路增祥，孟凡明，蔡美峰

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

隨著對(duì)礦產(chǎn)資源需求的增加和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大，淺部資源日益減少，目前我國(guó)許多礦山都相繼進(jìn)入或即將進(jìn)入由露天開(kāi)采轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采的狀態(tài)。露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山存在著露天開(kāi)采臨近結(jié)束和地下開(kāi)采逐步開(kāi)始的交替時(shí)期，在此時(shí)期內(nèi)，露天與地下兩種開(kāi)采方式存在著時(shí)間和空間上的相關(guān)性，表現(xiàn)出露天開(kāi)采量不斷減少而地下開(kāi)采量逐漸增加的特征。

在露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)程中，由于礦體的賦存狀態(tài)和礦床的開(kāi)采技術(shù)條件的差異，以及露天與地下開(kāi)采的設(shè)計(jì)方案和工程建設(shè)具體條件的不同，許多礦山采取了不盡相同的過(guò)渡方案。為確保露天開(kāi)采平穩(wěn)過(guò)渡到地下開(kāi)采，實(shí)現(xiàn)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采期間礦山生產(chǎn)能力的平穩(wěn)過(guò)渡，李斯基[1]根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山的實(shí)際資料，探討了實(shí)現(xiàn)露天開(kāi)采不停產(chǎn)向地下開(kāi)采過(guò)渡的相關(guān)問(wèn)題。王運(yùn)敏等人[2]通過(guò)對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采平穩(wěn)過(guò)渡關(guān)鍵技術(shù)的研究，力求解決露天與地下聯(lián)合開(kāi)采帶來(lái)的特殊技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)的平穩(wěn)過(guò)渡。甘德清等人[3]結(jié)合寬城建龍鐵礦的開(kāi)采現(xiàn)狀和對(duì)穩(wěn)產(chǎn)過(guò)渡的要求，通過(guò)對(duì)多種過(guò)渡期聯(lián)合開(kāi)采方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，提出了該礦保證過(guò)渡期時(shí)間和產(chǎn)量的合理銜接的露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的穩(wěn)產(chǎn)過(guò)渡方案。還有人[4-9]結(jié)合露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山生產(chǎn)的實(shí)際情況和特殊性，從不同角度研究了過(guò)渡期的平穩(wěn)過(guò)渡方案與措施。平穩(wěn)過(guò)渡方案的研究是確保露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)渡期產(chǎn)量銜接的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容之一，本文基于露天轉(zhuǎn)地下相互協(xié)調(diào)安全高效開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)的研究，以本溪罕王礦業(yè)有限公司孟家鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采工程為例，對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采平穩(wěn)過(guò)渡的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，以期對(duì)我國(guó)即將實(shí)施露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦山有所指導(dǎo)。

1 露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的過(guò)渡方案

在一定的開(kāi)采技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，當(dāng)露天開(kāi)采深度超過(guò)其極限開(kāi)采深度時(shí)，礦床的開(kāi)采就必須實(shí)現(xiàn)從露天開(kāi)采向地下開(kāi)采轉(zhuǎn)變。為確保露天開(kāi)采平穩(wěn)過(guò)渡到地下開(kāi)采，在露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)程中，根據(jù)礦體的賦存狀態(tài)、礦床開(kāi)采技術(shù)條件和露天與地下開(kāi)采設(shè)計(jì)方案的不同，許多礦山采取統(tǒng)籌考慮礦山露天開(kāi)采和地下開(kāi)采工程建設(shè)的具體條件，采取了不盡相同的過(guò)渡方案。如：銅關(guān)山銅礦露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采中，采用有底柱分段崩落法，在地下開(kāi)采的同時(shí)，三角礦柱由露天不擴(kuò)幫下采，深孔一次爆破，礦石由地下運(yùn)出的過(guò)渡期過(guò)渡方案；鳳凰山鐵礦采用了留境界礦柱消除露天開(kāi)采與地下開(kāi)采相互干擾的過(guò)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(qū)，露天分區(qū)段結(jié)束，坑內(nèi)分區(qū)段投產(chǎn)過(guò)渡方案；而永平銅礦[10]采取了先期從南坑開(kāi)始，然后向北坑過(guò)渡，最后回收邊幫殘留礦體的分區(qū)分期交替過(guò)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(chǎn)現(xiàn)狀、露天采剝進(jìn)度計(jì)劃以及地下開(kāi)采分區(qū)的基礎(chǔ)上，提出了地下產(chǎn)能配合露天產(chǎn)能生產(chǎn)銜接和露天產(chǎn)能配合地下產(chǎn)能生產(chǎn)銜接兩大過(guò)渡方案等。

