露天轉(zhuǎn)地下開采過渡層處理技術(shù)研究

露天轉(zhuǎn)地下開采過渡層處理技術(shù)研究

現(xiàn)在，中國許多露天開采的礦山正在轉(zhuǎn)向地下開采。如何穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換為地下開采是阻礙露天開采礦山的一個重要問題。文中將針對石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采的關(guān)鍵技術(shù)問題,即“過渡層”的處理問題進行分析和探討,以期獲得科學(xué)合理的解決方案,指導(dǎo)礦山順利地由露天轉(zhuǎn)入地下開采。1地下采空區(qū)的建設(shè)背景及生產(chǎn)現(xiàn)狀唐鋼石人溝鐵礦是唐鋼的重要原料基地,建于20世紀(jì)70年代,為采選聯(lián)合企業(yè),產(chǎn)品為單一的鐵精礦粉,設(shè)計規(guī)模為年產(chǎn)150萬t鐵礦石,50萬t鐵精礦粉。礦山規(guī)劃設(shè)計為分期開采,即在0m水平以上采用露天開采,0m水平以下轉(zhuǎn)入地下開采。礦山進行露天開采生產(chǎn)到2000年,露天境界內(nèi)的礦石儲量基本采完。根據(jù)當(dāng)時的礦山現(xiàn)狀及市場形勢,經(jīng)過分析及論證,決定分期轉(zhuǎn)入地下開采。即先將16線以南露天開采已完全結(jié)束的南采區(qū)轉(zhuǎn)入地下開采,建設(shè)規(guī)模年產(chǎn)60萬t鐵礦石,該項目為一期轉(zhuǎn)地下工程,從2000年開始建設(shè),2005年投產(chǎn),采礦方法為淺孔留礦法。露天開采部分進行到2003年,北區(qū)0m水平以上的礦石也即將采完,具備了轉(zhuǎn)入地采的條件,唐鋼決定將16線以北也轉(zhuǎn)入地下開采,立項建設(shè)為接續(xù)轉(zhuǎn)地下工程項目,設(shè)計規(guī)模為年產(chǎn)鐵礦石70萬t,采礦方法為空場法的階段礦房法和淺孔留礦法。根據(jù)唐鋼的發(fā)展要求及礦山的資源條件,2005年,唐鋼立項研究了擴大地下生產(chǎn)規(guī)模的方案,初步確定在全區(qū)-60m水平以下采用先進的采礦方法、先進的工藝裝備水平,使地下出礦規(guī)模達(dá)到200萬t,采礦方法為無底柱分段崩落法。石人溝鐵礦2006年上半年的生產(chǎn)現(xiàn)狀是:一期轉(zhuǎn)入地下開采的南采區(qū)-60m水平以上從2005年工程竣工地下開始出礦,目前有的礦塊已形成采空區(qū),隨著地下開采的進行,還將陸續(xù)形成采空區(qū)。北采區(qū)的接續(xù)地下開采從2006年工程竣工投產(chǎn)地下出礦,礦房采礦正在進行中,很快也會陸續(xù)形成采空區(qū)。一期的南采區(qū)和接續(xù)的北采區(qū)采用的采礦方法都是空場法,即采場頂部留了境界頂柱,該境界頂柱同時是露天開采的底部,也即露天開采轉(zhuǎn)入地下開采的“過渡層”。該“過渡層”的開采和處理問題是礦山露天轉(zhuǎn)地下開采的關(guān)鍵問題,只有妥善地科學(xué)合理地解決了該關(guān)鍵問題,才能真正意義上的實現(xiàn)由露天轉(zhuǎn)入地下開采,給地下開采創(chuàng)造安全順行的生產(chǎn)條件。2從地質(zhì)環(huán)境及采空區(qū)角度上保證了邊坡的開采和處理(1)露天坑內(nèi)積水問題。露天開采形成的采礦坑內(nèi)存有大量的積水,南北采區(qū)露天礦坑內(nèi)的積水會因境界頂柱的開采及處理而涌入地下采場內(nèi),造成水患災(zāi)害。(2)過渡層即境界頂柱,是-60m水平實施空場法開采的安全頂柱,隨著-60m水平開采的進行,陸續(xù)形成了采空區(qū)。采空區(qū)允許的暴露面積、暴露時間、期間內(nèi)的監(jiān)控措施及最終的開采處理方案,均是需要研究解決的問題。(3)“過渡層”的開采和處理對露天邊坡的影響。露天開采已形成100～170m的高陡邊坡,對“過渡層”進行開采和處理勢必會影響邊坡的穩(wěn)定性。邊坡底部結(jié)構(gòu)的破壞極易造成邊坡失穩(wěn),形成大滑坡,給礦山造成災(zāi)害。(4)南采區(qū)形成的內(nèi)排巖堆對過渡層的影響。礦山為節(jié)約占地,在20世紀(jì)80～90年代在南采區(qū)首先進行強采,采完露天境界內(nèi)的礦石后,在南采區(qū)礦坑內(nèi)實施了巖石內(nèi)排。