露天礦臺階尖滅方案優化研究*

昌 珺

(長沙有色冶金設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410011)

我國大型露天礦山，當礦體近水平賦存以及厚大礦床上部揭露礦體時，為了實現剝離物內排或減少貧化損失、提高采出礦石質量以及降低開采難度，工作線通常沿礦體傾向布置，走向推進。臺階水平劃分，在靠近礦體頂板位置處由于水平臺階與傾斜礦體相交，上部剝離臺階出現臺階尖滅現象。

由于臺階從正常高度過渡到0 m，在現場實際施工過程當中，當臺階高度小于5 m時，由于鉆機鉆孔直徑限制，使得穿孔爆破工作變得困難，裝藥量難以控制，爆破后會形成嚴重的根底，影響采裝設備作業。同時，隨著露天礦山設備的大型化發展，松動爆破后形成的爆堆高度小，低于電鏟的最低挖掘高度，使得采掘設備的滿斗率下降，作業效率降低。

1 處理方案

根據國內露天礦山的實際生產情況，提出4種半臺階處理方案：組合臺階方案、臺階傾斜劃分方案、爆破工程優化設計方案、輔助設備開采半臺階方案。

組合臺階方案[1]是將爆破作業困難的區段與上部水平臺階合并，如圖1所示。剩余臺階不完整部分進行穿孔爆破作業，通過一爆兩采的寬采掘帶作業方式，減少非作業區平盤寬度，上下相鄰臺階采掘設備采用追蹤式開采，避免相互間的影響，提高工作幫坡角，減少剝離物內排運距，如圖2所示。

圖1 臺階尖滅區段合并臺階

圖2 雁形組合臺階

臺階傾斜[2]分層方案是沿礦體傾向臺階重新劃分，沿著(或平行)礦體交界面布置工作平盤，作業設備站立或者行走在小于5°的斜面上。此方案的優點在于，由于沿礦體傾斜劃分臺階，使得礦層頂板以上不會再出現尖滅臺階，在滿足設備作業的臺階傾角要求下，設備能力得到最大發揮。由于臺階傾斜分層方案需要對現有開采條件做重新規劃，即臺階推進過程中通過對穿爆參數進行嚴格控制，使得在推進過程中形成從上而下的傾斜臺階，由于該方案對爆破參數控制與工程實施要求高，適于礦山未投產時期。

爆破工程優化設計方案是指對合并后形成的高臺階進行爆破處理，從而解決臺階過低造成的鉆孔困難問題，爆破方案可以分為拋擲爆破開采和松動爆破分層開采2種方案。其中：拋擲爆破方案[3-4]是指將出現半臺階的臺階進行合并，形成小于45 m的高臺階，通過拋擲爆破將礦體頂板以上剝離物拋至采空區；松動爆破分層開采方案是指將礦體頂板以上尖滅區段合并至上一個臺階，形成平均開采高度為25 m的臺階，松動爆破后，對爆堆進行分層，高于單斗挖掘機采高部分利用小型液壓挖掘機進行下挖作業，下分層正常開采。

輔助設備開采半臺階方案是利用礦體頂板巖石硬度不大的特點，采用松土犁或斗容不大的液壓挖掘機處理半臺階，局部硬巖采用單斗挖掘機加裝破碎錘處理，臺階正常區段適用原有采掘方案。此方法用于半臺階覆蓋區域小的條件，因作業設備效率限制，當區域過大時，會影響礦山推進度。

進行臺階尖滅方案選擇時，應充分考慮對設備作業和工程實施(是否需要對現有開采程序進行改造)的影響，在此基礎上對方案進行經濟效果評價。

2 工程實例

我國某露天礦山年產原礦石33.00 Mt，采礦工作線長度2000 m。首采區內礦體傾向東南，傾角為3°～8°，開采臺階按照原設計水平劃分，剝離臺階高度15 m，工作平盤寬度100 m，隨著工作面推進進入礦體起伏區，工作幫剝離開采臺階在剝離工作線上出現臺階尖滅現象(見圖3)。

