急傾斜大型礦體露天開采擴(kuò)幫延深和剝巖內(nèi)排的探討

范立軍，張 軍，曾朋毅

(本鋼礦業(yè)公司，遼寧 本溪 117000)

0 引言

在傾斜急傾斜大型礦體露天開采單一采坑開采過程中，因缺少巖石內(nèi)排方案指導(dǎo)，沒有實(shí)施開采剝巖與內(nèi)排巖石同步進(jìn)行，最終留下一個(gè)采礦“大坑”。因此在露天礦山開采周期內(nèi)存在這樣一個(gè)潛在的效益增長(zhǎng)點(diǎn)，即將采礦“大坑”作為資源升級(jí)利用[1]，探討利用“大坑”內(nèi)排當(dāng)期剝離巖石發(fā)揮其價(jià)值，成為創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的新增長(zhǎng)點(diǎn)。

1 礦山現(xiàn)狀

實(shí)踐礦山的礦體屬“鞍山式”沉積變質(zhì)型鐵礦床，礦床由Fe8、Fe7、Fe6三條鐵礦體組成，其中Fe8、Fe7礦體規(guī)模較大，是主要開采礦體，平面上呈“r”字型分布(見圖1)，礦體走向近南北，走向長(zhǎng)度700～1 300 m，傾向近西，傾角60°～80°，屬急傾斜礦體，延深控制標(biāo)高-650 m，絕對(duì)高差850 m。Fe7號(hào)礦體水平厚度10.60～68.84 m，平均厚度36.51 m，F(xiàn)e8號(hào)礦體水平厚度25～135 m，平均厚度52 m，其中Fe8號(hào)礦體北部厚大，最大水平厚度153 m，延深方向形態(tài)穩(wěn)定，該部位分臺(tái)階礦石量136萬t，是該礦床礦體最厚大部位。全礦床鐵礦石資源量1.56億t，平均品位25%～28%，礦體開采規(guī)劃0 m以上露天開采，公路開拓系統(tǒng)，臺(tái)階高度12 m，開采礦石量4 370萬t，封閉圈標(biāo)高108 m，產(chǎn)能400萬t/a[2]；0 m以下地下開采，地質(zhì)礦量1.03億t，豎井+斜坡道聯(lián)合開拓，無底柱分段崩落法采礦，設(shè)計(jì)產(chǎn)能400萬t/a[3]。當(dāng)前，F(xiàn)e7號(hào)礦體露天開采已閉坑(采至0 m露天境界底)，F(xiàn)e8號(hào)礦體南端部已延深至0 m露天境界底，中部臺(tái)階24 m，北部擴(kuò)幫區(qū)現(xiàn)有兩個(gè)臺(tái)階60 m和48 m，掘溝為48～36 m臺(tái)階，境界內(nèi)剩余可礦石量350萬t，礦山露天開采設(shè)有三座排土場(chǎng)，均已排滿停用，其中3號(hào)排土場(chǎng)位于采礦場(chǎng)上盤西側(cè)，排土標(biāo)高為229 m。礦山正在開展露天轉(zhuǎn)地下開采過渡工作以及過渡期礦石量的準(zhǔn)備工作。

圖1 Fe7號(hào)礦(右側(cè))和Fe8號(hào)(左側(cè))位置

2 礦山開采面臨的問題

礦山開采包括露天開采和地下開采兩部分，當(dāng)前露天開采已到末期，境界內(nèi)剩余礦石量不足1年，地下開采設(shè)計(jì)基建期4年，露天開采轉(zhuǎn)地下開采平穩(wěn)過渡面臨問題如下：

1)露天開采轉(zhuǎn)地下開采過渡期礦石量不足。露天開采境界內(nèi)0 m露天底以上剩余礦石量350萬t；礦山外排土場(chǎng)內(nèi)礦石資源回收產(chǎn)能50萬t/a。對(duì)照400萬t/a計(jì)劃產(chǎn)量，采場(chǎng)礦石量加上外排土場(chǎng)回收礦石產(chǎn)量，年總礦石產(chǎn)量?jī)H能滿足1年生產(chǎn)需要。地下開采基建工程剛開始，設(shè)計(jì)建設(shè)期4年，基建期第3年帶礦10萬t，第四年帶礦30萬t。對(duì)照礦山需求礦石量計(jì)算，礦石量有3年缺口，缺少礦石量1 010萬t。

