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(tuán)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(chǎng)。采場(chǎng)生產(chǎn)自2013 年后，開采最深已達(dá)-210 m，采場(chǎng)設(shè)計(jì)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(chǎng)空間內(nèi)的資源，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益，凹山采場(chǎng)開始轉(zhuǎn)入對(duì)采場(chǎng)西南幫邊坡不良地質(zhì)體的治理及對(duì)部分掛幫礦實(shí)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(dòng)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(chǎng)所要面臨的重要研究課題。

采場(chǎng)邊坡的治理對(duì)于露天礦的發(fā)展具有重要的作用，大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)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(chǎng)邊坡的地質(zhì)條件，基于數(shù)值模擬手段，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，進(jìn)而提出清幫處理的邊坡治理技術(shù)；賈翱翔［6］通過對(duì)某銅鉬露天礦邊坡失穩(wěn)影響因素進(jìn)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(duì)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(duì)西南幫邊坡不良地質(zhì)體的治理，采場(chǎng)空間區(qū)域資源將得到有效利用，同時(shí)可進(jìn)一步擴(kuò)大采場(chǎng)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(chǎng)空間內(nèi)的固定邊幫是在大規(guī)模開采后留存下來的，長(zhǎng)期的開挖對(duì)邊坡巖體造成了較大應(yīng)力擾動(dòng)，在底部臺(tái)階的坡腳更容易應(yīng)力集中。在進(jìn)行邊坡治理時(shí)，露天大爆破和生產(chǎn)作業(yè)將使得采場(chǎng)高陡邊幫形成更加復(fù)雜的次生應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)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(duì)末期采場(chǎng)邊幫開采相關(guān)文獻(xiàn)來看［8-10］，針對(duì)不良地質(zhì)體高陡邊幫的開采論述，主要是對(duì)開采方法、回采工序、采場(chǎng)運(yùn)輸及開采安全問題做簡(jiǎn)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(chǎng)固定邊坡，根據(jù)穿孔取樣進(jìn)行推斷，結(jié)合現(xiàn)有地質(zhì)資料進(jìn)行分析，圈算凹山采場(chǎng)固定邊坡可利用資源分布特征及儲(chǔ)量。

（2）在明確凹山可回收利用資源分布特征和儲(chǔ)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(jì)合理的可利用資源回收部位，最終確定邊坡治理境界和實(shí)施方案。

（3）在高陡邊幫上進(jìn)行邊坡治理，治理方法、工藝和運(yùn)輸方式不能沿用正常設(shè)計(jì)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(dòng)對(duì)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(huì)發(fā)生改變，在治理施工過程中的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全，邊坡預(yù)警的準(zhǔn)確度。

（5）加強(qiáng)資源的綜合利用，促進(jìn)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(jì)效益。

通過進(jìn)行技術(shù)的集成創(chuàng)新，既通過治理采場(chǎng)露天邊坡，為采場(chǎng)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(jì)效益。

3 回采技術(shù)方案可行性分析

3.1 采場(chǎng)現(xiàn)狀分析

（1）采場(chǎng)空間狀況分析。凹山采場(chǎng)西側(cè)0 m 固定轉(zhuǎn)載臺(tái)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(chǎng)采剝總量下降，雙鐵路線固定轉(zhuǎn)載臺(tái)可改造為單鐵路線轉(zhuǎn)載。在-45 m 水平以下，采場(chǎng)內(nèi)現(xiàn)有西、南兩側(cè)分別布置有公路開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，隨著汽車運(yùn)輸量的下降，可消除一套公路運(yùn)輸系統(tǒng)，減少運(yùn)輸系統(tǒng)空間占用。西南幫+45 m 平臺(tái)以及0 m 平臺(tái)寬，可適當(dāng)減少寬度。

