深凹露天矿转地下过渡期挂帮矿安全高效开采方法研究.pdf

Vo l 29,No . 10 Oct 2020 第29卷第10期 2020年10月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 深凹露天矿转地下过渡期挂帮矿 安全高效开采方法研究 武会强，任凤玉 东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819 摘 要露天矿在回采末期由露天转向地下开采过程中通常会面临减产过渡的问题，矿山一般会在此期 间回采挂帮矿以补充产能，传统的挂帮矿回采方法存在安全性差、效率低及产能低等一系列问题，难以从 根本上扭转减产过渡的困境％以某深凹露天矿转地下开采为工程背景，在综合分析挂帮矿分布位置、开采 条件及矿岩特性的基础上，提出在过渡期利用诱导冒落法率先回采该矿南帮挂帮矿的技术方案，通过控制 回采顺序诱导失稳边坡滑向采空区而不冲至露天坑底，以确保坑底露天采矿的安全性，从而在过渡期实现 露天与地下安全高效协同开采，达到稳产甚至增产的建设目标。最后，利用数值模拟方法对南帮挂帮矿的 诱导冒落回采方案进行了数值模拟研究，研究结果表明，在深凹露天矿条件下利用诱导冒落法回采挂帮矿 是安全可行的％ 关键词深凹露天矿；挂帮矿；露天转地下；诱导冒落；数值模拟 中图分类号TD853. 3 文献标识码A 文章编号1004-4051202010-0122-06 Study on safe and efficient mining of deep open pit mine during th0transition from op0n pit to und0rground mining WU Huiqia ng, REN Fengyu Sch o o l o f Reso urces a nd Civil Engineering, No rth e a ste rn University, Sh enya ng 110819 , Ch ina Abstract During th e tra nsitio n fro m o pen pit to undergro und mining, mines a re usua l l y fa ced w ith th e pro bl em o fre ducing pro ductio n Generaly, mines w ilbe mining h a nging-w al o re-bo dy to suppl ement pro ductio nca pa cityduringth isperio d Tra ditio na l mining meth o dsfo rh a nging-w alo re-bo dyh a vea series o fpro bl emssuch a s po o rsa fety,l o w eficiency a ndl o w pro ductio n ca pa city, w h ich ma ke itdificul tto funda mentalyreve rse th edil e mma o freducingtra nsitio n With a dee po penpittra nsitio ninto unde rgro und mininga sa nengineering ba ckgro und,o nth e ba siso fco mpreh ensivea na l ysisfo rh a nging-w alo re-bo dy distributio nl o ca tio n, miningco nditio nsa ndth eo re-ro ckch a ra cteristics,th etech no l o gysch emeo f mining h a nging-w alo re-bo dyinso uth sl o pe byinducedca vingme th o dw a spro po sedintra nsitio nperio dIno rderto ensureth esa fetyo fo pen-pitmining,th e uns ta bl e s l o pe is induce dto s l ide to w a rds th e go a fra th e rth a nto th e o pe npitfl o o rbyco ntrolingth eminingsequence,so a sto re a l izeth e o penpita ndundergro undsa fea nd eficie ntco o pera tivemininginth etra nsitio na l perio d Finaly,th enumerica l simul a tio n me th o dis