大紅山鐵礦坑露聯合同步開采優化

范有才　徐萬壽

(玉溪大紅山礦業有限公司)

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大紅山鐵礦坑露聯合同步開采優化

范有才徐萬壽

(玉溪大紅山礦業有限公司)

摘要針對大紅山坑露聯合同步開采過程中存在的露采遲緩壓礦、坑露矛盾突顯、采不保選加劇與經濟效益惡化等生產、技術難題，以前期地壓監測數據分析及坑露關系研究理論為基礎，結合實際、統籌兼顧，提出了4條技術優化思路：通過對井下開采過程中圍巖移動角的研究，重新調整井下預留保安礦柱，減少露天采場對井下的壓礦量，緩解坑露矛盾；應用3DMine軟件建立熔巖礦床模型，根據開采經濟價值對露天礦進行開采境界優化，以同時滿足開采的經濟性與坑露進度要求；理順井下開采順序，實現坑露開采安全平穩過渡；提前合理規劃開采境界外礦石，確保資源綜合利用。合理制定的優化方案可以有效解決問題，為露天開采贏得時間，并為井下持續穩定生產創造條件，符合安全性、經濟性的要求。

關鍵詞坑露聯合開采圍巖移動角開采境界開采順序綜合利用

大紅山鐵礦探獲地質儲量為4.5億t，由71個礦體組成，礦體空間位置交錯，呈多層互層產出。礦山于2006年12月底達到地下400萬t/a采選規模，于2007年展開總體規劃建設，綜合開采淺部熔巖露天鐵礦、1#銅礦帶、Ⅲ～Ⅳ礦體、Ⅱ1礦體720 m標高以上等礦體。至2010年底建成后，形成了露天開采與井下無柱分段崩落法、空場法、上向分層充填法等多區段、時空同步開采及低貧礦體綜合利用的資源開發新格局，實現了資源的深層次綜合利用，總體開采規模也達到1 200萬t/a以上，但同時也使得開采關系變得十分復雜，帶來了許多新的采礦難題。

1坑露聯合同步開采的關鍵問題

1.1露采遲緩壓礦

大紅山露天淺部熔巖鐵礦位于井下深部鐵礦的上部北西側，隨著井下崩落法開采范圍的擴大，將對露天上部臺階產生影響，造成大量的資源無法正常回收。根據前期設計規劃，400萬t/a坑采在投產后第十二年向400 m標高以下過渡，淺部熔巖露天鐵礦在此之前完成資源的搶救性開采。但在實際生產過程中，由于受資本投資量與資金運轉效率等因素的制約和影響，使開采進度受到較大的影響。同時為滿足鋼鐵市場對原料品質的要求，井下礦體加快了開采速度，促使400萬t/a坑采工程向400 m標高以下過渡的時間提前了2～3 a，致使原本緊張的坑露關系矛盾更為突出。

1.2采不保選加劇

由于坑露的制約影響關系，前期根據設計崩落開采65°移動角圈定了井下的保安礦柱，深部420 m以下礦體北部幾乎被壓覆，其中井下持續生產采礦工程300～400 m受壓礦量達到2 500萬t左右。由此，井下可布回采工作面和產量將受到極大的制約，采不保選加劇，且按井下400萬t/a以上的采礦能力，3～4 a后將無法持續生產。

1.3經濟效益惡化

2014年以來，礦業面臨礦價下跌、市場低迷的新形勢，而淺部熔巖露天開采鐵礦地質品位約20%(圈定邊界品位為13%)，低于國家工業利用品位，且磁性鐵占有率不到40%，選礦技術經濟指標不理想，選比大，造成產出少、成本高，經濟效益惡化。

