礦山露天轉(zhuǎn)地下開采之安全實(shí)踐探討

林日和

(龍巖市安全生產(chǎn)應(yīng)急救援服務(wù)中心，福建 龍巖 364000)

以連城錳礦四號(hào)礦段為工程背景，基于礦山露天轉(zhuǎn)地下開采工程布局和開采現(xiàn)狀，提出優(yōu)化單排孔爆破，控制爆破振動(dòng)速度，提高緊鄰露天采礦邊坡穩(wěn)定性；同時(shí)在回采過程及時(shí)控制上部采空區(qū)，留足保安礦柱，確保邊坡的穩(wěn)定性；另外通過計(jì)算確定井下排水涵洞能力，討論了露天采場(chǎng)遺留凹陷采坑，地表水匯集井下的排水安全問題，對(duì)于露天礦山露天轉(zhuǎn)地下開采的安全實(shí)踐具有一定的借鑒意義。

1 礦山概況

1.1 礦山開采布局

連城錳礦4號(hào)礦段415 m標(biāo)高以下為露天轉(zhuǎn)地下開采，410 m中段為回風(fēng)兼露天凹陷坑底排水，380 m中段為350，320，285 m回風(fēng)巷兼殘采。礦山采用平硐—盲斜井開拓，目前井下回采礦體位于東南側(cè)露天邊坡底，380 m中段殘留礦體已回采結(jié)束，350 m中段投入生產(chǎn)，320 m和285 m中段處于建設(shè)中。采礦方法為分段鑿巖分段出礦法和淺孔留礦法。礦區(qū)圍巖為砂巖及泥質(zhì)砂巖，較破碎，裂隙較發(fā)育，其穩(wěn)固性較差；東南側(cè)形成近145 m高陡邊坡，490 m臺(tái)階以下已坍塌形成一體，各臺(tái)階坡面角約為70(°)，遺留有490，510，535，550 m 4個(gè)安全平臺(tái)，平臺(tái)寬度約3～5 m，最終邊坡角約為55(°)。

1.2 礦體特征及開采技術(shù)條件

礦體分布于四面被斷層切割的斷陷區(qū)內(nèi)，賦存在上石炭統(tǒng)船山組地層中，含錳巖段的下部，即C3ca層位的頂部，礦體下盤巖性大多為粉砂巖、角礫巖，有的與花崗斑巖接觸，上盤一般為角礫狀灰?guī)r，少數(shù)為粉砂巖。礦體呈似層狀，層位穩(wěn)定，規(guī)模較大。礦體上部即SW側(cè)為混合原生錳礦。礦體長87 m，北厚南薄，平均厚度22.02 m。礦體產(chǎn)狀：傾向60(°)，傾角50(°)，礦體向SE側(cè)伏，側(cè)伏角63(°)。礦體延深(沿傾斜方向)80 m。在氧化帶內(nèi)，巖石較松軟破碎，氧化帶以下的原生帶內(nèi)，巖石致密堅(jiān)硬。圍巖蝕變比較強(qiáng)，主要是硅化及碳酸鹽化。礦體中的夾石不甚發(fā)育，其夾石主要是碎屑巖類及少量角礫狀灰?guī)r。礦床礦體呈層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀與圍巖一致，層位穩(wěn)定，礦體與圍巖構(gòu)成一套有規(guī)律的韻律沉積層，原生碳酸錳礦石含有豐富的海相生物化石，泥晶狀、鮞狀結(jié)構(gòu)，顯然是海相沉積形成的。在混合礦石中含有大量的硫錳礦、薔薇輝石、錳鋁榴石等含錳變質(zhì)礦物，互為交代，關(guān)系復(fù)雜，但仍然殘留有原生沉積的泥晶質(zhì)菱錳礦，并且具有變質(zhì)強(qiáng)的分帶現(xiàn)象。

礦區(qū)工程和水文地質(zhì)條件屬簡單型[1]。

2 邊坡穩(wěn)定安全分析及對(duì)策

2.1 優(yōu)化單排孔爆破

除380 m中段殘留礦體回采外，井下主要礦體采用分段鑿巖分段出礦法采礦，30 m為一個(gè)中段，各中段10 m為一個(gè)分層，10 m為一采礦進(jìn)路，扇形中深孔微差爆破，每次起爆一條進(jìn)路一排炮孔，排距2 m，孔底距在1.8～2.2 m之間，裝藥量為220 kg。經(jīng)數(shù)據(jù)檢測(cè)，井下坑道最大振動(dòng)速度為1.5 cm/s，露天東南側(cè)邊坡490 m平臺(tái)最大振動(dòng)速度為2.6 cm/s，符合《爆破安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

