黑龍山鐵礦二期露天轉地下開采實踐

劉懷智 張洪雷

(1.中冶北方(大連)工程技術有限公司，遼寧 大連 116600；2.通化鋼鐵集團板石礦業有限責任公司，吉林 白山 134300)

0 引言

露天礦在開采后期要面臨著轉地下開采問題，露天轉地下開采是一項系統工程，各工藝系統相互制約，影響因素復雜，一方面要保障露天正常生產，另方面又要進行地下開采基建，在產量安排，開采順序，時空關系，周邊安全問題都要仔細研究。

1 礦山概況

1.1 開采現狀

黑龍山鐵礦二期為生產礦山，礦界內有南、北兩個含礦帶(下稱南區、北區)，淺部均為露天開采，其中北區以1 500線為界，1 500線以北至2 000線屬于一期范圍，一期+35 m水平以下已轉入地下開采，設計規模為礦石100萬t/a，采用主、副井-主斜坡道聯合開拓，現有主井為箕斗井，提升能力110萬t/a(礦巖混提)，主井-325 m水平以下設破碎系統，地表設干選。現有副井為罐籠井，服務至-325 m水平，擔負人員材料和掘進廢石提升，-325 m水平設水倉泵房。主斜坡道直通地表，負責大件設備調度。系統開拓標高為+35～-325 m，首采區段為+35～-85 m，階段高度120 m，目前覆蓋層厚度已達100 m以上，一期于2014年投產，2015年達產，計劃2022年轉入-205 m階段開采。

北區1 100～1 500、南區300～1 100線范圍礦體采用露天開采，北區露天采場臺階高度為10 m，最高標高+130 m，最低標高-70 m，封閉圈標高+70 m，采場上口尺寸：420 m×380 m，下口尺寸135 m×25 m，采場總出人溝布置在礦體南端部，標高為+70 m。南區露天采場臺階高度10 m，采場最高標高+130 m，最低標高-55 m，封閉圈標高+110 m，采場上口尺寸:910 m×460 m，下口尺寸830 m×35 m。南區露天1 100線以北淺部礦體露天采場欠剝巖量較大，剝采比達到4～11.64 t/t，但為保證自有選廠生產，露天開采仍在進行。

南北露天采場均采用公路開拓，汽車運輸，北區采場總出人溝標高為70 m，運輸線路采用折返式布置在礦體南端下盤；南區采場總出人溝總出人溝標高為110 m，布置在礦體西部上盤。采場采用牙輪鉆穿孔，電鏟鏟裝，20 t自卸式汽車運輸。采出礦石經露天運輸道路運至廟二選廠。

北區1 100～1 500線、南區300～1 100線露天開采范圍以外礦體為二期露天轉地下開采對象，南區露天滯后北區4年轉入井下開采。兩區礦石生產規模合計由226 t/a逐年遞減至68萬t/a。轉入坑內開采后，二期范圍內開采規模合計200萬t/a。

1.2 資源量

黑龍山鐵礦礦床屬于沉積變質礦床，賦存于太古界遷西群三屯營組黑云變粒巖、黑云淺粒巖、磁鐵石英巖中。區內礦床分為南、北兩部分，南區蔡園鐵礦床和北區蔡園西溝鐵礦床由于受FK4斷裂破碎帶影響，形成兩個截然不同的構造單元，南區蔡園鐵礦床為一單斜構造，斷裂構造為成礦后斷層，對礦體有一定破壞作用，走向NNE，傾向NW，傾角40°～60°，次一級褶皺不發育，礦層產狀與巖層產狀基本吻合。北區蔡園西溝礦床地質構造復雜，褶皺構造以緊密倒轉為特點，斷裂構造韌性斷層呈帶狀展布為特征。向斜皺褶較緊密，軸面總體走向為NE 30°，傾向NW，傾角60°～70°間。因受韌性斷層的影響，使向斜的局部位置遭受破壞，如翼部的礦體呈透鏡體及扁豆體。

北區N 1 500線以南露天終了境界露天底標高為-70 m，北區N 1 500線以南露天掛幫礦量118萬t，主要集中于北端，北端掛幫礦量為96萬t，-70 m水平以下礦石量750萬t。南區露天終了境界露天底標高為-55 m。南區露天N 1 100線以南掛幫礦量172萬t，主要集中于南端，-55 m水平以下礦石量748萬t。南北礦帶間平行展布，間距約100 m。

2 露天轉地下開采設計中的主要技術問題

2.1 掛幫礦體開采

掛幫礦體一般具有“上部短小，下部厚大”的特點，開采期內產量不均衡，具備條件時宜提前開采，因此應首先研究在露天開采期間，能否利用現有露天開拓運輸系統將掛幫礦體予以回收。

