廟溝鐵礦掛幫礦安全開采方案研究

許雁超 張樹偉 馬選林 呂 剛

(1.河鋼集團礦業(yè)公司廟溝鐵礦，河北 秦皇島 066501；2.河鋼集團礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

廟溝鐵礦目前礦床已經(jīng)開采至372 m水平，形成的高陡邊坡長度約1 000 m、平均高度247.5 m(最高達300 m)、風化程度由中到強、非工作幫邊坡角平均44.5°(局部65°)；露天轉(zhuǎn)地下開采投產(chǎn)時間已推遲至2022年7月。在2020～2022年7月過渡期間為解決資源接續(xù)問題，需要對西邊幫掛幫礦提前開采，在掛幫礦開采過程中面臨最關(guān)鍵的技術(shù)難題是：在露采時期大規(guī)模開挖對周圍巖體造成較大應力擾動的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)邊坡無序塌落等重大工程災害，因此在投產(chǎn)前覆蓋層形成初期必須維護露天采場邊坡穩(wěn)定，而采取何種采礦方法也尤為重要。

1 掛幫礦特征概述

1.1 礦體特征

掛幫礦體呈帶狀向北延伸至7～9線間，向南延伸至8～10線間。掛幫礦體產(chǎn)狀：2勘探線以南近南北走向，向西傾，平均傾角78°、局部90°；2勘探線以北走向漸變至38°，向東傾，傾角約79°(見圖1、圖2)。

圖1 廟溝鐵礦掛幫礦體分布

圖2 廟溝鐵礦掛幫礦體分布

1.2 礦石質(zhì)量特征

掛幫礦石礦物成份主要有磁鐵礦、石英和鐵閃石-鎂鐵閃石，含少量赤鐵礦、假象赤鐵礦、透閃石-陽起石等；礦石中主要元素為O、Si、Fe，次為Mg、Al、Ca、Ti、Mn、Na，K、S、P，其它元素含量甚微。礦石中主要有用組分為Fe，礦石的全鐵(TFe)含量21.09%～58.77%，主要有害元素為S、P。其中S平均含量0.09%；P平均含量0.02%；S主要賦存于黃鐵礦、磁黃鐵礦中；礦石結(jié)構(gòu)以細粒變晶結(jié)構(gòu)為主，小部分為中粗粒變晶結(jié)構(gòu)；礦石構(gòu)造以條帶狀和條紋狀構(gòu)造為主；小部分為細紋狀或塊狀構(gòu)造；礦體頂?shù)装鍑鷰r及夾石主要為黑云角閃變粒巖，mFe含量：頂?shù)装鍑鷰r3%～6%，夾石5%～10%[1]。

2 掛幫礦開采技術(shù)條件

2.1 水文地質(zhì)條件

礦山采場現(xiàn)已成為負地形且三面環(huán)山，匯水面積較大，礦床充水因素：淺部以大氣降水及潛水為主；深部以構(gòu)造裂隙承壓水為主，天降暴雨對礦床可造成短時威脅。含水量小到中等，富水不均一，據(jù)近五年統(tǒng)計，礦井總涌水量枯水期12 000 m3/d、雨季洪水期18 000 m3/d，最大達到21 000 m3/d。本區(qū)水文地質(zhì)條件類型屬中等型。

2.2 工程地質(zhì)條件

1)通過響山花崗巖體西邊緣的北北東向區(qū)域斷裂帶對礦床開拓工程及未來采礦生產(chǎn)有一定影響；

2)采場東幫：邊坡高度平均約260 m，巖體質(zhì)量比較好，邊坡穩(wěn)定性較好；

3)采場南幫：504 m以上自然山體邊坡風化強烈，有時掉塊，穩(wěn)定性較差；504 m以下已開挖部分邊坡巖體質(zhì)量比較好，而且端幫504 m以下裂隙處于閉合狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定性比較好[2]；