1.4排廢場地受限

礦山前期生產廢石場基本已堆滿，前期規劃的小廟溝廢石場因經營效益惡化，無法正常投資建成使用，已沒有足夠的廢石場地滿足露天排廢需要，生產經營雪上加霜。

2坑露聯合同步開采優化

根據長沙礦山研究院對井下崩落塌陷狀況的監測數據及馬鞍山礦山研究院關于坑露矛盾相互影響關系的理論推測，結合實際問題進行分析考慮，提出4個方面的開采優化思路：一是結合自生產以來地下開采產生的地表移動情況，合理調整移動角，重新圈定井下壓礦邊界，釋放部分礦量，緩和坑露矛盾；二是理順地下開采關系，實現坑露安全開采和今后坑下平穩過渡；三是結合當前市場、排土場條件，優化露天開采境界，在減少礦山經營虧損的同時，加快露天礦開采進度，盡早解除坑露矛盾；四是提前對優化境界外的礦石合理規劃開采，確保資源綜合利用。

2.1地下開采移動角調整

結合馬鞍山礦山研究院的“坑露聯采銜接綜合開采技術”，通過將地下空區與地表開裂縫現狀疊加，根據各采區空間地理位置關系及開采情況推斷，地表的開裂范圍基本覆蓋了地下崩落法的主采區、中Ⅱ采區、南翼采區的正上方。同時，因主采區已與南翼采區連通，中Ⅱ采區也在豎直方向上與南翼采區貫通，結合地表沉降監測數據分析認為，對地表的開裂下沉造成主要影響的是地下主采區、南翼采區及中Ⅱ采區。綜合分析主采區、南翼采區、中Ⅰ、中Ⅱ采區開采現狀及其采空區分布狀況并對比地表開裂現狀，選取塌陷區域內各典型橫縱剖面圖，對照得到不同剖面上的裂縫角度(塌陷角)。塌陷區內井下空區與其影響的地表裂縫之間的裂縫角度均大于76°(尤其是靠近邊坡側)，可近似采用該角度作為大紅山鐵礦地下采空區造成巖層冒落擴張至地表形成裂縫的塌陷角。研究認為未來400 m水平及二期開采主要向西南方向發展，地表裂縫及塌陷范圍也將向西南方向發展，塌陷現狀已逐漸趨于穩定，可以選擇70°作為移動角進行壓礦范圍的調整，具備安全性。

由此結合實際進一步分析，從井下開采的角度，為便于生產組織協調，保證預留礦柱的完整性，減少礦柱后期回采廢石接觸面，應以A36′線附近為界，A36′以東礦體解除壓礦制約，A36′以西以露天上部坡頂線預留20 m保護帶，向下按70°移動角圈定主采區北部礦柱保護界線。通過按此原則重新圈定井下各分段的壓礦界線，井下A36′以東礦體得到釋放，持續生產采區300 m以上釋放礦量約1 200萬t左右，緩解了露天對地下開采的制約程度。

2.2地下開采關系理順

為協調好露天礦制約期間坑露開采關系及露天礦制約解除后井下開采關系，合理規劃井下持續生產的開采順序，協調安排壓礦與未壓礦的開采關系。從空間上應合理控制未壓礦下降的垂直高度以避免較明顯的地壓現象，上下分段之間以南北向的聯道劃分成條帶錯開，按順序持續回采，同時有利于設備、人員在分段間、條帶間的作業協調及生產組織，滿足生產效率及產量均衡要求。通過分析，按以下幾個方面細化協調井下持續生產采區開采順序：

(1)持續生產采區開采前期需留下壓礦部分不采，并利用未壓礦部分與其它地段的開采相搭配，確保礦山總體產量。

(2)協調安排好壓礦部分與未壓礦的開采關系，隨著開采分段的下降，壓礦部分面積越來越大，未壓礦部分面積越來越小，若壓礦部分不在適當的時間開采，礦山總體產量將無法確保，之后開采壓礦部分時，初期產量也較小，因此，規劃壓礦部分開采時間為2022年，即露天礦必須在6 a內結束開采。

