急傾斜大型礦體露天開采擴幫延深和剝巖內排的探討

范立軍，張 軍，曾朋毅

(本鋼礦業公司，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，因缺少巖石內排方案指導，沒有實施開采剝巖與內排巖石同步進行，最終留下一個采礦“大坑”。因此在露天礦山開采周期內存在這樣一個潛在的效益增長點，即將采礦“大坑”作為資源升級利用[1]，探討利用“大坑”內排當期剝離巖石發揮其價值，成為創造經濟效益和社會效益的新增長點。

1 礦山現狀

實踐礦山的礦體屬“鞍山式”沉積變質型鐵礦床，礦床由Fe8、Fe7、Fe6三條鐵礦體組成，其中Fe8、Fe7礦體規模較大，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，走向長度700～1 300 m，傾向近西，傾角60°～80°，屬急傾斜礦體，延深控制標高-650 m，絕對高差850 m。Fe7號礦體水平厚度10.60～68.84 m，平均厚度36.51 m，Fe8號礦體水平厚度25～135 m，平均厚度52 m，其中Fe8號礦體北部厚大，最大水平厚度153 m，延深方向形態穩定，該部位分臺階礦石量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%，礦體開采規劃0 m以上露天開采，公路開拓系統，臺階高度12 m，開采礦石量4 370萬t，封閉圈標高108 m，產能400萬t/a[2]；0 m以下地下開采，地質礦量1.03億t，豎井+斜坡道聯合開拓，無底柱分段崩落法采礦，設計產能400萬t/a[3]。當前，Fe7號礦體露天開采已閉坑(采至0 m露天境界底)，Fe8號礦體南端部已延深至0 m露天境界底，中部臺階24 m，北部擴幫區現有兩個臺階60 m和48 m，掘溝為48～36 m臺階，境界內剩余可礦石量350萬t，礦山露天開采設有三座排土場，均已排滿停用，其中3號排土場位于采礦場上盤西側，排土標高為229 m。礦山正在開展露天轉地下開采過渡工作以及過渡期礦石量的準備工作。

圖1 Fe7號礦(右側)和Fe8號(左側)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，當前露天開采已到末期，境界內剩余礦石量不足1年，地下開采設計基建期4年，露天開采轉地下開采平穩過渡面臨問題如下：

1)露天開采轉地下開采過渡期礦石量不足。露天開采境界內0 m露天底以上剩余礦石量350萬t；礦山外排土場內礦石資源回收產能50萬t/a。對照400萬t/a計劃產量，采場礦石量加上外排土場回收礦石產量，年總礦石產量僅能滿足1年生產需要。地下開采基建工程剛開始，設計建設期4年，基建期第3年帶礦10萬t，第四年帶礦30萬t。對照礦山需求礦石量計算，礦石量有3年缺口，缺少礦石量1 010萬t。

2)露天開采擴幫延深剝巖無排土場。礦山Fe8號礦體北部擴幫延深面臨的問題是，礦山的原外排土場已排滿，新征地設外排土場，受土地政策限制無法實現，礦山擴幫延深剝巖沒有土場容納，制約礦山排巖。

3)露天轉地下開采無實施巖石覆蓋層的經濟方案。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，將由現在的露天開采轉為地下開采，采用無底柱分段崩落法采礦，安全采礦和均衡放礦等技術均要求在覆蓋層下進行放礦，首個進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)，并且在生產過程中，礦山應控制覆蓋層厚度不小于36 m[3]。當前，從外排土場取巖石內排露天采坑不經濟，沒有實施巖石覆蓋層的經濟方案。

圖2 地下開采巖石覆蓋層

4)礦山上盤外排土場壓覆擴幫境界。礦山Fe8號礦體北部擴幫延深需要外擴，礦山的上盤土場壓入擴幫界線內60 m，同時土場底腳線與露天開采境界的間距需滿足冶金礦山排土場設計規范要求留40 m以上的寬平臺。這樣，上盤土場壓覆擴幫一部分區域，原外排土場部分巖石需要搬遷。

3 擴幫延深和巖石內排的可行性

擴幫延深境界的范圍考慮多個因素，其中包括經濟合理剝采比[3]，礦山過渡期需求礦石量、剝巖量和土場搬遷巖石量之和不大于最大內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幫延深境界。

3.1 擴幫延深和內排部位的選擇

1)Fe8號礦體北部礦體厚大，厚度85～135 m，走向長350 m，分層礦量較大，選為擴幫延深區域，能最大限度滿足礦山開采規模的要求。

2)Fe8號礦體北部當前最低生產作業水平是36 m，端部生產標高108 m，沒有形成高陡邊坡，有利擴幫連幫，有利實現平均生產剝采比低于經濟合理剝采比。

3)上盤土場緊鄰Fe8號礦體北部區域的堆排巖量較少，土場邊坡較緩，土場邊界與擴幫延深境界重疊部位的二次倒運方量可控。

4)在Fe7號礦體800 m長的露天礦坑和Fe8號礦體中南部600 m長的露天礦坑設內排土場，最低排巖標高0 m，最高排巖標高160 m，內排土場與擴幫延深開采作業互不干擾。

