2022年12月24日,中央电视台报道了一则非常简短的新闻:“2022年12月24日13时40分许,新疆伊犁州伊宁县西部黄金伊犁有限责任公司(原名阿希金矿)在生产过程中发生一起井下坍塌事故,事故发生时共有40人在井下作业,22人安全升井,井下18人被困。”
救援现场
尽管没有到现场,但凭着采矿工程的专业知识,从这则简短的新闻推测出这起事故应该是露天开采与地下开采之间的顶柱破坏引起的,因此《计算岩土力学》从技术角度讨论了这起事故可能发生的原因,特别是《露天开采转地下开采的顶柱厚度设计(Surface Crown Pillar)》这篇文章,详细讨论了顶柱的型式、作用、影响顶柱厚度的因素以及如何进行顶柱稳定性分析。结果后来有一天(2/23/2023),接到了相关管理部门的通知,那位工作人员态度非常温和地说这个事故由于保密原因不能继续讨论,于是《计算岩土力学》删除了所有与这起事故相关的3篇文章,从此不再讨论,以截图为证。
西部黄金伊犁有限责任公司隶属于新疆有色金属工业(集团)有限责任公司控股子公司西部黄金股份有限公司,是集采、选、冶为一体的黄金生产企业,为正常生产矿井。阿希金矿位于伊宁县城北偏东30km处,矿床走向为南北方向,由8个矿体组成,储量探明42吨,1993年6月开始建设,1996年9月正式投产,1996年9月至2004年4月为露天开采,2004年5月转为地下开采,设计生产规模1000吨/天。在2004年~2008年一直采用无底柱分段崩落法采矿,但由于贫化损失率太高(35%),2009年至2016年将地下开采方式从崩落法改为充填采矿法,曾经试验了各种充填采矿法,包括:
(1) 中深孔小空场嗣后充填采矿法
2016年至2017年,采用崩落法开采隔离层矿石(隔离矿柱)。
4. 事故原因
根据国家矿山安全监察局的调查结果,本次事故属于“重大坍塌溃浆事故”,事故造成18人遇难,直接经济损失9305.32万元,事故原因需从2015年说起。2015年6月,该矿为解决采矿废石、浮选尾矿的堆存问题,研究决定以生态恢复治理之名对北露天采坑回填尾矿料,2016年至2022年,该矿向北露天采坑回填尾矿总量为271.37万立方米。
2022年12月24日,露天采坑的尾矿压垮了顶柱,导致尾矿灌入地采作业空间,从而引发灾难。事故坍塌溃浆中心点位于北露天采坑底层与北东帮结合区域的40~42线附近,塌陷坑面积
6.4万平方米,塌陷区中心最大下沉约为13.14米。调查结果给出的结论是“伊犁公司违规实施北露天采坑生态恢复治理项目,长期向北露天采坑回填的尾矿料无法固结,形成大量的尾矿浆,荷载增大后导致采坑底层断裂坍塌,尾矿浆溃入井下,造成井下作业人员失联和设备损毁。”
事故原因可以总结如下:
(1) 露天采坑的尾矿量堆积重量过大,对顶柱形成超载;
(2) 尾矿未固结,大量的尾矿水沿着顶柱岩体的裂隙灌入井下,这是一个水-力相互作用问题,这种耦合逐渐弱化了顶柱强度;
(3) 顶柱厚度设计不足,按照调查结果有限的信息,推测顶柱厚度为20m,这对于露天采坑没有附加载荷的顶柱来说,这个厚度是可以接受的,但采坑有了附加荷载,需要进行分析确定这个厚度是否满足承载力要求;
(4) 地下采矿工序没有考虑到尾矿载荷引起的顶柱下沉和塌落。
5. 经验顶柱设计方法
《计算岩土力学》有许多文章讨论过露天开采转地下开采的经验顶柱设计方法,这些分析方法主要基于原Golder Associates的Dr. Hoek and Dr. Carter在上世纪80~90年代的研究工作,后来这些方法被合并到Rocscience的CPillar软件中,不过这些方法都没法考虑露天采坑的超载对顶柱强度的影响,也不能考虑水在顶柱内的渗流力【顶柱的经验比例跨度设计方法(Scaled Span Design Method)】。
(1) 《有色金属采矿设计规范》(GB-50771-2012) 规定露天转地下开采过渡采用空场采矿法留境界顶柱时,境界顶柱的厚度可通过岩石力学计算确定,且不得小于20m。
(2) 《冶金矿山采矿设计规范 (GB 50830-2013)》规定采用空场法回采时,露天坑底应留设境界安全顶柱,安全顶柱的厚度应通过岩石力学计算确定,但不应小于 10m。
(3) 《采矿设计手册 (1987)》从学术的角度对境界安全顶柱的厚度作了详细讨论,尽管这个手册有点儿古老,但对于采矿设计者来说,它的参考作用仍然很大。
(4) 上世纪80年代末90年代初,冶金工业出版社出版了一套《采矿手册》,共7卷,其中第4卷讨论了露采转地采。
下面的一些工程实例取自论文《(2018) 基于多方法联合的露天转地下境界矿柱厚度优化》
6. 结束语
本文简要回顾了两年前的一个露天开采转地下开采后的矿坑回填引发的事故,因此当我们考虑目前的露采转地采方案时,需要着重注意以下两个岩石力学问题:(1) 设计的顶柱厚度是否能满足回填后的承载力要求;(2) 岩体的节理化程度如何,即使回填材料是干性材料,雨水是否能渗透下地下采区。
在以前回顾的一些露天开采转地下开采的项目申请报告中,也有些矿山为了响应生态恢复治理的政策, 承诺在采矿结束之前或之后把露天矿坑回填,尽管本意是好的,但这样做确实会存在一些隐患和带来一些问题,最主要的是安全,如本文的案例,其次,有些矿物质埋在地下没什么问题,但采出后经风化和雨水作用,可能会产生出有害物质,当用这些废石进行复垦后,间接地对环境产生破坏,最后,对于一些规模较大的露天采坑,很难找到足够的材料进行完全回填,这是复垦时需要考虑的问题。