露天轉井下開采掛幫礦石處理及覆蓋層形成方案研究

郁 平

(河北鋼鐵集團礦業有限公司廟溝鐵礦，河北 秦皇島 066501)

0 引言

廟溝鐵礦露天采場馬上閉坑，正在準備回填覆蓋層，轉井下工程首采分段采切工程即將完工，待通風排水等輔助設施具備后，可進行首采分段回采。對于特殊位置的西邊幫400 m、380 m首采分段，臨近露天采場邊幫，利用崩落掛幫礦作為覆蓋層，既可降低礦石貧化率，在施工過程中可對部分礦石進行回收，剩余部分作為覆蓋層，回收的部分礦石，彌補過渡期資源缺口。

1 開采現狀

該礦已開采至372 m水平，按設計已是最后一個開采水平，將近閉坑。露天轉井下工程已施工5年，部分工程已完成，待露天采場開采完畢，進行覆蓋層回填工程。露天采場部分邊幫仍覆存部分掛幫礦石，在露天轉井下開采過渡期，合理回收掛幫礦石，彌補礦石資源缺口，在保證生產連續性的同時也要確保井下的開采安全。

2 露天采場掛幫礦石的儲量及賦存狀態

露天開采最低水平372 m，通過對實測回來的現狀圖，利用CAD、南方Cass等軟件工具圈定采場覆存掛幫礦量共約422.0萬t，其中所有礦石量、高程點、等高線等數據均以現場實測為準。

1) 北端幫隔離礦柱礦量100萬t。為確保小斜坡道試驗礦塊開采和露天同時開采的安全性，留設了的隔離礦柱。上水平標高492 m，下水平標高372 m。頂寬約20 m，底寬約280 m。

2) 西邊幫掛幫礦量：250萬t。分布范圍從1線到8線連續分布，走向長度約600 m。礦體覆存狀態幾乎呈直立，夾角80多度，各斷面形狀近似直角三角形。北部和南部的礦石量較少，中部礦石量較多。各剖面的形態如下：

0E：底標高372 m，臺階邊界到礦體距離約50 m，頂標高420 m，高48 m。

8W：底標高396 m，臺階邊界到礦體距離寬28 m，頂標高420 m，高24 m。

2E：底標高372 m，臺階邊界到礦體距離90 m，頂標高462 m，高90 m。

3)南部邊幫礦量：30萬t。南端幫440～636 m標高之間，厚度約20～30 m之間的一層礦體，礦體傾角56°。

4) 東部邊幫礦量：42萬t。為少數零星的小礦體，品位低，為Fe2品位礦石。

3 覆蓋層厚度

《金屬非金屬礦山安全規程》中規定：無底柱分段崩落法工作面的上方應有大于分段高度的覆蓋層，本礦山分段高度20 m，按照無底柱分段崩落法開采技術要求至少是分段高度的2倍，因此覆蓋層厚度大于40 m，隨著地下開采落礦的需要，人工回填補充覆蓋層厚度。

4 掛幫礦處理及覆蓋層形成方案比較

4.1 方案簡介

此次設計對掛幫礦處理及覆蓋層形成提出了兩個可行性方案：

方案一：露天開采期間提前進行掛幫礦處理工程的施工，露天開采結束之后立即進行掛幫礦的崩落形成礦石覆蓋層，在礦區西側形成首采礦塊。

方案二：露天開采結束之后，利用汽車運輸方式將排土場廢石人工回填至露天坑形成覆蓋層，然后在覆蓋層的保護下進行掛幫礦回采，繼而進行正常分段的回采。

4.2 崩落掛幫礦形成覆蓋層(方案一)

1)西邊幫采用中深孔爆破以露天采場為爆破自由面，一次爆破約40 m，不必專門開鑿補償空間。其掛幫礦量處理的工程如下：

露天采場采用潛孔鉆將372～396 m平臺爆破。在西邊幫400 m分段、380 m分段掘進鑿巖巷道，分段鑿巖巷通過采區斜坡道聯通，并均與小斜坡道和輔助斜坡道貫通。扇形孔穿孔設備采用Simba H1354鑿巖臺車，炮孔直徑Ф80 mm，炮孔最大深度控制小于28 m。(注：所有設備型號、及技術指標均以初步設計為依據。)

崩落掛幫礦的工程量為：分段鑿巖巷3 870 m，斜坡道及聯巷680 m，中深孔16.9萬m，潛孔鉆鉆孔6 000 m。爆破礦石量217.1萬t,夾層巖石量49.6萬t。

2)北端幫留有為確保小斜坡道地下開采與露天采場同時進行且安全可靠的保安礦柱。在回采保安礦柱時，崩礦、落礦過程中不可避免地會有礦石滾落到露天采坑，這部分崩落礦體可補充覆蓋層厚度。