從礦山采礦生產(chǎn)是否停產(chǎn)角度，露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的過(guò)渡方案可分為停產(chǎn)過(guò)渡和不停產(chǎn)過(guò)渡兩種過(guò)渡方案，考慮到不停產(chǎn)過(guò)渡方案的優(yōu)點(diǎn)[1]，更多的礦山在露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采中采用了不停產(chǎn)過(guò)渡方案。

從時(shí)間和空間的相關(guān)性方面，露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的過(guò)渡方案可以以下幾類(lèi)：

1)留境界礦柱過(guò)渡方案。此方案是在露天與地下開(kāi)采之間留設(shè)境界礦柱，該境界礦柱即露天開(kāi)采與地下開(kāi)采隔離層，同時(shí)也是地下開(kāi)采的安全頂柱。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于有利于消除露天開(kāi)采與地下開(kāi)采的相互干擾，實(shí)現(xiàn)露天與地下同時(shí)施工作業(yè)；能夠?qū)崿F(xiàn)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)渡期礦山生產(chǎn)規(guī)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(shè)與開(kāi)采更加安全。能夠消除地下通風(fēng)系統(tǒng)的漏風(fēng)問(wèn)題，使通風(fēng)效率大為提高。其缺點(diǎn)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(shù)方面存在較大的難度。鳳凰山鐵礦和石人溝鐵礦南區(qū)的露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采，均采取了留境界礦柱的過(guò)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(nèi)全面過(guò)渡方案。此方案是露天開(kāi)采境界范圍露天坑的底板標(biāo)高已全部達(dá)到露天極限開(kāi)采深度，在露天開(kāi)采境界范圍內(nèi)全面展開(kāi)轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采工程的方案。該方案實(shí)施時(shí)，礦山的露天開(kāi)采已全部結(jié)束，地下開(kāi)采根據(jù)采準(zhǔn)工程的準(zhǔn)備情況和井下生產(chǎn)規(guī)劃與總體布局方案，可全面展開(kāi)也可局部展開(kāi)地下開(kāi)采。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于露天開(kāi)采與地下開(kāi)采相互之間幾乎沒(méi)有影響。其缺點(diǎn)表現(xiàn)在若生產(chǎn)組織稍有不慎，則有可能會(huì)導(dǎo)致礦山生產(chǎn)接續(xù)出現(xiàn)困難。全部地下采礦方法均適用于此方案。

3)境界內(nèi)分區(qū)過(guò)渡方案。此方案是根據(jù)露天開(kāi)采在平面范圍內(nèi)的不同降深和地下開(kāi)采工程的進(jìn)展，沿露天坑長(zhǎng)度方向進(jìn)行平面分區(qū)，實(shí)施露天分區(qū)段結(jié)束、坑內(nèi)分區(qū)段投產(chǎn)過(guò)渡的方式。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于地下開(kāi)采系統(tǒng)的分區(qū)段提前投產(chǎn)，有利于抵消露天采礦能力下降給礦山生產(chǎn)規(guī)模帶來(lái)的不利影響；露天生產(chǎn)的分區(qū)段結(jié)束，使生產(chǎn)區(qū)段的剝離可以實(shí)現(xiàn)廢石的內(nèi)排，有利于降低過(guò)渡期的礦山生產(chǎn)成本。其缺點(diǎn)是地下開(kāi)采與露天開(kāi)采會(huì)產(chǎn)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(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)渡方案

2.1 礦山露天開(kāi)采現(xiàn)狀及地下開(kāi)采工程概況

孟家鐵礦于2003年建成投產(chǎn)。孟家鐵礦礦區(qū)地處遼東山區(qū)，礦區(qū)地勢(shì)平緩，鐵礦體傾角為62°～87°，礦體厚度6.0～43.2m，礦體賦存標(biāo)高+200～-300m 之間。根據(jù)孟家鐵礦床礦體的賦存特征及開(kāi)采技術(shù)條件，該首期采用了露天開(kāi)采方式進(jìn)行回采。經(jīng)過(guò)近十年的開(kāi)采，該礦已由山坡開(kāi)采轉(zhuǎn)入凹陷開(kāi)采，露天坑封閉圈標(biāo)高為+155m，坑底最低標(biāo)高為+70m。到2009年1月止，露天開(kāi)采境界范圍內(nèi)保有的可采儲(chǔ)量約2856.6kt，按1200kt/a的采礦生產(chǎn)能力，露天開(kāi)采的剩余服務(wù)年限僅有2.38年。

露天坑開(kāi)采結(jié)束時(shí)，露天坑坑底標(biāo)高為+70m，坑底長(zhǎng)度約500m，坑底寬為22～36m，最終邊坡角上盤(pán)為52.6°，下盤(pán)為48.8°。