圖3 某露天礦工作幫尖滅臺階

該礦工作幫設置移動坑線，將工作幫分為南北兩個區域，由于礦體向東南方向傾斜，故南部區域臺階數多，根據開采現狀，在南部區域6#礦體頂板以上，存在2個尖滅臺階，臺階正常區域高度15 m，隨著往北部延伸，與礦體相交。通過分析地質模型，隨著工作幫繼續向東推進，工作幫繼續往下延深，工作幫半臺階數量會增加，使得不符合爆破參數要求的區域增大，同時由于南部區域半臺階數量增多，滯后于北部區域的工作幫推進速度，需要安排更多的設備服務于南部區域，對整個礦山的設備調度影響大，臺階數量的增多使得剝離物繞南部運輸平盤內排運距增大，該礦年產原礦石33.00 Mt，一期均衡生產剝采比4.2 m3/t，卡車運費為4元/m3，照此計算，南部水平滯后一個平盤寬度(100 m)的距離，一年多增加運費支出2700萬元。

2.1 半臺階處理方案

根據礦山實際生產情況，提出以下3種實施方案。

2.1.1 組合臺階方案

采取組合臺階[6-8]的開采方式是為了降低生產剝采比，增大工作幫坡角。從上到下依次進行開采的一組臺階稱為組合臺階，這時，一組臺階中只有一個臺階保留較寬的運輸平盤B。組合臺階一般僅配置一臺采掘設備，有時也可配備數臺設備，一般要求設備的生產能力較大。用組合臺階開采時，沿高度全工作幫都是工作的。把邊幫上預留的平臺擴展到工作平臺所規定的最大寬度Bmax，使每組臺階自上而下順序回采，礦山設備依次移動到下一個臺階。

組合臺階的一次推進寬度和上述采掘帶的寬度，可按照下列公式進行計算。

As=nγh(cotφ+cotθ)

(1)

式中，h為臺階高度，m；φ為工作幫坡角，(°)；θ為礦山工程延伸角，(°)；nγ為與一次推進寬度相應的延伸臺階數。

構成組合的臺階個數n主要決定于設備的生產能力和要求的工作線推進速度。即：

(2)

式中，Q為組合臺階中設備的生產能力，m3/a；L為工作線的平均長度，m；lkt為要求的工作線推進速度，m/a；它決定于達到一定的生產能力所要求的開采強度。

組合臺階的路面寬度計算公式：

B=nxA+(nx-1)X+2Y

(3)

式中，B為路面寬度，m；nx為行車線數，m；A為按汽車后輪計算的寬度(該值近似于車輛最大寬度)，m；X為汽車車廂間所需凈距，m。一般采用0.7～1.7 m；Y為后輪外緣距路面邊緣的距離，m，一般采用0.4～1.0 m。

該礦目前剝離運輸設備為美國特雷克斯生產的MT5500以及小松930-E以及小松830、730電動輪自卸汽車，按照最大車寬9.1 m計算可得雙車道路面寬度：

B=21.9 m

根據路基計算公式，運輸平臺寬度取30 m。

提出下述具體的設計方案：對采場南部進行組合臺階開采設計，半臺階A與下部水平臺階組成一個組合臺階，半臺階B與上部全臺階為一組。

2.1.2 高臺階拋擲爆破方案

拋擲爆破技術隨拉斗鏟倒堆工藝系統由黑岱溝露天煤礦引進國內，經過多年的發展，相關技術趨于成熟，拋擲爆破參數設計軟件系統在黑岱溝露天煤礦應用良好，極易由黑岱溝露天煤礦引入拋擲爆破技術。由于該露天礦開采工藝的限制，可采用拋擲爆破結合機械式單斗挖掘機二次倒堆將爆破后的剝離物運至采空區。拋擲爆破開采方案見圖4。

圖4 拋擲爆破開采

該方案的優點是：技術成熟，礦山爆破人員有相關經驗積累；在一定程度上起到降段的作用，無需另外考慮降段手法；可以將連續2個半臺階進行穿爆作業，徹底解決頂板以上半臺階問題，礦體以上高臺階的剝離物無需卡車運輸，減少工藝環節，提高系統可靠性。拋擲爆破物料松散，提高采掘設備滿斗率。

