大型露天礦山開采邊坡處安全開采技術(shù)

魏勃

摘要：為提高邊坡開采中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以某大型露天礦山工程為例，對礦山邊坡安全開采技術(shù)的規(guī)范化實施展開設(shè)計研究。采用錨桿法對邊坡進行加固，根據(jù)設(shè)計需求，設(shè)計礦山邊坡中的仰斜式擋墻與直立式擋墻。采用逐層爆破技術(shù)，設(shè)計邊坡開采裝藥。建立作業(yè)現(xiàn)場與安全管理終端之間的通信連接，設(shè)計邊坡開采安全預(yù)警。經(jīng)實例檢驗，證明所設(shè)計方案有助于提高露天礦開采過程中邊坡穩(wěn)定系數(shù)，保證礦體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，降低開采作業(yè)中安全事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：安全預(yù)警；安全擋墻；安全開采技術(shù)；裝藥量；開采邊坡

0? ?引言

礦山開采行為會引起周邊地質(zhì)環(huán)境的劇變，導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，從而誘發(fā)邊坡的安全問題。同時，長期的采礦活動對地質(zhì)構(gòu)造影響很大，所以在采礦中要重視工程的時效性，盡量減少開采行為對地質(zhì)構(gòu)造變化的影響。

與其他工程相比，礦山工程的施工作業(yè)條件更為復(fù)雜和嚴峻[1]。尤其是此類工程的實施會受到當?shù)貧夂驐l件變化的影響，導(dǎo)致礦山邊坡出現(xiàn)較大的地質(zhì)構(gòu)造活動。為了保證露天采礦時的邊坡穩(wěn)定性，提高邊坡作業(yè)的安全性，并為其提供了可靠的保障，礦山開采企業(yè)都加大了對邊坡開采中的安全設(shè)計。深入研究發(fā)現(xiàn)，礦山巖體及其變質(zhì)程度對坡面安全有較大的影響。根據(jù)大量生產(chǎn)實踐和生產(chǎn)報告可知，邊坡巖體結(jié)構(gòu)的異常是引起滑坡的主要原因[2]。

對巖體進行開采中的安全評價，其關(guān)鍵在于其表層特性能否經(jīng)受自然條件的影響。當前一般的劣質(zhì)巖層多為軟弱表層構(gòu)造，此類巖體表面大多裂縫過多，會對邊坡的安全和質(zhì)量造成很大影響。一般的結(jié)晶構(gòu)造，包括變質(zhì)巖等，在結(jié)構(gòu)中能起到較好的膠結(jié)作用[3]。但這種膠結(jié)結(jié)構(gòu)不僅會嚴重地影響巖體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，還可能造成滑坡等災(zāi)害。

為解決此方面問題，提高礦山工程作業(yè)的安全性，本文將在此次研究中，以某大型露天礦山工程為例，對礦山邊坡安全開采技術(shù)的規(guī)范化實施展開設(shè)計研究，旨在通過此次設(shè)計，提高礦山工程邊坡開采作業(yè)的安全性。

1? ?工程概況

礦山工程是保證社會經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定產(chǎn)出的主要工程項目之一，也是安全事故頻發(fā)的工程，為提高此類工程的安全性，需加大對礦山邊坡開采安全性技術(shù)的應(yīng)用。

為確保相關(guān)工作的實施達到預(yù)期，施工前，應(yīng)根據(jù)工程需求，對礦山現(xiàn)狀展開調(diào)研[4]。所選的礦山工程為石英巖，根據(jù)有關(guān)單位對此礦山的勘探，掌握此礦山的開采現(xiàn)狀，相關(guān)內(nèi)容如表1所示。

在深入相關(guān)方面的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，此礦山的資源產(chǎn)出相對穩(wěn)定，地質(zhì)條件、構(gòu)造良好，整體開采條件良好。將3個礦體標號為1、2、3，其中1號礦體的全長為1747m，厚度在23～197m范圍內(nèi)，2號礦體的全長為364m，厚度在5～14m范圍內(nèi)，3號礦體的全長為1020m，厚度在4.5～21m范圍內(nèi)。

2? ?礦山邊坡安全開采施工方案

2.1? ?設(shè)置開采邊坡位置安全擋墻

為提高礦山邊坡開采施工的安全性，可采用設(shè)置邊坡位置安全擋墻的方式，對邊坡結(jié)構(gòu)進行支護與加固。在此過程中，可采用錨桿法對邊坡進行加固。

