露天轉地下開采的平穩過渡方案與技術措施

路增祥，孟凡明，蔡美峰

(1.北京科技大學土木與環境工程學院,北京 100812；2.撫順罕王傲牛礦業股份有限公司，遼寧 撫順 113001)

隨著對礦產資源需求的增加和開采強度的不斷加大，淺部資源日益減少，目前我國許多礦山都相繼進入或即將進入由露天開采轉入地下開采的狀態。露天轉地下開采礦山存在著露天開采臨近結束和地下開采逐步開始的交替時期，在此時期內，露天與地下兩種開采方式存在著時間和空間上的相關性，表現出露天開采量不斷減少而地下開采量逐漸增加的特征。

在露天轉地下開采過程中，由于礦體的賦存狀態和礦床的開采技術條件的差異，以及露天與地下開采的設計方案和工程建設具體條件的不同，許多礦山采取了不盡相同的過渡方案。為確保露天開采平穩過渡到地下開采，實現露天轉地下開采期間礦山生產能力的平穩過渡，李斯基[1]根據國內外有關露天轉地下開采礦山的實際資料，探討了實現露天開采不停產向地下開采過渡的相關問題。王運敏等人[2]通過對露天轉地下開采平穩過渡關鍵技術的研究，力求解決露天與地下聯合開采帶來的特殊技術問題，實現礦山生產的平穩過渡。甘德清等人[3]結合寬城建龍鐵礦的開采現狀和對穩產過渡的要求，通過對多種過渡期聯合開采方案的技術經濟分析比較，提出了該礦保證過渡期時間和產量的合理銜接的露天轉地下開采的穩產過渡方案。還有人[4-9]結合露天轉地下開采礦山生產的實際情況和特殊性，從不同角度研究了過渡期的平穩過渡方案與措施。平穩過渡方案的研究是確保露天轉地下開采過渡期產量銜接的關鍵技術內容之一，本文基于露天轉地下相互協調安全高效開采關鍵技術的研究，以本溪罕王礦業有限公司孟家鐵礦露天轉地下開采工程為例，對露天轉地下開采平穩過渡的關鍵技術進行了研究，以期對我國即將實施露天轉地下開采的礦山有所指導。

1 露天轉地下開采的過渡方案

在一定的開采技術經濟條件下，當露天開采深度超過其極限開采深度時，礦床的開采就必須實現從露天開采向地下開采轉變。為確保露天開采平穩過渡到地下開采，在露天轉地下開采過程中，根據礦體的賦存狀態、礦床開采技術條件和露天與地下開采設計方案的不同，許多礦山采取統籌考慮礦山露天開采和地下開采工程建設的具體條件，采取了不盡相同的過渡方案。如：銅關山銅礦露天轉地下開采中，采用有底柱分段崩落法，在地下開采的同時，三角礦柱由露天不擴幫下采，深孔一次爆破，礦石由地下運出的過渡期過渡方案；鳳凰山鐵礦采用了留境界礦柱消除露天開采與地下開采相互干擾的過渡方案；冶山鐵礦、折腰山銅礦和石人溝鐵礦則采取了平面分區，露天分區段結束，坑內分區段投產過渡方案；而永平銅礦[10]采取了先期從南坑開始，然后向北坑過渡，最后回收邊幫殘留礦體的分區分期交替過渡方案。代碧波等人[11]在綜合分析了峨口鐵礦礦山資源、露天生產現狀、露天采剝進度計劃以及地下開采分區的基礎上，提出了地下產能配合露天產能生產銜接和露天產能配合地下產能生產銜接兩大過渡方案等。

從礦山采礦生產是否停產角度，露天轉地下開采的過渡方案可分為停產過渡和不停產過渡兩種過渡方案，考慮到不停產過渡方案的優點[1]，更多的礦山在露天轉地下開采中采用了不停產過渡方案。

從時間和空間的相關性方面，露天轉地下開采的過渡方案可以以下幾類：

1)留境界礦柱過渡方案。此方案是在露天與地下開采之間留設境界礦柱，該境界礦柱即露天開采與地下開采隔離層，同時也是地下開采的安全頂柱。該方案的優點在于有利于消除露天開采與地下開采的相互干擾，實現露天與地下同時施工作業；能夠實現露天轉地下開采過渡期礦山生產規模的最大化；能有效地防止露天積水大量涌入地下，使地下建設與開采更加安全。能夠消除地下通風系統的漏風問題，使通風效率大為提高。其缺點是若境界礦柱永久保留則造成大量礦石損失；若回收境界礦柱，則在安全與技術方面存在較大的難度。鳳凰山鐵礦和石人溝鐵礦南區的露天轉地下開采，均采取了留境界礦柱的過渡方案。除崩落法以外的全部地下采礦方法均適用于此方案。

