露天礦分期開采及內(nèi)部排土探究

李俊勇

（中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100161）

被剝離巖土的運(yùn)輸與處理成本對露天礦的開采效益有決定性影響，而內(nèi)部排土不僅可以大幅降低運(yùn)輸與土地征用成本，還能夠在礦體采掘過程中及時(shí)回填采空區(qū)，有利于保障生產(chǎn)安全和降低對地下巖土結(jié)構(gòu)、地表生態(tài)系統(tǒng)的干擾。因而在技術(shù)與自然條件允許的前提下，應(yīng)優(yōu)先采用采用分期開采與內(nèi)部排土方式進(jìn)行露天礦的開采。

1 分期開采與內(nèi)部排土的技術(shù)原理和特點(diǎn)

1.1 露天礦分期開采概述

分期進(jìn)行礦床空間分布范圍大、走勢與品位復(fù)雜的露天礦開采有助于控制生產(chǎn)成本，基于對全境界地質(zhì)構(gòu)造、礦體賦存等自然條件以及開采技術(shù)條件的深入分析，明確不同時(shí)期的開采計(jì)劃與具體的工藝方案。通常情況下，可以從空間或時(shí)間維度區(qū)分露天礦的分期開采類型，前者根據(jù)礦體分布、品位變化以及表面覆蓋巖土厚度等特征，在作業(yè)空間上沿縱向或礦體走向?qū)⒉蓤鰟澐譃槿舾蓞^(qū)域，進(jìn)而根據(jù)采掘和排土條件、剝離量等確定開采順序；后者則根據(jù)開采年限將分期開采區(qū)分為長期與短期，但原則上一期開采境界的確定都是以控制基建投資規(guī)模、縮短成本回收周期為目標(biāo)，選擇可至少開采十年的高品位、儲(chǔ)量大且剝離量小的區(qū)域。

1.2 內(nèi)部排土的技術(shù)原理及特點(diǎn)

露天礦開采過程中剝離的礦體周邊巖土需要及時(shí)清運(yùn)和處理，通常情況下可以選擇將其運(yùn)至礦場開采邊界外堆放，或者回填到前期的采空區(qū)，后者即被稱為內(nèi)部排土，是近年來大型露天礦開采活動(dòng)中優(yōu)先使用的排土方式。內(nèi)部排土可以依據(jù)礦床走勢、地質(zhì)構(gòu)造特征選擇擴(kuò)充式或分區(qū)式內(nèi)排，前者可以實(shí)現(xiàn)采掘與內(nèi)排土臺階同步推進(jìn)，即直接將被剝離的土石方回填至采空區(qū)域；后者則需要率先將采場選定區(qū)域開采至設(shè)計(jì)標(biāo)高，并且使其容積、作業(yè)空間滿足內(nèi)部排土條件，再正式開始邊采掘邊回填模式，所以需要事先規(guī)劃出短期的外部排土場。

2 開采技術(shù)方案的設(shè)計(jì)原則

2.1 分期方式的選擇

根據(jù)礦體走勢、分布以及覆蓋巖土厚度特征進(jìn)行分區(qū)并確定開采次序，原則上在剝離量小、最易形成滿足設(shè)備運(yùn)行需求的內(nèi)部排土場的區(qū)域開展一期開采，并且保證其開采時(shí)間可以持續(xù)十年以上[1]。當(dāng)?shù)V床為緩傾或水平且分布范圍偏大時(shí)，可以按照其走勢在空間上進(jìn)行分期，率先開采礦體厚度大且剝離量相對較小的區(qū)域。而對于傾角偏大、向地下深處延伸的礦床，則在縱深方向?qū)嵤┓制陂_采，原則上在初期基建投資回報(bào)率最高、可以快速形成內(nèi)部排土場的區(qū)域進(jìn)行一期開采。

2.2 內(nèi)部排土技術(shù)方案的設(shè)計(jì)

露天礦的內(nèi)部排土技術(shù)方案設(shè)計(jì)應(yīng)以總體運(yùn)輸功最小化為指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，在初步確定分期方案之后，基于對不同階段剝離量、采空區(qū)容積變化的分析和計(jì)算，進(jìn)行內(nèi)部排土開采技術(shù)方案的優(yōu)化。從而明確內(nèi)部排土場的位置、運(yùn)輸?shù)缆吩O(shè)計(jì)參數(shù)，論證和比較擴(kuò)充式與階段式內(nèi)排采掘和排土工藝方案的經(jīng)濟(jì)性，確定最終的分期開采計(jì)劃。

3 露天礦開采技術(shù)方案的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.1 分期與內(nèi)部排土方式的選擇

