李錫斌，田世同，田大明

(1.云南磷化集團(tuán)有限公司,云南 昆明650600;2.四川大學(xué),四川 成都 610207 )

0 引言

2010年某磷礦六號坑完成了深部接續(xù)開采設(shè)計(jì)[1]。至2016年，開采水平與設(shè)計(jì)境界高差為40 m，形成南北長1 920 m，東西底寬125 m的倒梯形凹陷深坑。自2013年以來，外排土增加了租地費(fèi)用，運(yùn)輸成本也居高不下，給企業(yè)帶來了很大壓力。因此，該礦決定開展排土規(guī)劃研究[2]，最終確定用六號坑?xùn)|采區(qū)排土，從南130線開始，往北至112線(120線為地質(zhì)斷層分界線)，實(shí)行分段開采分段內(nèi)排，排土場頂面經(jīng)濟(jì)水平標(biāo)高為2 310 m(2019年經(jīng)昆明冶金研究院驗(yàn)證后采用此值作為該礦250萬t/a采礦工程[3]項(xiàng)目中排土場設(shè)計(jì)標(biāo)高)，設(shè)計(jì)總庫容5 000萬m3，可滿足各采坑排土要求。至2017年底，在往北推進(jìn)時(shí)，內(nèi)排空間上部有2個(gè)滑坡體，分別位于116線-119線和122線-125線，高差平均210 m，滑坡總面積33萬m2。內(nèi)排區(qū)域內(nèi)有兩個(gè)集水坑，分別是東一采集水坑和東二采集水坑。雨季最高洪峰集水約40萬m3。受滑體和集水影響，西幫有部分掛幫礦和深部礦無法開采，也制約了內(nèi)排推進(jìn)，東采區(qū)深部終采進(jìn)度嚴(yán)重受阻。

面對滑坡和積水的影響，生產(chǎn)將有更多的不確定性，安全風(fēng)險(xiǎn)突出。如何采出掛幫礦和深部礦，以及合理處理水患，是當(dāng)前東采區(qū)深部終采急需解決的問題?；诖耍枰_展4個(gè)方面的研究：內(nèi)排工藝、高邊坡治理、深部礦開采、非傳統(tǒng)水源利用，以解決生產(chǎn)實(shí)際困難，滿足礦石生產(chǎn)和排土任務(wù)，確保生產(chǎn)安全。

1 研究路線

時(shí)空，是時(shí)間和空間組合的簡稱。時(shí)空優(yōu)化，即使時(shí)間和空間利用率或利用效率最大化。它在生產(chǎn)與生活中無處不在，簡言之，就是在時(shí)間和空間的維度上，用推理的方法解決問題，優(yōu)化實(shí)施技術(shù)方案和生產(chǎn)要素配置。露天磷礦開采中，涉及采剝、運(yùn)輸、排土等，在保持現(xiàn)有人、財(cái)、物、機(jī)等資源均衡，并確保安全和技術(shù)可行的前提下，尋求最佳的時(shí)間與最合適的空間進(jìn)行“對接”，再經(jīng)過科學(xué)組織，使開采管理工作提質(zhì)增效。因此，結(jié)合礦山目前生產(chǎn)情況和采區(qū)現(xiàn)狀(見圖1)，具體開采方案有如下選項(xiàng)：

a.A方案。以六號坑為主,其他坑為輔。優(yōu)點(diǎn)是能較早提供排土空間，排土組織靈活,減少高邊坡對下部生產(chǎn)作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)的壓力；缺點(diǎn)是受滑坡體和水患影響，排土和深部開采不能全面展開。

b.B方案。以十號、九號坑為主，六號、七號坑為輔，主要困難是十號坑大破碎站需要搬遷，九號坑高邊坡需要治理，前期剝離量大，現(xiàn)東一采排土空間明顯不能滿足正常生產(chǎn)，需要優(yōu)化排土、治理滑坡以及處理水患。

