凹山采場不良地質(zhì)體回采技術(shù)研究

張啟文 劉文勝 朱末琳 賀仁華 鄭意 郭奇峰 張英

（1.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團南山礦業(yè)有限公司;2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院）

凹山鐵礦是一座有著60多年開采歷史的大型露天采場。采場生產(chǎn)自2013 年后，開采最深已達-210 m，采場設(shè)計境界范圍內(nèi)可利用資源已近枯竭。為了更大程度地利用采場空間內(nèi)的資源，提高礦山經(jīng)濟效益，凹山采場開始轉(zhuǎn)入對采場西南幫邊坡不良地質(zhì)體的治理及對部分掛幫礦實施回收。在邊坡治理過程中形成新空間狀態(tài)下的生產(chǎn)系統(tǒng)和確保采動條件下高陡邊坡及不良地質(zhì)體自身的穩(wěn)定是凹山采場所要面臨的重要研究課題。

采場邊坡的治理對于露天礦的發(fā)展具有重要的作用，大量學(xué)者對其進行了研究［1-3］。吳亞倫等［4］通過從邊坡調(diào)查和治理措施兩方面提出了建設(shè)性的意見；張峰［5］根據(jù)采場邊坡的地質(zhì)條件，基于數(shù)值模擬手段，對邊坡穩(wěn)定性進行了研究，進而提出清幫處理的邊坡治理技術(shù)；賈翱翔［6］通過對某銅鉬露天礦邊坡失穩(wěn)影響因素進行分析，提出了防治露天邊坡的失穩(wěn)措施及建議，具有重要參考意義；商連勇等［7］對露天礦邊坡的重要性作出綜述，并總結(jié)了邊坡的治理措施。

通過對西南幫邊坡不良地質(zhì)體的治理，采場空間區(qū)域資源將得到有效利用，同時可進一步擴大采場空間容積，為后續(xù)凹山坑改建成尾礦坑增大庫容量提供一條有效途徑。

1 研究現(xiàn)狀

凹山采場空間內(nèi)的固定邊幫是在大規(guī)模開采后留存下來的，長期的開挖對邊坡巖體造成了較大應(yīng)力擾動，在底部臺階的坡腳更容易應(yīng)力集中。在進行邊坡治理時，露天大爆破和生產(chǎn)作業(yè)將使得采場高陡邊幫形成更加復(fù)雜的次生應(yīng)力場，進一步促使圍巖變形和破壞，再加上邊幫節(jié)理裂隙比較發(fā)育和結(jié)構(gòu)面軟弱等不良地質(zhì)體的存在，容易導(dǎo)致邊幫滑坡。

從近年來發(fā)表的對末期采場邊幫開采相關(guān)文獻來看［8-10］，針對不良地質(zhì)體高陡邊幫的開采論述，主要是對開采方法、回采工序、采場運輸及開采安全問題做簡單的陳述，仍然是粗放型開采模式。

2 回采技術(shù)思路

（1）研究采場固定邊坡，根據(jù)穿孔取樣進行推斷，結(jié)合現(xiàn)有地質(zhì)資料進行分析，圈算凹山采場固定邊坡可利用資源分布特征及儲量。

（2）在明確凹山可回收利用資源分布特征和儲量的基礎(chǔ)上，確定邊坡治理部位，初步圈定邊坡治理境界；綜合考慮邊坡穩(wěn)定性、平均剝采比、外圍限制條件等多因素的分析比較，確定安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的可利用資源回收部位，最終確定邊坡治理境界和實施方案。

（3）在高陡邊幫上進行邊坡治理，治理方法、工藝和運輸方式不能沿用正常設(shè)計參數(shù)，需要形成新條件的作業(yè)模式。

（4）治理過程中還應(yīng)考慮爆破振動對不良地質(zhì)體段固定邊坡穩(wěn)定性的影響，治理坡度角增大后邊坡自身的穩(wěn)定性會發(fā)生改變，在治理施工過程中的現(xiàn)場作業(yè)安全，邊坡預(yù)警的準(zhǔn)確度。

（5）加強資源的綜合利用，促進廢棄物回收利用，從根本上改善和提高礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，提高礦山經(jīng)濟效益。

通過進行技術(shù)的集成創(chuàng)新，既通過治理采場露天邊坡，為采場后續(xù)空間綜合利用提供保障，也通過資源的綜合利用，產(chǎn)生重大經(jīng)濟效益。