在確定分期開采和內(nèi)部排土方案的過程中，首先需要搜集具體露天礦的全境界環(huán)境條件、礦藏分布等方面的資料，通過現(xiàn)場勘查核實(shí)儲(chǔ)量、開采邊界并估算剝離總量。其次，根據(jù)已有地質(zhì)勘查資料與技術(shù)條件明確一期開采內(nèi)部排土場底盤的位置，通過估算和分析剝離量、采掘作業(yè)強(qiáng)度論證內(nèi)部排土方案的可行性。并且根據(jù)外部排土條件分析分區(qū)內(nèi)排所需的作業(yè)空間、外運(yùn)土石方量的大小，進(jìn)而確定排土場的結(jié)構(gòu)參數(shù)并優(yōu)化巖土流向，比對并選擇運(yùn)輸功最小的排土技術(shù)方案。

3.2 各分期的開采與回填范圍劃定

在依據(jù)前文所述原則確定露天礦的一期開采目標(biāo)區(qū)域之后，應(yīng)結(jié)合已有技術(shù)條件劃定開采邊界并明確采掘方式。首先一期開采范圍的界定不僅要確保內(nèi)排底盤作業(yè)空間滿足采掘設(shè)備作業(yè)要求，而且應(yīng)考量一期采掘和內(nèi)排臺階與二期開采工藝的銜接，以最合理的方式完成覆蓋巖土的剝離和回填，以達(dá)到運(yùn)輸功最小化的目標(biāo)[2]。其次，依據(jù)地質(zhì)勘察獲得的數(shù)據(jù)構(gòu)建分析模型，模擬分期開采和內(nèi)部排土過程，分析礦體采掘外運(yùn)量與剝離量的變化過程，論證內(nèi)部排土場的形成和演變能否滿足采掘和運(yùn)輸要求。

3.3 運(yùn)輸?shù)缆芬?guī)劃以及采掘、運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)

在實(shí)施露天礦的分期開采和內(nèi)部排土作業(yè)時(shí)，當(dāng)一期開采深度達(dá)到內(nèi)部排土場底盤設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，需要根據(jù)開采境界的環(huán)境條件特征設(shè)計(jì)采掘、內(nèi)排臺階以及采場的空間構(gòu)建模式。其次，運(yùn)輸路線的規(guī)劃設(shè)計(jì)以運(yùn)距最小且總體運(yùn)輸功最小為原則，根據(jù)內(nèi)排技術(shù)條件可以靈活選擇運(yùn)輸設(shè)備組合，以保障采掘進(jìn)度與排土效率。而在深凹的露天礦開采區(qū)域內(nèi)，為了保障生產(chǎn)安全并控制運(yùn)距，可以使用皮帶式運(yùn)輸設(shè)備或絞車提升配合車輛完成排土和礦產(chǎn)外運(yùn)。

3.4 主要工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

鑒于大型露天礦的每一個(gè)開采周期都需要延續(xù)相當(dāng)長的時(shí)間，通過構(gòu)建模型并模擬整個(gè)工藝流程來明確各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，能夠讓開采過程更加順利并保障生產(chǎn)安全。首先，根據(jù)對一期開采小境界剝離量、開采邊界和礦體儲(chǔ)量的計(jì)算數(shù)據(jù)，結(jié)合采掘設(shè)備、技術(shù)條件確定開采進(jìn)度、內(nèi)部排土場形成時(shí)間。當(dāng)采用分區(qū)內(nèi)排方案時(shí)，明確臨時(shí)性外部排土場的位置、大小以及運(yùn)輸方案。其次，確定采場的空間位置參數(shù)，優(yōu)化采掘推進(jìn)速度和內(nèi)部排土臺階的寬度等參數(shù)以及巖土流向，原則上臺階高度應(yīng)小于20m。而二期開采所剝離的巖土總量須小于一期采空區(qū)的容量，并且在回填后的礦坑底部道路設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)所用設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)需要確定道路寬度。

4 結(jié)語

雖然內(nèi)部排土與分期開采相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用時(shí)間相對較短，但已經(jīng)在煤炭、金屬等多種類型的露天礦藏開采中得以成功運(yùn)用，相比傳統(tǒng)的外部排土模式顯著降低了開采成本，而且有助于于精確控制開采區(qū)域內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性，也解決了因棄土堆置造成的生態(tài)環(huán)境污染與環(huán)境安全問題。而在信息技術(shù)日益成熟的背景下，可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)高效、精確的完成露天礦分期開采與內(nèi)部排土技術(shù)方案的模擬和優(yōu)化。所以在未來的大型露天礦開采工程中，這一模式必將得到更多的應(yīng)用。