露天轉(zhuǎn)地下開采礦山的產(chǎn)量銜接問題

0礦山在轉(zhuǎn)地下開采過(guò)程中的平衡問題目前，中國(guó)黑色金屬礦的80%以上礦石已經(jīng)通過(guò)露天開采完成。經(jīng)過(guò)幾十年的開采，大部分戶外采礦所產(chǎn)生的礦石已經(jīng)通過(guò)采礦和鑒定，并面臨從戶外轉(zhuǎn)到地下開采的問題。由露天開采轉(zhuǎn)入地下開采會(huì)遇到許多新的技術(shù)問題，而如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)折期間的平穩(wěn)過(guò)渡是企業(yè)最關(guān)心的主要問題。礦山企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)在由露天轉(zhuǎn)地下開采過(guò)程中要平穩(wěn)過(guò)渡，而不是出現(xiàn)產(chǎn)量大幅下滑，效益大幅下降的局面。平穩(wěn)過(guò)渡的主要問題是產(chǎn)量的銜接，還包括采礦工藝技術(shù)銜接、安全管理技術(shù)的轉(zhuǎn)變以及礦山生產(chǎn)管理方式的轉(zhuǎn)變等項(xiàng)內(nèi)容。礦山由露天轉(zhuǎn)入地下開采，要實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡的理想效果和目標(biāo)，必須針對(duì)由露天轉(zhuǎn)地下遇到的問題進(jìn)行認(rèn)真分析和研究，制定出相適應(yīng)平穩(wěn)過(guò)渡的措施方案，依靠可行有效的措施方案，解決影響露天轉(zhuǎn)地下開采過(guò)程中的產(chǎn)量銜接問題及其安全技術(shù)問題。石人溝鐵礦是我國(guó)露天轉(zhuǎn)地下開采較早的鐵礦山，該礦從2000年開始就著手進(jìn)行由露天轉(zhuǎn)入地下開采的建設(shè)，經(jīng)過(guò)了轉(zhuǎn)地下一期建設(shè)、二期建設(shè)及當(dāng)前的三期擴(kuò)大規(guī)模建設(shè)。該礦的轉(zhuǎn)地下開采建設(shè)過(guò)渡期研究制定了一系列有效措施，而最主要的措施是露天邊坡殘留礦體的安全采出，使礦山產(chǎn)量保持了基本穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大幅下滑，實(shí)現(xiàn)了礦山的平穩(wěn)過(guò)渡。1基本矛盾的嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致礦山恢復(fù)恢復(fù)石人溝鐵礦是1975年建成投產(chǎn)的露天鐵礦山，建設(shè)規(guī)模150萬(wàn)噸，該礦在建設(shè)之前的總體規(guī)劃時(shí)即規(guī)劃了礦山按露天與地下分兩期開采，前期采用露天開采，后期轉(zhuǎn)入地下開采。露天開采至20世紀(jì)末的1999年，露天境界內(nèi)的礦石儲(chǔ)量已基本采完，急需轉(zhuǎn)入地下開采，因當(dāng)時(shí)鐵礦石的市場(chǎng)價(jià)格過(guò)低，礦山企業(yè)處于虧損狀態(tài)，轉(zhuǎn)地下開采則會(huì)增大虧損，因此，遲遲未進(jìn)行轉(zhuǎn)地下建設(shè)，以致延誤了轉(zhuǎn)入地下開采的最佳時(shí)期，使礦山面臨產(chǎn)量失衡的被動(dòng)局面。該礦截至到2003年露天境界內(nèi)礦石基本采完，地下采礦剛剛小規(guī)模生產(chǎn)出礦，地下礦石產(chǎn)量只有5萬(wàn)噸左右，露天轉(zhuǎn)地下開采的生產(chǎn)銜接出現(xiàn)了問題，在露天境界內(nèi)礦石徹底采完后，礦山就會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)量大幅下降、企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)困難的局面。在這種嚴(yán)峻的形勢(shì)下，為使礦山產(chǎn)量不出現(xiàn)大幅下降，保持在一定的規(guī)模水平，礦山研究制定了一系列措施，其中最有效的措施是在對(duì)北部邊坡內(nèi)存留的殘礦進(jìn)行了分析研究后，經(jīng)研究掌握邊坡內(nèi)留有100余萬(wàn)噸的礦石量，如果采取可行措施將該部分礦量安全采出，對(duì)礦山過(guò)渡期的產(chǎn)量是有效的補(bǔ)充。