us e dto studyth einducedca ving miningsch emeo fh a nging-w alo re-bo dyinso uth sl o pe Th e re s ul ts s h o w th a titis sa fea ndfe a sibl e to useth einducedca ving meth o dto miningh a nging-w alo re-bo dyunderth eco nditio no f deepo pen-pitmine Keywords deep o pen pit mine； h a nging-w a l l o re-bo dy； o pen pit to undergro und； induced ca ving； numerica l simul a tio n 收稿日期收稿日期2020-05-17 责任编辑责任编辑刘硕 基金项目基金项目国家自然科学基金重点项目资助编号51534003；国家重点研发计划项目资助编号2016YFC0801601 第一作者简介第一作者简介武会强1981 ，男，男，河北邢台人，博士研究生，主要研究矿山安全及采矿工艺,E-ma il qia ngh uiw u 163. co m。 引用格式引用格式武会强，任凤玉深凹露天矿转地下过渡期挂帮矿安全高效开采方法研究中国矿业，2020,2910122127. do i10. 12075/j . issn 1004-4051 2020 10 023 第10期 武会强，等深凹露天矿转地下过渡期挂帮矿安全高效开采方法研究 123 某露天铁矿是一个典型的大型深凹露天矿，该 矿露天坑圭寸闭圈标高位于 78 m ,在2015年年底 时露天坑回采至一310 m水平，为扩大露天开采范 、延长露天开采服务年限，矿山 天境界进行了 优化，优化后 天坑底标高 一474 m,则 矿山还有近5 000万t的矿石可利用露天方式进行 回采，若 矿山2015年300万t的年产 ■算， 天开采还可维持13 a左右，随后便需要 地 下开采。 来说，在露天开采转地下开采过渡 期，由于露天工作面的减小，地下工作面还未铺 开，加之地下开采 干扰， 期的采矿 作业安全性 ，同时矿石产量难以保障。而在 天开采境界之 量 矿，若在 期 矿 全 高 开 采 ， 可 以 矿产资源 分回收，还有助于化解露天转 地下 产 1挂帮挂帮矿开采条件条件 矿山 矿主要分布在露天坑的北帮、东帮和 南帮。其中，北 矿位于7号勘 以北，东帮 挂帮矿位于7号勘探线〜10号勘探线之间，南帮挂 帮矿位于10号勘探线以南。矿山露天坑形态及各 部分 矿位置如图1所示。 要 天转地下 产过渡，就需要在过渡 期 矿进行回采，尽管矿山的北帮、东帮、南帮 三个部位均分布 矿，但需要提前分析其是否 适 期进行回采。由于露天坑 系统位 于北部边坡，因此回采北帮挂帮矿和靠近北 东 矿，都 天 系统 性造成破坏， 因 期不宜对北 矿和东帮挂帮矿进行 回采；而 矿远 天 系统，对其开采后 即便造成边坡失 到露天 系统，因 期率先考虑 矿进行开采。本文 重点对该矿山露天转地下 期 矿 全高 效开采方法展开研究％ 矿形态如图2所示， 该矿体沿垂直走向长度为240〜270 m,矿体宽120 m 左右，高度为150 m ,可采矿量达830万to矿体为 铁矿，中等稳固，矿 盘边 山 i 岩,不稳固。 41 504 600 41 505 000 41 505 400 北帮折i 小露天采坑 4 546 800 运输公眞十iL 0 iI 0 -258 m破碎站 大露刁 7 a优化后露天坑最终境界 41 505 000 41 505 400 号勘探线 4 546 500 10号勘探线 \ X ［南帮卑匹 454620 b -450 m水平矿体平面图 图图1露天天坑形态态及挂帮矿矿位置 Fig. 1 The open pit and hanging-wall ore-body location 图图2南帮挂帮矿形态态 Fig. 2 The morphological characteristics of hanging-wall ore-body in south slope 124中国矿业 第29卷 （a）南帮挂帮矿（b）南帮千山花岗岩 图图3南帮挂帮矿及边坡岩体南帮挂帮矿及边坡岩体 Fig. 3 The hanging-wall ore-body and rock mass in south slope 经现场地质勘查，南帮边坡矿体及岩体均节理 裂隙发育,再加之 天采矿卸荷作用和频繁的爆 破振动，使得矿岩变得更为破碎（图3）。 2挂帮矿安全高效开采方案挂帮矿安全高效开采方案 总体而言, 矿较为厚大，但矿岩破碎, 若采用常规 矿回采方法，如充填法囚、空场 ⑷等回采该部分挂帮矿，既难以适应矿体开采条 件，也难以满足矿山 期想要 矿安全 高效开采 产需求。参照类似工程经验「5「6,乡 分析矿山 矿 际开采条件，研究得出 f挂 矿适宜采用诱 进行开采。