(3)壓礦部分要按分段強采,均衡控制上下分段的開采順序(圖1)，以降低壓礦部分高差，也便于設備、人員及進回風通道的協調，實現均衡生產。

圖1　北部壓礦段分段回采關系

(4)為避免上下分段同時用一條溜井卸礦的安全問題及粉塵污染，上下分段之間的回采順序應按各水平南北向的聯道劃分成條帶(以南北向各排溜井劃分)，錯開回采。

(5)為滿足生產規模要求，各分段需對應布置切割槽，以安排未壓礦部分多分段同時回采。

(6)上分段制約下分段拉槽的條帶要安排優先退采。

(7)工序安排上要實現深孔鑿巖，爆破和出礦保持合理的前后對應關系，以及各工序在作業區域的緊密錯開，避免互相交叉影響，提高效率。

2.3露天開采境界優化

2.3.1境界優化方案

前期境界優化方案采用3DMine礦業軟件建立熔巖礦的礦床模型，根據當前技術經濟條件對模型中的每個單元塊進行經濟價值的賦值計算，并按開采的經濟性逐一篩選，從而得出最優的開采境界。

以2015年公司鐵精礦產品平均價格為基準價格，分別按降低5%、10%、15%、20%、25%、30%的幅度計算，得出當售價降幅小于20%時，優化境界經濟可行；當售價降幅為20%及以上時，在當前技術經濟指標下無法經濟開采。

在優化境界經濟可行的基準價格下，境界內礦石量為3 100萬t左右，剝離量為1 300萬m3左右，境界內礦石可根據排土容量考慮一次性開采或分期開采。其中，按平均下降速度與可布置挖掘機的數目分別驗證生產能力，一次性開采可達到550萬t/a，由于過渡境界的尺寸較小，分期開采只能達到400萬t/a。結合坑露安全回采時間的要求，應按一次性開采考慮。

通過優化露天開采境界，可以滿足6 a內露天開采結束的安全要求，在時間上與井下安排基本協調，促使2022年下半年可及時回采井下北部調整移動角后仍壓礦部分，與未壓礦部分320，300 m分段協同開采，2027年壓礦部分下降到320 m標高，之后與未壓礦部分協同向300 m標高以下平穩過渡。

通過優化，露采剝離量大大減少，避免了新建排土場的建設投資，能夠實現國際礦價大幅下跌條件下的經濟合理開采。應國家礦產資源綜合利用的要求，優化境界外礦石仍然不能棄采，須考慮更經濟合理的開采方案。

2.3.2礦價進一步下行的實施步驟

由于鐵礦價格不斷下行，按境界優化方案，基準價格下行20%及以上時，無法經濟開采。前期與外包采礦單位合同價格談判未達成一致而暫停露天開采，下一步按優化方案組織實施，恢復露天開采時，若價格下行20%及以上，棄采也不一定是最優的方案，可將前期投資固定資產推銷總額與棄采的虧損總額進行比較，完善實施步驟。第一步，分析不新增剝離，前期直接采礦；第二步，按優化境界，在確保安全的前提下適當調整邊坡角，少剝離，并按20%以上重新圈定邊界品位，編排生產作業計劃，力爭提高供礦品位，并考慮將產生廢石預拋廢處理，破碎形成建材產品銷售；若第一步、第二步不可行，則實施第三步，即進一步提高邊界品位，重新圈定礦體，根據礦體賦存狀況研究利用高品位礦體；若以上都不可行，第四步再考慮以加大井下、周邊低品位礦規模，完全替代露天低品位鐵礦生產，全面釋放井下壓礦部分產能。

2.4境界外礦石提前規劃開采

境界外礦石開采規劃是以保證境界內外礦石同步回采、互不影響為原則，以最終確定的優化境界線向東南推移30 m作為露天臺階的安全保護帶，30 m保護帶以外至原地下開采的Ⅲ2-3西段礦石規劃為優化境界外前期井下開采，30 m保護帶以內礦石后期掛幫開采。

為充分利用原井下頭部礦體系統工程及通道規劃優化境界外前期井下開采礦石以節約投入、降低開采成本，前期通過完善有關地質資料、原采空區資料，在平剖面上補充落實周邊坑道，結合現場落實采空區、運輸及進回風系統、水電使用條件等提出初步開采方案，并通過細化測算有關技術經濟與成本指標等進行多次優化，完成開采規劃。