為控制觀測(cè)邊坡穩(wěn)定性，在原露天邊坡臺(tái)階490 m和540 m設(shè)置了一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每月進(jìn)行兩次監(jiān)測(cè)，從2019年其中一次抽查可以看出，其位移和沉降均在控制范圍內(nèi)，有效的控制邊坡的穩(wěn)定性，見表1。

表1 連城錳礦4號(hào)礦段露天邊坡2線與4線位移與沉降監(jiān)測(cè)記錄

3 井下采空區(qū)安全分析

3.1 嚴(yán)控采空區(qū)大小

為最大限度地回采礦石，露天邊坡底井下380 m中段進(jìn)行殘采，已形成3個(gè)采空區(qū)。1號(hào)采空區(qū)平面上位于該中段南側(cè)4線與2-4線之間，其平面呈南東向展布，大致為梯形，上底(東側(cè))約8 m，下底(西側(cè))約12 m，面積約245 m2，采高5～6 m，體積約1 470 m3；采空區(qū)入口處底板標(biāo)高約為380.62 m，端部(東側(cè))底板標(biāo)高約為383.16 m，南側(cè)有留設(shè)用于支撐邊坡穩(wěn)定礦柱。2號(hào)采空區(qū)平面上位于該中段南東側(cè)4線與2線之間，其平面呈南東向展布，大致為長方形，長約22 m，寬約12 m，面積約260 m2，采高6～8 m，體積約1 950 m3；采空區(qū)入口處底板標(biāo)高約為380.58 m，端部(東側(cè))底板標(biāo)高約為381.15 m，其采空區(qū)與1號(hào)空區(qū)連成一體，中間未留設(shè)用于支撐頂板圍巖的礦柱。3號(hào)采空區(qū)平面上位于該中段北東側(cè)4線與2線之間，其平面呈北東向展布，大致為長方形，長約21 m，寬約14 m，面積約290 m2，采高7～8 m，體積約2 280 m3；采空區(qū)入口處底板標(biāo)高約為380.56 m，端部(東側(cè))底板標(biāo)高約為384.51 m，其采空區(qū)與1號(hào)、2號(hào)空區(qū)連成一體，北側(cè)有留設(shè)用于支撐邊坡穩(wěn)定礦柱。3個(gè)采空區(qū)礦體頂、底巖石為石英砂巖、角礫巖、石英巖、灰?guī)r等，采空區(qū)的頂板無明顯塌落、冒頂現(xiàn)象，整體穩(wěn)定性較好，采空區(qū)內(nèi)無積水。

在380 m中段殘留礦體回采過程中，為了減少爆破振動(dòng)對(duì)露天邊坡的影響，靠近露天邊坡的采礦全部采用淺孔留礦法，嚴(yán)控一次爆破裝藥量在50 kg以內(nèi)，減少爆破有害效應(yīng)。同時(shí)，結(jié)合礦體分布情況，合理布置采準(zhǔn)切割工程，通過放樣留足保安礦柱，控制井下采空區(qū)頂板距離露天邊坡至少在30 m以上，確保邊坡的穩(wěn)定性。

3.2 及時(shí)治理采空區(qū)

考慮采空區(qū)暴露面積較小，結(jié)合井下實(shí)際，對(duì)380 m中段已回采結(jié)束的采空區(qū)采用隔離法進(jìn)行治理。1號(hào)采空區(qū)入口巷道斷面為三心拱，規(guī)格為寬×高=6 800 mm×3 000 mm，斷面積為20.1 m2；采用封堵厚度為1 m，內(nèi)外各一道厚200 mm的漿砌磚墻，漿砌磚石量為8.04 m3；兩道墻之間采用廢石進(jìn)行充填密實(shí)，充填廢石量為12.06 m3；同時(shí)在中上部中間位置留有泄壓窗。2號(hào)和3號(hào)采空區(qū)入口巷道斷面均為三心拱，規(guī)格均為寬×高=2 500 mm×2 600 mm，斷面積為6.06 m2，采用封堵厚度為0.8 m，漿砌磚墻進(jìn)行隔離，漿砌磚石量為4.84 m3。

