峨口鐵礦露天轉地下開采工程設計研究

姜 鵬 劉俊平

(1.中冶北方工程技術有限公司，遼寧 大連 116600；2.太鋼代縣礦業有限公司，山西 忻州 034000)

0 引言

某礦區位于山西省代縣，該礦是集采礦、選礦、球團為一體的聯合型企業，礦山1970年恢復建設，1977年7月投產，采用露天開采方式，至今共開采礦石大約1.7 億t。露天采場劃分為南、北兩區。南區劃分為南東、南西露天采場；北區劃為北東、北西露天采場。目前南東、北東露天采場已經閉坑，正在生產的露天采場有南西、北西二個露天采場。

南東露天采場已于2016年閉坑，作為內排土場；南西露天采場最低開采標高1 660 m，最高開采標高1 684 m，境界內剩余礦量460 萬t；北東露天采場已于2012年閉坑，作為內排土場；北西露天采場最低開采標高1 648 m，最高開采標高1 672 m，境界內剩余礦量790 萬t。

1 礦山資源現狀

1.1 礦床地質特征

峨口鐵礦開采的主礦體是Fe3，Fe3礦體東西出露長7 000 m，Fe3礦體南北寬3 500 m，最大厚度230 m，均厚為57.82 m。分布在12～56線之間，賦存標高在0～500 m。礦體走向50°～110°傾向為南南東或北北西，傾角在12°～70°之間，受褶皺構造控制明顯，層狀、似層狀態，產狀呈現緩、陡、直立以及倒轉的變化。

礦石硅高，鈣、鎂、鉀、鈉低，屬酸性礦石。南區主要圍巖是角閃片巖、綠泥石英片巖、含鐵石英巖以及少量云母石英片巖等。北區主要圍巖是角閃片巖、云母石英片巖、石榴石云母石英片巖。礦區工程地質條件中等，地質環境質量中等，水文地質條件簡單。

1.2 保有資源量

開采范圍內Fe3礦體保有資源量23 509.84 萬t，其中北區保有資源/儲量7 374.75 萬t ，南區保有資源量16 135.09 萬t。

2 礦山開采設計方案

2.1 采用開采方式及開采范圍

設計根據峨口鐵礦礦體賦存條件，采用地下開采方式。

設計開采范圍在平面上為南區12～56勘探線之間和北區12～28勘探線之間的礦體，在深度上為1 972～1 462 m標高之間的礦體。南區在28～36勘探線之間為無礦帶區域，因此南區又以此為界劃分南區西部和南區東部兩個采區進行開采，北區為一個采區，3個采區根據礦體賦存標高開采范圍見圖1。

圖1 開采范圍平面示意圖

南區西部：12～28勘探線間1 972～1 504 m之間礦體；南區東部：36～52勘探線間1 864～1 504 m之間礦體；北區：12～28勘探線間1 714～1 462 m之間的礦體。

2.2 建設規模

設計分別按有效進路數量、礦山開采年下降速度、新水平準備時間對礦山年產量進行了驗證，地下開采總規模為750 萬t/a，其中南區西部350 萬t/a，南區東部200 萬t/a，北區200 萬t/a。礦山服務年限為25年，穩產17年。

2.3 開拓系統

2.3.1 階段劃分

礦山共劃分3個采區，根據各采區礦體賦存條件，每個采區劃分為兩個階段，其中：

南區西部：1 972～1 738 m、1 738～1 504 m兩個階段；南區東部：1 846～1 738 m、1 738～1 504 m兩個階段；北區：1 714～1 606 m、1 606～1 462 m兩個階段。

利用礦山南西露天采場溜井-粗破碎-膠帶平硐(1 660 m水平)運輸系統，以1 738 m水平為界，將礦山劃分為上階段開拓系統和下階段開拓系統。其中：上階段開拓系統有南區1 738 m階段；下階段開拓系統有南區1 504 m階段、北區1 606 m階段和北區1 462 m階段，見圖2。

圖2 開采范圍立面示意圖

2.3.2 利舊工程

為減少露天轉地下過渡基建期，節省礦山初期基建投資，設計利用露天現有工程如下：

1)利用南西露天采場溜井-粗破碎-膠帶平硐運輸系統。1 738 m階段以上(上階段)開采時，利用現有南西露天采場溜井-粗破碎-膠帶平硐運輸系統，上階段礦石經南西露天采場溜井-粗破碎-膠帶平硐運輸系統運至選廠，膠帶平硐標高1 660 m水平。

2)利用現有地表膠帶運輸系統。1 738 m階段以下(下階段)開采的礦石由新建膠帶斜井提升至地表后，利用現有地表膠帶運往選廠?，F有地表膠帶包括Ⅱ硐2#膠帶機和Ⅱ硐3#膠帶機。為滿足新建膠帶運輸系統運量的要求，需要對地表Ⅱ硐2#膠帶機和Ⅱ硐3#膠帶機進行提速改造。