4)采場西幫：第4勘探線以南最高達300 m,坡角平均44.5°，局部達65°，局部楔形危巖體有滑落的風險；

5)采場西幫：第4勘探線以北邊坡片理化強烈發(fā)育，穩(wěn)定性較差[2]；

6)圍巖穩(wěn)固性：頂?shù)装鍑鷰r巖性以黑云角閃變粒巖為主、次有變質(zhì)閃長巖等，巖石普氏硬度系數(shù)為f=10～12。

3 安全開采方案探討

3.1 安全回采順序

掛幫礦的回采區(qū)域主要指北邊幫和西邊幫，為了簡化生產(chǎn)工人的培訓和管理，掛幫礦回采的采礦方法應盡量與2011年《廟溝鐵礦地下開采初步設(shè)計》中無底柱分段崩落采礦方法相統(tǒng)一，因為無底柱分段崩落法是回收邊幫掛幫礦及保安礦柱最常用的一種采礦方法，生產(chǎn)效率高、工藝簡單、安全且生產(chǎn)能力較大[1]。

1)北邊幫和西邊幫剩余掛幫礦的回采采用無底柱分段崩落法；

2)剩余的掛幫礦范圍：北邊幫掛幫礦、東邊幫掛幫礦和西邊幫2線～4線之間的372 m水平以上剩余部分(寬約30～40 m)。

(1)北邊幫：利用小斜坡道獨立開拓系統(tǒng)和采切工程進行回采，為保護露天采場安全留設(shè)保安礦柱(在5線～7線間)；

(2)東邊幫：為零星分布的幾個小礦體，品位較低，可在汽車運輸廢石補充東側(cè)覆蓋層之后，布置簡易回采系統(tǒng)進行回采；

(3)西邊幫：只在2線～4線之間的372 m水平剩余約30～40 m寬礦體，走向長約為一個無底柱分段崩落法回采礦塊的寬度，與240 m中段的第一個分段(340 m分段)構(gòu)成一個高端壁無底柱分段崩落法礦塊進行回采；

3)過渡期回采的掛幫礦

400 m分段、380 m分段工程主要作用是處理西部掛幫礦，并且與地下主采場首采分段360 m分段接近，從空間上也影響著地下主提升系統(tǒng)投產(chǎn)后主采場的生產(chǎn)，因此加快這兩個分段的施工對資源順利銜接有著至關(guān)重要的作用。380 m分段北部與小斜坡道聯(lián)通，南部通過聯(lián)絡巷與主斜坡道聯(lián)通，400 m分段北部也聯(lián)通小斜坡道，南部通過分段斜坡道與380 m分段聯(lián)通，均能實現(xiàn)從南北分別通過主斜坡道與小斜坡道進行雙向施工，以加快工程進度。待露天采場閉坑，即可進行西部掛幫礦崩落，屆時根據(jù)實際情況既可當作覆蓋層進行回填，也可進行回采出礦。

3.2 穿孔、爆破

1)嚴格采空區(qū)穿爆管理

在采空區(qū)頂?shù)装暹吔纭⒅苓吂拯c處及巷道邊界鑿穿透孔，首先認真探測采空區(qū)準確尺寸和幾何形態(tài)，準確掌握頂?shù)装搴穸?、空區(qū)內(nèi)部高度和礦體幾何尺寸；

2)應用數(shù)碼電子雷管技術(shù)

為實現(xiàn)掛幫礦安全開采，引進“數(shù)碼電子雷管技術(shù)”以達到降震、提高爆破質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，減少露天爆破對已完工或正在進行的采準工程的破壞，降低大塊率，降本增效，切實提高爆破作業(yè)的安全效益；

(1)計劃使用電子雷管全面應用于露天臺階深孔爆破、邊坡控制爆破、地下中深孔爆破，部分用于井巷掘進爆破；

(2)充分利用數(shù)碼電子雷管自由設(shè)置延期時間的優(yōu)勢，找到適用于不同類型爆破的雷管合理延時參數(shù)，以達到最優(yōu)爆破效果；

