昌 珺

(長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司， 湖南 長沙 410011)

我國大型露天礦山，當(dāng)?shù)V體近水平賦存以及厚大礦床上部揭露礦體時，為了實現(xiàn)剝離物內(nèi)排或減少貧化損失、提高采出礦石質(zhì)量以及降低開采難度，工作線通常沿礦體傾向布置，走向推進。臺階水平劃分，在靠近礦體頂板位置處由于水平臺階與傾斜礦體相交，上部剝離臺階出現(xiàn)臺階尖滅現(xiàn)象。

由于臺階從正常高度過渡到0 m，在現(xiàn)場實際施工過程當(dāng)中，當(dāng)臺階高度小于5 m時，由于鉆機鉆孔直徑限制，使得穿孔爆破工作變得困難，裝藥量難以控制，爆破后會形成嚴(yán)重的根底，影響采裝設(shè)備作業(yè)。同時，隨著露天礦山設(shè)備的大型化發(fā)展，松動爆破后形成的爆堆高度小，低于電鏟的最低挖掘高度，使得采掘設(shè)備的滿斗率下降，作業(yè)效率降低。

1 處理方案

根據(jù)國內(nèi)露天礦山的實際生產(chǎn)情況，提出4種半臺階處理方案：組合臺階方案、臺階傾斜劃分方案、爆破工程優(yōu)化設(shè)計方案、輔助設(shè)備開采半臺階方案。

組合臺階方案[1]是將爆破作業(yè)困難的區(qū)段與上部水平臺階合并，如圖1所示。剩余臺階不完整部分進行穿孔爆破作業(yè)，通過一爆兩采的寬采掘帶作業(yè)方式，減少非作業(yè)區(qū)平盤寬度，上下相鄰臺階采掘設(shè)備采用追蹤式開采，避免相互間的影響，提高工作幫坡角，減少剝離物內(nèi)排運距，如圖2所示。

圖1 臺階尖滅區(qū)段合并臺階

圖2 雁形組合臺階

臺階傾斜[2]分層方案是沿礦體傾向臺階重新劃分，沿著(或平行)礦體交界面布置工作平盤，作業(yè)設(shè)備站立或者行走在小于5°的斜面上。此方案的優(yōu)點在于，由于沿礦體傾斜劃分臺階，使得礦層頂板以上不會再出現(xiàn)尖滅臺階，在滿足設(shè)備作業(yè)的臺階傾角要求下，設(shè)備能力得到最大發(fā)揮。由于臺階傾斜分層方案需要對現(xiàn)有開采條件做重新規(guī)劃，即臺階推進過程中通過對穿爆參數(shù)進行嚴(yán)格控制，使得在推進過程中形成從上而下的傾斜臺階，由于該方案對爆破參數(shù)控制與工程實施要求高，適于礦山未投產(chǎn)時期。

爆破工程優(yōu)化設(shè)計方案是指對合并后形成的高臺階進行爆破處理，從而解決臺階過低造成的鉆孔困難問題，爆破方案可以分為拋擲爆破開采和松動爆破分層開采2種方案。其中：拋擲爆破方案[3-4]是指將出現(xiàn)半臺階的臺階進行合并，形成小于45 m的高臺階，通過拋擲爆破將礦體頂板以上剝離物拋至采空區(qū)；松動爆破分層開采方案是指將礦體頂板以上尖滅區(qū)段合并至上一個臺階，形成平均開采高度為25 m的臺階，松動爆破后，對爆堆進行分層，高于單斗挖掘機采高部分利用小型液壓挖掘機進行下挖作業(yè)，下分層正常開采。

輔助設(shè)備開采半臺階方案是利用礦體頂板巖石硬度不大的特點，采用松土犁或斗容不大的液壓挖掘機處理半臺階，局部硬巖采用單斗挖掘機加裝破碎錘處理，臺階正常區(qū)段適用原有采掘方案。此方法用于半臺階覆蓋區(qū)域小的條件，因作業(yè)設(shè)備效率限制，當(dāng)區(qū)域過大時，會影響礦山推進度。

進行臺階尖滅方案選擇時，應(yīng)充分考慮對設(shè)備作業(yè)和工程實施(是否需要對現(xiàn)有開采程序進行改造)的影響，在此基礎(chǔ)上對方案進行經(jīng)濟效果評價。

2 工程實例

我國某露天礦山年產(chǎn)原礦石33.00 Mt，采礦工作線長度2000 m。首采區(qū)內(nèi)礦體傾向東南，傾角為3°～8°，開采臺階按照原設(shè)計水平劃分，剝離臺階高度15 m，工作平盤寬度100 m，隨著工作面推進進入礦體起伏區(qū)，工作幫剝離開采臺階在剝離工作線上出現(xiàn)臺階尖滅現(xiàn)象(見圖3)。