3)利用現有北東露天采場運輸系統膠帶斜井和1 490 m回風平硐。利用北東露天采場運輸系統膠帶斜井進風。

利用北東露天采場運輸系統1 490 m回風平硐與下階段(除北區1 462 m階段以外)1 504 m專用排水平硐相接，將1 504 m以上露天和井下涌水排出地表。

4)利用北西露天1 624 m運輸平硐。北西露天1 624 m運輸平硐為無軌運輸平硐，北東露天采場閉坑內排廢石后不再使用，并將平硐北口進行封堵。利用該平硐作為北區1 606 m階段開采進風平硐使用。

2.3.3 開拓系統

為充分利用露天現有工程，即南西露天采場溜井-粗破碎-1 660膠帶平硐運輸系統，南區以1 738 m水平為界，分別在1 738 m和1 504 m布置階段運輸水平。1 738 m階段礦石運輸利用現有南西露天采場溜井-粗破碎-膠帶平硐運輸系統；1 504 m階段礦石運輸系統采用新建膠帶斜井系統運輸。

為充分利用露天現有工程，即北西露天1 624 m運輸平硐，北區以1 606 m水平為界，北區分別在1 606 m和1 462 m布置階段運輸水平。兩個階段礦石運輸均由新建膠帶斜井系統運輸。

開拓系統分為上階段開拓系統和下階段開拓系統。

1)上階段開拓系統

南區1 738 m階段采用膠帶平硐、斜坡道聯合開拓系統。膠帶平硐即南西露天采場現有1 660 m溜井-粗破碎-膠帶平硐運輸系統。

南區1 738 m階段在28線～36線之間存在無礦帶，將該階段礦體自然分成東、西兩部分。該階段礦體開采只有運輸水平共用1 738 m運輸水平外，其他開拓系統各自獨立。

南區1 738 m階段采場礦石經過采區溜井下放至運輸水平，采用20 t電機車牽引8輛10 m3底側卸式礦車卸入礦石主溜井，破碎后，經現有南西露天采場1 660 m溜井-粗破碎-膠帶平硐運輸系統運至選廠。上階段開拓系統見圖3。

圖3 上階段開拓系統示意圖

2)下階段開拓系統

(1)南區1 504 m階段開拓系統

南區1 504 m階段采用膠帶斜井、主斜坡道聯合開拓，礦石集中運輸方案。膠帶斜井為礦山新建膠帶斜井系統。

南區1 504 m階段采用膠帶斜井、主斜坡道聯合開拓。

在南區中部28勘探線附近無礦帶集中設置兩臺地下破碎，從破碎站至現有北區膠帶斜井硐口的轉運站間設置一條膠帶斜井。斜井斜長1 121.554 m，角度為12.404°。

南區1 504 m階段在36～56線之間存在無礦帶，將該階段礦體自然分成東、西兩部分。該階段礦體開采只有運輸水平共用1 504 m運輸水平外，其他開拓系統各自獨立。

南區1 504 m階段采場礦石經過采區溜井下放至運輸水平，采用20 t電機車牽引8輛10 m3底側卸式礦車卸入礦石主溜井，破碎后，經新建膠帶斜井礦石運輸系統提升至地表，經原有地表膠帶通廊轉運至選廠。

(2)北區開拓系統

北區采用膠帶斜井、斜坡道聯合開拓系統。北區1 606 m階段和1 462 m階段采場礦石經過采區溜井下放至運輸水平，采用20 t電機車牽引8輛10 m3底側卸式礦車卸入新建膠帶斜井礦石主溜井，破碎后，經新建膠帶斜井系統提升至地表，經原有地表膠帶通廊轉運至選廠。下階段開拓系統見圖4。

圖4 下階段開拓系統示意圖

2.4 通風系統

2.4.1 南區通風系統

1)南區1 738 m階段通風系統

南區1 738 m階段在36～56線之間存在無礦帶，將南區該階段礦體自然分成東、西兩部分。該階段礦體開采只有運輸水平共用1 738 m運輸水平外，東、西部采區的通風系統都是相互獨立的。

(1)南區1 738 m階段東部設計采用多級機站通風方式，對角式通風系統。1 732 m平硐、1 768 m進風平硐進風，各分段與地表相通的平硐口和1 744 m回風平硐回風。

(2)南區1 738 m階段西部設計采用多級機站通風方式，中央對角式通風系統。1 732 m平硐、1 744 m進風平硐和1 756 m進風平硐進風，南區西主回風井和北區主回風井回風。

2)南區1 504 m階段通風系統

南區1 504 m階段在36～56線之間存在無礦帶，將南區該階段礦體自然分成東、西兩部分。該階段礦體開采只有運輸水平共用1 504 m運輸水平外，東、西部采區的通風系統都是相互獨立的。

(1)南區1 504 m階段東部設計采用多級機站通風方式，中央對角式通風系統。南區主進風井和北東露天采場膠帶斜井進風，1 810 m回風平硐、南區東主回風井和膠帶斜井回風。

(2)南區1 504 m階段西部設計采用多級機站通風方式，中央對角式通風系統。1 732 m平硐、1 756 m進風平硐和盲進風井進風，南區西主回風井和北區主回風井回風。