c.C方案。放棄東一采掛幫礦及深部礦開采，即實(shí)施東一采全面排土。

圖1 采區(qū)現(xiàn)狀平面圖

經(jīng)綜合分析得出，要保證持續(xù)生產(chǎn)，最佳選項(xiàng)為B方案。保證內(nèi)排生產(chǎn)安全是首要任務(wù)，因此維持高邊坡穩(wěn)定尤為重要。如果研究路線可行，則開始實(shí)施方案設(shè)計(jì)，反之則重新進(jìn)行東采區(qū)內(nèi)排進(jìn)度規(guī)劃。方案設(shè)計(jì)時(shí)，要對十號坑實(shí)施分段優(yōu)化開采(調(diào)整前期剝采比，均衡各年剝采成本，緩解內(nèi)排壓力)，同步進(jìn)行七號坑擴(kuò)幫，并研究九號坑邊坡治理，推進(jìn)深部開采。對于現(xiàn)有水患，考慮將其作為“非傳統(tǒng)水源[4]”加以利用。兩滑坡體則分期限時(shí)段治理，西部掛幫礦及深部礦限時(shí)段開采。另外，應(yīng)重視各坑采剝進(jìn)度計(jì)劃優(yōu)化[5]。技術(shù)研究路線見圖2。

圖2 技術(shù)研究路線

2 終采技術(shù)研究

2.1 高邊坡穩(wěn)定性分析

目前東采區(qū)平均高差255 m，深部開采后最大高差為：東一采270 m，東二采290 m。西幫底板高邊坡最終整體平均坡度為21°。南部上方為南擴(kuò)排土場，與現(xiàn)有排土面的高差為75 m，整體坡度16.3°。相關(guān)研究[6-8]表明：對于順層向邊坡，最終邊坡角為20°～26°時(shí)，邊坡整體上是安全的。目前的邊坡均小于22°。近3年的東采區(qū)監(jiān)測結(jié)果表明，除局部淺層表面有小滑移外，未見深層大的滑移。淺層滑移主要出現(xiàn)在雨季，少部分出現(xiàn)在氣候干濕交替期。東幫高邊坡是反傾向巖層，最終幫坡角在38°左右，最大高差為125 m，比較穩(wěn)固，無滑移情況。內(nèi)排期間，往南的西幫邊坡由于排土壓幫，會(huì)更加穩(wěn)定；往北的西幫邊坡由于邊坡治理、掛幫礦及深部礦開采，對其會(huì)存在一定的擾動(dòng)，但在開采結(jié)束后如及時(shí)作壓幫處理，邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較小。常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)控制方法有規(guī)避、轉(zhuǎn)移、減輕、自留等4種[9]，該礦使用最多的是后兩種。建議采取的風(fēng)險(xiǎn)控制措施有：增大治理后滑坡體覆土植被面積，完善運(yùn)輸?shù)缆芳捌渖喜窟吰屡潘到y(tǒng)，加強(qiáng)邊坡日常維護(hù)和管理，增加人工巡查頻率。

2.2 內(nèi)排工藝

首先需明確各年的生產(chǎn)排土規(guī)劃，并計(jì)算現(xiàn)有排土空間，以此制訂年排土進(jìn)度計(jì)劃。

2.2.1 排土空間及進(jìn)度計(jì)算

2018年1月開始，采區(qū)剝離全部使用自有設(shè)備完成，公司下達(dá)的年剝離目標(biāo)為600萬m3，而目前自有設(shè)備年最大剝離生產(chǎn)能力也僅為600萬m3，這就要求生產(chǎn)管理的每一個(gè)環(huán)節(jié)必須精細(xì)，否則將無法確保目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

