張延國 趙有國 王運(yùn)永

(1.中鋼集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司石家莊設(shè)計(jì)院；2.五礦礦業(yè)控股有限公司)

急傾斜厚礦體露天轉(zhuǎn)地下礦山開采方法的探討

張延國1趙有國1王運(yùn)永2

(1.中鋼集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司石家莊設(shè)計(jì)院；2.五礦礦業(yè)控股有限公司)

某礦山為急傾斜厚礦體，以該礦露天轉(zhuǎn)地下的設(shè)計(jì)實(shí)踐為基礎(chǔ)，探討了無底柱分段崩落法和空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的適用條件。根據(jù)放礦理論，分析了無底柱分段崩落法上覆巖層“整體下移層”的特點(diǎn)，提出在滿足干選廢石回填后，以露天采坑作為露天轉(zhuǎn)地下開采的廢石排土場和干排尾礦庫，將排土場干選后的廢石回填至露天采坑形成初始覆蓋層，妥善解決了掘進(jìn)廢石、選礦廠尾礦的堆棄難題。

露天轉(zhuǎn)地下 放礦橢球體 無底柱分段崩落法 覆蓋層

目前國內(nèi)由采礦活動(dòng)所造成的土地破壞及環(huán)境污染非常嚴(yán)重，特別是尾礦庫的環(huán)境污染及安全隱患更加突出。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)資料：1990年我國由采礦活動(dòng)破壞的土地面積為1.4萬～2萬km2，1990年以后每年以約200 km2的速度增加，2000年以后每年增加的速度擴(kuò)大到340 km2。這其中開采直接造成破壞的約占1/3，固體廢棄物堆存造成的破壞約占2/3。至2007年全國尾礦庫12 718座，堆存總量80.46億t，占地面積100萬hm2，廢石碴堆存總量約200億t，占地面積約33.3萬hm2。

由采礦活動(dòng)造成的土地破壞及環(huán)境污染已經(jīng)影響到國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展，成為需要迫切解決的重大問題。為此，國家《十二五發(fā)展規(guī)劃》對(duì)采礦業(yè)提出了“發(fā)展綠色礦業(yè)、加強(qiáng)共伴生礦產(chǎn)及尾礦綜合利用、推進(jìn)礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理”的理念，新建或擴(kuò)建尾礦庫的審批愈加嚴(yán)格，征地愈加困難。因此，礦山開采固體廢棄物排棄成為了礦山建設(shè)的難題。

以河北省某大型露天轉(zhuǎn)地下開采設(shè)計(jì)為例，探討在設(shè)計(jì)過程中，以“綠色礦山”設(shè)計(jì)理念，利用干選后的廢石回填露天采坑形成初始覆蓋層，并以露天采坑作為露天轉(zhuǎn)地下開采的排土場和干排尾礦庫，妥善解決了掘進(jìn)廢石、選礦廠尾礦的堆棄難題，保證了無底柱分段崩落采礦法的順利實(shí)施[1]。

1 礦山現(xiàn)狀及采礦方法的選擇

1.1 礦山現(xiàn)狀

某大型露天礦始建于上世紀(jì)80年代末，經(jīng)多次擴(kuò)建及技術(shù)改造，目前礦山采選能力為275萬t/a,礦山有2個(gè)排土場(東排土場、西排土場)、1個(gè)尾礦庫和1個(gè)露天采坑。

根據(jù)礦山目前的生產(chǎn)能力推算，礦山露天開采將在2018年初全部結(jié)束，然后全面轉(zhuǎn)入地下開采。露天開采結(jié)束后露天邊坡參數(shù)見表1，深部礦量情況見表2，礦體與露天境界情況見圖1。

表1 露天邊坡參數(shù)

表2 深部礦體情況

圖1 露天境界與礦體相互位置

1.2 采礦方法比較

礦山為急傾斜礦體,傾角74°～85°，0勘探線以南礦體厚度100～150 m，以北礦體厚度40～100 m，根據(jù)礦體的開采技術(shù)條件,本礦山適合無底柱分段崩落法開采。但按目前年排尾量計(jì)算，尾礦庫可以服務(wù)到2019年底。最新勘探報(bào)告，礦山轉(zhuǎn)入地下開采以后預(yù)計(jì)還可以服務(wù)20 a，因此礦山露天轉(zhuǎn)地下開采還需要新建或擴(kuò)建尾礦庫。

為了解決尾礦的排放問題，礦山考慮改用空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法代替無底柱分段崩落法開采。由于該礦山為急傾斜厚大礦體，采用空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開采存在以下5個(gè)問題。