在采用錨桿補強技術(shù)時，必須明確錯位的標準長度和所采用的擋墻厚度[5]。在實際工程中，還必須對錨桿的長度和鄰近的錨桿間距進行精確地控制。

根據(jù)設(shè)計需求，針對礦山邊坡設(shè)計仰斜式擋墻與直立式擋墻，如圖1所示。在此過程中，需要先清理礦山現(xiàn)場的土渣，采用錨桿加固的鋼筋混凝土設(shè)置擋墻，如有需要，可結(jié)合懸掛網(wǎng)或噴淋混凝土。

對巖性硬度等級為F的擋土墻支護時，礦山的邊坡角應(yīng)控制在30～80°范圍內(nèi)[6]。且立柱之間的間隔應(yīng)控制在2.5～3.5m范圍內(nèi)。根據(jù)其高度，設(shè)置2～3個錨桿。通常情況下，錨桿的水平方向傾斜角度在10～45°范圍內(nèi)。

在進行安全擋墻的分層布置時，各層的高度不得超過6m，兩層之間應(yīng)留出1～2m的臺階，以保證作業(yè)的安全性[7]。在此基礎(chǔ)上，采用雙層鋼網(wǎng)進行擋墻的加厚，以達到加固邊坡的目的。

2.2? ?邊坡開采裝藥設(shè)計

在上述設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進行邊坡開采裝藥量的設(shè)計。在此過程中，為避免爆破對邊坡主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響，采用逐層爆破技術(shù)。

中深孔段的爆破飛石數(shù)量較少，而基坑和邊坡的爆破則較為突出，因此梯級深孔充填最少保證4m。填充物以碎石為主，禁止使用石粉，同時應(yīng)強化炮眼、采礦深度和采礦孔壁的完整性測量。裝藥前，對其進行統(tǒng)一測量。裝入最后一袋膨化硝酸鈉后，進行裝藥量的集中檢測，保證充填長度。

根據(jù)基底飛石較為嚴重的問題，通過長時間的觀測發(fā)現(xiàn)，造成基底飛石的主要原因是填筑質(zhì)量差，以及爆破工人在基底充填時出現(xiàn)孔洞。為解決這一問題，從管理上嚴格規(guī)定，淺孔充填時采用兩個人共同操作，一人輸送填充材料，一人用鉆桿密封，以保證充填的密實度。

2.3? ?邊坡開采安全預(yù)警

2.3.1? ?建立邊坡滑坡位移微分方程

在此基礎(chǔ)上，在作業(yè)現(xiàn)場與安全管理終端之間建立通信連接，并建立開采過程中邊坡滑坡位移微分方程。方程表達式如下。

f=l/aln〔bx₀/a-bx₀〕（1）

公式（1）中：?表示開采過程中邊坡滑坡位移函數(shù)；a表示邊坡位移演化變量；b表示待定系數(shù)；x₀表示邊坡位移間距。

2.3.2? 邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算

完成上述設(shè)計后，對開采過程中的邊坡穩(wěn)定程度進行計算?？蓪⒌V山開采過程中的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，作為描述其穩(wěn)定程度與安全程度的關(guān)鍵指標，其計算公式如下：

F=Wcosα·tanφ+c·l/Wsinα（2）

公式（2）中：F表示礦山開采過程中的邊坡穩(wěn)定系

數(shù)；α表示邊坡滑面傾斜角度；φ表示邊坡穩(wěn)定的最大容許角度；W表示滑坡體重力；c表示土壤容重；l表示邊坡安全距離。

2.3.3? ?設(shè)置穩(wěn)定系數(shù)取值范圍

完成計算后，結(jié)合礦山工程的實際情況，設(shè)定的有效取值范圍。在邊坡開采過程中，要求（穩(wěn)定系數(shù)）應(yīng)滿足≥1.25的需求。特殊的情況下，的最小值允許減少至1.15。

2.3.4? ?失穩(wěn)、滑坡等隱患判定

如邊坡施工中其穩(wěn)定系數(shù)滿足上述條件，說明開采作業(yè)具有安全性，即邊坡在此種條件下不存在失穩(wěn)、滑坡等隱患[8-9]。反之，如計算后開采邊坡不滿足上述條件，說明開采技術(shù)的應(yīng)用無法達到預(yù)期效果，即邊坡在此種條件下存在失穩(wěn)、滑坡等隱患，觸發(fā)了邊坡開采安全預(yù)警。