截至2017年底，按2016年排土規(guī)劃剩余服務(wù)年限計(jì)算，還有3.345 a。由于鍋蓋山和四號坑受外部客觀條件的影響而無法啟動(dòng)，需重新制訂2018-2022年的采礦和剝離計(jì)劃。原計(jì)劃每年剝離893萬m3，扣除鍋蓋山和四號坑后，每年需剝離678萬m3，再扣除2017年的超額完成量，則每年為640萬m3；另外每年采空區(qū)和排土場覆土植被工程用土約40萬m3(外委實(shí)施)，因此每年需要內(nèi)排的剝離物為600萬m3，與年計(jì)劃目標(biāo)一致，如綜合系數(shù)(松散系數(shù)與沉降系數(shù)的綜合取值)為1.278，則所需內(nèi)排空間為767萬m3。

根據(jù)2017年年底的實(shí)測結(jié)果及設(shè)計(jì)，東一采剩余排土空間為：排至120線有2 216萬m3，排至121線有1 865萬m3。按調(diào)整后的規(guī)劃排至121線，到2019年年底剩余空間為331萬m3，旱季按每月60萬m3剝離，所需排土空間為76萬m3，耗時(shí)4.4個(gè)月，因此120線-121線深部礦開采必須在2020年5月以前完成，否則將無排土空間。2020年底前結(jié)束東一采120線-130線內(nèi)排，即2021年必須考慮東二采部分區(qū)域排土。

根據(jù)東一采內(nèi)排進(jìn)度(見圖3)，如在2018年1月-2020年5月期間統(tǒng)籌規(guī)劃，合理搭接，東一采內(nèi)排空間能滿足未來生產(chǎn)排土需要。

圖3 東一采排土進(jìn)度

2.2.2 “3+2”模式內(nèi)排工藝

為了充分利用有限的排土空間，決定采用“斜平面分區(qū)”法內(nèi)排，即“3+2” 排土工藝模式?！靶逼矫娣謪^(qū)”內(nèi)排設(shè)計(jì)剖面見圖4，東一采內(nèi)排空間模擬見圖5。

圖4 “斜平面分區(qū)”內(nèi)排設(shè)計(jì)剖面(以124線為例)

圖5 東一采內(nèi)排空間模擬

從圖4的豎向剖面上看，分別是3個(gè)斜面區(qū)塊和2個(gè)水平面區(qū)塊；從圖5的立體空間上看，是由內(nèi)而外，由低到高，依次向北推進(jìn)。其工作流程是先完成①區(qū)段2 240 m水平以下排土；然后是②區(qū)段2 240 m至2 310 m水平斜面區(qū)排土；接著是③區(qū)段2 240 m至2 270 m水平區(qū)排土；最后是④區(qū)和⑤區(qū)段，均為斜面區(qū)排土。作業(yè)流程為①→②→③→④→⑤。

“斜平面分區(qū)”內(nèi)排工藝和傳統(tǒng)的“整體平面推移”內(nèi)排工藝的區(qū)別是：前者能使臨空高邊坡盡早進(jìn)入全面壓腳，增大壓幫面積，大大提高邊坡的抗側(cè)滑力，減少上部滑移對排土作業(yè)和北側(cè)下部掘進(jìn)的影響，另一方面可為“高土高排，低土低排”創(chuàng)造條件[10]，其特點(diǎn)是對生產(chǎn)計(jì)劃和管理的要求更加周密和嚴(yán)格；后者是由低到高、由南往北推進(jìn)內(nèi)排，逐層遞增至2 310 m水平，其優(yōu)點(diǎn)是排土作業(yè)面大，生產(chǎn)管理靈活,不足是需要更大內(nèi)排空間，全面壓幫進(jìn)度滯后，對整體邊坡穩(wěn)固不利，內(nèi)排作業(yè)和北端下部掘進(jìn)受邊坡滑移影響大。共同點(diǎn)是兩者都要分段分層排土。