(1)總投入增加。類比同類其他礦山的生產(chǎn)實(shí)際，空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法運(yùn)營成本比無底柱分段崩落法多30元/t左右，按5 200萬t的資源儲(chǔ)量計(jì)算，地下開采期間總投入將增加15.6億元左右。

(2)采選能力下降。目前礦山露天采礦生產(chǎn)規(guī)模為275萬t/a，干選拋尾后入磨礦石量為220萬～240萬t/a，考慮地下開采時(shí)廢石混入率較大，按破碎干選拋廢20%～25%計(jì)算，地下開采生產(chǎn)規(guī)模應(yīng)達(dá)到300萬t/a，才能與選廠匹配，而礦山采用空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的合理生產(chǎn)規(guī)模為200萬t/a。因此，采用空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法不能滿足選廠的供礦需求，選廠需要安排減產(chǎn)計(jì)劃。

(3)綜合回采率降低。空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法是先采用空?qǐng)龇ㄩ_采礦房，尾砂膠結(jié)充填礦房采空區(qū)后再回采礦柱，最后用尾砂充填礦柱采空區(qū)。此方案用于傾斜及急傾斜薄、中厚礦體開采，不但可提高礦柱回采率，消除地表突然塌陷的危害，還減少了尾礦排放，使礦山達(dá)到清潔無廢開采。

而對(duì)于傾斜急傾斜厚大礦體，采用空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法時(shí)，由于盤區(qū)礦柱的存在，回采率往往不高。根據(jù)邯邢地區(qū)的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，近年以來采用無底柱分段崩落法開采的礦山實(shí)際綜合回采率均大于80%。特別是鐵礦石價(jià)格升高以后部分礦山的截止品位下降，礦山采取了高回采率高貧化率的方法(尤其是礦山末期)，在留設(shè)有足夠厚的巖石覆蓋層以后，將過去認(rèn)為沒有價(jià)值的礦巖覆蓋層重新采出，在鐵礦石儲(chǔ)量未大幅增加的情況下，延長了礦山的服務(wù)年限。

(4)采礦工藝的安全性變差。無底柱分段崩落采礦法是一種安全高效的一步采采礦方法，采礦作業(yè)人員均在安全性較好的進(jìn)路內(nèi)作業(yè)；空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法采用二步采，在回采礦柱時(shí)需要在尾砂膠結(jié)充填體附近作業(yè)，部分鑿巖、出礦作業(yè)面貼近充填體，采礦工藝的安全性低。

(5)環(huán)境改善不大。空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法不會(huì)產(chǎn)生情況不明的采空區(qū)，地表不會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模塌陷。因此對(duì)于新建設(shè)的地下礦山，為消滅尾礦庫危害和保護(hù)地表環(huán)境，采用空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄊ呛侠淼?。但?duì)于露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，特別是急傾斜厚大礦體的貧鐵礦，由于在原來露天開采時(shí)已經(jīng)對(duì)原始地貌造成了一定破壞，因此采用充填法開采對(duì)環(huán)境的改善效果不大。且大型露天鐵礦在開采結(jié)束時(shí)往往會(huì)形成極限穩(wěn)定狀態(tài)的高陡邊坡，這些高陡邊坡大部分位于空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的地表沉降范圍之內(nèi)，因此在地下開采期間這些高陡邊坡存在滑坡坍塌的可能，無法在短期內(nèi)進(jìn)行復(fù)墾。

通過以上分析可以看出，與無底柱分段崩落采礦法相比，露天轉(zhuǎn)地下開采的急傾斜厚大礦體采用空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，從?jīng)濟(jì)效益、采礦工藝安全性來看均處于劣勢，從環(huán)境保護(hù)方面也沒有太大的優(yōu)勢，唯一的優(yōu)點(diǎn)就是可不建設(shè)尾礦庫。

2 無底柱分段崩落采礦法上覆巖層中“整體下移層”的特點(diǎn)

根據(jù)放礦學(xué)理論，無底柱分段崩落采礦法在進(jìn)路出礦過程中，首先要形成松動(dòng)橢球體。松動(dòng)橢球體的變化過程如圖2所示[2]。

圖2 放出松散體變化過程

試驗(yàn)研究表明：無底柱分段崩落法上覆巖層隨地下開采而沉降下移，上覆巖層宏觀結(jié)構(gòu)可分為兩部分：錯(cuò)動(dòng)層(松動(dòng)橢球體影響層)和整體下移層(松動(dòng)橢球上部巖層)。覆蓋層的物理模擬見圖3。