（2）采場(chǎng)現(xiàn)有地質(zhì)資料分析。采場(chǎng)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(chǔ)量分析，采場(chǎng)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(yàn)，采場(chǎng)南幫F3 節(jié)理兩側(cè)各70 m 范圍為非爆破區(qū)，實(shí)施機(jī)械破碎作業(yè)，以減少爆破振動(dòng)對(duì)該處不穩(wěn)定邊坡的不利影響。但考慮到機(jī)械破碎作業(yè)嚴(yán)重影響了擴(kuò)幫作業(yè)進(jìn)度，且能耗大，生產(chǎn)效率低。凹山車間進(jìn)行減震爆破技術(shù)試驗(yàn)。在治理高危邊坡時(shí)，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(zhǎng)，而預(yù)裂爆破費(fèi)時(shí)，影響推進(jìn)進(jìn)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(dòng)的峰值質(zhì)點(diǎn)振速，減小對(duì)固定邊坡的影響。在凹山采場(chǎng)南幫-90～-105 m 臺(tái)階，經(jīng)過分層爆破與全深孔爆破實(shí)測(cè)的爆破振動(dòng)速度對(duì)比分析，爆破振動(dòng)引起的邊坡質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度隨爆心距的增加而遞減，當(dāng)爆心距測(cè)點(diǎn)距離相同時(shí)，分層及孔底放置空氣間隔器的爆破對(duì)邊幫質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最小，振動(dòng)速度降幅大部分在65%～75%。

（2）邊坡多元耦合在線監(jiān)測(cè)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(cè)邊坡的重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)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(cè)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(zhǎng)期以來的粗放式經(jīng)營(yíng)，導(dǎo)致鐵礦資源利用率較低。我國(guó)重點(diǎn)鐵礦山露天礦采礦回采率一般在90%左右，而地方及個(gè)體小礦山回采率則更低。大量有用礦物進(jìn)入排土場(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)單加工后可做建筑材料。

（4）邊坡生態(tài)再造技術(shù)。采場(chǎng)+45～+15 m 邊坡擴(kuò)幫之后，邊坡裸露。雨季沖刷，嚴(yán)重影響0 m 轉(zhuǎn)載臺(tái)空間，礦用汽車無法在平臺(tái)轉(zhuǎn)彎、掉頭、倒車等，因此需要進(jìn)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(jiǎn)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(shí)提高了整個(gè)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(qiáng)邊坡蓄水能力，為植被生長(zhǎng)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(zhǎng)初期被雨水沖刷摧毀，提高了植被的成活率，從而達(dá)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(shí)植被的根系得到生長(zhǎng)，深入邊坡，對(duì)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(chǎng)實(shí)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(diǎn)震動(dòng)速度為10 cm/s。通過爆破試驗(yàn)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(hù)邊坡的爆破震動(dòng)速度可以降到10 cm/s以下。

4.2 邊坡雷達(dá)瞬時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

率先在露天金屬礦山引進(jìn)雷達(dá)邊坡瞬時(shí)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，充分發(fā)揮雷達(dá)邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警作用的同時(shí)，將雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)和露天擴(kuò)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(tái)階作業(yè)安全高效推進(jìn)的技術(shù)難題。為同類型礦山的擴(kuò)幫作業(yè)做了很好的示范，創(chuàng)新了露天臺(tái)階作業(yè)的思路、方法，具有很好的借鑒作用和推廣價(jià)值。

4.3 邊坡生態(tài)綠化再造技術(shù)創(chuàng)新

凹山采場(chǎng)西南幫+45～+15 m 臺(tái)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(jìn)行植被重建、景觀再造、生態(tài)修復(fù)，從而達(dá)到比傳統(tǒng)工程防護(hù)（掛柔性防護(hù)網(wǎng)或噴混凝土）更強(qiáng)的護(hù)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(chǎng)邊坡生態(tài)再造工程實(shí)施以來，已經(jīng)初步顯現(xiàn)出良好的效果，工程后期將會(huì)帶來更為明顯的生態(tài)效益、景觀效益和社會(huì)效益。為我國(guó)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(shí)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(chǎng)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(cè)網(wǎng)，通過多元監(jiān)測(cè)技術(shù)理論研究結(jié)合雷達(dá)檢測(cè)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，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(chǎng)邊坡殘礦開采提供技術(shù)支持。在其實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)控和有效保障下，對(duì)存在數(shù)組裂隙的采場(chǎng)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(shí)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(hù)大幅減少，降低了支護(hù)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(dá)到設(shè)計(jì)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

（1）在現(xiàn)有采礦方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)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(cè)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(duì)方案的可行性進(jìn)行了分析。

（3）從礦山經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)作業(yè)兩方面對(duì)技術(shù)方案的實(shí)施效果進(jìn)行了論證，歸納總結(jié)了3個(gè)創(chuàng)新性研究成果，即爆破減震技術(shù)創(chuàng)新、邊坡雷達(dá)瞬時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)創(chuàng)新和邊坡生態(tài)綠化再造技術(shù)創(chuàng)新。