北露天境界開采對象是Ⅲ-1號礦體，為急傾斜礦體，北露天境界掛幫礦體主要集中在境界北端部1 400～1 500勘探線之間，賦存標高主要在+10～-70 m之間，露天底標高-70 m，北露天開采總出入溝在露天境界南端幫，且掛幫礦體位于一期地下開采影響范圍內，不具備利用現有露天開拓運輸系統回收北區掛幫礦體條件，因此選用地下開采方式進行回收該部分掛幫礦體。

掛幫礦礦體和相鄰一期地下開采礦體為連續礦體，在地下開采的巖體移動范圍內設置20 m保護帶，回采時利用一期地下開采分層脈外聯絡巷道將掛幫礦各分層聯通，利用分層聯絡巷道向礦體布置回采進路，靠近露天邊幫時，控制炮孔裝藥量，以減小對露天邊幫的影響，見圖1。

圖1 北區露天掛幫礦體開采示意圖

南區露天境界主要開采對象是Ⅵ號礦體，露天境界最低標高-55 m，總出入溝在露天境界上盤，300線～1 100線之間境界外總掛幫礦量172萬t，主要集中在境界南端部和南部下盤300～700勘探線之間，掛幫礦量為135萬t；境界上盤和北端部共有37萬t掛幫礦量，位于工業場地和地表聯絡道路保安礦柱內，暫不利用。南區掛幫礦賦存標高主要在+60～-55 m之間，上部短小，下部厚大。南區首先進行300～1 100勘探線間露天開采(服務期4年)，然后進行南區1 100～1 700勘探線之間露天開采(服務期4年)，南區露天開采共服務8年。鑒于南露天采場較長，露天道路及寬平臺完整，并且南露天采場后期距離南掛幫礦礦較遠，因此，露天開采期間可進行掛幫礦體開拓。

南區掛幫礦體開采設計考慮了兩個開采方案,方案一是斜坡道開拓系統,采用坑內斜坡道和現有露天采場公路運輸系統進行開拓。方案二是豎井開拓，利用南區-205 m階段主回風井臨時提升系統作為掛幫礦開采主提升井。方案一斜坡道開拓系統工程量較大，投資略高，但生產靈活，掛幫礦開采規模大，可以在短期內完成掛幫礦回收任務。方案二利用二期深部開采工程，工程量較少，投資略少，但基建工程施工速度慢，臨時提升系統提升能力有限，掛幫礦回收期長。經過方案比選，最終確定選用方案一開采南區掛幫礦。方案具體如下：

設計規模：掛幫礦體第一年基建，第二年投產，投產規模為40萬t/a，第三年生產規模為60萬t/a，第四年生產規模為35萬t/a。

開拓系統：利用現有露天采場公路運輸系統，采用斜坡道開拓系統，包括主斜坡道、回風安全井、+60 m回風平硐和-50 m排水平硐。斜坡道出口與露天采場+30 m寬平臺相通。硐內運輸采用坑內卡車在采場裝礦后經斜坡道運出地表，經地表干選拋廢后，由露天卡車經現有露天道路運至選廠，在井下掛幫礦端部回風側設回風安全井，上口與+60 m回風平硐相連，下口與-50 m水平排水平硐相連。

采礦方法：掛幫礦體賦存在露天采場南端部及下盤南端部，回采高度90 m，礦體傾角67°，平均厚度約30 m，掛幫礦開采需在4年內完成，以便盡快轉人-205 m階段礦體開采，見圖2。

圖2 南區露天掛幫礦體開采示意圖

如果考慮空場法回采時，礦柱回收困難、礦石回采率低，不可取。考慮充填法回采時，工藝環節多，工序時間長，回采成本高，亦不可取。因此，較為合適的采礦方法為無底柱分段崩落采礦法，此方法在覆蓋層下回采進路內后退式采礦，采場作業安全、產量提升潛力大，與深部采礦方法相同。

無底柱分段崩落法結構參數為：分段高度15 m，進路間距15 m，回采進路垂直礦體走向布置，一分段出1/3礦石，二分段出2/3礦石，形成30 m厚度礦石覆蓋層。

通風系統:掛幫礦體開采通風系統采用主扇通風，抽出式通風方式，主扇設在+60 m回風平硐。采場新鮮風流從-50 m進風排水平硐和斜坡道進入井下、在局扇作用下進人工作面，沖洗工作面的污風經回風巷和回風安全井到+60 m回風平硐排出地表，掛幫礦開采總風量為60 m3/s。