3? ?邊坡開采方案應(yīng)用

3.1? ?大型露天礦山工程開采條件

為檢驗設(shè)計的邊坡開采施工方案在實際應(yīng)用中的效果，本文以上文提出的礦山工程為例，對該露天礦的開采條件進行分析。大型露天礦山工程開采條件如表2所示。

3.2? ?邊坡開采現(xiàn)存問題

通過大量的現(xiàn)場調(diào)研與測算，結(jié)合歷年來此礦山工程的采礦成果可知，為滿足市場對礦產(chǎn)資源的需求，開采單位對此礦山邊坡開采的總投資已超過了4億元。但根據(jù)工程方的反饋可知，近年來由于礦山邊坡安全開采技術(shù)仍未完善，導(dǎo)致企業(yè)虧損嚴重，年均虧損超過8000萬元，整個生產(chǎn)周期為負收益狀態(tài)。

此外，由于開采深度的持續(xù)增大，露天邊坡會逐漸向礦體內(nèi)部收縮，從而產(chǎn)生大量的壓幫礦，使露天采礦的回收率下降。開采到現(xiàn)階段，露天礦的開采垂直高度超過400m，不僅很難保證開采過程中礦山結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還會誘發(fā)礦山現(xiàn)場安全事故。

3.3? ?邊坡開采方案設(shè)計

為了保證礦山工程的順利實施，在生產(chǎn)過程中，需要加大對邊坡維護成本的投入。因此，在與工程方綜合商議后，提出使用本文設(shè)計的方案，進行露天礦邊坡安全開采。

開采過程中，根據(jù)作業(yè)區(qū)的實際情況，設(shè)置開采邊坡位置安全擋墻，同時在現(xiàn)場設(shè)計邊坡開挖孔，結(jié)合預(yù)期工程量，設(shè)計開采過程中的裝藥量。通過邊坡的開采安全預(yù)警，實現(xiàn)安全開采技術(shù)在該礦山工程中的應(yīng)用。

參照公式（2），以此為標準，選擇時間點，計算邊坡開采施工中的穩(wěn)定系數(shù)，將其作為此次實驗的結(jié)果。邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果如表3所示。

根據(jù)上述表3所示的內(nèi)容可以看出，所有的時間點對應(yīng)的大型露天礦開采過程中邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果，均滿足≥1.25的要求。

3.4? ?應(yīng)用效果

在完成上述實驗后，得到如下所示的結(jié)論：本文設(shè)計的大型露天礦山開采邊坡處安全開采技術(shù)，在實際應(yīng)用中的效果良好。該技術(shù)可以提高露天礦開采過程中邊坡穩(wěn)定系數(shù)，保證礦體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，避免或降低開采作業(yè)中安全事故的發(fā)生。

4? ?結(jié)束語

近幾年，礦山工業(yè)、冶金行業(yè)的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)迅猛狀態(tài)。為滿足企業(yè)建設(shè)與生產(chǎn)需求，礦山開采作業(yè)得到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。在露天礦開采中，部分施工企業(yè)忽視邊坡技術(shù)應(yīng)用的合理性與作業(yè)中的安全管理，以求提高產(chǎn)量和經(jīng)濟效益為目標，盲目地開采礦產(chǎn)資源，造成礦產(chǎn)資源賦存量急劇降低。

施工方對邊坡的防護技術(shù)不夠重視，不僅會導(dǎo)致工程在實施中發(fā)生安全事故，還會對作業(yè)人員的個人安全造成威脅。為解決此方面問題，本文以某大型露天礦山工程為例，通過設(shè)置開采邊坡位置安全擋墻、設(shè)計邊坡開采布孔與裝藥量、設(shè)置邊坡開采安全預(yù)警，對礦山邊坡安全開采技術(shù)的規(guī)范化實施展開設(shè)計研究。

經(jīng)檢驗后證明，該技術(shù)可以提高露天礦開采過程中邊坡穩(wěn)定系數(shù)，保證礦體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，避免或降低開采作業(yè)中安全事故的發(fā)生。

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