特大型露天礦多區段開采方式研究

常 劍 凌道兵 劉貞表

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.安徽九華金峰礦業股份有限公司)

新水平準備是露天礦延深和持續生產必須進行的開拓準備工作[1-4]。新水平準備的目的是形成新的采剝工作面，礦山建設初期，評價新水平準備強度高低的標準為基建期長短，高強度新水平準備要求盡快形成與礦山投入設備數量相匹配的工作面，減少設備閑置，實現早日投產、達產[5]；礦山生產期，要求新水平準備工作保障礦山生產連續與產量穩定，并與礦山開拓系統合理銜接。對于特大型露天礦，礦區平面范圍大，在新水平通過掘進單條長段溝或短段溝時，存在的不足為：①掘進出入溝時，受作業空間限制，無法投入多臺設備作業，設備閑置較多；②長段溝工程量大，沿走向布置工作線，橫向推進，對于急傾斜礦體的開采，不利于實現采剝均衡；③短段溝布置單臺設備，形成多個工作面還需開辟下一水平，導致基建工程量大，基建期長。因此，對于特大型露天礦，為將礦產資源的儲量規模優勢轉變為生產規模優勢，提高新水平的準備強度及開采強度，本研究采用分區段開展新水平準備工作，探索多區段開采方式。

1 多區段開采方式

目前，露天礦采剝方法按采剝工程在空間和時間上的演化特征，可分為全境界開采、分期開采、分區開采[6]，這3種開采方式均由最初的首采區通過臺階水平推進和垂直延深達到最終境界，礦山在生產過程中，各個時期的開采境界始終只有1個[7]。從時間上是否分期、空間上是否分區的角度，現有采剝方法的分類方式見表1及圖1。

表1 露天礦采剝方法分類

圖1 露天礦采剝方法示意

由表1、圖1可知：現有采剝方法分類未考慮采剝工程空間分區、時間同步的情況，即采場內分區同時作業，鑒于此，本研究提出露天礦多區段開采方式。

多區段開采是將露天礦劃分為若干區段，各區段獨立進行新水平準備工作，在新水平延深過程中，形成各區段獨立的開拓運輸系統，在露天開采境界中，存在多條獨立的開拓運輸道路，服務于采場不同的區域。在礦山生產后期，由于工作幫的推進，逐漸形成了最終露天開采境界。

多區段開采方式與傳統分期開采、分區開采方式的區別如下：

(1)從時間上看，多區段開采方式強調的是多個小露天開采境界同時作業，分期開采、分區開采則具有時序性，即首先形成分期(分區)境界后，然后擴幫形成最終露天開采境界。

(2)從空間上看，前者將露天礦劃分區段，實現多區段作業，形成多個小露天境界，后者在礦山服務年限內始終僅有1個露天坑，通過工作線延展達到終了境界。

2 多區段開采方式特點

2.1 生產規模分析

本研究采用礦山工程年下降速度分析露天礦多區段開采方式的生產規模[8-9]，計算公式為

(1)

式中，A為露天礦可能達到的生產能力，t/a；P為所選用的有代表性的分層礦量，t；V為采礦工程延深速度，m/a；h為臺階高度，m；η為礦石回收率，%；e為廢石混入率，%。

由式(1)可知，對于1個已圈定最終開采境界的露天礦山，采用分期開采或分區開采方式時，分期或分區境界的分層礦量較全境界少，在其他參數相同的情況下，分期或分區開采所能達到的生產規模較全境界開采小，對于采用多區段開采方式的露天礦山，各區段雖有各自的小露天境界，但該作業方式強調各區段同時作業，因此多區段開采方式的生產規模與全境界開采基本一致。

2.2 設備作業效率分析

鏟裝作業是露天礦生產工藝的核心環節，鏟裝設備效率直接關系到露天礦山生產規模能否實現，臺班生產能力按下式計算[10]

(2)

式中，E為挖掘機斗容，m3；Kh為滿斗系數；T為每班工作時間，h；η′為時間利用系數；t為作業循環時間，s；Kp為松散系數。

采用全境界開采以及分區、分期開采方式的礦山，所有設備均在同一露天采場內作業，設備之間存在干擾。為保障生產安全，在采場實施爆破前后一段時間內，采場內設備停止作業，降低了設備的有效作業時間。以6 m3挖掘機為例，參照《采礦設計手冊》給定的各項參數取值范圍，式(2)各項參數取值見表2。經計算，6 m3挖掘機生產能力為2 592 m3/臺班，按年工作300 d、每天3班計算，其生產能力為233.3萬m3/a，礦巖平均密度按3.0～3.5 t/m3計算，6 m3挖掘機的綜合生產效率為699.9～816.6萬t/a。

表2 采裝設備臺班能力參數取值

對于采用多區段開采方式的礦山，各區段共用1套設備，穿爆、裝運作業在不同的區段同時進行，即在1個區段進行穿孔作業時，另1個區段可進行鏟裝作業，穿孔與采裝作業在不同的區段交替連續進行，使本區段的裝運作業不受另1個區段爆破作業影響，并提高區段的爆破規模，增加鏟裝設備在區段內的連續作業時長，減少鏟裝設備在多區段之間反復調度的次數，從而提高了設備的時間利用系數。如澳大利亞bluehill鐵礦，分為東、西2個露天采場，2個露天采場同時作業，設備共用，礦山采用1臺6 m3挖掘機，2臺鉆機(1用1備)，礦山生產規模達250萬t/a，剝采比為3 t/t，礦山年采剝總量達千萬噸，究其原因，主要為礦山作業方式不同，致使設備的有效作業時間不同。