境界外礦石開采規劃結合此部分礦石周邊已回采空區現狀及露天臺階需保護等狀況，經過多次論證，采用房柱法回采，同時規劃未來幾年井下深部回采范圍，結合前期井下塌陷狀況，研究分析未來各年度井下開采對境界外礦石的影響關系，預計將于2 a后會受到不同程度的影響。為提高資源綜合回收利用水平，須對境界外礦石實施搶救開采。結合境界外礦石附近的井下開采系統，原Ⅱ5礦體835，775分段坑道完整可靠的現狀，以及短期內西段不受井下深部開采影響的分析，規劃利用775 m分段西段至地表的通道作為進風、運輸的主要通道，835 m分段西段至地表的通道作為回風通道，同時為各分段出礦便利，在礦體中部設置采區輔助斜坡道作為車輛、人員、材料進出及礦石、廢石的主要運輸通道。

通過優化，前期可采出鐵品位25%以上、銅品位0.4%左右的鐵和銅礦石量100萬t以上，原礦采礦成本為42元/t，精礦采選綜合成本為348元/t，在當前礦價下仍然經濟可行。同時境界外礦石開采規劃的實施是境界優化的必要條件，聯合實施才能兼顧坑露矛盾與資源綜合利用，促進露天與井下安全持續生產。

3保障措施

為確保方案的有效實施，在露天1 000 m臺階預留60 m寬平臺作為安全緩沖平臺，并對露天東上部邊坡巖體質量特征、巖石結構面進行跟蹤分析，在露天邊坡與井下塌陷區之間設置觀測點，進行移動變形監測，井下東北側利用Ⅲ2-3礦體開采坑道設置應力及位移監測等，為合理實施坑露聯合開采技術提供保障。

4結語

針對對大紅山鐵礦存在的露天采礦遲緩壓礦、坑露矛盾突出、采不保選加劇等問題，結合實際、統籌兼顧，提出4條技術優化思路并制定實施方案，包括調整地下開采移動角、理順地下開采關系、優化露天開采境界、提前規劃境界外礦石，系統考慮了開采的時空關系以及經濟性、安全性，解決了存在的關鍵問題,既能實現最快對淺部熔巖露天鐵礦實施搶救性開采，又能保證坑采的出礦量滿足生產需要，最大限度綜合利用礦產資源。

(收稿日期2016-02-20)

Optimization of the Open-pit and Underground Joint Synchronous Mining of Dahongshan Iron Mine

Fan YoucaiXu Wanshou

(Yuxi Dahongshan Mining Co., Ltd.)

AbstractThe production and technical problems such as the mineral below construction caused by slow open-pit mining, the contradiction between the open-pit and underground is obvious, the mining is not suitable for mineral processing, the deterioration of economic benefits are existed in the process of the open-pit and underground joint synchronous mining. According to the above problems, based on the early ground pressure monitoring data analysis results and the research theory of the relationship between open-pit and underground, combing with the actual situation of the Dahongshan iron mine, the following 4 technique optimization methods are proposed: the mine reserved safety pillars are conducted readjustment to reduce the mineral below construction caused by open-pit to relieve the contradiction between open-pit and underground based on studying the surrounding rock movement angle in the process of underground mining; the lava deposit model is established by adopting 3DMine software, the open-pit mining boundary is optimized based on the mining economical value to meet the requirements of mining economics and open-pit and underground joint synchronous mining speed; the underground mining sequence is optimized to realize the smooth and safety transition of open-pit and underground mining; the mining scheme of the ores outside the mining boundary is planed reasonably in advance to ensure the rational comprehensive utilization of resources. The above reasonable schemes can solve the above problems, which provide ample time for open-pit mining and create conditions of the underground safety production. Besides that, they are meet the requirement of safety and economics.

KeywordsOpen-pit and underground mining, Surrounding rock movement angle, Mining boundary, Mining sequence, Comprehensive utilization

范有才(1979—)，男，高級工程師，工商管理碩士, 653400 云南省玉溪市新平縣戛灑鎮。