大孤山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下過渡期開采境界細部優(yōu)化

范曉明 任鳳玉 肖 冬 丁航行 毛亞純

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819；2.鞍鋼集團鞍千礦業(yè)有限責任公司，鞍山 114043）

目前國內(nèi)約九成的露天礦均已進入深部開采，其中許多深凹露天礦正陸續(xù)轉(zhuǎn)入地下開采。在露天轉(zhuǎn)地下開采的過渡期，露天生產(chǎn)與地下生產(chǎn)往往相互干擾，經(jīng)常導(dǎo)致安全生產(chǎn)條件差和產(chǎn)量銜接困難［1-8］。露天轉(zhuǎn)地下過渡期為露天地下同時開采期，露天一般開采深部礦體，地下一般開采掛幫礦體。對于露天轉(zhuǎn)地下開采的金屬礦山，過渡期優(yōu)化露天境界是為了能夠合理利用露天開采與地下開采各自工藝的特長，便于實現(xiàn)露天轉(zhuǎn)地下平穩(wěn)而高效地過渡，并使露天開采和地下開采的總效益最大化。因此，合理地確定露天轉(zhuǎn)地下的開采境界，使露天生產(chǎn)效率和地下生產(chǎn)效率達到最優(yōu)，對礦山企業(yè)的運營與發(fā)展意義重大［9-14］。

本研究結(jié)合大孤山鐵礦，從露天地下協(xié)同開采的原則與過渡期產(chǎn)量平穩(wěn)銜接要求出發(fā)，采用SURPAC三維采礦設(shè)計軟件，通過調(diào)整露天開采工藝，減小明顯不合理的境界剝采比，由此實現(xiàn)露天開采境界的細部優(yōu)化。優(yōu)化后的境界，有利于露天開拓優(yōu)勢的發(fā)揮，并可充分利用礦山的露采工程。

1 大孤山鐵礦露天境界適應(yīng)性分析

大孤山鐵礦床位于千山山脈西北緣，地貌屬丘陵地形，包括大孤山采區(qū)與小孤山采區(qū)，其中小孤山采區(qū)地層位于大孤山采區(qū)礦體上盤綠泥石英片巖中，與大孤山礦體最近距離僅100 m。目前大孤山采區(qū)與小孤山采區(qū)利用同一露天采場開采。露天開采區(qū)域的增大，為應(yīng)用露天地下協(xié)同開采方法提供了方便。

將大孤山鐵礦2015年底露天開采境界與原設(shè)計露天最終境界繪制在同一SURPAC模型中，可直觀看出待采剝礦巖體的空間形態(tài)（圖1）。

通過對大孤山三維地質(zhì)模型及典型剖面進行研究，可以看出，大孤山鐵礦原露天境界主要存在以下兩點不足：

（1）大孤山露天轉(zhuǎn)地下過渡期地下產(chǎn)能主要由東幫掛幫礦提供，按原設(shè)計境界，露天開采最低水平為-486 m，坑底東西向?qū)挾?5 m。以典型VI線剖面為例，東幫掛幫礦上窄下寬，高度僅84 m（圖2）。掛幫礦量少、高度低，應(yīng)用誘導(dǎo)冒落法開采的條件差，將導(dǎo)致地下開采的產(chǎn)量低、產(chǎn)能增長慢，致使過渡期產(chǎn)量銜接困難。

（2）按照大孤山原露天境界設(shè)計，需要將大孤山采區(qū)與小孤山采區(qū)貫通，大孤山采區(qū)與小孤山采區(qū)之間的銜接巖體需要剝離。該部分巖體體積巨大（圖3），造成剝巖量大，但采出礦石量小。這樣會增大露天礦后期的剝采比，不符合協(xié)同開采中的露天陡幫開采原則。

2 大孤山鐵礦露天境界優(yōu)化

按露天地下協(xié)同開采要求，露天陡幫開采下盤側(cè)礦體，留下上盤側(cè)掛幫礦應(yīng)用誘導(dǎo)冒落法開采。為提高開采效率，需要按露天地下開采的便利條件與回采指標，比選擇優(yōu)確定露天與地下開采的細部境界，以實現(xiàn)境界礦體開采效益的最大化。針對原設(shè)計露天開采境界存在的上述不足，采取如下2種技術(shù)改進措施來改善過渡期協(xié)同開采條件，并使露天開采境界得到細部優(yōu)化。

2.1 小孤山采區(qū)露天獨立延深開采

針對大孤山采區(qū)與小孤山采區(qū)銜接部位剝離巖量過大的問題，提出大孤山采區(qū)和小孤山采區(qū)不貫通，在保證大孤山采區(qū)和小孤山采區(qū)礦石產(chǎn)量穩(wěn)定的前提下，盡量少剝離銜接部位的巖石，以此減少剝采比（圖4）。根據(jù)礦體形態(tài)，設(shè)計小孤山采區(qū)開挖獨立的露天坑，在與大孤山采區(qū)銜接部位留下巖柱。在小孤山采區(qū)西部，露天坑北幫留設(shè)運輸平臺，經(jīng)該平臺小孤山采區(qū)公路與大孤山采區(qū)公路相連，構(gòu)成完整的運輸系統(tǒng)。通過比選，將運輸平臺留設(shè)于-222 m水平的露天坑的北幫、小孤山采區(qū)西部，將-222 m水平設(shè)為單獨開挖小孤山露天坑水平（圖5）。