2.3 基建期分析

露天礦山基建工作的主要任務是揭露礦體，形成采礦作業面，以滿足設備正常作業要求[11]。對于地勢平坦的露天礦山，礦山基建期需形成若干采剝工作面，工作面的形成方案有：方案一，在單個水平上形成較長的工作線，根據采裝設備的工作線長度，分配采裝設備(圖2)；方案二，多水平布置工作面(圖3)；方案三，將露天礦劃分為多區段，分別布置工作面(圖4)。

圖2 挖掘機工作線布置(方案一)

圖3 挖掘機工作線布置(方案二)

圖4挖掘機工作線布置(方案三)

形成以上3種挖掘機工作線布置方式所需的工程量包括出入溝、開段溝工程量，以及完成新水平準備所需的擴幫工程量，隨著擴幫工作的進行，開段溝逐漸消失于工作平臺。本研究分別對各方案工程量進行如下計算。

方案一工程量的計算公式為

V=BkLNh+V1+NV2，

(3)

式中，Bk為完成新水平準備所需的擴幫寬度，m，應滿足下一水平能夠正常掘進出入溝、開段溝和擴幫水平能夠正常進行采剝工作的最小寬度要求，按下式計算：

Bk=W+b1+b2+Bmin，

(4)

式中，W為運輸平臺寬度，m；b1為出入溝溝底寬度，m；b2為開段溝溝底寬度，m；Bmin為最小工作平臺寬度，m；L為挖掘機工作線長度，m；N為基建完成時所需工作面的數量；h為臺階高度，m；V1為出入溝工程量，m3，按下式計算：

(5)

式中，i為出入溝坡度，%；α為溝幫坡面角，(°)；V2為開段溝工程量，m3，按下式計算：

V2=(b2+hcotα)hL.

(6)

方案二工程量可用下式計算：

(7)

方案三工程量的計算公式為：

V=BkLNh+NV1+NV2.

(8)

以形成3處挖掘機工作線為例，各參數取值為h=15 m，i=10%，W=10 m，b1=20 m，b2=20 m，α=65°，Bmin=40 m，L=200 m，計算得各方案出入溝、開段溝、擴幫工程量見表3。

表3 3種方案的工程量 萬m3

根據表1可知：方案二工程量最大，主要原因為采場開辟新水平，上部水平擴幫工程量大；方案三較方案一工程量略大，是由于單水平上多掘進了2條出入溝。不能簡單的將采裝設備效率累加作為采裝環節的能力，以此計算各方案基建期，而應考慮各項工程中設備的作業條件，即進行各項工程時的設備數量及工作效率。如在基建期投入3臺采裝設備，設備工作效率為50萬m3/a，掘溝時工作效率則會降低20%。方案一掘進1條出入溝，受作業空間限制，只能布置1臺設備進行作業，開段溝長度為3臺挖掘機工作線總長，布置2臺設備進行作業，擴幫工程布置3臺設備作業；方案二在3個水平各布置1條出入溝，共掘進3條出入溝，受作業空間限制，初期第一水平的出入溝、開段溝作業僅能布置1臺設備，擴幫工程可布置2臺設備作業，在上水平擴幫工程使下水平具備掘溝條件時，可進行下一水平作業，達到設備全部作業無閑置的狀態；方案三在單水平上多區段作業，初期即可達到設備全勤的狀態。各方案的設備作業狀況及各項工程耗時見表4～表6。

表4 方案一設備作業情況

各方案完成基建工程的時間及工程量見表7。由表7可知：方案三工期最短，單位時間內完成的工程量最多，因此，對于新建礦山，為快速完成基建工作，實現投產，提高設備利用率，可將新水平劃分為多個區段，分別進行掘溝、擴幫作業，最終形成多區段開采方式。

3 結 語

根據露天礦空間演變的時序關系，提出了多區段開采方式，是對現有采剝方法的補充。對于特大型露天礦，多區段開采方式的特點為：①與分期開采、分區開采方式相比，多區段開采方式的生產規模大，可將礦產資源的儲量規模優勢轉變為生產規模優勢，避免了采用分期開采、分區開采方式時由于分層礦量減少導致開采規模減小的不足；②增加了設備在區段內的連續作業時長，減少了設備在多區段之間的反復調度次數，提高了設備的時間利用系數，進而提高了設備的作業效率；③改變了礦山基建期部分設備閑置的狀況，縮短了礦山基建期。

表5 方案二設備作業情況

注：第一水平擴幫工程達到27萬m3(0.27 a)時具備下一水平的掘溝條件；第二水平擴幫工程達到27萬m3(0.34 a)時具備下一水平的掘溝條件。

表6 方案三設備作業情況

表7 各方案基建工程量及工期