2)境界內全面過渡方案。此方案是露天開采境界范圍露天坑的底板標高已全部達到露天極限開采深度，在露天開采境界范圍內全面展開轉入地下開采工程的方案。該方案實施時，礦山的露天開采已全部結束，地下開采根據采準工程的準備情況和井下生產規劃與總體布局方案，可全面展開也可局部展開地下開采。該方案的優點在于露天開采與地下開采相互之間幾乎沒有影響。其缺點表現在若生產組織稍有不慎，則有可能會導致礦山生產接續出現困難。全部地下采礦方法均適用于此方案。

3)境界內分區過渡方案。此方案是根據露天開采在平面范圍內的不同降深和地下開采工程的進展，沿露天坑長度方向進行平面分區，實施露天分區段結束、坑內分區段投產過渡的方式。該方案的優點在于地下開采系統的分區段提前投產，有利于抵消露天采礦能力下降給礦山生產規模帶來的不利影響；露天生產的分區段結束，使生產區段的剝離可以實現廢石的內排，有利于降低過渡期的礦山生產成本。其缺點是地下開采與露天開采會產生相互影響。全部地下采礦方法均適用于此方案。

2 孟家鐵礦露天轉地下開采過渡方案

2.1 礦山露天開采現狀及地下開采工程概況

孟家鐵礦于2003年建成投產。孟家鐵礦礦區地處遼東山區，礦區地勢平緩，鐵礦體傾角為62°～87°，礦體厚度6.0～43.2m，礦體賦存標高+200～-300m 之間。根據孟家鐵礦床礦體的賦存特征及開采技術條件，該首期采用了露天開采方式進行回采。經過近十年的開采，該礦已由山坡開采轉入凹陷開采，露天坑封閉圈標高為+155m，坑底最低標高為+70m。到2009年1月止，露天開采境界范圍內保有的可采儲量約2856.6kt，按1200kt/a的采礦生產能力，露天開采的剩余服務年限僅有2.38年。

露天坑開采結束時，露天坑坑底標高為+70m，坑底長度約500m，坑底寬為22～36m，最終邊坡角上盤為52.6°，下盤為48.8°。

2009年5月孟家鐵礦委托設計院展開了露天轉地下開采工程的設計工作，2010年5月工程正式開始施工。地下開采工程采用了露天境界外豎井+境界內斜坡道開拓方案。主豎井為混合井，位于礦床北翼42號勘探線附近礦體下盤巖石移動范圍外?；仫L井位于礦床南翼37號勘探線附近巖石移動范圍外。為加快地下開拓工程施工速度，在37號勘探線附近巖石移動范圍外、露天坑礦體下盤運輸道旁設輔助斜坡道，斜坡道開口標高+142m標高?？觾绕扑橄到y設在-150m水平，裝礦系統設在-180m水平。共設+10m、-50m和-110m三個中段，中段高度60m，分段高度為15m，首采分段為+55m分段。地下采礦方法為無底柱分段崩落法，覆巖厚度為40m。孟家鐵礦露天轉地下開采地下開拓系統如圖1所示。

醫用耗材SPD信息化建設，通過一體化的平臺搭建符合我院實際需求的建設服務，達到了經濟效益與社會效益的有效結合。

圖1 孟家鐵礦露天轉地下開采地下開拓系統縱投影

2.2 過渡方案的確定

地下開拓工程施工之初，孟家鐵礦露天采場南部已回采到+70m標高，北部回采至+58標高。根據孟家鐵礦的露天開采現狀和穩產過渡要求，結合地下開采工程的建設進展，該礦露天轉地下開采的過渡方案宜采用境界內分區過渡的不停產過渡方案。其主要思路是：

1)礦床地下開拓方案原設計為北翼混合井+南翼回風井開拓方案，地下開拓系統的順序施工很難保證礦山生產的平穩過渡。因此，通過設計優化，增加了露天境界內輔助斜坡道工程，以加快地下采礦工程的施工速度，提前形成采礦能力。

2)對露天開采境界內的剩余資源進行開采，使露天坑底全部達到+70m標高。

3)按先南后北的次序，對露天坑兩端的邊角礦進行擴幫開采。擴幫開采中產生的廢石在露天坑內進行內排，以逐步形成覆蓋層，廢石不足時從排土場運取。露天坑南部先期形成覆蓋層，然后是北部。