圖3 覆蓋層的物理模擬

錯(cuò)動(dòng)層：為松動(dòng)橢球體與放出橢球體之間的部分，也稱“松動(dòng)橢球體影響層”。

整體下移層：為松動(dòng)橢球體之上的部分，在進(jìn)路均勻出礦的條件下，由于松動(dòng)橢球體均勻下移，使得該層整體結(jié)構(gòu)基本不變[3]。

通過對(duì)放礦理論的研究和放礦模型的觀察，初步認(rèn)為在無底柱分段崩落法回采過程中，“整體下移動(dòng)層”受松動(dòng)橢球體影響層逐漸下降的影響，始終處于微松散—自重壓實(shí)的循環(huán)中，直至地下開采結(jié)束后才在自重的作用下逐漸最終沉降壓實(shí)。

利用物理模擬，初步確定了該礦山采用無底柱分段崩落采礦法上覆巖層中整體下移層的位置，見表3。

表3 無底柱分段崩落采礦法上覆巖層各分層高度 m

放礦制度分段高度放出體高度松動(dòng)體總高度巖石錯(cuò)動(dòng)層高度低貧化放礦204080～10040～60

因此對(duì)于該礦山來說，在鏟運(yùn)機(jī)出礦水平以上如果有100m以上的礦巖覆蓋層，覆蓋層的上表面就處于整體下移層，整體下移層下沉均勻，將可以滿足皮帶機(jī)、裝載機(jī)、遙控裝載機(jī)、推土機(jī)等倒運(yùn)設(shè)備排棄廢石及干尾砂的要求。

3 廢石排放

3.1 廢石排放量

礦山年掘進(jìn)廢石量22萬t，年產(chǎn)鐵礦石原礦量300萬t，年產(chǎn)鐵精粉78.36萬t，年排棄掘進(jìn)及干選廢石82萬t，年產(chǎn)尾礦161.64萬t。鐵礦開采以后每年形成的理論空區(qū)約101.9萬m3,其中巖石空區(qū)34.9萬m3，礦石空區(qū)67萬m3。鐵礦開采每年形成的廢石體積為38萬m3(容重為2.16t/m3)，尾砂體積為107.8萬m3(壓實(shí)容重為1.5t/m3)，合計(jì)為145.8萬m3。如果將廢石及尾砂全部回填露天采坑，每年富裕的廢石及尾砂為43.9萬m3，按20a的服務(wù)年限計(jì)算，露天采坑將增加878萬m3的排棄物。

為滿足無底柱分段崩落采礦法出礦的需要，在露天開采結(jié)束后將采用崩落及汽車回填的方式形成40m的覆蓋層。在此覆蓋層之上再加上東、西排土場的干選廢石，20a后地下開采結(jié)束時(shí)，礦山深凹露天坑就已經(jīng)基本填平，封閉圈以下的露天采坑各分層采空區(qū)體積見表4，露天回填廢石及尾砂量見表5。

從表4和表5可以看出,露天回填量與露天深凹采空區(qū)體積基本相等，因此可以預(yù)見，采用此方案，該礦山露天轉(zhuǎn)地下開采不需要新建或擴(kuò)建尾礦庫，露天開采結(jié)束后現(xiàn)有的露天采坑將為一塊平地，為礦山開采結(jié)束后的復(fù)墾綠化打下良好的基礎(chǔ)。

表4 露天采坑各分層采空區(qū)體積

表5 露天回填廢石及尾砂量

3.2 廢石排棄計(jì)劃

(1)露天轉(zhuǎn)地下開采初期。由于尾礦庫還有一定的富余庫容，因此在全面轉(zhuǎn)入地下以后尾礦庫還可以繼續(xù)服務(wù)2a左右。在此期間，尾砂繼續(xù)排棄至尾礦庫，掘進(jìn)及干選廢石排棄至露天采坑。排棄線路為兩條，一條自露天采坑?xùn)|南角開始向西北方向排棄，另一條線自露天采坑?xùn)|北角開始向西南方向排棄。

(2)露天轉(zhuǎn)地下開采中期。根據(jù)礦體底板南高北低的賦存特點(diǎn)，特別是8～12線礦體深部礦量較少，礦體底板傾角較小，底板基本不受開采影響，確定在尾礦庫閉庫以后，將尾砂干排至8～12線的露天采坑內(nèi)。在排棄干尾砂之前，應(yīng)確保：①8線以南的礦體已基本開采完畢，礦體底板基本不受擾動(dòng)；②露天坑底有40m以上的巖石覆蓋層；③8～4勘探線排棄的廢石高度始終要高于8～12勘探線的干尾砂標(biāo)高。