3)優(yōu)化爆破參數(shù)

(1)優(yōu)化炮孔深度。目前炮孔直徑76～80 mm，孔深28 m。炮孔深度隨礦體圍巖性質(zhì)、厚度及賦存狀態(tài)變化隨時優(yōu)化調(diào)整；一般堅硬巖、比較堅硬巖、軟巖石孔深依次為28 m、27.5 m、27 m ，

(2)優(yōu)化最小抵抗線

最小抵抗線(扇形孔、平行孔)

(1)

式中：W—最小抵抗線，m；d—炮孔直徑，1×10 cm計；Δ—裝藥密度，g/cm3；η—裝藥系數(shù)，η=0.7～0.8；m—深孔密集系數(shù)，m=0.8～1.2。

最小抵抗線優(yōu)化：堅硬巖石W=(23～30)d，中等堅硬巖石W=(30～35)d，較軟巖石W=(35～40)d。

(3)優(yōu)化孔間距

(1)開發(fā)教學資源：①通過引進、內(nèi)化德國機電類行業(yè)培訓標準、教育資源、對接德國職業(yè)標準和典型崗位工作過程、開發(fā)模塊化職業(yè)技能和新技術(shù)培訓課程、開發(fā)系列培訓教材等一系列方式培養(yǎng)“師傅型”師資基于工作過程的教學理念、教材把控能力、實踐教學能力等關(guān)鍵教育教學能力；②依托跨企業(yè)培訓中心企業(yè)化的現(xiàn)場實踐教學環(huán)境及現(xiàn)場管理，將典型合作企業(yè)現(xiàn)場管理體系融入實踐教學中，強調(diào)學徒5S管理和良好職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

a=mW

(2)

式中：a—孔間距；m—深孔密集系數(shù)，扇形孔底m=1.5～2.0；W—最小抵抗線，m。

根據(jù)最小抵抗線的定期變化，參考臨近系數(shù)定期優(yōu)化孔間距。

(4)優(yōu)化單位炸藥消耗量

平行孔每次裝藥量：

Qh=qmW2L

(3)

式中：Qh—每米裝藥量，kg；q—單位炸藥消耗量，kg/m3；m—密集系數(shù)(臨近系數(shù))；W—最小抵抗線，m；L—孔深，m。

扇形孔：

Qp=qWS

(4)

式中：Qp—每排扇形孔總裝藥量，kg；S—排扇形孔可擔負的面積，m2；q—單位炸藥消耗量，kg/m3；W—最小抵抗線，m。

依據(jù)炮孔深度、礦體圍巖性質(zhì)、厚度及賦存狀態(tài)變化隨時調(diào)整單位炸藥消耗量。

(5)優(yōu)化填塞長度。依據(jù)扇形深孔填塞長度范圍(0.8～0.4)W，根據(jù)炸藥單位消耗量、采取交錯不同的填塞長度，以此避免孔口附近炸藥過分集中。

3.3 頂?shù)装寰S護

1)做好頂?shù)装逑锏乐ёo管理

除地表出現(xiàn)片理化破碎情況外，小斜坡道5勘探線以北480 m中段、460 m中段、400 m中段、380 m中段和、360 m中段均出現(xiàn)不同程度的片理化破碎，基于此，在井下作業(yè)時若發(fā)現(xiàn)頂?shù)装宄霈F(xiàn)片理化破碎情況，必須及時采取相應的支護措施(如鋼拱架支護、鋼筋混凝土柱子支護、錨桿、錨網(wǎng)噴)，以防止冒頂片幫。