4)地下采礦首先在39號勘探線以南完成采準與切割工程，并在覆蓋層形成后開始進行采礦方法試驗，形成采礦能力。

5)在對露天坑兩端的邊角礦進行擴幫開采期間，由于露天開采能力下降，可通過沿礦體走向施工大斷面切割巷道的方式，解決選礦生產礦量不足的問題。

6)在露天開采結束后、混合井形成提升能力以前，由輔助斜坡道承擔地下開采的礦石運輸任務，以滿足選礦生產的需要。

2.3 組織與技術措施

為確保孟家鐵礦露天轉地下開采的平穩過渡，在露天生產和地下工程設計與建設方面采取了如下技術措施。

2.3.1 露天開采方面

為延長露天開采的服務年限，生產計劃中統籌考慮露天境界內和露天坑兩側端幫的擴幫開采，按照先露天境界內開采至+70m標高，然后進行露天坑南翼端幫、最后北翼端幫擴采的順序進行端幫擴幫開采。

2.3.2 地下工程設計方面

孟家鐵礦地下開拓工程原設計為南、北翼豎井開拓方案?？紤]到地下工程建設的工期較長，而該礦露天開采的剩余服務年限僅有2.38年，面臨生產接續的困難。為加快地下開采工程的建設速度，通過設計優化，采取了增加露天境界內輔助斜坡道工程的設計方案。主要內容是：

充分利用露天的開拓深度，在露天坑下盤運輸道旁側+142m標高處設計露天境界內輔助斜坡道工程，作為露天開采結束后、混合井尚未形成提升能力時地下采出礦石的主要運輸通道。同時，在41號勘探線附近、露天坑下盤+90m標高處施工一條長約180m的措施斜坡道至+55分段水平，為加快地下開拓、采準與切割工程的施工速度和盡早形成地下出礦能力創造條件。

2.3.3 地下工程建設方面

1)對地下工程進行全面綜合分析，確定工程的關鍵線路，并將工程按關鍵線路拆分為2～3個工程標段，對工程施工單位的確定進行招投標。

孟家鐵礦地下開采工程按此原則共劃分為三個標段：主豎井標段，主要包括豎井井筒、井下溜破系統、裝礦系統、粉礦回收系統和排水系統等；風井標段，主要包括風井井筒、+10m水平和-110m水平中段巷道和采區溜井系統等；輔助斜坡道標段，主要包括斜坡道、+55m分段巷道、+40m分段巷道以及兩分段的分段巷道、回采巷道和切割工程等。

通過工程招投標，選擇施工能力強、施工速度快和施工質量好的地下工程施工單位承擔工程施工。根據工程招投標情況，孟家鐵礦地下開采工程共選擇了兩個施工單位，其中一個施工單位承擔主豎井標段和輔助斜坡道標段的施工任務，另一施工單位承擔風井標段的施工任務。

2)編制工程施工進度控制網絡圖和施工組織設計，嚴格按網絡圖節點控制工程施工進度。

3)對影響生產接續較大的輔助斜坡道工程組織快速施工，確保在露天開采結束前完成地下采礦方法試驗。

孟家鐵礦基建期輔助斜坡道施工采取了多機臺鑿巖、鏟運機裝載、汽車運輸排巖的施工方案，該工程自2010年4月下旬開工，到2010年11月下旬施工結束，平均月進尺超過了180m，其中2010年8月，輔助斜坡道施工速度達到月進尺226.5m，創當年全國斜坡道掘進的最高紀錄。

4)盡可能采用平行作業方式展開工程施工。如輔助斜坡道和措施斜坡道工程施工至各分段水平時，在斜坡道的同時，展開各分段巷道的施工等。

3 結論

平穩過渡方案的研究是確保露天轉地下開采過渡期產量銜接的關鍵技術的研究內容之一。本文的研究取得了以下結論。

1)從時間和空間的相關性方面，將露天轉地下開采的過渡方案劃分為留境界礦柱過渡、境界內全區過渡和境界內分區過渡三種方案，不同的方案有著各異的優缺點；

2)在特定的開采環境條件下，孟家鐵礦區深部礦石資源因技術和經濟方面的雙重原因而無法繼續實現露天開采，實施露天轉地下開采工程是確保礦山生產持續穩定的關鍵和必由之路。所確定的境界內分區過渡方案對于該礦生產的平穩過渡是非常適宜的；

3)露天端幫的擴幫開采、地下工程設計方面優化與施工方面的組織與技術措施等，對于延長露天開采的服務年限、加快地下開采工程的建設速度和確保地下開采工程的提前投產起到了至關重要的作用。

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