2.3 高邊坡治理

近些年的滑坡體治理經(jīng)驗(yàn)表明，一次性根治，投入成本很大，經(jīng)濟(jì)上難以承受。因此，較適宜的處理方法是削坡減載法[11]，通常選擇在旱季小范圍實(shí)施。從上往下分段分臺階削坡，采完余礦后，迅速排土壓幫。由于本滑坡面積大，且存在滑移反復(fù)性，治理進(jìn)度緩慢，故考慮在2個(gè)年度的旱季進(jìn)行。經(jīng)計(jì)算得出，至少需在2019年年底前完成120線以南的邊坡治理，采出上部掛幫礦，2020年年初進(jìn)入120線-121線深部礦開采，否則東一采現(xiàn)有空間將不能滿足排土進(jìn)度要求。

整體治理是自上往下延伸，分段分期治理，最終采出礦石。第一期治理122線-125線，時(shí)間是2018-2019年；第二期治理116線-119線，時(shí)間是2020-2021年。邊坡治理技術(shù)參數(shù)和實(shí)施要求為：單段臺階高10 m，臺階坡面角25°～34°，安全平臺寬3 m；治理與采礦同步進(jìn)行，運(yùn)輸?shù)缆方蝇F(xiàn)有道路，內(nèi)側(cè)設(shè)排水邊溝，采用土工布鋪底；邊坡按設(shè)計(jì)要求擴(kuò)幫到位。

2.4 東一采掛幫礦和深部礦開采

121線掛幫礦主要分布在2 195～2 240 m水平。先治理2 240 m水平以上的滑坡體，治理時(shí)間段為2018年和2019年雨季過后，治理過程中須確保西幫運(yùn)輸?shù)缆窌惩?，限時(shí)分段分步實(shí)施，在治理邊坡的同時(shí)，采出掛幫礦。

120線-121線深部礦開采。終采2 180 m最低水平(原設(shè)計(jì))，通過優(yōu)化后可降至2 170 m水平，深部掘進(jìn)優(yōu)化后的剖面見圖6。實(shí)施的條件是上部邊坡治理和掛幫礦開采均已完成，同時(shí)坑底水須排空。作業(yè)時(shí)間選擇2019年雨季后。具體實(shí)施步驟為：將坑內(nèi)水抽至東二采，取消東幫2 202 m水平運(yùn)輸?shù)缆?，改為南端幫底繞S形路直接進(jìn)排土場，北端幫沿礦石底板進(jìn)出；剝離物往南運(yùn)至排土場，礦石往北運(yùn)至新大破碎站；坑底靠西設(shè)排水溝，北端最低處設(shè)集水井，用水泵抽往東二采；道路隨分層剝離同步下降。

圖6 120線-121線深部掘進(jìn)優(yōu)化后剖面(以120+50線為例)

2.5 非傳統(tǒng)水源利用

采區(qū)傳統(tǒng)水源是場外4 km處大柳樹一級泵站抽取的地下水，只能滿足生活區(qū)用水。采區(qū)用水現(xiàn)狀是：礦山生態(tài)植被修復(fù)和生產(chǎn)、周邊村民種地均缺水，而雨季深部作業(yè)區(qū) “水患”嚴(yán)重。研究認(rèn)為，通過采剝時(shí)空優(yōu)化，將雨水收集系統(tǒng)與礦山生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合，可使“非傳統(tǒng)水源”得以有效利用。

生產(chǎn)用水量計(jì)算：正常灑水降塵用水量日均240 m3，年用水量約7萬m3；植被區(qū)為南擴(kuò)排土場和西采排土場，年用水量約9萬m3；合計(jì)16萬m3。如果采用傳統(tǒng)水源，則只能從滇池取水。如從滇池鋪管線至采區(qū)，管道敷設(shè)基建預(yù)算費(fèi)用約780萬元，另外每年需支付水電費(fèi)264萬元。