2.1.3 松動爆破分層開采方案

將礦體頂板以上2～3個臺階合并為一個高臺階，采用松動爆破，將爆堆分為上下2個分層，液壓挖掘機采掘上分層，單斗挖掘機采掘下分層。分別將半臺階合并到下部第一個臺階，形成平均開采臺階高度為25 m的高臺階，高臺階松動爆破以后，由液壓挖掘機站立在爆堆上開切，工作面展開后，站立在降深水平上同時進行上挖和下挖，組合開采高度為5～10 m(開采高度設定為一個范圍是考慮到下分層單斗挖掘機的開采高度)。下分層臺階由單斗挖掘機開采完成，作業方式見圖5。

處理方案的實質是將南部開采區域尖滅臺階A與B并段進行鉆孔爆破，然后在爆堆上分段進行采掘，是依靠減少爆堆占有寬度的辦法減少平盤寬度，以增加工作幫坡角的工藝形式，只要具備高段深孔鉆機，不需改變任何其他過程和開拓準備程序，即可實現陡幫開采，它是利用現行采掘設備改造緩幫開采面貌的簡單可行的途徑。

圖5松動爆破方案

該方案的優點是：由于高段爆破，減少了超鉆和填塞的比例，提高了鉆孔的利用率，使單位礦巖的鉆孔消耗量和爆破器材的消耗量都有所降低；由于高段爆破屬于擠壓介質爆破，炸藥的單耗將有所提高，但爆破效果如爆堆的集中性和破碎度的均勻性均有提高，從而有利于提高采裝、運和破碎過程的效率。

2.2 方案比選及經濟效果分析

針對上述各方案，在提出方案的過程中對方案內部的小方案進行了初步比選，結果為：

方案一：組合臺階開采方案是通過最下部臺階傾斜劃分，吸收半臺階，進而采用寬采掘帶雁形開采；方案二：高臺階拋擲爆破方案通過合并半臺階，形成高臺階，拋擲爆破后，利用機械式單斗挖掘機配合二次倒堆；方案三：松動爆破分層開采方案。合并半臺階，形成高臺階后，采用松動爆破技術，利用輔采設備分層開采。

根據前述計算，若節省一個平盤的運距，根據該礦現有運量，年節省運費2700萬元，而且隨著開采程序的進行，尖滅臺階的數量會增多，經濟效果更加明顯；原礦圍巖混入率的問題可以通過后期選廠的洗選得到解決；設備購置在費用支出部分所占比重大，根據型號不同費用略有差異，按照市場平均水平計算，一臺推土機的購置費在600萬元，用于倒堆的機械式單斗挖掘機需要將斗臂加長，按照國內55 m3斗容的挖掘機計算為9800萬元，斗容10 m3的液壓挖掘機購置費1500萬元。

從以上分析可以得出結論：采用方案三時，經濟效果最明顯，設備購置年節省費用1200萬元，之后每年節省費用可達2000萬元以上。

3 結 論

(1) 為了解決尖滅臺階穿爆困難，爆破后根底現象嚴重以及采掘設備效率低下的問題，提出4種解決方案，即組合臺階方案、傾斜臺階分層方案、爆破工程優化方案、輔助設備開采方案。對上述方案的實施過程及適用范圍進行了分析。

(2) 以某露天礦山為例，提出3種適合的方案，對組合臺階工作幫運輸平盤寬度、拋擲爆破方案實施方法、松動爆破分層開采方案進行分析，論述各方案優點。

(3) 選取工程適應性、上部水平節省運距減少、礦石質量保證及設備購置為指標對方案進行經濟評價，經計算當采用松動爆破結合輔采設備分層開采方案時，現有開采條件下可節省一個平盤寬度的內排運距，年節約成本1200萬元，為最優方案。

(4) 我國露天礦礦體近水平埋藏時，為了便于設計施工以及設備作業，工作線往往采用全區橫采或分區橫采布置，因此普遍出現臺階尖滅現象。研究露天礦臺階尖滅處理方法不僅可以節省運輸費用，降低穿爆難度，減小根底，同時可提高設備作業效率，節約生產成本，還豐富了露天開采的設計方法。研究結果具有良好的應用價值。