但是，開采邊坡內(nèi)的礦石，會(huì)產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)破壞的可能性，邊坡一旦失穩(wěn)，會(huì)造成重大的災(zāi)害事故，給企業(yè)帶來(lái)災(zāi)難。因此，在開采邊坡礦體前，必須進(jìn)行穩(wěn)定性研究，制定確保邊坡穩(wěn)定的安全措施，在確保安全的情況下才能進(jìn)行邊坡開采。2邊坡殘采的穩(wěn)定研究2.1巖體力學(xué)參數(shù)選取石人溝鐵礦邊坡穩(wěn)定性問題主要因破體內(nèi)礦體開采會(huì)引起邊坡巖體內(nèi)部引起應(yīng)力重新分布，進(jìn)而引起邊坡失穩(wěn)破壞，為確保生產(chǎn)安全，必須在邊坡內(nèi)礦體開采前進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性研究，制定保證邊坡安全的措施方案。巖體物理力學(xué)參數(shù)是巖體穩(wěn)定性研究的前提，因此應(yīng)首先確定邊坡巖體的物理力學(xué)。參數(shù)的選取是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，同時(shí)巖體力學(xué)參數(shù)的選取也關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的可靠性。巖體由于在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，經(jīng)歷了多次地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)，導(dǎo)致了巖體中產(chǎn)生了縱橫交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)弱面，在不同程度上改變了巖體的強(qiáng)度特征。通常通過(guò)工程類比法，從巖石的變形特性和巖體的結(jié)構(gòu)特性來(lái)推測(cè)巖體的變形特性與強(qiáng)度特性。工程實(shí)踐表明，巖石和巖體的工程性質(zhì)之間有很好的互換性。根據(jù)石人溝的地質(zhì)報(bào)告和地質(zhì)資料以及現(xiàn)場(chǎng)的巖體狀況分析，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可采用0.7的折算系數(shù)來(lái)確定巖體的彈性模量，采用1.0的折算系數(shù)計(jì)算巖體的泊松比，根據(jù)公式計(jì)算巖體的剪切模量。經(jīng)分析計(jì)算的出邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)列入表1。2.2#、2#、3#平東南角開采方案初步制定的邊坡殘采方案為在北部邊幫進(jìn)行平硐追脈開采掛幫礦，設(shè)計(jì)了1#、2#、3#平硐采礦方案，開采后在坡體內(nèi)形成采空區(qū)。使用ANSYS軟件建立平硐追脈開采的邊坡三維數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS軟件強(qiáng)大的有限元計(jì)算功能分析平硐開挖后的邊坡是否穩(wěn)定，分析平硐開挖后對(duì)邊坡的影響。23.三維開元模型的構(gòu)建(1）模型邊界效應(yīng)根據(jù)設(shè)定的邊坡殘采方案，利用1#、2#、3#平硐投影圖和平面圖以及北部邊坡0m終了平面圖，以邊坡長(zhǎng)310m、深200m、高度為135m為模型邊界。為了消除邊界效應(yīng)的影響，1#硐左邊和3#硐右邊邊坡長(zhǎng)度各取60m和100m，這樣邊坡總長(zhǎng)度達(dá)到310m。同樣為消除邊界效應(yīng)，各硐室采空區(qū)向后取60m，加上采空區(qū)和巷道長(zhǎng)度共200m，平硐下部巖體厚度12m，根據(jù)這些數(shù)據(jù)采用ANSYS軟件建立北部邊坡三維模型，如圖1所示。(2）種采空區(qū)模型的建立根據(jù)邊坡開采方案中1#、2#、3#平硐平面圖（圖3），得到平硐數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)1#、2#、3#平硐（圖3）資料圖和數(shù)據(jù)，三個(gè)平硐分別為開采第一段、第二段和第三段礦體后形成的采空區(qū)。