2.2 掛幫礦開采與深部開采各系統銜接

2.2.1 開拓系統銜接

掛幫礦開采作為該礦露天轉地下開采重要環節，需要與露天開采同時結束，以達到充分回收礦產資源，保證礦山露天轉地下生產連續性，掛幫礦開采開拓工程布置時應兼顧邊坡安全。

礦山一期工程計劃2022年轉入-205 m階段開采；二期在2014年開始計時，北露天采場可服務3年，北區深部開拓工程基建期5年，基建結束后與一期同時轉入-205 m階段開采；二期南區2014年開始計時，南區300～1 100勘探線露天開采可服務4年，2018年開始轉入南區掛幫礦開采和南區1 100～1 700勘探線露天開采，繼續服務4年，同時開展南區-205 m階段基建，基建期4年，完成后與北區深部一同轉入-205 m階段礦體開采。

掛幫礦采用斜坡道開拓系統，充分利用現有露天道路作為掛幫礦外運道路，在靠近掛幫礦露天寬平臺處施工斜坡道，在開采錯動范圍外施工回風平硐，避免邊坡滑坡影響平硐安全。地下階段開拓系統工程建成后，-50 m水平以下礦石由采區溜井卸放至階段運輸水平，再運至主溜井破碎系統破碎后由主井提升至地表，至此掛幫礦開拓完成，生產全面轉入深部開拓系統。

2.2.2 產量銜接

通過二期基建計劃編制，二期北區轉地下工程2017年開始基建，基建時間為5年，二期南區掛幫礦和南區深部基建2018年同時開始，掛幫礦服務4年，南區露天也服務4年，2022年深部礦體開拓系統形成后，南北露天同時轉地下開采，與一期共同形成300萬t/a(一期100萬t/a)能力。

2.2.3 采準銜接

掛幫礦采礦方法為無底柱分段崩落法，其結構參數與深部無底柱分段崩落法一致，分段高度15 m，進路間距15 m，礦體平均厚度較大，因此回采進路按垂直礦體走向布置，掛幫礦進路方向與深部礦開采進路方向一致，深部采礦參數無需調整，采準過渡銜接方便。

2.2.4 通風銜接

掛幫礦回風系統屬于獨立回風系統，與深部礦體的回風系統互不干擾，無需調整。

2.3 礦石覆蓋層和防水墊層形成

2.3.1 掛幫礦開采覆蓋層形成

為實現擠壓爆破條件，改善礦石回收和貧化指標，同時在采場上部形成安全緩沖墊層，無底柱分段崩落法開采時，需在開采礦體上部形成一定厚度的覆蓋層。

該工程掛幫礦覆蓋層形成時，一是礦體上部兩個分段內崩落礦石的1/3和2/3留在采場內作為礦石覆蓋層，二是在靠近露天邊邦設10～15 m礦柱，防止坑內采場放炮將礦石崩入露天采場，同時起到開采期間穩固邊坡作用，見圖3。

圖3 掛幫礦體開采近露天邊邦礦柱設置示意圖

2.3.2 防水墊層形成

露天轉地下開采的礦山，需在露天底部設防水墊層，用以減緩暴雨期間露天采場的地表匯水快速滲入井下，減輕井下排水的壓力，保證井下各系統安全。同時較厚的防水墊層有利于防止采場漏風和采場防凍。

防水墊層宜采用廢石形成，該項目防水墊層厚度按照不小于40 m考慮[1]，其形成方法主要有外運或內排巖石方法形成、爆破邊幫形成等方法。結合礦山開采實際情況，北區露天防水墊層采用外運巖石回填形成，南區露天防水墊層由南區1 100～1 700勘探線間露天開采的廢石回填形成，深部開拓系統投產前需完成防水墊層形成工作，見圖4。

圖4 露天轉地下礦石墊層和廢石防水層設置示意圖

2.4地下開采開拓系統選擇

設計對深部開拓系統進行了多方案比選，選取主副井-斜坡道聯合開拓方案、主斜坡道方案進行了詳細技術經濟比較，最終推薦主副井-斜坡道聯合開拓方案，新建一條主井(箕斗井)、一條副井(罐籠井)、一條南區主回風井、一條北區主回風井，見圖5。

圖5 露天轉地下開采開拓系統縱投影圖

新建主井為箕斗井(+110～-550 m)，采用礦巖混提方式，承擔采場礦石和采準巖石提升任務，礦石提升量為200萬t/a，廢石提升量為20萬t/a，地表設置大粒度干選拋廢設施。井筒凈直徑5 m，最低服務到-400 m水平，提升機選用JKM3.5×6多繩摩擦提升機一臺，單箕斗配平衡錘提升，電機功率N=2 100 kW，配15 m3底卸式單箕斗。

新建副井為罐籠井(+110～-590 m)，擔負井下人員、材料、廢石(新水平準備)及部分小型設備提升任務，井筒凈直徑6.5 m，最低服務到-400 m水平，同時作為破碎系統提升井使用，安裝一臺JKMD3.25×4型落地式多繩摩擦提升機，選擇雙層雙車多繩罐籠，電機功率為N=1 250 kW。提升YFC0.7-7翻轉式礦車(粉礦)和YGC1.2-7固定式礦車(新水平出碴)。副井兼作為進風井使用。