有關(guān)資料表明，常年降雨量大于800 mm的地區(qū)，可收集雨水作為非傳統(tǒng)水源直接利用[12]。經(jīng)查詢，礦區(qū)年均降雨約900 mm，符合雨水收集條件。六號坑匯水面積314萬m2，年集水量大于25萬m3，滿足生產(chǎn)用水要求，多余的水可外排給村民種地。采用集水坑動(dòng)態(tài)蓄水，即采取以“時(shí)間換空間[13]”的方式蓄水，具體為：2017年，東一采為主要蓄水區(qū)，東二采分段開采分段蓄水；2018-2019年，東二采為主要蓄水區(qū)，東一采蓄水則隨內(nèi)排進(jìn)程向北收縮；2020年下半年東一采實(shí)施全面排土，僅東二采坑蓄水，同時(shí)加大九號坑深部開采，采完后作為2021年后主要蓄水點(diǎn)。非傳統(tǒng)水源利用進(jìn)度如圖7所示。

圖7 非傳統(tǒng)水源利用進(jìn)度

3 終采技術(shù)應(yīng)用

截至2020年底，內(nèi)排實(shí)施已有4年，露采服務(wù)期年剝離量比較見表1，年擦洗原礦量比較見表2(表中規(guī)劃量為2017年底調(diào)整后的量)。由表1、表2可知：2017-2020年每年的實(shí)際剝離量與規(guī)劃剝離量之比的平均值為1.06，偏差6%；每年的實(shí)際擦洗原礦量與規(guī)劃擦洗原礦量之比的平均值為1.07，偏差7%；實(shí)際剝采比為4.90，規(guī)劃剝采比為4.95，二者之比為0.99，偏差1%。

表1 露采服務(wù)期年剝離量比較

表2 露采服務(wù)期年擦洗原礦量比較

2016年，該礦的排土規(guī)劃研究項(xiàng)目開展比較及時(shí)，前瞻性好，形勢判斷基本準(zhǔn)確，執(zhí)行效率高，通過終采實(shí)施技術(shù)研究的補(bǔ)充，整體精度趨于5%，達(dá)到預(yù)期效果。服務(wù)年限進(jìn)度為75%，剩余1.346 a，據(jù)目前應(yīng)采及可采的保有礦石量推算，礦山露采可維持至2022年上半年，基本可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

通過綜合技術(shù)的應(yīng)用，確保了年度生產(chǎn)目標(biāo)，并控制了生產(chǎn)成本，效益明顯：

a.解決了當(dāng)前“用水”與“水患”的矛盾，消除了水外排“擾民”和村民種地用水產(chǎn)生“民擾”的現(xiàn)象[14]?！胺莻鹘y(tǒng)水源”得到了有效利用，截至2020年底，為企業(yè)節(jié)約能耗成本1 226萬元，同時(shí)還促進(jìn)了企地和諧。

b.實(shí)現(xiàn)了東一采全面排土，緩解了排土壓力。滿足“應(yīng)采盡采”原則,實(shí)現(xiàn)了磷資源保護(hù)性開采。121線2 195 m水平以上的掛幫礦中，采出低品位礦15.2萬t、擦洗原礦9.8萬t；120線-121線深部較原設(shè)計(jì)多采出擦洗原礦4.78萬t。

4 結(jié)論

在原排土規(guī)劃及其實(shí)施的基礎(chǔ)上，開展了采剝時(shí)空、排土工藝及排土進(jìn)度的優(yōu)化研究，規(guī)避了生產(chǎn)“難點(diǎn)”，實(shí)現(xiàn)了安全高效協(xié)同開采。終采技術(shù)的應(yīng)用，減少了盲目的“遺礦”或“棄采”，不但使礦產(chǎn)資源得到了充分利用和保護(hù)，還使“非傳統(tǒng)水源”得到了有效利用。通過科學(xué)組織，實(shí)現(xiàn)了原礦生產(chǎn)目標(biāo)，同時(shí)還降低了開采成本。