圖3 某露天礦工作幫尖滅臺階

該礦工作幫設(shè)置移動坑線，將工作幫分為南北兩個區(qū)域，由于礦體向東南方向傾斜，故南部區(qū)域臺階數(shù)多，根據(jù)開采現(xiàn)狀，在南部區(qū)域6#礦體頂板以上，存在2個尖滅臺階，臺階正常區(qū)域高度15 m，隨著往北部延伸，與礦體相交。通過分析地質(zhì)模型，隨著工作幫繼續(xù)向東推進，工作幫繼續(xù)往下延深，工作幫半臺階數(shù)量會增加，使得不符合爆破參數(shù)要求的區(qū)域增大，同時由于南部區(qū)域半臺階數(shù)量增多，滯后于北部區(qū)域的工作幫推進速度，需要安排更多的設(shè)備服務(wù)于南部區(qū)域，對整個礦山的設(shè)備調(diào)度影響大，臺階數(shù)量的增多使得剝離物繞南部運輸平盤內(nèi)排運距增大，該礦年產(chǎn)原礦石33.00 Mt，一期均衡生產(chǎn)剝采比4.2 m3/t，卡車運費為4元/m3，照此計算，南部水平滯后一個平盤寬度(100 m)的距離，一年多增加運費支出2700萬元。

2.1 半臺階處理方案

根據(jù)礦山實際生產(chǎn)情況，提出以下3種實施方案。

2.1.1 組合臺階方案

采取組合臺階[6-8]的開采方式是為了降低生產(chǎn)剝采比，增大工作幫坡角。從上到下依次進行開采的一組臺階稱為組合臺階，這時，一組臺階中只有一個臺階保留較寬的運輸平盤B。組合臺階一般僅配置一臺采掘設(shè)備，有時也可配備數(shù)臺設(shè)備，一般要求設(shè)備的生產(chǎn)能力較大。用組合臺階開采時，沿高度全工作幫都是工作的。把邊幫上預(yù)留的平臺擴展到工作平臺所規(guī)定的最大寬度Bmax，使每組臺階自上而下順序回采，礦山設(shè)備依次移動到下一個臺階。

組合臺階的一次推進寬度和上述采掘帶的寬度，可按照下列公式進行計算。

As=nγh(cotφ+cotθ)

(1)

式中，h為臺階高度，m；φ為工作幫坡角，(°)；θ為礦山工程延伸角，(°)；nγ為與一次推進寬度相應(yīng)的延伸臺階數(shù)。

構(gòu)成組合的臺階個數(shù)n主要決定于設(shè)備的生產(chǎn)能力和要求的工作線推進速度。即：

(2)

式中，Q為組合臺階中設(shè)備的生產(chǎn)能力，m3/a；L為工作線的平均長度，m；lkt為要求的工作線推進速度，m/a；它決定于達到一定的生產(chǎn)能力所要求的開采強度。

組合臺階的路面寬度計算公式：

B=nxA+(nx-1)X+2Y

(3)

式中，B為路面寬度，m；nx為行車線數(shù)，m；A為按汽車后輪計算的寬度(該值近似于車輛最大寬度)，m；X為汽車車廂間所需凈距，m。一般采用0.7～1.7 m；Y為后輪外緣距路面邊緣的距離，m，一般采用0.4～1.0 m。

該礦目前剝離運輸設(shè)備為美國特雷克斯生產(chǎn)的MT5500以及小松930-E以及小松830、730電動輪自卸汽車，按照最大車寬9.1 m計算可得雙車道路面寬度：

B=21.9 m

根據(jù)路基計算公式，運輸平臺寬度取30 m。

提出下述具體的設(shè)計方案：對采場南部進行組合臺階開采設(shè)計，半臺階A與下部水平臺階組成一個組合臺階，半臺階B與上部全臺階為一組。

2.1.2 高臺階拋擲爆破方案

拋擲爆破技術(shù)隨拉斗鏟倒堆工藝系統(tǒng)由黑岱溝露天煤礦引進國內(nèi)，經(jīng)過多年的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)趨于成熟，拋擲爆破參數(shù)設(shè)計軟件系統(tǒng)在黑岱溝露天煤礦應(yīng)用良好，極易由黑岱溝露天煤礦引入拋擲爆破技術(shù)。由于該露天礦開采工藝的限制，可采用拋擲爆破結(jié)合機械式單斗挖掘機二次倒堆將爆破后的剝離物運至采空區(qū)。拋擲爆破開采方案見圖4。

圖4 拋擲爆破開采

該方案的優(yōu)點是：技術(shù)成熟，礦山爆破人員有相關(guān)經(jīng)驗積累；在一定程度上起到降段的作用，無需另外考慮降段手法；可以將連續(xù)2個半臺階進行穿爆作業(yè)，徹底解決頂板以上半臺階問題，礦體以上高臺階的剝離物無需卡車運輸，減少工藝環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)可靠性。拋擲爆破物料松散，提高采掘設(shè)備滿斗率。