南區礦體開拓時，在南區南端部礦體下盤最終錯動界限外布置一條南區主回風井，主回風井上口標高為+103 m，下口標高-205 m，井筒直徑為Φ4 m，內設梯子間，兼作南區主要安全出口。為加快南區工程施工進度，南區主回風井建成后安裝臨時提升設施，擔負南區開拓系統基建出渣。

北區礦體開拓時，為不影響一期回風系統使用，在北區礦體中部下盤最終錯動界限外布置一條北區主回風井，北區主回風井上口標高為+109 m，下口標高-205 m，回風井井筒直徑為6.0 m，內設梯子間，兼作北區主要安全出口。

階段高度為120 m，運輸水平標高分別為-205 m、-325 m、-400 m。

2.5礦界間礦柱回收問題

相鄰礦界內露天開采時，礦界間都設有一定距離的隔離礦柱，企業在各自礦界內露天開采，其開采范圍得以有效控制，兩露天礦之間相互影響較小。當露天開采結束轉入地下開采后，由于深部礦體開采導致地表錯動范圍增大，隔離礦柱也會進入地下開采錯動范圍內，因此隔離礦柱資源回收也要妥善解決，避免造成資源浪費和相鄰礦山開拓系統相互影響。

該項目中，相鄰礦山在設計初期屬于礦權整合區范圍，但至今未整合完成，因此設計要求二期投產前，將處于開采影響范圍內礦體的礦權明確，在未獲得相關開采手續前，井下開采錯動界限不得影響礦界礦柱及相鄰礦礦體開采安全，同時礦界內設保安礦柱，對礦界隔離礦柱加以保護。通過地方管理部門協調，礦山已和相鄰礦達成礦界礦柱及影響范圍內礦體處置方案，以資源置換方式解決礦權問題，同時相鄰礦加快基建進度，二者開采保持在同一開采階段標高內，避免了開拓系統相互影響，避免了資源浪費，實現相互安全開采，見圖6。

圖6 相鄰礦界保安礦柱設置圖

3 結語

礦山二期基建于2014年底開始，北區露天2017年底閉坑轉入覆蓋層形成工作，南區露天在2018年底開始進行掛幫礦基建和南區1 100～1 700勘探線間露天開采，南區掛幫礦2019年投產，目前生產水平由60 m標高開采至0 m標高，累計出礦量40多萬t。

生產實踐證明，掛幫礦開拓通風系統和采礦方法是合適的，可在短時間內實現礦山產量接續。掛幫礦體采用平硐-斜坡道開拓，充分利用現有露天寬平臺和露天道路運輸系統，縮短了掛幫礦基建時間、降低礦石外部運輸成本；通風系統運行安全平穩；采礦方法與深部采礦方法一致，避免采礦參數調整，該方法開采強度大，生產安全可靠，實現掛幫礦體安全、高效開采。

掛幫礦開采后，在礦體上部露天邊坡已產生塌陷，設計已考慮到掛幫礦體開采導致邊坡塌陷問題，選取的斜坡道和回風平硐均在邊坡塌陷影響范圍外，從而避免露天邊坡塌陷威脅。

深部開拓系統2017年開始基建，目前主井、副井和主回風井井筒已施工完成，主、副井井塔已建成，設備安裝調試結束，北區開拓工程已完工，具備投產條件；南區-205 m階段基建工程在2022年也將建成后，實現南北區露天轉深部開采過渡。

黑龍山鐵礦二期工程建設中遇到的問題及其解決辦法對即將轉入地下開采的露天礦山有一定的借鑒意義：

1)準備工作應提前進行

本項目露天采場閉坑前4年開始進行該項目的設計工作，時間較為寬裕。同時，礦山一期2008年由露天轉入地下開采，有實踐經驗人員儲備充足，因此各方面工作進展順利。

2)掛幫礦體開采與露天開采共同進行

由于掛幫礦體“上小下大”的普遍特點，致使掛幫礦的產量不均衡，初期產量低，因此應研究掛幫礦體與露天開采同時生產的可能性，提前創造全面轉地下開采條件。

3)露天開采后期，應研究開采順序，方便利用露天采場實施內排，以減少排巖成本。

4)應充分研究項目周邊礦權設置及相互影響，對設有隔離礦柱和開采錯動界限有重疊情況，應研究礦柱聯合開采可行性，避免資源破壞，對暫時不能聯合回收資源，應以保護為主。

對于露天轉地下開采的礦山，通過露天掛幫礦開采與深部開采統籌考慮，在各工藝環節做到合理銜接，就可以順利實現露天轉地下開采的平穩過渡。