2)露天開采擴(kuò)幫延深剝巖無排土場(chǎng)。礦山Fe8號(hào)礦體北部擴(kuò)幫延深面臨的問題是，礦山的原外排土場(chǎng)已排滿，新征地設(shè)外排土場(chǎng)，受土地政策限制無法實(shí)現(xiàn)，礦山擴(kuò)幫延深剝巖沒有土場(chǎng)容納，制約礦山排巖。

3)露天轉(zhuǎn)地下開采無實(shí)施巖石覆蓋層的經(jīng)濟(jì)方案。礦山開采是上部礦體采用露天開采、下部礦體采用地下開采，將由現(xiàn)在的露天開采轉(zhuǎn)為地下開采，采用無底柱分段崩落法采礦，安全采礦和均衡放礦等技術(shù)均要求在覆蓋層下進(jìn)行放礦，首個(gè)進(jìn)路回采放礦前需要在露天底形成不小于40 m厚度的巖石覆蓋層(見圖2)，并且在生產(chǎn)過程中，礦山應(yīng)控制覆蓋層厚度不小于36 m[3]。當(dāng)前，從外排土場(chǎng)取巖石內(nèi)排露天采坑不經(jīng)濟(jì)，沒有實(shí)施巖石覆蓋層的經(jīng)濟(jì)方案。

圖2 地下開采巖石覆蓋層

4)礦山上盤外排土場(chǎng)壓覆擴(kuò)幫境界。礦山Fe8號(hào)礦體北部擴(kuò)幫延深需要外擴(kuò)，礦山的上盤土場(chǎng)壓入擴(kuò)幫界線內(nèi)60 m，同時(shí)土場(chǎng)底腳線與露天開采境界的間距需滿足冶金礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求留40 m以上的寬平臺(tái)。這樣，上盤土場(chǎng)壓覆擴(kuò)幫一部分區(qū)域，原外排土場(chǎng)部分巖石需要搬遷。

3 擴(kuò)幫延深和巖石內(nèi)排的可行性

擴(kuò)幫延深境界的范圍考慮多個(gè)因素，其中包括經(jīng)濟(jì)合理剝采比[3]，礦山過渡期需求礦石量、剝巖量和土場(chǎng)搬遷巖石量之和不大于最大內(nèi)排空間容量及覆蓋層需求巖石量等。通過方案比較后分析確定擴(kuò)幫延深境界。

3.1 擴(kuò)幫延深和內(nèi)排部位的選擇

1)Fe8號(hào)礦體北部礦體厚大，厚度85～135 m，走向長(zhǎng)350 m，分層礦量較大，選為擴(kuò)幫延深區(qū)域，能最大限度滿足礦山開采規(guī)模的要求。

2)Fe8號(hào)礦體北部當(dāng)前最低生產(chǎn)作業(yè)水平是36 m，端部生產(chǎn)標(biāo)高108 m，沒有形成高陡邊坡，有利擴(kuò)幫連幫，有利實(shí)現(xiàn)平均生產(chǎn)剝采比低于經(jīng)濟(jì)合理剝采比。

3)上盤土場(chǎng)緊鄰Fe8號(hào)礦體北部區(qū)域的堆排巖量較少，土場(chǎng)邊坡較緩，土場(chǎng)邊界與擴(kuò)幫延深境界重疊部位的二次倒運(yùn)方量可控。

4)在Fe7號(hào)礦體800 m長(zhǎng)的露天礦坑和Fe8號(hào)礦體中南部600 m長(zhǎng)的露天礦坑設(shè)內(nèi)排土場(chǎng)，最低排巖標(biāo)高0 m，最高排巖標(biāo)高160 m，內(nèi)排土場(chǎng)與擴(kuò)幫延深開采作業(yè)互不干擾。

3.2 露天開采擴(kuò)幫延深的原則

1)以擴(kuò)幫延深區(qū)范圍內(nèi)工業(yè)礦量為基礎(chǔ)，以礦山開采有盈利為目的，滿足擴(kuò)幫延深境界剝采比小于等于經(jīng)濟(jì)合理剝采比6.0 t/t要求。