3)采場南部掛幫礦采用硐室爆破，布置爆破硐室12個，硐室工程量：12×9 m3=108 m3；硐室聯巷300 m。西邊幫掛幫礦首次爆破后，立即進行南邊幫掛幫礦量的爆破，爆破礦石量48.6萬t。在有傾角56°的邊幫進行爆破，肯定會有大量的崩落礦石可滾落露天坑底，此部分滾落礦體可補充覆蓋層厚度，見圖1。

圖1 西幫400 m分段邊坡實際圖

4)由于東邊幫傾角較小，爆破后崩落礦石無法自溜到露天坑底，因此東邊幫掛幫礦暫不處理。

5)露天采場除東幫以外的3個方向的邊坡掛幫礦都以崩落的方式處理后，在不考慮邊坡經誘導的冒落圍巖量，露天坑底西側會形成40～50 m之間厚度的礦石覆蓋層(2～4線最厚)，東側可形成約大于30 m礦石覆蓋層(0～1線最薄)。除0～1線東側以外，基本可滿足地下開采覆蓋層的要求。

井下首采分段的覆蓋層是處理掛幫礦過程中形成的礦石覆蓋層，部分覆蓋層厚度可能會存在30 m以下，未達到40 m的情況，此問題可在回采前利用采礦進路及切割巷道崩落頂、底板圍巖，繼續補充覆蓋層厚度，最終保證大于40 m的覆蓋層要求。

6)工程量與投資。西邊幫：分段鑿巖巷3 870 m，簡易斜坡道及聯巷680 m，斷面均為17.27 m2，巷道掘進工程量78 578.5 m3。中深孔16.9萬m，露天多功能潛孔鉆鉆孔6 000 m。爆破礦石量217.1萬t,夾層巖石量49.6萬t。

南邊幫掛幫礦量采用硐室爆破，布置爆破硐室12個，硐室工程量：12×9 m3=108 m3；硐室聯巷300 m，斷面均為9 m2，巷道掘進工程量2 680 m3。爆破礦石量48.6萬t。

合計掘進工程量81 386.8 m3，按300元/m3，投資2 441.6萬元。

中深孔爆破礦、巖量266.7萬t，按12元/t，投資3 200.4萬元。

硐室爆破礦石量48.6萬t，總裝藥量145.8 t，炸藥費用按6 248元/t，投資91.1萬元。

總投資5 733.1萬元。(注：所有工程量均以設計圖紙斷面尺寸計算得來，投資以現施工單價預算得來。)

工期：掛幫礦處理的掘進工程量4 850 m/81 386.8 m3，設計在基建期(主提升系統投產前)完成處理掛幫礦的分段鑿巖巷1 000 m以及簡易斜坡道及聯巷680 m。其他工程約3 170 m在主提升系統投產后進行，分二個掘進隊，月進尺120 m/隊，約9個月完成。包括中深孔鑿巖工作，全部工程在露天閉坑前完成。

4.3 汽車運輸廢石形成廢石覆蓋層方案(方案二)

1)覆蓋層的結構。因露天轉井下的提前下采用無底柱分段崩落法進行回采井下礦石，必然存在覆蓋層與露天開采最低水平覆存的礦體的空間位置、地下放礦過程中松動體和放出體的空間關系，在充分考慮覆蓋層的一些安全要求，如防竄風、防滲流、防寒、防泥石流等一定防護作用，分別為H2層和H1層，見圖2。

圖2 覆蓋層的結構

第一步先在坑底部采用汽車將排土場巖石人工回填的方式形成覆蓋層的下層，即H2層。按照放礦理論，下層與首采分段的礦石分層存在松動體合放出體的關系，防止細小顆粒形成泥石流通道，H2層理想的粒度結構應接近首采分段落礦礦石層粒度結構。H2層粒度結構和厚度的要求為：

(1)該層回填物料粒度不小于20 mm即可(篩掉細粒結構)。

(2)回填物料中100 mm或更大顆粒比例不小于40%。

(3)該層厚度不小于20 m。

第二步，在H2層上繼續人工回填補充覆蓋層厚度，即H1層。因為該層直接與露天相接，為防止井下空氣串槽，露天雨水下滲等情況，所以H1層的物料粒級組成、結構要求主要考慮孔隙度、密實度。根據排土場廢石的粒度構成情況，該層的主要粒度成份要求為：

(1)粒徑不大于5 mm的細顆粒與大于5 mm的粗顆粒在該層中的比例為3:7。

(2)該層厚度不大于25 m。

2)覆蓋層的厚度

覆蓋層由下層H2和上層H1兩層構成，覆蓋層的整體厚度等于H1和H2兩層之和，覆蓋層的整體不小于45 m，考慮覆蓋層的形成方式，設計取覆蓋層厚度48 m。

3)汽車運輸工程量

露天最低開采水平372 m，尺寸400 m×50 m。

西掛幫礦從1E到8E呈連續分布形態，走向長度將近600 m。產狀為礦體傾角接近垂直，各斷面形狀近似直角三角形。北部和南部礦石量較少，中部礦石量較多。

汽車運輸形成的覆蓋層沿礦體傾向呈階梯狀，將露天坑底及西側邊幫掛幫礦全部覆蓋，垂直厚度48 m。西側覆蓋層最高標高510 m，中部覆蓋層最高標高468 m，東側覆蓋層最高標高420 m。覆蓋層的走向長度400 m(底部)～600 m(頂部)；水平投影寬度100～150 m。平均按走向長度500 m，寬度125 m，垂直厚度48 m計算，覆蓋層最終體積300萬m3，考慮1.2的沉降系數，實際需要填方廢石360萬m3，按1.8 t/m3的容重計，約合648萬t。