3 回采技術(shù)方案可行性分析

3.1 采場現(xiàn)狀分析

（1）采場空間狀況分析。凹山采場西側(cè)0 m 固定轉(zhuǎn)載臺為雙鐵路線轉(zhuǎn)載。東南幫地質(zhì)環(huán)境治理結(jié)束后，采場采剝總量下降，雙鐵路線固定轉(zhuǎn)載臺可改造為單鐵路線轉(zhuǎn)載。在-45 m 水平以下，采場內(nèi)現(xiàn)有西、南兩側(cè)分別布置有公路開拓運輸系統(tǒng)，隨著汽車運輸量的下降，可消除一套公路運輸系統(tǒng)，減少運輸系統(tǒng)空間占用。西南幫+45 m 平臺以及0 m 平臺寬，可適當(dāng)減少寬度。

（2）采場現(xiàn)有地質(zhì)資料分析。采場南幫-75～-189 m及以下賦存有110 萬t 高品位（品位約27.5%）的好磨好選礦石。根據(jù)資源分布特征及儲量分析，采場西南幫-60 m以下邊坡賦存約300萬t可利用資源。

3.2 邊坡治理技術(shù)

（1）減震爆破技術(shù)。根據(jù)以往治理經(jīng)驗，采場南幫F3 節(jié)理兩側(cè)各70 m 范圍為非爆破區(qū)，實施機械破碎作業(yè)，以減少爆破振動對該處不穩(wěn)定邊坡的不利影響。但考慮到機械破碎作業(yè)嚴(yán)重影響了擴幫作業(yè)進度，且能耗大，生產(chǎn)效率低。凹山車間進行減震爆破技術(shù)試驗。在治理高危邊坡時，考慮到邊坡容易受不良地質(zhì)條件的影響，治理期不宜過長，而預(yù)裂爆破費時，影響推進進度，故不建議采用。為此，采用孔底空氣間隔器減少最大段藥量來有效地降低爆破振動的峰值質(zhì)點振速，減小對固定邊坡的影響。在凹山采場南幫-90～-105 m 臺階，經(jīng)過分層爆破與全深孔爆破實測的爆破振動速度對比分析，爆破振動引起的邊坡質(zhì)點的振動速度隨爆心距的增加而遞減，當(dāng)爆心距測點距離相同時，分層及孔底放置空氣間隔器的爆破對邊幫質(zhì)點振動速度最小，振動速度降幅大部分在65%～75%。

（2）邊坡多元耦合在線監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)邊坡工程地質(zhì)和巖石力學(xué)的綜合調(diào)查，確定監(jiān)測邊坡的重點區(qū)域，對區(qū)域建立邊坡位移、應(yīng)力、聲發(fā)射等多元信息耦合的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測網(wǎng)。

（3）資源的綜合利用。南山礦鐵礦資源以貧礦為主，資源質(zhì)量較差，鐵礦石品位較低，加之長期以來的粗放式經(jīng)營，導(dǎo)致鐵礦資源利用率較低。我國重點鐵礦山露天礦采礦回采率一般在90%左右，而地方及個體小礦山回采率則更低。大量有用礦物進入排土場和圍巖中，且有相當(dāng)數(shù)量的殘礦、邊界品位以下的礦石殘留在采場及礦坑中，形成了寶貴的二次礦產(chǎn)資源。15%以下的含鐵巖土經(jīng)干選回收，可選出品位在18%左右的鐵礦石，其他固體廢料經(jīng)簡單加工后可做建筑材料。

（4）邊坡生態(tài)再造技術(shù)。采場+45～+15 m 邊坡擴幫之后，邊坡裸露。雨季沖刷，嚴(yán)重影響0 m 轉(zhuǎn)載臺空間，礦用汽車無法在平臺轉(zhuǎn)彎、掉頭、倒車等，因此需要進行綠化。在高陡邊坡上設(shè)土工網(wǎng)，設(shè)置擋板及噴附保水層，鋪設(shè)有管狀植生袋，植生袋上還布設(shè)簡易的滴灌裝置。通過在土工網(wǎng)上增設(shè)擋板，有效克服了陡峭邊坡噴播基材易流失、厚度難以保證的缺陷，同時提高了整個綠化結(jié)構(gòu)的保水性、穩(wěn)定性。通過保水層中植物纖維的天然吸水性及韌性，增強邊坡蓄水能力，為植被生長提供水分。使用充填基質(zhì)和植被種子的植生袋，避免基質(zhì)或植被在生長初期被雨水沖刷摧毀，提高了植被的成活率，從而達到了高陡邊坡生態(tài)再造的目的。植被成活后，有效減少了邊坡的雨水沖刷，同時植被的根系得到生長，深入邊坡，對邊坡有加固作用。