2009年5月孟家鐵礦委托設(shè)計(jì)院展開(kāi)了露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采工程的設(shè)計(jì)工作，2010年5月工程正式開(kāi)始施工。地下開(kāi)采工程采用了露天境界外豎井+境界內(nèi)斜坡道開(kāi)拓方案。主豎井為混合井，位于礦床北翼42號(hào)勘探線附近礦體下盤(pán)巖石移動(dòng)范圍外?；仫L(fēng)井位于礦床南翼37號(hào)勘探線附近巖石移動(dòng)范圍外。為加快地下開(kāi)拓工程施工速度，在37號(hào)勘探線附近巖石移動(dòng)范圍外、露天坑礦體下盤(pán)運(yùn)輸?shù)琅栽O(shè)輔助斜坡道，斜坡道開(kāi)口標(biāo)高+142m標(biāo)高?？觾?nèi)破碎系統(tǒng)設(shè)在-150m水平，裝礦系統(tǒng)設(shè)在-180m水平。共設(shè)+10m、-50m和-110m三個(gè)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(wú)底柱分段崩落法，覆巖厚度為40m。孟家鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采地下開(kāi)拓系統(tǒng)如圖1所示。

醫(yī)用耗材SPD信息化建設(shè)，通過(guò)一體化的平臺(tái)搭建符合我院實(shí)際需求的建設(shè)服務(wù)，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的有效結(jié)合。

圖1 孟家鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采地下開(kāi)拓系統(tǒng)縱投影

2.2 過(guò)渡方案的確定

地下開(kāi)拓工程施工之初，孟家鐵礦露天采場(chǎng)南部已回采到+70m標(biāo)高，北部回采至+58標(biāo)高。根據(jù)孟家鐵礦的露天開(kāi)采現(xiàn)狀和穩(wěn)產(chǎn)過(guò)渡要求，結(jié)合地下開(kāi)采工程的建設(shè)進(jìn)展，該礦露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的過(guò)渡方案宜采用境界內(nèi)分區(qū)過(guò)渡的不停產(chǎn)過(guò)渡方案。其主要思路是：

1)礦床地下開(kāi)拓方案原設(shè)計(jì)為北翼混合井+南翼回風(fēng)井開(kāi)拓方案，地下開(kāi)拓系統(tǒng)的順序施工很難保證礦山生產(chǎn)的平穩(wěn)過(guò)渡。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，增加了露天境界內(nèi)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(duì)露天開(kāi)采境界內(nèi)的剩余資源進(jìn)行開(kāi)采，使露天坑底全部達(dá)到+70m標(biāo)高。

3)按先南后北的次序，對(duì)露天坑兩端的邊角礦進(jìn)行擴(kuò)幫開(kāi)采。擴(kuò)幫開(kāi)采中產(chǎn)生的廢石在露天坑內(nèi)進(jìn)行內(nèi)排，以逐步形成覆蓋層，廢石不足時(shí)從排土場(chǎng)運(yùn)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(hào)勘探線以南完成采準(zhǔn)與切割工程，并在覆蓋層形成后開(kāi)始進(jìn)行采礦方法試驗(yàn)，形成采礦能力。

5)在對(duì)露天坑兩端的邊角礦進(jìn)行擴(kuò)幫開(kāi)采期間，由于露天開(kāi)采能力下降，可通過(guò)沿礦體走向施工大斷面切割巷道的方式，解決選礦生產(chǎn)礦量不足的問(wèn)題。

6)在露天開(kāi)采結(jié)束后、混合井形成提升能力以前，由輔助斜坡道承擔(dān)地下開(kāi)采的礦石運(yùn)輸任務(wù)，以滿足選礦生產(chǎn)的需要。

2.3 組織與技術(shù)措施

為確保孟家鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的平穩(wěn)過(guò)渡，在露天生產(chǎn)和地下工程設(shè)計(jì)與建設(shè)方面采取了如下技術(shù)措施。

2.3.1 露天開(kāi)采方面

為延長(zhǎng)露天開(kāi)采的服務(wù)年限，生產(chǎn)計(jì)劃中統(tǒng)籌考慮露天境界內(nèi)和露天坑兩側(cè)端幫的擴(kuò)幫開(kāi)采，按照先露天境界內(nèi)開(kāi)采至+70m標(biāo)高，然后進(jìn)行露天坑南翼端幫、最后北翼端幫擴(kuò)采的順序進(jìn)行端幫擴(kuò)幫開(kāi)采。

2.3.2 地下工程設(shè)計(jì)方面

孟家鐵礦地下開(kāi)拓工程原設(shè)計(jì)為南、北翼豎井開(kāi)拓方案。考慮到地下工程建設(shè)的工期較長(zhǎng)，而該礦露天開(kāi)采的剩余服務(wù)年限僅有2.38年，面臨生產(chǎn)接續(xù)的困難。為加快地下開(kāi)采工程的建設(shè)速度，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，采取了增加露天境界內(nèi)輔助斜坡道工程的設(shè)計(jì)方案。主要內(nèi)容是：