具體地說，小孤山采區(qū)按目前方法由上向下分臺階開采，當采至-222 m水平時，在大露天坑的北幫，小孤山采區(qū)的西部，留設(shè)運輸平臺。由該平臺繼續(xù)向下開采小孤山礦體，下面臺階不再與大孤山采區(qū)直接聯(lián)通，留下銜接部位的巖體。小孤山采區(qū)由-222 m水平開始獨立延深開采，由于周圍巖體種類較多，有花崗巖和綠泥石英片巖等，巖體穩(wěn)定性差別大，最終邊坡角可依巖體穩(wěn)定性取40°～60°，依據(jù)小汪溝鐵礦的生產(chǎn)經(jīng)驗，采用挖掘機進行裝載作業(yè)，坑底最小工作面寬度可取為20 m，由此確定的坑底水平為-282 m。小孤山獨立露天坑由-222 m至-282 m，坑深60 m，臺階高度12 m，共設(shè)5個臺階，其中-222 m水平至-246 m水平2個臺階并幫，-246 m水平設(shè)置清理平臺，寬度8 m，-246 m水平至-282 m水平的3個臺階并幫。由-222 m水平運輸平臺向東開掘進入小孤山礦體的出入溝，公路寬度16 m，轉(zhuǎn)彎半徑20 m，坡度為11°。-222 m水平設(shè)置獨立露天坑入口，坑底標高-282 m，公路由-222 m水平順時針盤旋至-270 m水平，在-270 m水平進行折返；由-270 m水平逆時針盤旋至-282 m水平。

2.2 大孤山采區(qū)東幫境界西移

根據(jù)I、VI、VII線剖面圖分析，如果保持原設(shè)計的露天坑底標高不變，而將露天東幫最終境界向西移動，將留下的東部掛幫礦應(yīng)用誘導(dǎo)冒落法開采，則可大幅度減少剝巖量，降低剝采比。同時東部掛幫礦利用誘導(dǎo)冒落法開采，可以減小鑿巖與爆破費用，因此可有效降低地采成本。通過設(shè)計合理的東幫界限，使露天坑深部露采成本較高的掛幫礦轉(zhuǎn)入地下用成本較低的誘導(dǎo)冒落法開采，可實現(xiàn)總體成本的最低化。根據(jù)邊坡調(diào)查報告，由巖體穩(wěn)定性確定大孤山露天坑?xùn)|幫最終坡度角為40°～50°。經(jīng)過初步分析，可將東幫最終境界向西移動50 m，將坑底由-486 m水平提高到-474 m水平，西移后的露天最終境界如圖6所示，可顯著減小剝巖量。

3 露天境界優(yōu)化結(jié)果分析

利用SURPAC軟件，對優(yōu)化前后的采剝礦巖形態(tài)進行建模，采用布爾運算，可算出優(yōu)化后的大、小孤山采區(qū)的少剝巖模型（圖7）。

由圖7計算得出，境界優(yōu)化前后大孤山采區(qū)的采剝立方量，按礦石容重3.4 t/m3，廢石容重2.7 t/m3計算，可得出優(yōu)化前后采剝總量（表1）。

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由表1可知，采用優(yōu)化后新境界，大孤山采區(qū)雖然少采708萬t礦石，但可以少剝離廢石2 389萬t，這些礦量露天開采的剝采比為3.37∶1。轉(zhuǎn)為地下開采后，這些礦量的絕大部分可作為誘導(dǎo)冒落礦量開采，只需要花費地下出礦與運輸?shù)馁M用即可采出，由此可大幅度降低采出成本。

此外，由圖7計算得出，境界優(yōu)化后小孤山采區(qū)剝離巖石量減少730萬t，采出礦石量減少54萬t。

采用大小孤山獨立采坑和大孤山東幫邊坡西移這兩項措施后，大孤山鐵礦露天開采境界見圖8。

優(yōu)化后境界對比原設(shè)計境界（圖8），大小孤山共少采礦石762萬t，少剝離巖石3 119萬t。這部分礦石露天開采的平均剝采比為4∶1，由于剝采比過大經(jīng)濟不合理，如果轉(zhuǎn)入地下開采，則可作為誘導(dǎo)冒落礦量回采，大幅度降低生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

（1）大孤山鐵礦處于露天開采末期，按原設(shè)計境界，露天最終剝采比過高，且所留大孤山采區(qū)東端幫掛幫礦過小，將造成過渡期產(chǎn)量銜接困難。

（2）小孤山采區(qū)可從-222 m水平獨立延深開采至-282 m水平，由此可顯著降低境界剝采比。

（3）大孤山采區(qū)東端幫境界可比原設(shè)計向西平移50 m，由此減小境界剝采比且增大掛幫礦量，可為過渡期露天地下協(xié)同開采與產(chǎn)量平穩(wěn)銜接創(chuàng)造條件。