采用诱 落 回采 矿势 边坡失稳「7,但可 控制 回采顺序诱导边坡向采空区方向失稳，不使其冲向 露天坑 胁露天采矿，从而 期 天与 地下 全高效协同开采「8。 提升 矿的产能 和 ， 可采用 参 进 回 采， 采 分 段高度设 20 m,进路间距设 20 m,崩矿步 2.2 m。首采分段（也称诱导分段）布置于一354 m ，为迅速扩展采空区空间，回采时首采分段与 第二分 时回采，以诱 部矿体自然 L 第一分段、第二分段回采至末期，同时对第三分 、第四分段进行回采，回采过程中充分回 丨落 下来的矿石。 速完成挂帮矿开采的开拓系统，一旦露 天坑一324 m 完成后便 矿方向 掘进斜坡道，依 到各回采和 ；当露天坑 回采下降到一414 m 时, 天平台 矿掘进 -与井下开拓系统 , 矿 系统，由此，各分段回采 矿统一下放至 414 m水平集中 ，再通过露天运输系统运往 258 m破碎站进行破碎, 。 矿 回采开拓系统形式布置如图4所示。 TAN等「6 矿 理回采方案进行了深 4 150 520 千山花 / 岗岩 中央进路联巷/扫1帮矿\ W割巷道 回采进路回采进路/ \7,,\ \-354 m 进路联巷y \ 一A一\ 374 m/j * ------------\ 394 m / J 溜井 -414 m /运输平禍 图图4南帮挂帮矿开拓系统剖面图南帮挂帮矿开拓系统剖面图 Fig. 4 Mining development system for hanging-wall ore-bodyin6outh6lope 入对比研究，研究结果表明，从挂帮矿中央向两侧退 采，同时在边 侧 保安矿柱拦 边坡散 方 全，因此本文参考该研究 ，设定 出先开挖边 侧矿体，同时在边 侧 保安 矿 矿诱 回采方案。在本文提出的利 用 诱 回采 矿 方 中 ， 失 边坡冲出采空区威胁到下方露天坑 天采 矿，需要 矿进行分区开采，即以挂帮矿的中央 部位为界 矿划分 回采区域，靠近边 部 侧称之为I采区, 天坑一侧 之为（采区。回采时先对I采区进行回采，在该 采区内，为提高产能，回采进路沿沿矿 布置，切 槽位于矿 界部位,I采区保持由中间 端、 由 退采顺序。（采区作为保安矿柱，预防 I采区开采 失稳边坡冲出采空区，在（采区 内回采进路 于矿 布置，并利用 天 采 措施平-作为进路联巷巷和 巷，巷，采取从 北 退采的模式。I采区、（采区协同退采，整个 第10期武会强，等深凹露天矿转地下过渡期挂帮矿安全高效开采方法研究 125 采场内共布置3个溜井，溜井由一360 m分段通 414 m运输水平，采场布置形式如图5所示 为尽快 地下采空区以容纳失稳边坡，挂 帮矿回采时第一分段和第二分段协同作业，利用 采矿 采空区诱 部矿体自然 和边坡 失稳。待上部矿 分 后，再对第三分段、第 分段进行回采，如此便可基本保证有三个采 同时作业，出矿采用斗容4 m3铲 出矿，生产能 力可达120万t/a。 41 505 100 41 505 300 图图5南帮挂帮矿采场布置形式及回采顺序南帮挂帮矿采场布置形式及回采顺序 Fig. 5 Stope layout and mining sequence of hanging-wall ore-body in south slope 3挂帮矿开采方案数值模拟研究挂帮矿开采方案数值模拟研究 3.1 模型建立 研究该矿山露天转地下过渡期南挂帮矿开采 方 可行性和安全性，本文采用非 分析 方法D D A研究 矿诱 程中的边 失稳过程及采矿安全性， 矿的开采方案进 研，为边坡失 来的风险预测与 提 供技术 。模 、测点分布等如图6a 所示，模型中边坡高度为515 m ,边坡宽度660 m， 45。模 部设 监测点，用 于 模 力平衡状态及 开挖时间 矿 理调查 显示，南帮边 包含 组主节理，其 70和175,两组节理的间 距均在1 m ，矿 包 组主节理，其倾 角为90和0,两组节理的间距均在0. 5 m 亍 由于矿 理 性 ，再加之受爆破振动、采 矿卸荷等作用 ，在模型中 矿 理均设 贯 理。同时 模型中 量，又 顾模 仿真度和可算性，将各组节理的间距按照 倍进 ，最终模型中各组节理的间距均设定 为8 m模型中 矿共划分 回采分段，分 别代表实际中的一354 m回采分段、一374 m回采 分 394 m 回 采 分 414 m 回 采 分 ， 分 高度20 m所建立的D D A模型见图6b,模型中 3214 包 模 边 a 模型几何尺寸及测点分布b D D A模型 图图6 模型几何尺寸及模型几何尺寸及DDA模型模型 Fig. 6 Model geometry and DDA model 3.2开挖步骤及数值控制参数 模 开挖 先使模 到初始应力平衡， 由于露天采矿已经释 造应力，因 静态条 件下给模型中 施 力来获取模 I初 力状 态 模 到 力 衡 后 矿 进 分 开 挖 开 挖 后 模 自 动 动态 模 中 部 测 力 如 7 所 可 以 出模 时间 40s时达到 力平衡，至 模 共 40000 时 步 时 便 可 模 开挖 126中国矿业 第29卷 按照所设定的回采方案，每个分段均采取由边 坡内向边 回采顺序, 开挖程序，将四个 回采分段划分 若干 性 ，以刚性［的 开挖来代 分段进路的回采。