4 不良地質(zhì)體回采技術(shù)的創(chuàng)新性

為力保治理作業(yè)安全有序，凹山采場實施了多層次、多專業(yè)、全方位、全過程的集成技術(shù)創(chuàng)新。

4.1 爆破減震技術(shù)創(chuàng)新

南幫失穩(wěn)區(qū)域安全允許質(zhì)點震動速度為10 cm/s。通過爆破試驗及爆破參數(shù)的不斷優(yōu)化，采用空氣間隔加分層爆破的技術(shù)方案，南幫失穩(wěn)區(qū)域受保護邊坡的爆破震動速度可以降到10 cm/s以下。

4.2 邊坡雷達瞬時監(jiān)測技術(shù)

率先在露天金屬礦山引進雷達邊坡瞬時監(jiān)測項目，充分發(fā)揮雷達邊坡監(jiān)測預(yù)警作用的同時，將雷達監(jiān)測技術(shù)和露天擴幫工藝相結(jié)合，有效解決了復(fù)雜地質(zhì)邊坡、高陡邊坡下露天臺階作業(yè)安全高效推進的技術(shù)難題。為同類型礦山的擴幫作業(yè)做了很好的示范，創(chuàng)新了露天臺階作業(yè)的思路、方法，具有很好的借鑒作用和推廣價值。

4.3 邊坡生態(tài)綠化再造技術(shù)創(chuàng)新

凹山采場西南幫+45～+15 m 臺階邊坡生態(tài)綠化再造工程采用以現(xiàn)代噴播綠化為主、傳統(tǒng)種植綠化為輔的生態(tài)修復(fù)工藝手段，在裸露的巖石坡面上進行植被重建、景觀再造、生態(tài)修復(fù)，從而達到比傳統(tǒng)工程防護（掛柔性防護網(wǎng)或噴混凝土）更強的護坡能力、更好的生態(tài)景觀效果，降低邊坡酸水的產(chǎn)生，起到凈化水質(zhì)的作用。凹山采場邊坡生態(tài)再造工程實施以來，已經(jīng)初步顯現(xiàn)出良好的效果，工程后期將會帶來更為明顯的生態(tài)效益、景觀效益和社會效益。為我國金屬礦山“邊開采、邊復(fù)綠”和“閉坑礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)”提供示范樣本。

5 實施效果

（1）新的生產(chǎn)作業(yè)模式確保采礦作業(yè)的穩(wěn)定和采剝作業(yè)的平衡，有利于提高生產(chǎn)系統(tǒng)的安全，穩(wěn)定生產(chǎn)的組織安排及入選礦量，大幅提升采剝效率，縮短工期。

（2）建立凹山采場邊坡位移、應(yīng)力、聲發(fā)射等多元信息耦合的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測網(wǎng)，通過多元監(jiān)測技術(shù)理論研究結(jié)合雷達檢測，對邊坡穩(wěn)定性進行實時評價和預(yù)測，并制定保證邊坡穩(wěn)定和開采安全的相關(guān)防控措施，為凹山采場邊坡殘礦開采提供技術(shù)支持。在其實時精準(zhǔn)監(jiān)控和有效保障下，對存在數(shù)組裂隙的采場南幫-15～-135 m 區(qū)域，將局部邊坡角由原先的31.7°提高到36.0°，因邊坡角提高4.3°，減少了由上到下常規(guī)作業(yè)中大量的卸載剝離量，同時將南幫原允許的邊坡安全系數(shù)由1.15降為1.05的最低限，使南幫上部支護大幅減少，降低了支護成本并縮短了工期。

（3）在靠幫挖掘過程中，電鏟挖掘邊坡角難以達到設(shè)計要求，而反鏟裝載，較電鏟靈活，裝載效率高，生產(chǎn)組織方便。在挖掘清理靠幫邊坡過程中，邊坡角較容易達到設(shè)計要求。

6 結(jié)論

（1）在現(xiàn)有采礦方法的基礎(chǔ)上，針對性地論述了不良地質(zhì)體高陡邊幫開采現(xiàn)狀、高陡邊坡治理影響因素和開采空間資源綜合利用效益。

（2）基于減震爆破技術(shù)、邊坡多元耦合在線監(jiān)測系統(tǒng)、資源綜合利用技術(shù)和邊坡生態(tài)再造技術(shù)提出了不良地質(zhì)體回采技術(shù)方案，并對方案的可行性進行了分析。

（3）從礦山經(jīng)濟效益和生產(chǎn)作業(yè)兩方面對技術(shù)方案的實施效果進行了論證，歸納總結(jié)了3個創(chuàng)新性研究成果，即爆破減震技術(shù)創(chuàng)新、邊坡雷達瞬時監(jiān)測技術(shù)創(chuàng)新和邊坡生態(tài)綠化再造技術(shù)創(chuàng)新。