北采區(qū)內(nèi)的巖石排入了南采區(qū)采空區(qū)內(nèi),經(jīng)過幾年的排巖堆積,在南采空區(qū)內(nèi)形成了從+16～+160m的140余米的高巖堆。此巖堆的底部還有積水存在。因此,在南采區(qū)對過渡層的開采和處理,要充分考慮該巖堆的壓力及降沉等力學(xué)問題。(5)北采區(qū)實施的地下開拓方案對斜井及措施井的影響。為了加快地下工程的施工進度及盡快實現(xiàn)地下出礦,緩解礦山露天轉(zhuǎn)入地下過程中礦石不足的問題,北采區(qū)的轉(zhuǎn)地下開采開拓方案采取了露天坑內(nèi)上盤斜井開拓及北端幫措施井輔助開拓。其中斜井開拓形成的固定設(shè)施要服務(wù)于北采區(qū)-60m以上中段的整體開采過程,服務(wù)年限在7a以上,措施井服務(wù)年限也在4a以上。對過渡層的開采必然會影響到斜井及措施井及其地面的運輸?shù)缆?所以,北采區(qū)過渡層的開采和處理要從時間上及空間上進行充分的論證。(6)過渡層的開采與覆蓋巖層。石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采工程-60m以上中段為留頂柱的空場法,-60m以下中段擴大規(guī)模開采為無底柱分段崩落法。崩落采礦法的形成要求其上部必須形成覆蓋巖層,必須由-60m中段的礦柱開采及處理來完成,因此,需要研究覆巖的合理厚度、覆巖的結(jié)構(gòu)及防泥石流問題。3“過渡層”的開采和處理技術(shù)的研究3.1邊坡開采監(jiān)測、規(guī)劃通過現(xiàn)場調(diào)研,獲取礦山現(xiàn)場第一手資料,充分掌握礦山信息,進行巖石力學(xué)實驗,巖體力學(xué)測試。采用先進的監(jiān)測儀器和技術(shù)對邊坡及地下圍巖、地下水進行監(jiān)測;進行工業(yè)試驗及數(shù)值計算。通過編制礦山近期及中遠(yuǎn)期開采計劃、規(guī)劃,明確過渡層開采及處理所要求的時間及空間條件。初步制定“過渡層”開采及處理方案,通過工藝實驗及論證,確定“過渡層”開采及處理方案。3.2采空區(qū)的質(zhì)量控制(1)通過對“過渡層”以及露天邊坡、地下開采地壓活動規(guī)律的研究,確定合理的開采處理方案。(2)對邊坡及地下圍巖、地下水文進行檢測及控制,防止邊坡失穩(wěn)。(3)為崩落法的實施形成合理的覆蓋巖層。(4)-60m中段采空區(qū)在監(jiān)控狀態(tài)下,確保采礦安全,并制定出安全有效的礦柱回收及空區(qū)處理方案。(5)過渡層的開采處理中防止突涌、突冒災(zāi)害的發(fā)生。(6)確保北采區(qū)斜井及措施井生產(chǎn)期間安全,使礦山生產(chǎn)穩(wěn)定。4地質(zhì)構(gòu)造及開采過程中的地質(zhì)問題目前我國許多礦山都面臨由露天開采轉(zhuǎn)入地下開采,露天轉(zhuǎn)地下開采的關(guān)鍵問題就是“過渡層”的開采及處理問題?！斑^渡層”的開采及研究目前還沒有成熟的技術(shù)及經(jīng)驗,因此,以石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采的關(guān)鍵問題為對象進行深入的技術(shù)研究,制定科學(xué)合理的“過渡層”開采及處理方案,無論對石人溝鐵礦還是對其它露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山都有十分重要的意義?！斑^渡層”的開采及研究涉及到的技術(shù)問題較多,既涉及地表露天采礦坑、露天邊坡、露天排巖場及塌陷引起的周邊群眾利益問題,又涉及地下開采形成的空區(qū)頂板及圍巖穩(wěn)定性問題,空區(qū)允許的暴露面積及暴露時間問題,對已形成的開拓工業(yè)設(shè)施以及對生產(chǎn)穩(wěn)定順行的影響,采礦方法過渡及下階段新采礦方法的形成所必須達(dá)到的條件等。研究該技術(shù)問題所采用的技術(shù)手段,①充分了解現(xiàn)場的現(xiàn)狀及各種相應(yīng)資料及數(shù)據(jù),進行詳細(xì)的分析、試驗、研究和歸納;②應(yīng)用東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究中心自行開發(fā)的RFPA軟件及監(jiān)測儀器對過渡層的力學(xué)問題進行分析計算,掌握地質(zhì)分布及活動規(guī)律;③在分析與歸納的基礎(chǔ)上制定出“過渡層”開采及處理方案,然后通過專家論證及現(xiàn)場工業(yè)化生