1#平硐走向近似垂直于邊坡，建立模型時(shí)簡(jiǎn)化為垂直于邊坡；2#平硐相對(duì)于1#平硐左向旋轉(zhuǎn)8°；3#平硐第一段采空區(qū)相對(duì)于1#平硐右向旋轉(zhuǎn)14°，第二段采空區(qū)又相對(duì)于第一段左向旋轉(zhuǎn)100°，而第三段采空區(qū)相對(duì)于第二段右向旋轉(zhuǎn)90°。為了計(jì)算簡(jiǎn)單，有些曲線或折線看做直線做了簡(jiǎn)化處理，得到較為規(guī)則的相似于采空區(qū)的平硐和邊坡三維模型，如圖2所示。1#、2#、3#平硐位置和形狀如圖3所示。(3）建立分層模型根據(jù)石人溝鐵礦的地質(zhì)資料和工程實(shí)踐，邊坡上部有10m的表土層，表土層下是近20m的片麻巖微風(fēng)化層，F(xiàn)10斷層厚0.5m，建立邊坡分層三維模型，如圖4所示。2.3采空區(qū)的增加在進(jìn)行邊坡建模后，利用ANSYS軟件對(duì)邊坡內(nèi)1#、2#、3#平硐開采結(jié)束時(shí)自重應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析與計(jì)算。從圖5中可以看出，X方向壓應(yīng)力最大值為4.7MPa，比開采第二段礦體時(shí)的最大值增加了0.97MPa；拉應(yīng)力最大值為1.98MPa，比開采第二段礦體時(shí)增加了1.741MPa。Y方向壓應(yīng)力最大值為6.06MPa，比開采第二段礦體時(shí)增加了2.41MPa；拉應(yīng)力最大值為0.43MPa，比開采第二段礦體時(shí)增加了0.242MPa。Z方向壓應(yīng)力最大值為4.03MPa，比開采第二段礦體時(shí)減小了0.81MPa；拉應(yīng)力最大值為0.783MPa，比開采第二段礦體時(shí)增加了0.189MPa。開采結(jié)束時(shí)，1#、2#、3#平硐采空區(qū)的體積分別為19170m3、11280m3和28240m3。采空區(qū)的增加，加大了采空區(qū)周圍巖體的拉應(yīng)力，使邊坡巖層處于應(yīng)力調(diào)整中。從X方向和Y方向來(lái)看，在1#、2#、3#硐室上部的拉應(yīng)力不僅范圍比開采第二段礦體時(shí)更大了，斷層上部幾乎都呈現(xiàn)拉應(yīng)力，而且拉應(yīng)力最大值也分別比開采第二段礦體時(shí)增加了。實(shí)踐表明，巖體的破壞主要是巖體受到拉應(yīng)力所造成的，因此，X方向和Y方向拉應(yīng)力范圍和最大值的增加會(huì)使硐口被拉伸破壞的可能性加大，因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)硐口的加固，加強(qiáng)采空區(qū)頂板的支護(hù)和管理。雖然三個(gè)方向拉應(yīng)力最大值都有所增加，但增加值不是很大，沒有出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，殘采后的邊坡整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。2.4位移與重力變化的分析1邊坡穩(wěn)定性分析平硐追脈開采時(shí)的位移變化分為兩種情況：一是各方向最大位移變化情況，二是邊坡總體位移變化情況。從X、Y、Z各方向的位移和邊坡總體位移分析，得到如下結(jié)論：(1）通過(guò)ANSYS建立石人溝鐵礦殘采邊坡三維數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析表明：石人溝鐵礦露天邊坡進(jìn)行平硐追脈開采后，對(duì)整體邊坡影響不是很大，殘采邊坡整體是安全穩(wěn)定的。(2）最大一段采空區(qū)位于3#平硐第三段，達(dá)到15360m3，由于采空區(qū)上部斷層的存在，Y方向負(fù)向（向下）和Z方向的位移變化較大，與每一步開采前后相比位移最大值都是增加的，位移增加量達(dá)到2～5倍，位移最大值多發(fā)生于三個(gè)平硐上部和斷層附近，因此，平硐硐口和采空區(qū)頂板應(yīng)成為安全管理的重點(diǎn)，加強(qiáng)支護(hù)和維護(hù)，防止硐口塌落和頂板破壞。