2.4.2 北區通風系統

1)北區1 606 m階段設計采用多級機站通風方式，中央對角式通風系統。1 624 m平硐進風，北區主回風井回風。

2)北區1 462 m階段設計采用多級機站通風方式，中央對角式通風系統。1 624 m進風平硐和盲進風井進風，北區主回風井回風。

2.5 井下排水

因該鐵礦屬高山型礦床，設計充分利用地形和露天原有工程，采用平硐排水方案。

1)南區1 738 m階段地下涌水，經采區進、回風天井下泄到1 738 m運輸水平，經過平硐排至露天坑。露天坑底部積水經南東露天采場坑底導水通道、1 522 m倒段排水巷道、泄水井和1 504 m專用排水平硐，經1 490 m平硐排出地表。

南區1 504 m階段地下涌水，經采區回風天井下泄到1 504 m運輸水平，再經過1 504 m專用排水平硐和1 490 m平硐排出地表。

2)北區1 606 m階段地下涌水，經采區回風天井下泄到1 606 m運輸水平，再經過泄水井(Φ1.5 m)、1 504 m專用排水平硐和1 490 m平硐排出地表。

北區1 462 m階段地下涌水，經采區回風天井下泄到1 462 m運輸水平，再經過1 462 m專用排水平硐排出地表。

3)新建膠帶斜井和其底部破碎系統的井巷涌水，匯集到1 397 m水平水窩泵站，經破碎系統電梯井泵至1 504 m運輸水平加壓泵站，再經3#回風天井泵至1 810 m高位水池供生產使用。剩余的涌水經過1 504 m專用排水平硐和1 490 m平硐排出地表。

2.6 采礦方法

根據峨口鐵礦露天采場境界外礦體開采技術條件，區別于新建的地下開采礦山，峨口鐵礦露天轉地下開采方法的選擇，在已形成的露天采場及土場用地范圍內，在不新增用地及盡量減少地表擾動的前提下，優先選擇安全條件好、開采成本低、資源回收利用率高、生產效率高的采礦方法。因此，設計選擇無底柱分段崩落法。

無底柱分段崩落法采用的結構參數為18 m(分段高度)×20 m(進路間距)。

3 露天轉地下生產銜接

峨口鐵礦露天轉地下工程過渡的關鍵制約因素有三條：一是露天采場和地下采區能否安全生產，互不影響；二是過渡期產量波動??；三是盡快達產。

1)調整南西露天采場開采計劃，將南西西掛幫采區完全采用無底柱分段崩落法，加快南西西掛幫采區礦體開采。盡快釋放南西西掛幫采區的生產能力，使得在南西露天采場結束前形成南西地下采區生產能力才是峨口露天轉地下平穩過渡的關鍵。

2)減緩北西露天采場開采。該區轉入地下生產時，其地下生產能力會有一個緩慢上升過程。這樣就要求該區轉入地下生產的時間盡量在南西區和南東區達到一定規模后進行，進而配合其他采區使礦山穩產過渡。

3)在南西地下采區生產能力達到一定規模后，盡可能地降低南東地下采區的生產能力，使得三個地下采區基本同時結束，延長礦山穩產時間。

4 覆蓋層

覆蓋層分為無底柱分段崩落法礦石覆蓋層和露天底巖石覆蓋層兩個部分。

將每個采區首采二分段，即在南區1 738 m階段西部1 972～1 954 m、1 954～1 936 m回采分段、南區1 738 m階段東部1 846～1 828 m、1 828～1 810 m回采分段、北區1 606 m階段1 714～1 696 m、1 696～1 678 m回采分段崩落的礦石作為覆蓋層。在露天境界和臺階部位，掛幫礦體每個分段靠近露天境界和臺階部位的礦體都應留做覆蓋層。為保證礦石覆蓋層厚度及其使用效果，設計采用中深孔爆破方式對覆蓋層礦體進行爆破，只采出本分段崩礦量的1/3，其余作為礦石覆蓋層。

南東、南西露天坑下部有地下開采礦體和需保護的井巷，需要巖石覆蓋層；北西露天坑下部無地下開采礦體和需保護的井巷設施，不需要巖石覆蓋層。

目前露天采場剩余廢石量30 萬m3，可直接內排。設計考慮南東露天底覆蓋層通過露天境界剩余廢石內排的方式形成，南西露天底覆蓋層通過露天境界剩余廢石內排和回填排土場廢石相結合的方式形成，設計覆蓋層厚度為40 m。

5 結語

通過從以下幾個方面介紹了某鐵礦露天轉地下開采工程的設計要點，對今后由露天開采轉入地下開采的礦山有一定的借鑒意義。

1)充分利用露天已有工程，減少露天轉地下過渡基建期，盡快轉入地下開采達到礦山規模平穩過渡的目的。

2)采用分期建設方式，節省礦山初期基建投資。

3)高山型礦床的露天轉地下開采礦山可利用平硐排水，以減少投資、降低礦山運營成本。

4)選擇適當采礦方法回收掛幫礦體資源，提高產量，保證礦山生產穩定性。