充分利用露天的開(kāi)拓深度，在露天坑下盤(pán)運(yùn)輸?shù)琅詡?cè)+142m標(biāo)高處設(shè)計(jì)露天境界內(nèi)輔助斜坡道工程，作為露天開(kāi)采結(jié)束后、混合井尚未形成提升能力時(shí)地下采出礦石的主要運(yùn)輸通道。同時(shí)，在41號(hào)勘探線附近、露天坑下盤(pán)+90m標(biāo)高處施工一條長(zhǎng)約180m的措施斜坡道至+55分段水平，為加快地下開(kāi)拓、采準(zhǔn)與切割工程的施工速度和盡早形成地下出礦能力創(chuàng)造條件。

2.3.3 地下工程建設(shè)方面

1)對(duì)地下工程進(jìn)行全面綜合分析，確定工程的關(guān)鍵線路，并將工程按關(guān)鍵線路拆分為2～3個(gè)工程標(biāo)段，對(duì)工程施工單位的確定進(jìn)行招投標(biāo)。

孟家鐵礦地下開(kāi)采工程按此原則共劃分為三個(gè)標(biāo)段：主豎井標(biāo)段，主要包括豎井井筒、井下溜破系統(tǒng)、裝礦系統(tǒng)、粉礦回收系統(tǒng)和排水系統(tǒng)等；風(fēng)井標(biāo)段，主要包括風(fēng)井井筒、+10m水平和-110m水平中段巷道和采區(qū)溜井系統(tǒng)等；輔助斜坡道標(biāo)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(guò)工程招投標(biāo)，選擇施工能力強(qiáng)、施工速度快和施工質(zhì)量好的地下工程施工單位承擔(dān)工程施工。根據(jù)工程招投標(biāo)情況，孟家鐵礦地下開(kāi)采工程共選擇了兩個(gè)施工單位，其中一個(gè)施工單位承擔(dān)主豎井標(biāo)段和輔助斜坡道標(biāo)段的施工任務(wù)，另一施工單位承擔(dān)風(fēng)井標(biāo)段的施工任務(wù)。

2)編制工程施工進(jìn)度控制網(wǎng)絡(luò)圖和施工組織設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按網(wǎng)絡(luò)圖節(jié)點(diǎn)控制工程施工進(jìn)度。

3)對(duì)影響生產(chǎn)接續(xù)較大的輔助斜坡道工程組織快速施工，確保在露天開(kāi)采結(jié)束前完成地下采礦方法試驗(yàn)。

孟家鐵礦基建期輔助斜坡道施工采取了多機(jī)臺(tái)鑿巖、鏟運(yùn)機(jī)裝載、汽車(chē)運(yùn)輸排巖的施工方案，該工程自2010年4月下旬開(kāi)工，到2010年11月下旬施工結(jié)束，平均月進(jìn)尺超過(guò)了180m，其中2010年8月，輔助斜坡道施工速度達(dá)到月進(jìn)尺226.5m，創(chuàng)當(dāng)年全國(guó)斜坡道掘進(jìn)的最高紀(jì)錄。

4)盡可能采用平行作業(yè)方式展開(kāi)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(shí)，在斜坡道的同時(shí)，展開(kāi)各分段巷道的施工等。

3 結(jié)論

平穩(wěn)過(guò)渡方案的研究是確保露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)渡期產(chǎn)量銜接的關(guān)鍵技術(shù)的研究?jī)?nèi)容之一。本文的研究取得了以下結(jié)論。

1)從時(shí)間和空間的相關(guān)性方面，將露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的過(guò)渡方案劃分為留境界礦柱過(guò)渡、境界內(nèi)全區(qū)過(guò)渡和境界內(nèi)分區(qū)過(guò)渡三種方案，不同的方案有著各異的優(yōu)缺點(diǎn)；

2)在特定的開(kāi)采環(huán)境條件下，孟家鐵礦區(qū)深部礦石資源因技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的雙重原因而無(wú)法繼續(xù)實(shí)現(xiàn)露天開(kāi)采，實(shí)施露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采工程是確保礦山生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定的關(guān)鍵和必由之路。所確定的境界內(nèi)分區(qū)過(guò)渡方案對(duì)于該礦生產(chǎn)的平穩(wěn)過(guò)渡是非常適宜的；

3)露天端幫的擴(kuò)幫開(kāi)采、地下工程設(shè)計(jì)方面優(yōu)化與施工方面的組織與技術(shù)措施等，對(duì)于延長(zhǎng)露天開(kāi)采的服務(wù)年限、加快地下開(kāi)采工程的建設(shè)速度和確保地下開(kāi)采工程的提前投產(chǎn)起到了至關(guān)重要的作用。

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