(3）隨著邊坡向前追脈開采，巷道不斷加長(zhǎng)，采空區(qū)體積不斷增大，從而使邊坡巖層位移逐漸增大，特別是斷層附近位移變化較明顯，因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)邊坡管理，采取必要的防范措施；采空區(qū)使F10斷層的初始平衡狀態(tài)被打破，反過(guò)來(lái)，斷層的變形又影響巷道及采空區(qū)頂板的安全，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)頂板管理，根據(jù)實(shí)際情況采取必要的支護(hù)和防護(hù)措施。2.邊坡上分層開采導(dǎo)致地質(zhì)應(yīng)力增加從表4中看出，隨著追脈開采深度和采空區(qū)的不斷增大，邊坡各方向主應(yīng)力最大值和最小值大都增加，有的增加幅度較大，但都沒有達(dá)到邊坡巖體的抗拉強(qiáng)度極限值，也沒有產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，邊坡開采后總體穩(wěn)定性分析結(jié)果總結(jié)如下：（2）隨著邊坡向前追脈開采，巷道不斷加長(zhǎng)，采空區(qū)體積不斷增大，從而使邊坡斷層附近及其上部巖體拉應(yīng)力逐漸增大，在Y方向上，開采結(jié)束與開采第二段礦體時(shí)拉應(yīng)力最大值的增量，是開采第二段礦體與第一段礦體時(shí)拉應(yīng)力最大值增量的2倍，增大了采空區(qū)、斷層及其上部巖層下沉的趨勢(shì)，由于巖體主要是受拉應(yīng)力破話，因此應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)采空區(qū)的支護(hù)，加強(qiáng)頂板管理，降低或消除拉應(yīng)力對(duì)頂板和斷層的影響。(3）邊坡在開采第一段礦體時(shí)，在Y方向上1#平硐硐口上部出現(xiàn)拉應(yīng)力，2#平硐硐口上部也出現(xiàn)拉應(yīng)力，但較小，3#平硐硐口上部剛剛出現(xiàn)受拉的跡象。在開采第二段礦體時(shí)，在Y方向上1#、2#、3#平硐硐口上部都出現(xiàn)拉應(yīng)力，而且拉應(yīng)力都呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，不僅如此，在X方向上三個(gè)硐口上部也均出現(xiàn)拉應(yīng)力。當(dāng)開采結(jié)束時(shí)，在Y方向上1#、2#、3#硐口上部拉應(yīng)力都繼續(xù)增大，這表明隨著時(shí)間的推移，硐口有破壞的趨勢(shì)。因此，在開采后，應(yīng)當(dāng)及時(shí)加強(qiáng)平硐硐口的支護(hù)，防止硐口坍塌和滑落。3局部采空區(qū)頂板抗拉性能分析邊坡平硐追脈開采后雖然邊坡巖體沒有受到破壞，邊坡整體是穩(wěn)定的，但從數(shù)值模擬分析結(jié)果來(lái)看，由于F10斷層的存在，平硐硐口和局部采空區(qū)頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力，因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采取不同的措施對(duì)平硐硐口和局部頂板進(jìn)行必要的治理和加固。常用的邊坡治理措施主要有：（一）降邊坡穩(wěn)定機(jī)理削頭減載是將邊坡上部一定范圍內(nèi)覆蓋層或巖體削掉，以降低邊坡總高度，其作用是減少邊坡可能發(fā)生滑動(dòng)破壞的下滑力。石人溝鐵礦露天邊坡坡頂可以削去部分表土層，以減少表土層的流失和下滑。（二）坡內(nèi)排水措施水壓對(duì)邊坡穩(wěn)定有極為重要的影響，因?yàn)樗畨簳?huì)使邊坡的穩(wěn)定性減小，因此減小水壓可使邊坡的穩(wěn)定性加大。在坡頂修筑引水溝和排水溝，把地表水和大氣降水引入排水溝排到遠(yuǎn)離邊坡的安全地帶，不要使坡頂水順坡面流淌，這樣會(huì)使水沿坡面裂隙大量滲入坡體內(nèi)，使水壓的危害從坡頂轉(zhuǎn)入下一水平。排水措施可分為坡內(nèi)排水措施和表面排水措施兩種。坡內(nèi)排水措施包括在邊坡內(nèi)設(shè)置的排水平硐、排水豎井，或在排水平硐和排水豎井內(nèi)打的排水孔，以及在邊坡表面上打的排水孔。坡內(nèi)排水措施可降低坡內(nèi)的地下水位，減小作用在邊坡滑體上的水荷載。