(3)露天轉(zhuǎn)地下開采末期。當(dāng)8勘探線以北全部形成160m以上的巖石覆蓋層之后，干尾砂可直接排棄至露天采坑的任何位置，直至地下開采結(jié)束。根據(jù)礦山露天轉(zhuǎn)地下開采的計(jì)劃安排，礦山開采初期形成的廢石覆蓋層標(biāo)高為420m左右，因此當(dāng)?shù)V山的回采工作面全部下降至260m分段以下時(shí)，干尾砂的排棄位置即不受限制。

4 回填方案分析

(1)在形成大于分段高度5倍以上的巖石覆蓋層之前，該礦山尾礦庫的庫容可以滿足尾礦排棄。

(2)在回填尾砂之前，必須先形成大于分段高度5倍以上的松散巖石覆蓋層，對(duì)于該礦山，滿足了廢石場干選排尾的需要，解決了干選廢石的堆棄問題。

(3)傳統(tǒng)的無底柱分段崩落法是以強(qiáng)制或自然崩落圍巖充填采空區(qū)來實(shí)現(xiàn)地壓管理，其工作面不存在采空區(qū)，但是在工作面的上部(特別是緩傾斜礦體)往往存在因?yàn)閲鷰r崩落、離層而產(chǎn)生的二次采空區(qū)，有可能會(huì)突然冒落，因此《金屬非金屬安全規(guī)程》規(guī)定了覆蓋層的厚度應(yīng)不小于2個(gè)分段高度，以此減小圍巖冒落產(chǎn)生的沖擊波危害。

根據(jù)散體流動(dòng)規(guī)律，該礦山實(shí)際上是靠回填覆蓋層的自然下降充填采空區(qū)來管理地壓的。由于礦體傾角大，厚度大，礦山工作面及工作面上部均不會(huì)形成采空區(qū)。當(dāng)覆蓋層達(dá)到一定厚度以后，覆蓋層上表面的穩(wěn)定性就可以滿足地表回填設(shè)備的要求。

5 結(jié) 語

無底柱分段崩落法是一種結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械化程度高、效率高，安全性好、采礦成本低的采礦方法。對(duì)于急傾斜厚礦體的露天轉(zhuǎn)地下礦山，利用覆蓋層移動(dòng)規(guī)律，采用地表干排尾礦回填方案，可以使無底柱分段崩落采礦法煥發(fā)新的生機(jī)，不但能消滅尾礦庫危害，在防止沖擊地壓、防洪水、防漏風(fēng)、防寒保暖等方面有更好的效果，也更符合綠色礦山清潔開采的要求。

[1] 盧宏建,甘德清,楊中建.廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下過渡期穩(wěn)產(chǎn)措施與邊坡穩(wěn)定性[J].金屬礦山,2013,42(1):7-10.

[2] 喬國剛,李占金,楊丹丹,等.露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層厚度的影響因素分析[J].金屬礦山,2008,38(4):34-36.

[3] 甘德清,齊寶軍,盧宏建,等.杏山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層回填自然分級(jí)研究[J].金屬礦山,2011,40(11):9-13.

Discussion on the Mining Method of Open-pit to Underground of the Steeply Inclined Thick Ore Body

Zhang Yanguo1Zhao Youguo1Wang Yunyong2

(1.Shijiazhuang Design Institute,Sinosteel Engineering Design & Research Institute Co.,Ltd.;2.Minmetals Mining Holdings Co.,Ltd.)

The application condition of non-pillar sublevel caving method and open stoping with subsequent backfilling method based on the mining method design practice of the open pit to underground of the steeply inclined thick ore body of a mine are discussed.Based on the ore theory,the characteristics of "overall down layer" of the overlying rock of non-pillar sublevel caving method is analyzed,the open-pit mining pit is used as the waste rock dump and dry tailings of open pit to underground mining.The mine waste rock after dry cleaning is backfilled to the initial cover formed by yhe open-pit mining pit,so,the problems of waste rock and tailings of concentrator are solved effectively.

Open pit to underground, Ore ellipsoid, Non-pillar sublevel caving method, Cover layer

2014-07-02)

張延國(1980—)，男，工程師，050021 河北省石家莊市槐安東路108號(hào)。