380 m中段殘采結(jié)束后，其暴露面積較小，充分利用已有預(yù)留的礦柱支承露天邊坡，以較長時(shí)間維護(hù)采空區(qū)安全；同時(shí)在采場(chǎng)入口砌筑封閉隔墻，使其隔絕采空區(qū)，并利用泄壓窗釋放沖擊波，一旦頂板圍巖產(chǎn)生冒落可減緩對(duì)邊坡的沖擊影響。

4 礦山排水安全分析

4.1 井下排水涵洞能力確定

4.1.1 露天坑底暴雨洪峰流量計(jì)算

QP=ΦSPF=1.97 m3/s

(1)

式(1)中：QP為流量，m3/s；Φ為徑流系數(shù)，因比較陡峭，取0.9；SP為當(dāng)?shù)亟陙硇r(shí)最大降雨強(qiáng)度，取246.5 mm；F為匯水面積，取32 000 m2。

4.1.2 410 m排水硐過流量計(jì)算

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

(2)

式(2)中：Q為斷面過流量，m3/s；W為過流斷面面積，W=(b+mh)h，m2；R為水力半徑，R=(b+mh)h/[b+2(1+m2)0.5h]，m。其中：b為排水硐底寬，2 m；m為邊坡系數(shù)，m=ctgθ，θ為邊坡角，取70°；h為水深，取1 m；i為排水硐水力坡降，取3‰；n為粗糙率，取0.017。

綜上(1)和(2)，露天坑底暴雨洪峰流量為1.97 m3/s，實(shí)際410 m排水硐過流量可達(dá)6.42 m3/s，410 m排水硐完全可以滿足露天坑底暴雨洪峰流量需求[2-3]。

4.2 井下排水能力確定

4.2.1 井下排水量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)連城錳礦4號(hào)礦段2019年來的抽排水資料，在285 m中段排水量最小值為160 m3/d，最大值為620 m3/d，正常值為360 m3/d，見表2。

表2 2019年連城錳礦4號(hào)礦段285 m水倉排水量統(tǒng)計(jì)

4.2.2 井下水倉容積計(jì)算

V=4Q/K=48 m3

(3)

式(3)中：V為水倉容積，m3；Q為正常涌水量，m3/h；K為水倉容積利用系數(shù)，取0.75～0.85。

在285 m中段有兩個(gè)獨(dú)立巷道組成的水倉，其總?cè)莘e為220 m3，在水泵房內(nèi)安裝3臺(tái)多級(jí)離心泵D46-50×4(流量46 m3/h，單級(jí)揚(yáng)程50 m，總揚(yáng)程200 m，功率45 kW)，配兩套管路，能滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求[3]。

4.3 防排水安全對(duì)策措施

清理和加固露天臺(tái)階490 m截排水設(shè)施，確保露天排水暢通；在露天凹陷坑底周圍筑截排水溝，匯水直接流入410 m排水硐；確保410 m排水硐暢通；及時(shí)掌握當(dāng)?shù)亟涤昵闆r，嚴(yán)格執(zhí)行應(yīng)急值守制度，遇重大險(xiǎn)情停產(chǎn)撤人。

5 結(jié) 語

1)通過對(duì)連城錳礦4號(hào)礦段地下爆破振動(dòng)的測(cè)試分析，巷道的最大振動(dòng)速度為1.5 cm/s，露天東南側(cè)邊坡490 m平臺(tái)最大振動(dòng)速度為2.6 cm/s，符合《爆破安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。地下爆破振動(dòng)主頻遠(yuǎn)大于邊坡體結(jié)構(gòu)的自振頻率，不易引起共振，爆破地震對(duì)露天邊坡體的影響較小。

2)為減少爆破振動(dòng)對(duì)露天邊坡的影響，靠近露天邊坡的采礦采用淺孔留礦法，嚴(yán)控一次爆破裝藥量，減少爆破有害效應(yīng)。通過放樣留足保安礦柱，控制井下空區(qū)頂板距露天邊坡至少在30 m以上，確保邊坡的穩(wěn)定性；同時(shí)通過隔離法治理采空區(qū)，利用泄壓窗釋放沖擊波，減少對(duì)邊坡沖擊影響。

3)基于礦區(qū)水文地質(zhì)條件及地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，認(rèn)為巖體構(gòu)造和巖性是控制地下水運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)主要因素；在分析了礦區(qū)一年的降雨特征、洪峰流量類型的基礎(chǔ)上，總結(jié)了雨水截流、雨水貯存、雨水滲透、雨水管理等防洪排水綜合措施，確保了生產(chǎn)建設(shè)安全。