2.1.3 松動爆破分層開采方案

將礦體頂板以上2～3個臺階合并為一個高臺階，采用松動爆破，將爆堆分為上下2個分層，液壓挖掘機采掘上分層，單斗挖掘機采掘下分層。分別將半臺階合并到下部第一個臺階，形成平均開采臺階高度為25 m的高臺階，高臺階松動爆破以后，由液壓挖掘機站立在爆堆上開切，工作面展開后，站立在降深水平上同時進行上挖和下挖，組合開采高度為5～10 m(開采高度設(shè)定為一個范圍是考慮到下分層單斗挖掘機的開采高度)。下分層臺階由單斗挖掘機開采完成，作業(yè)方式見圖5。

處理方案的實質(zhì)是將南部開采區(qū)域尖滅臺階A與B并段進行鉆孔爆破，然后在爆堆上分段進行采掘，是依靠減少爆堆占有寬度的辦法減少平盤寬度，以增加工作幫坡角的工藝形式，只要具備高段深孔鉆機，不需改變?nèi)魏纹渌^程和開拓準(zhǔn)備程序，即可實現(xiàn)陡幫開采，它是利用現(xiàn)行采掘設(shè)備改造緩幫開采面貌的簡單可行的途徑。

圖5松動爆破方案

該方案的優(yōu)點是：由于高段爆破，減少了超鉆和填塞的比例，提高了鉆孔的利用率，使單位礦巖的鉆孔消耗量和爆破器材的消耗量都有所降低；由于高段爆破屬于擠壓介質(zhì)爆破，炸藥的單耗將有所提高，但爆破效果如爆堆的集中性和破碎度的均勻性均有提高，從而有利于提高采裝、運和破碎過程的效率。

2.2 方案比選及經(jīng)濟效果分析

針對上述各方案，在提出方案的過程中對方案內(nèi)部的小方案進行了初步比選，結(jié)果為：

方案一：組合臺階開采方案是通過最下部臺階傾斜劃分，吸收半臺階，進而采用寬采掘帶雁形開采；方案二：高臺階拋擲爆破方案通過合并半臺階，形成高臺階，拋擲爆破后，利用機械式單斗挖掘機配合二次倒堆；方案三：松動爆破分層開采方案。合并半臺階，形成高臺階后，采用松動爆破技術(shù)，利用輔采設(shè)備分層開采。

根據(jù)前述計算，若節(jié)省一個平盤的運距，根據(jù)該礦現(xiàn)有運量，年節(jié)省運費2700萬元，而且隨著開采程序的進行，尖滅臺階的數(shù)量會增多，經(jīng)濟效果更加明顯；原礦圍巖混入率的問題可以通過后期選廠的洗選得到解決；設(shè)備購置在費用支出部分所占比重大，根據(jù)型號不同費用略有差異，按照市場平均水平計算，一臺推土機的購置費在600萬元，用于倒堆的機械式單斗挖掘機需要將斗臂加長，按照國內(nèi)55 m3斗容的挖掘機計算為9800萬元，斗容10 m3的液壓挖掘機購置費1500萬元。

從以上分析可以得出結(jié)論：采用方案三時，經(jīng)濟效果最明顯，設(shè)備購置年節(jié)省費用1200萬元，之后每年節(jié)省費用可達2000萬元以上。

3 結(jié) 論

(1) 為了解決尖滅臺階穿爆困難，爆破后根底現(xiàn)象嚴(yán)重以及采掘設(shè)備效率低下的問題，提出4種解決方案，即組合臺階方案、傾斜臺階分層方案、爆破工程優(yōu)化方案、輔助設(shè)備開采方案。對上述方案的實施過程及適用范圍進行了分析。

(2) 以某露天礦山為例，提出3種適合的方案，對組合臺階工作幫運輸平盤寬度、拋擲爆破方案實施方法、松動爆破分層開采方案進行分析，論述各方案優(yōu)點。

(3) 選取工程適應(yīng)性、上部水平節(jié)省運距減少、礦石質(zhì)量保證及設(shè)備購置為指標(biāo)對方案進行經(jīng)濟評價，經(jīng)計算當(dāng)采用松動爆破結(jié)合輔采設(shè)備分層開采方案時，現(xiàn)有開采條件下可節(jié)省一個平盤寬度的內(nèi)排運距，年節(jié)約成本1200萬元，為最優(yōu)方案。

(4) 我國露天礦礦體近水平埋藏時，為了便于設(shè)計施工以及設(shè)備作業(yè)，工作線往往采用全區(qū)橫采或分區(qū)橫采布置，因此普遍出現(xiàn)臺階尖滅現(xiàn)象。研究露天礦臺階尖滅處理方法不僅可以節(jié)省運輸費用，降低穿爆難度，減小根底，同時可提高設(shè)備作業(yè)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，還豐富了露天開采的設(shè)計方法。研究結(jié)果具有良好的應(yīng)用價值。