矿开采后，采空区围岩的受力关系，计算得出空区顶板单位面积上岩体所受压力T与采空区半跨度l之间的函数关系式为［14］

整理得到

式中，γ为上覆岩层容重，N/m2；h为空区高度，m；H为空区顶板的埋深，m；α为露天边坡角，（°）。

根据矿山实际情况，将各参数带入式（2）可以计算出采空区的临界冒落跨度2l。根据理论研究与现场试验得出，挂帮矿持续冒落跨度为临界冒落跨度的1.25～1.65 倍。为控制边坡岩体冒落进程，提高挂帮矿的生产能力，将崩落法第一分段进路布置在矿体厚度大于3.3l（2l×1.65）的部位。回采时，从矿体上盘的进路逐渐向露天坑方向实施崩落，待崩落至靠近露天坑边坡的进路时，首采分段底部已全部拉开，跨度大于3.3l，出矿时除留下一定厚度的安全散体垫层外，其余矿石全部出尽，出矿后形成连续的采空区，诱导空区上部的矿岩冒落，冒落的矿石在下一分段进行回收。

挂帮矿第一分段回采时，通过改变开采顺序和进度来控制采空区的跨度，实现控制边坡的冒落进程，当空区能够容纳边坡冒落范围内的散体时，可冒透地表，以便保证露天开采的安全。首采分段开采后，下部设置1～2 个分段回采冒落的矿体，开采方向从矿体上盘向露天坑方向，既可以延迟边坡冒落的时间，又可以最大程度地回采挂帮矿。

3 陷落散体与回采体积关系研究

露天边坡的岩移和陷落，主要取决于边坡岩体的稳固条件。受露天开采爆破震动及开采扰动等因素的影响，挂帮矿开采过程中边坡岩体的稳定性逐渐减弱，随着开采范围的不断扩大，边坡出现滑移、陷落，陷落的散体不允许流入露天坑底，威胁露天的安全开采。这就要求开采挂帮矿所形成的空区能够容纳边坡陷落的散体。为此，需要研究边坡岩体的陷落跨度，以及回采体积与陷落散体体积之间的函数关系。图3为边坡陷落后的几何图。

根据图3中的各个参数，要保证露天开采的绝对安全，计算得出回采体积Vh要满足公式（3）的条件［14］：

式中，L为走向长度，m；α为露天边坡角，（°）；α1为滑落散体坡面角，（°）；β为矿岩滑移角，（°）；B为回采宽度，m；A为保安矿柱宽度，m；η为矿岩碎胀系数。

图3为大孤山铁矿回采区与滑落区位置关系图，图中A+B=H（cotα-cotβ），H=200 m，L=1 m，α=42°，α1=35°，β=56°，η=1.12，带入式（3）得到回采体积Vh与 保 安 矿 柱 宽 度A关 系 为：Vh＞0.41A2-72.53A+4 116.52，该公式为二次函数，函数曲线形状为开口向上的抛物线，抛物线的对称轴为l=88.45 m，图4 为回采体积Vh与保安矿柱宽度A之间的关系图。

由图4可见，所需回采体积Vh先随着保安矿柱宽度A的增加而减小，当保安矿柱的宽度为88.45 m 时，所需回采体积Vh最小，之后又随着保安矿柱宽度的增加而增大。在实际生产中，根据现场实际情况，通过保安矿柱宽度A与回采体积Vh之间的函数关系，计算得出能够容纳边坡冒落散体体积所需的最小回采体积，留出一定宽度的保安矿柱，既能够开采挂帮矿，保持矿山的产能，又能够确保露天开采的安全。此外，在工程布置时，还应考虑到尽可能多地回收矿体和留有足够的大的边坡散体回收空间。崩落采矿法的拉底跨度应大于矿岩临界冒落跨度，保证边坡围岩冒落的顺利进行。

4 露天防护坝设置

挂帮矿开采前期，边坡未发生陷落时，受采动影响，边坡表面的岩石散体存在滚落至露天坑的可能。特别是高陡边坡部位，地下开采形成的空区不足以容纳上部陷落的散体。散体充满空区后，多余的散体继续滑动向露天坑底，对露天生产带来极大的安全隐患。为保证露天生产的绝对安全，需要在边坡的某一台阶上设置防护坝，阻挡多余散体继续滑落至露天采场。为此，现场进行露天边坡散体滑落试验，根据多次试验结果，确定了散体滑落的最远距离，在散体滑落台阶下方的1～2 台阶设置防护坝，确保露天开采的绝对安全。根据大孤山铁矿边坡散体滑落试验结果，防护坝设置在露天坑底的上一个台阶（图5）。

5 结 论

（1）理论研究与实践得出，挂帮矿持续冒落跨度为临界冒落跨度的1.25～1.65倍。第一分段进路布置在矿体厚度大于3.3l的位置，通过改变开采顺序和进度，实现控制边坡的冒落进程，既能充分回采挂帮矿资源，又能保证露天开采的安全。

（2）研究表明，在保证大孤山铁矿边坡陷落安全的前提下，回采体积与保安矿柱宽度之间存在二次函数关系，回采体积先随着保安矿柱宽度的增加而减小，后又随着保安矿柱宽度的增加而增大，当保安矿柱的宽度为88.45 m 时，所需回采体积最小。实际生产中，根据现场矿体条件，预留一定宽度的保安矿柱，便能得出所需开采挂帮矿的体积，保证露天矿的安全开采。

（3）散体滑落试验得出，在散体滑落台阶下方的1～2 台阶设置防护坝，能够确保露天开采的安全，大孤山铁矿边坡防护坝设置在露天坑底的上一个台阶。