2)發(fā)揮露天開采的優(yōu)點(diǎn)，盡可能把較多的礦石圈定在露天開采的境界內(nèi)。

3)露天采場(chǎng)的最終邊坡角不大于邊坡穩(wěn)定性分析所允許的邊坡角度，保證露天采場(chǎng)生產(chǎn)期間邊坡處于穩(wěn)定可控狀態(tài)。

4)考慮上盤土場(chǎng)的影響和下盤生態(tài)紅線的限制，采場(chǎng)擴(kuò)幫延深范圍不能進(jìn)限制區(qū)域。

5)利用露天開采剝巖為地下開采設(shè)置巖石覆蓋層，露天開采剝巖與內(nèi)排空間容量實(shí)現(xiàn)剝巖與內(nèi)排量的統(tǒng)一[4]。

4 擴(kuò)幫延深方案

根據(jù)礦體賦存條件、邊坡穩(wěn)定性研究成果、邊坡出露巖體穩(wěn)定狀況、采坑空間形狀、礦區(qū)已有設(shè)施的分布，編制Fe8礦體北部擴(kuò)幫延深方案設(shè)計(jì)，盡可能穩(wěn)產(chǎn)400萬t/a的礦石規(guī)模，延長(zhǎng)露天開采服務(wù)年限，為露天轉(zhuǎn)地下開采過渡期提供較充足可采礦石量。

4.1 擴(kuò)幫延深方案的選擇

確定露天開采擴(kuò)幫延深境界的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)露天開采采礦量最大。采用2個(gè)方案進(jìn)行比較，方案一是擴(kuò)幫延深至-60 m境界方案，方案二是擴(kuò)幫延深至-72 m境界方案，2個(gè)方案分層礦石量、巖石量對(duì)比見表1。采用自上而下的逐臺(tái)階開采方法，土場(chǎng)壓占區(qū)域局部采用陡幫開采，分兩個(gè)條帶延深，靠采場(chǎng)原邊坡處布置首個(gè)采掘工作線，作業(yè)方向?yàn)橛赡隙撕捅倍藘蓚€(gè)方向向中部推進(jìn)。

表1 方案一和方案二各臺(tái)階礦巖量對(duì)比

露天底-60 m時(shí)，平均剝采比2.85 t/t。露天底-72 m時(shí)，平均剝采比2.76 t/t。露天底由-60 m降至-72 m，平均剝采比2.76 t/t，多采礦石148.78萬t，多剝巖石295.08萬t，境界剝采比1.98 t/t。延深開采剝采比變化不大，反映出經(jīng)濟(jì)上沒有趨向于不利，而開采礦石量的增加有利礦山延續(xù)露天開采，繼續(xù)延深受上盤土場(chǎng)二次倒方巖石量增大、內(nèi)排土場(chǎng)容量限制以及下盤生態(tài)紅線制約不能再外擴(kuò)境界，只能最大限度保證露天開采轉(zhuǎn)地下開采過渡期內(nèi)礦石滿足需要。因此，選用方案二即-72 m露天底作為擴(kuò)幫延深方案。圖3為原境界開采終了圖，圖4為擴(kuò)幫延深開采終了圖。

圖3 原境界開采終了圖(0 m露天底)

圖4 擴(kuò)幫延深開采終了圖(-72 m露天底)

4.2 剝巖內(nèi)排土場(chǎng)

內(nèi)排土場(chǎng)采用自卸卡車配合推土機(jī)進(jìn)行排土作業(yè)，排土過程中先形成地下開采覆蓋層再進(jìn)行正常巖石排土作業(yè)，F(xiàn)e8號(hào)礦體北部擴(kuò)幫延深部位覆蓋層，由內(nèi)排巖石倒方形成。按規(guī)范要求原上盤排土場(chǎng)底腳與擴(kuò)幫地表周界之間留40 m平臺(tái)的安全距離，第四系土嚴(yán)禁在內(nèi)排土場(chǎng)排棄，要求作為礦山復(fù)墾土使用另行堆存。

內(nèi)排土場(chǎng)總體布置為中部低，南、北部高。單段排土高度為24 m，分為144、120、96、72、48、24 m共6個(gè)排土臺(tái)階，總堆置高度為144 m，各排土臺(tái)階之間留有不少于30 m的安全平臺(tái)，臺(tái)階坡面角為巖石自然安息角，總體邊坡角不大于22°，滿足土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析要求[5]。內(nèi)排土場(chǎng)容積為1 902萬m3(折合巖石3 800萬t)，滿足擴(kuò)幫延深開采全部剝巖量?jī)?nèi)排的要求。圖5為內(nèi)排土場(chǎng)終了模型。