4)工期及投資

(1)按設備臺效計算。目前考慮巖石覆蓋層主要來自排土場翻選，平均運距4.5 km，采用42 t礦用汽車，時速空車上坡時25 km/h，重車下坡15 km/h，來回一趟折返時間大約30 min。裝車需要6 min，汽車調頭翻卸需要5 min，總的計算完成一次運輸作業循環需要41 min，按每車裝載土方量30 t計算，臺效43.3 t/臺·h，按日工作15 h計算，則每月臺效為2萬t/臺·月。挖掘機每小時可裝車7.5車，臺效225 t/臺·h。

(2)廢石回填方案經濟概算。礦用汽車礦山前期已經投入，為已有設備，不需增加投入，此方案新投入主要為廢石鏟裝和運輸費用，總費用為3.956元/m3，覆蓋層采用廢石回填方案經濟總投資為2 563.5萬元。

5)對首采階段采礦工藝和放礦制度的要求

在與坑底垂直距離最近的首采分段開采時，需要調整爆破參數，炸藥單耗，具體優化方案和參數可以在實際崩礦、放礦過程中再定。在回采過程中為避免出現過早的貧化，降低礦石質量的問題，可以考慮優化回采礦石的塊度大小，盡量做到與H2層的粒度相接近，避免出現粒度級別差距過大情況。

隨著井下放礦過程，覆蓋層侵入礦石中，造成覆蓋層損失變薄，應崩落上、下盤圍巖予以補充。

4.4 方案對比與結論

方案一崩落掛幫礦形成覆蓋層方案總費用為5 733.1萬元，方案二廢石回填方案總投資為2 563.5萬元，方案一比方案二增加投資3 169.6萬元。

但方案一的優勢在于：

1)盡管方案一比方案二增加投資3 169.6萬元，但崩落掛幫礦需要的費用無法避免，并且方案二形成覆蓋層后回采掛幫礦時所需要的采切工程將要比崩落掛幫礦形成覆蓋層工程量大，同時還需要增加溜井系統和通風系統等工程。因此，若以全部回采過程的采礦費用計算，方案二要比方案一投資更高。

2)方案一可在露天開采結束之后能盡快的在礦體的西側首采礦塊上部形成覆蓋層，相比方案二達產時間可提前約8個月，過渡期間可多生產礦石約80萬t。按每t礦石利潤93.3元計算，可增加收益7 464萬元。

3)方案一是以崩落礦石作覆蓋層，生產初期采用無貧化放礦，礦石的貧化指標會大幅度優于方案二。礦山回采期間可逐漸誘導露天邊幫垮塌，覆蓋在礦石覆蓋層之上，并逐漸將礦石覆蓋層回收，因此，回收率指標也不會低于方案二。

4)采用無貧化放礦，放礦管理為定量管理：爆破多少礦石回采多少礦石，避免了截止品位放礦制度需要隨時控制放礦截止品位，管理相對簡單。

但方案一的缺點是需要在露天開采結束之后進行多次露天邊幫掛幫礦大爆破，并且伴有形成的覆蓋層的厚度不均勻的現象，靠近西幫的覆蓋層厚度較大而靠近東幫的覆蓋層厚度較小。可采用與方案二相結合，在西側首采礦塊回采期間，采用汽車運輸方式從東部邊坡向東側礦石覆蓋層上部補充廢石至覆蓋層厚度滿足設計要求。

通過以上比較，此次設計推薦采用方案一與方案二相結合的方式形成覆蓋層：主要以崩落掛幫礦為主形成覆蓋層、配合汽車運輸廢石對東側覆蓋層補充至厚度滿足設計要求。

廟溝鐵礦5線以南340～380 m水平的平均開采面積約為7.0萬m2，如考慮形成40 m厚的覆蓋層約需要280萬m3，考慮 1.1的厚度不均勻系數后約需要308萬m3。設計安排露天開采結束后掛幫礦的爆破量為礦巖84.1萬m3，考慮1.5的松散系數后，可形成的126.2萬m3的礦石覆蓋層。因此本次設計廢石回填量為181.8萬m3。

5 結語

對于無底柱分段崩落法開采的露天轉井下礦山在特殊的過渡銜接期間，掛幫礦的回收處理與覆蓋層形成存在著密切的聯系，崩落邊坡掛幫礦當覆蓋層，既能達到回收部分礦石的目的，又能滿足轉地下工程的安全回采的要求，實現特殊時期的生產需要，實現礦山發展連續性。