第一分段、第二分 时回采，即同时对模型中编号为1 进行 开挖，以诱 部矿石（编号为2 ）冒落,时 第 分 、 第二分 中 编号 4 开 挖 ， 作为保安矿 滑落边坡冲出采空区，该部分矿 石 于回采方案中的（号回采区域。待编号为2 板矿石完全 后将其 ，代 际中放矿 回 矿石，继而对第三分段、第四分段进行开 挖，先 编号为3 ，代表回采分 下延 ， 即 第 分 、 第 二 分 中 编 号 4 体,代表第一分段、第二分段回采完全结束，同时为 保失 边 冲出 坑，第三分段、第四分段 中编号 5 开 挖 ， 作 保 矿 ， 保边坡滑落后不冲出塌陷坑。表1为模型中矿体及 图7监测点在求解初始应力平衡过程中的应力演化情况 Fig. 7 The stress evolution of measuring points in theprocesofsolvinginitialstresequilibrium 表1模型中矿岩体主要力学参数 Table 1 Some key mechanical and numerical control parameters in model 料类参数值 密度 /kg/m32700 杨氏模量/GP a 14 5 边坡岩体泊松比 0 25 （花岗岩） 节理开裂前/后内聚力/MP a003/0 节理开裂前/后抗拉强度/MP a0005/0 节理开裂前/后摩擦角/（） 30/20 密度 /kg/m33600 杨氏模量/GP a 12 0 挂帮矿松0 23 （磁铁矿） 节理开裂前/后内聚力/MP a020/0 节理开裂前/后抗拉强度/MP a010/0 理开 /后 摩 擦 /（） 43/25 3.3数值模拟结果分析 图8（a）〜（d）依次给出模型在第1〜4步开挖 后的边坡失稳状态。由图8（a）可知，模型在第1步 进行第一分段和第二分段协同开挖拉底后，顶板矿 石（编号为2 ） ，同时边坡沿指向坑 贯 理 失稳滑移，乍 矿石和滑 J 边 采空区之中，由于保安矿柱（编号为4 体） ，有效阻拦了失稳边坡冲出采空区；由图 8（b） 可 ， 模 第2 步 矿 石 进 后 ， 采空区腾出更 空间来容纳已失 边坡，在此 程中边坡破 ， 失 边坡散 体冲出采空区；由图8（c）可知，模型在第3步对第 三 分 、 第 分 进 协 开采后 ， 采 空 区 空 间进一步 ，但新采矿活动 更 边坡破坏,但在保安矿柱（编号为4和5 ）的 阻拦作用下，滑 边坡被采空区完全容纳，没有冲 天坑底；由图8（d）可知，模 第4步对第一 分段、第二分 保安矿柱（编号为4 ）进行 回采后，失去冲击动能的失稳边坡依然 被剩余 采空区完全容纳，并 冲出采空区。 需要特 调的是，尽管数值模拟结果表 明利用诱 回采 矿方案是安全可 J， 但 际生产中，爆破振动和 等因素也会 到边 ，因 际中操作该方案时，要 可 天 破和 矿地下地下中深孔 破 采 用 分 破 ， 以 破 动 边 滑 ，同时在边 部及周边修建 沟，将 流， 边坡滑 ；此外，当挂 矿开采后边 度 增大， 立边 突发性的失稳，建 矿回采前进行边 滚石 并根据 天坑 适位置修 建滚石拦截坝，以提高该方案的安全性。 4 1） 矿山在露天转地下过渡期为实现稳产过渡 可 矿进行回采，由于北 矿和东［帮 矿的回采 矿山露天 系统造成破坏，而南 矿的开采 天坑 采矿造 ，因 期更适宜优先 矿进行 回采。 2） 矿山南帮挂帮矿矿体厚大且矿岩破碎，利用 传统 矿回采方法无 分释 矿产能，可 采用诱 其进行开采，并 控制回采顺 序， 边坡滑向采空区而不冲向露天坑底威胁 天采场，实现过渡期露天与地下的安全高效协同 开采。 第10期武会强，等深凹露天矿转地下过渡期挂帮矿安全高效开采方法研究 127 时步140 000 一 时间49.991 400 s J 做潴錚牒储辭將議當鶴鑒麟灌議議诰瞎汎 匸乂报罷粘器益,器詩器三話益琵22於益益2■話誥話器1 孟掘mm 孟器 mm關益 ma誥關盂 mm益篇 沁怦镒醸辟巔懑頼議議薛證選 时步240 000 时间59.991 330 s 位移线 a模型第1步开挖后的边坡失稳状态b模型第2步开挖后的边坡失稳状态 C 模型第3步开挖后的边坡失稳状态d 模型第4步开挖后的边坡失稳状态 图8诱导冒落法回采挂帮矿的数值模拟过程诱导冒落法回采挂帮矿的数值模拟过程 Fig. 8 The numerical simulation process of mining hanging-wall ore body by induced caving 3数值模拟表明，利用诱导冒落法回采挂帮矿 时，采用由边 部向边 侧退采的回采顺序，可 控制边 失稳方向，同时迅速扩展地下采空 区，使采空区容纳失稳边坡散体，从而 矿的 安全高效开采，此外还可 边坡失稳监测、增 设滚石拦截坝等措施来进一步提高 矿回采方案 全性。 