一般來(lái)講，坡內(nèi)排水措施是一種較有效的邊坡處理措施之一。殘采邊坡應(yīng)當(dāng)把平硐內(nèi)的地下水盡快排出，減少水的危害。石人溝鐵礦露天邊坡由于平硐追脈開采的地勢(shì)較高，又由于露天最終開采水平為0m，降低了邊坡地下水位，在平硐內(nèi)沒有出現(xiàn)地下水。表面排水措施包括在坡頂和坡面上構(gòu)筑必要的排水溝和截水溝，攔截邊坡以外的水流進(jìn)入坡體，使地表水和大氣降水集中排出，減小裂隙水壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定的不利影響。表面排水措施是巖質(zhì)高邊坡加固處理中一種快捷、經(jīng)濟(jì)和有效的措施。截水措施包括作防滲帷幕、防滲墻等。在邊坡滑體的適當(dāng)位置做防滲帷幕和防滲墻可降低邊坡內(nèi)的地下水位，減小作用在邊坡滑體上的水荷載，從而提高邊坡的安全度。應(yīng)在邊坡坡頂表土層修筑排水溝，在邊坡外緣設(shè)置截水溝，采取表面排水措施；使用粘土填平坡頂溝渠，夯實(shí)坡頂表土層，做好坡頂坡面的防滲處理，杜絕地表水和大氣降雨經(jīng)過(guò)表面張裂隙流入邊坡內(nèi)。（三）預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)施工錨固措施采用預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索支護(hù)。預(yù)應(yīng)力錨固是采用預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿或鋼絲對(duì)巖體進(jìn)行加固，通過(guò)對(duì)可能失穩(wěn)的巖體主動(dòng)施加壓力，提高滑動(dòng)面上的抗剪參數(shù)和阻滑力（通過(guò)提供正壓力、反向力實(shí)現(xiàn)），從而提高邊坡的抗滑穩(wěn)定安全度。在預(yù)應(yīng)力錨固措施中，預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)用最為廣泛，其主要的特點(diǎn)是施工方便快捷、占用場(chǎng)地少和加固效果好。石人溝鐵礦在局部采空區(qū)可以使用預(yù)應(yīng)力錨索或錨桿加固，減小斷層對(duì)采空區(qū)頂板的危害。（四）保護(hù)邊坡防護(hù)包括植物防護(hù)和工程防護(hù)。1防止水土流失植物防護(hù)是在坡面上栽種樹木、植被、草皮等植物，通過(guò)植物根系發(fā)育，起到固土作用，防止水土流失。石人溝鐵礦可以在殘采邊坡坡頂、坡面的表土層種植草皮或其它植被，采取植物防護(hù)措施，防止土質(zhì)邊坡被雨水沖刷危及整個(gè)邊坡，達(dá)到穩(wěn)定邊坡的作用。2掛網(wǎng)錨噴防護(hù)工程防護(hù)主要有噴射素混凝土防護(hù)和掛網(wǎng)錨噴防護(hù)。噴射素混凝土防護(hù)是對(duì)于穩(wěn)定性較好的巖質(zhì)邊坡，可在其表面噴射一層素混凝土，防止巖石繼續(xù)風(fēng)化、剝落，達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的，這是一種表層防護(hù)處治措施。掛網(wǎng)錨噴防護(hù)是對(duì)于軟質(zhì)巖石邊坡或石質(zhì)堅(jiān)硬但穩(wěn)定性較差的巖質(zhì)邊坡，在邊坡坡面上鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)或土工塑料網(wǎng)等，向坡體內(nèi)打入錨桿(或錨釘)將網(wǎng)鉤牢，向網(wǎng)上噴射一定厚度的素混凝土，對(duì)邊坡進(jìn)行封閉防護(hù)。石人溝鐵礦殘采邊坡硐口可以根據(jù)硐口巖性和穩(wěn)定性程度采取相應(yīng)的噴射素混凝土或掛網(wǎng)錨噴防護(hù)措施。（五）控制爆炸在地下開采爆破時(shí)，應(yīng)控制一次爆破裝藥量和每段裝藥量，減小爆破震動(dòng)對(duì)殘采邊坡的沖擊和破壞。（六）邊坡巖體位移監(jiān)測(cè)與治理為實(shí)現(xiàn)殘采邊坡的安全管理，必須加強(qiáng)殘采邊坡的觀測(cè)與監(jiān)控，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)邊坡平硐硐口附近、斷層以及邊坡