圖5 內(nèi)排土場(chǎng)終了模型

4.3 開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置

擴(kuò)幫延深的總出入溝設(shè)在Fe8號(hào)礦體北端部108 m，向東與7號(hào)礦坑北端連通，用于近距運(yùn)輸并內(nèi)排巖石；向下與回返+螺旋式布置的固定公路連接并延深至露天底；向南與過渡幫上臨時(shí)公路連接到達(dá)0 m露天底。三個(gè)方向的公路保證分區(qū)開采剝巖滿足“高標(biāo)高排、低標(biāo)低標(biāo)”的排巖總原則；Fe8號(hào)礦體北端幫采出礦石經(jīng)總出入溝直接運(yùn)往選礦廠，生產(chǎn)開采與巖石內(nèi)排互不影響。

4.4 排采驗(yàn)證

采用專用軟件進(jìn)行采剝進(jìn)度計(jì)劃的模擬，依據(jù)結(jié)果，第1年采剝總量為1 650萬t，其中礦石量350萬t，巖石量1 300萬t，生產(chǎn)剝采比3.71 t/t；第2年采剝總量為1 550萬t，其中礦石量350萬t，巖石量1 200萬t，生產(chǎn)剝采比3.43 t/t；第3年采剝總量為1 050萬t，其中礦石量350萬t，巖石量700萬t，生產(chǎn)剝采比2.0 t/t；第4年采剝總量為820萬t，其中礦石量300萬t，巖石量520萬t，生產(chǎn)剝采比1.73 t/t。露天開采服務(wù)年限4年，穩(wěn)產(chǎn)年限3年。

4.5 效益分析

1)經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在礦山內(nèi)排剝巖運(yùn)距比礦山剝巖外排運(yùn)距縮短明顯，剝巖內(nèi)排就是將剝巖從采場(chǎng)的一端搬運(yùn)到另一端，汽車運(yùn)輸中平坡短而且爬升高差小，運(yùn)距就近；對(duì)照剝巖外排就是將剝巖從采場(chǎng)內(nèi)搬運(yùn)到采場(chǎng)外，汽車運(yùn)輸中平坡長(zhǎng)而且爬升高差大、運(yùn)距遠(yuǎn)。實(shí)施內(nèi)排的兩個(gè)案例礦山內(nèi)排土場(chǎng)運(yùn)距比外排土場(chǎng)運(yùn)距縮短2.23 km，內(nèi)排剝巖6 840萬t，運(yùn)輸單價(jià)0.76元/噸千米，總經(jīng)濟(jì)效益11 600萬元。

2)社會(huì)效益。社會(huì)效益主要體現(xiàn)在礦山內(nèi)排剝巖減少碳排放量、減少壓占綠地面積，同時(shí)內(nèi)排土場(chǎng)穩(wěn)定性好于外排土場(chǎng)，避免社會(huì)長(zhǎng)期追加維護(hù)費(fèi)用。實(shí)施內(nèi)排的兩個(gè)案例礦山，運(yùn)距縮短和內(nèi)排剝巖同上，汽車柴油單耗0.960公斤/萬噸公里，柴油汽車排放CO2單位3.1863 t(CO2)/t(柴油)，內(nèi)排剝巖減少碳排放量4.67萬噸CO2，減少壓占綠地面積49.74萬平方米。

5 結(jié)語(yǔ)

在急傾斜大型礦體露天開采中，結(jié)合礦體賦存、采坑形狀、礦山裝備水平等特點(diǎn)，在露天采場(chǎng)終了境界內(nèi)探討技術(shù)經(jīng)濟(jì)上可行的開采與剝巖內(nèi)排生產(chǎn)之間協(xié)調(diào)統(tǒng)一的方法，用于長(zhǎng)期指導(dǎo)礦山生產(chǎn)，從源頭上既能降低礦山運(yùn)營(yíng)成本、降低碳排放量，又能減少外排剝巖實(shí)現(xiàn)減少壓占綠地面積，降低礦山開采對(duì)周邊環(huán)境的影響，助力礦山綠色高效發(fā)展。