参考文献参考文献 1 蔡路军，马建军，江兵，等大冶铁矿2井挂帮矿开采方法研究 [J.矿冶工程,2006,261 1214,17. CAI Luj un,MA Jia nj un,JIANG Bing,et a l . Study o n th e min ing meth o d fo r th e 23 h a nging w a l l o re in Da ye iro n mine [J. Mining a nd Meta l l urgica l Engineering,2006,261 1214,17. 2 蔡路军，马建军，江兵，等.高陡边坡挂帮矿开采方法研究J. 金属矿山,2006165-67. CAI Luj un,MA Jia nj un, JIANG Bing, et a l . Mining meth o d fo r h igh a nd steep sl o pe h a nging w a l l o re [J. Meta l Mine, 2006165-67. 3 刘艳章，张群，叶义成，等挂帮矿开采低段高无底柱留矿嗣后 充填采矿法J.金属矿山,20141240-44. LIU Ya nzh a ng, ZHANG Qun, YE Yich eng, et a l . P il l a rl ess o re-rema ining subsequent fil l mining w ith l o w sta ge h eigh t a ppl ica bl e to th e ex pl o ita tio n o f h a nging w a l l o re [J. Meta l Mine,20141240-44. 4 王帅帅，冯亮，何治良，等.留矿法开采露天边坡挂帮矿采场结 构参数研究[〕化工矿物与加工,2018,47347-50. WANG Sh ua ish ua i,FENG Lia ng, HE Zh il ia ng, et a l . Rea ser- ch o nsto pes tructura l pa ra metersfo ro pen-pitsl o peh a nging w a l l o re mining w ith sh rinka ge meth o d]J. Industria l Miner a l s P ro cessing,2018,473 47-50. [5 任凤玉，李海英，周胜利，等露天转地下过渡期协同开采方法 研究[〕金属矿山,201411 710. REN Fengyu,LI Ha iying, ZHOU Sh engl i, et a l . Resea rch o n synergetic mining duringtra nsitio n perio dfro m o pen pitto undergro und]J. Meta l Mine,201411 7-10. 6 TAN Ba o h ui,REN Fengyu,NING Yo uj un, et a l . A new min- ingsch emefo rh a nging-w alo re-bo dyduringth etra nsitio nfro m o pen pit to undergro und mining a numerica l study [J. Adva nces in Civil Engineering,201810 1465672. 1-1465672. 17. 7 丁艳伟，王宁，卢萍，等挂帮矿崩落法开采顶板破坏规律及地 表岩移数值模拟J.金属矿山,2014249-54. DING Ya nw ei,WANG Ning,LU P ing,et a l . Numerica l simu- l a tio no ffa il urerul eso fro o fa ndsurfa cero ck mo vemento f h a nging w a l l o re under th e ca ving meth o d [J. Meta l Mine, 2014249-54. 8 李海英，任凤玉，严国富，等露天转地下过渡期岩移危害控制 方法[〕东北大学学报自然科学版,2015,36⑶419-422,447. LIHa iying,REN Fengyu, YAN Guo fu,e ta l Co ntro l meth o d o f ro ck ca ving h a za rd during tra nsitio n fro m o pen pit to un dergro und mining [J. Jo urna l o f No rth ea stern University Na tura l a ndScience2015 ,363419-422,447