2)采場邊坡塌落線管理

此次計算采?、蛱柕V體平均傾角76°(局部傾斜地段65°)計算并推測采場邊坡塌落線，具體拐點位置坐標如表1。以采場縱向軸線和第4勘探線交線為中心，該中心北東方向10°～30°范圍內(nèi)塌落線距柏樹村級公路較近。露天轉(zhuǎn)地下開拓主井與村級公路直距僅26 m、開拓副井與村級公路直距僅15 m，公路東側(cè)就是河床。如果在雨季洪水期邊坡無序塌落，將嚴重堵塞礦床西側(cè)河道，勢必造成以下兩種后果，一是礦床西側(cè)洪水直接灌入地下采場；二是洪水嚴重威脅主井與副井的安全。這就要求在掛幫礦開采過程中，必須嚴格邊坡塌落線管理，具體措施是：提前設(shè)計、提前施工，做好塌落預案；同時對北部5～9線底板范圍內(nèi)穿孔技術(shù)與爆破技術(shù)及崗位安全工作進行嚴格監(jiān)督與管理。以確保公路行人、主井和副井的安全。

表1 采場邊坡塌落線具體拐點位置坐標表 (6°帶)

3)選擇性開采

針對以下地段，采取有選擇性臨時保留礦體的方式來增加巷道的穩(wěn)固性，主要為：強烈破碎地段、片理化擠壓帶、斷層交匯地段、曾經(jīng)塌冒地段。

4)經(jīng)常維護排水系統(tǒng)

由于廟溝鐵礦地下開拓系統(tǒng)主、副井都坐落在河床上(區(qū)域性斷裂帶上)，這決定了地下排水系統(tǒng)一定受河流影響，尤其雨季洪水期，河流洪水與礦床基巖裂隙水或構(gòu)造承壓水結(jié)合往往造成巷道突涌水、淹井或頂板透水事故。因此必須定期或不定期檢查排水系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)問題及時整改。

3.4 邊坡維穩(wěn)

對西邊幫北區(qū)和南區(qū)的潛在危險區(qū)段采取必要的監(jiān)測措施和排水措施，應重點監(jiān)測西邊幫北區(qū)(第4勘探線以北)[3]。

1)控制地表徑流，每隔24 m即兩個平臺高度修建明渠；在兵溝口已新建涵洞，對原涵洞(箭桿溝口)進行加固。

2)節(jié)理裂縫重點加固，實施灌水泥砂漿、打錨桿或掛網(wǎng)。

3)栽樹，種草、種花，注重生態(tài)植被的種植。

4)建立位移監(jiān)測控制點及監(jiān)測點。

監(jiān)測控制點及監(jiān)測點的布置：監(jiān)測點控制點應布設(shè)在地勢高且與各監(jiān)測點具有良好通視條件的穩(wěn)定區(qū)域，通過現(xiàn)場考察，兩個位移監(jiān)測控制點(K1，K2)分別位于采場東幫和北幫，其坐標如表2所示；邊坡監(jiān)測點分別布設(shè)在采場460 m、560 m臺階和東排土場，其編號分別為A1～A13，其中A6監(jiān)測點布設(shè)在460 m臺階、A1～A5和A7～A11布設(shè)在560 m臺階、A12和A13布設(shè)在東排土場，各點相對位置如圖3所示。

表2 邊坡監(jiān)測控制點坐標 m

圖3 監(jiān)測控制點布設(shè)圖

4 結(jié)語

通過安全方案的初步實施，取得以下效果：

1)2020年回采掛幫礦82.85萬t,彌補了露天轉(zhuǎn)地下過渡期礦石資源不足；方案應用產(chǎn)生經(jīng)濟效益5 809.60萬元；

2)產(chǎn)生良好的安全效益：露天轉(zhuǎn)地下過渡期內(nèi)安全回采掛幫礦，已經(jīng)并將繼續(xù)有效防止邊坡意外無序塌落造成礦山內(nèi)部人員傷亡、礦量及設(shè)備損失。提前預測邊坡塌落范圍，提出實現(xiàn)未來邊坡有序塌落具體措施，將從根本上消除由邊坡無序塌落帶來的次生地質(zhì)災害重大事故隱患，有效保護外部行人生命安全和財產(chǎn)不受損失。