3.2 露天開采擴幫延深的原則

1)以擴幫延深區范圍內工業礦量為基礎，以礦山開采有盈利為目的，滿足擴幫延深境界剝采比小于等于經濟合理剝采比6.0 t/t要求。

2)發揮露天開采的優點，盡可能把較多的礦石圈定在露天開采的境界內。

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

4)考慮上盤土場的影響和下盤生態紅線的限制，采場擴幫延深范圍不能進限制區域。

5)利用露天開采剝巖為地下開采設置巖石覆蓋層，露天開采剝巖與內排空間容量實現剝巖與內排量的統一[4]。

4 擴幫延深方案

根據礦體賦存條件、邊坡穩定性研究成果、邊坡出露巖體穩定狀況、采坑空間形狀、礦區已有設施的分布，編制Fe8礦體北部擴幫延深方案設計，盡可能穩產400萬t/a的礦石規模，延長露天開采服務年限，為露天轉地下開采過渡期提供較充足可采礦石量。

4.1 擴幫延深方案的選擇

確定露天開采擴幫延深境界的目標是實現露天開采采礦量最大。采用2個方案進行比較，方案一是擴幫延深至-60 m境界方案，方案二是擴幫延深至-72 m境界方案，2個方案分層礦石量、巖石量對比見表1。采用自上而下的逐臺階開采方法，土場壓占區域局部采用陡幫開采，分兩個條帶延深，靠采場原邊坡處布置首個采掘工作線，作業方向為由南端和北端兩個方向向中部推進。

表1 方案一和方案二各臺階礦巖量對比

露天底-60 m時，平均剝采比2.85 t/t。露天底-72 m時，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，反映出經濟上沒有趨向于不利，而開采礦石量的增加有利礦山延續露天開采，繼續延深受上盤土場二次倒方巖石量增大、內排土場容量限制以及下盤生態紅線制約不能再外擴境界，只能最大限度保證露天開采轉地下開采過渡期內礦石滿足需要。因此，選用方案二即-72 m露天底作為擴幫延深方案。圖3為原境界開采終了圖，圖4為擴幫延深開采終了圖。

圖3 原境界開采終了圖(0 m露天底)

圖4 擴幫延深開采終了圖(-72 m露天底)

4.2 剝巖內排土場

內排土場采用自卸卡車配合推土機進行排土作業，排土過程中先形成地下開采覆蓋層再進行正常巖石排土作業，Fe8號礦體北部擴幫延深部位覆蓋層，由內排巖石倒方形成。按規范要求原上盤排土場底腳與擴幫地表周界之間留40 m平臺的安全距離，第四系土嚴禁在內排土場排棄，要求作為礦山復墾土使用另行堆存。

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

圖5 內排土場終了模型

4.3 開拓運輸系統布置

擴幫延深的總出入溝設在Fe8號礦體北端部108 m，向東與7號礦坑北端連通，用于近距運輸并內排巖石；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公路連接到達0 m露天底。三個方向的公路保證分區開采剝巖滿足“高標高排、低標低標”的排巖總原則；Fe8號礦體北端幫采出礦石經總出入溝直接運往選礦廠，生產開采與巖石內排互不影響。

4.4 排采驗證

采用專用軟件進行采剝進度計劃的模擬，依據結果，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，生產剝采比1.73 t/t。露天開采服務年限4年，穩產年限3年。

4.5 效益分析

1)經濟效益。經濟效益主要體現在礦山內排剝巖運距比礦山剝巖外排運距縮短明顯，剝巖內排就是將剝巖從采場的一端搬運到另一端，汽車運輸中平坡短而且爬升高差小，運距就近；對照剝巖外排就是將剝巖從采場內搬運到采場外，汽車運輸中平坡長而且爬升高差大、運距遠。實施內排的兩個案例礦山內排土場運距比外排土場運距縮短2.23 km，內排剝巖6 840萬t，運輸單價0.76元/噸千米，總經濟效益11 600萬元。

2)社會效益。社會效益主要體現在礦山內排剝巖減少碳排放量、減少壓占綠地面積，同時內排土場穩定性好于外排土場，避免社會長期追加維護費用。實施內排的兩個案例礦山，運距縮短和內排剝巖同上，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 結語

在急傾斜大型礦體露天開采中，結合礦體賦存、采坑形狀、礦山裝備水平等特點，在露天采場終了境界內探討技術經濟上可行的開采與剝巖內排生產之間協調統一的方法，用于長期指導礦山生產，從源頭上既能降低礦山運營成本、降低碳排放量，又能減少外排剝巖實現減少壓占綠地面積，降低礦山開采對周邊環境的影響，助力礦山綠色高效發展。