李錫斌，田世同，田大明

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

0 引言

2010年某磷礦六號坑完成了深部接續(xù)開采設計[1]。至2016年，開采水平與設計境界高差為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用，運輸成本也居高不下，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]，最終確定用六號坑東采區(qū)排土，從南130線開始，往北至112線(120線為地質斷層分界線)，實行分段開采分段內排，排土場頂面經濟水平標高為2 310 m(2019年經昆明冶金研究院驗證后采用此值作為該礦250萬t/a采礦工程[3]項目中排土場設計標高)，設計總庫容5 000萬m3，可滿足各采坑排土要求。至2017年底，在往北推進時，內排空間上部有2個滑坡體，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。內排區(qū)域內有兩個集水坑，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，也制約了內排推進，東采區(qū)深部終采進度嚴重受阻。

面對滑坡和積水的影響，生產將有更多的不確定性，安全風險突出。如何采出掛幫礦和深部礦，以及合理處理水患，是當前東采區(qū)深部終采急需解決的問題?；诖?，需要開展4個方面的研究：內排工藝、高邊坡治理、深部礦開采、非傳統(tǒng)水源利用，以解決生產實際困難，滿足礦石生產和排土任務，確保生產安全。

1 研究路線

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

a.A方案。以六號坑為主,其他坑為輔。優(yōu)點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作業(yè)安全風險的壓力；缺點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，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，即實施東一采全面排土。

圖1 采區(qū)現(xiàn)狀平面圖

經綜合分析得出，要保證持續(xù)生產，最佳選項為B方案。保證內排生產安全是首要任務，因此維持高邊坡穩(wěn)定尤為重要。如果研究路線可行，則開始實施方案設計，反之則重新進行東采區(qū)內排進度規(guī)劃。方案設計時，要對十號坑實施分段優(yōu)化開采(調整前期剝采比，均衡各年剝采成本，緩解內排壓力)，同步進行七號坑擴幫，并研究九號坑邊坡治理，推進深部開采。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段治理，西部掛幫礦及深部礦限時段開采。另外，應重視各坑采剝進度計劃優(yōu)化[5]。技術研究路線見圖2。

圖2 技術研究路線

2 終采技術研究

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°。南部上方為南擴排土場，與現(xiàn)有排土面的高差為75 m，整體坡度16.3°。相關研究[6-8]表明：對于順層向邊坡，最終邊坡角為20°～26°時，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。內排期間，往南的西幫邊坡由于排土壓幫，會更加穩(wěn)定；往北的西幫邊坡由于邊坡治理、掛幫礦及深部礦開采，對其會存在一定的擾動，但在開采結束后如及時作壓幫處理，邊坡失穩(wěn)風險較小。常規(guī)風險控制方法有規(guī)避、轉移、減輕、自留等4種[9]，該礦使用最多的是后兩種。建議采取的風險控制措施有：增大治理后滑坡體覆土植被面積，完善運輸?shù)缆芳捌渖喜窟吰屡潘到y(tǒng)，加強邊坡日常維護和管理，增加人工巡查頻率。

2.2 內排工藝

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

2.2.1 排土空間及進度計算

2018年1月開始，采區(qū)剝離全部使用自有設備完成，公司下達的年剝離目標為600萬m3，而目前自有設備年最大剝離生產能力也僅為600萬m3，這就要求生產管理的每一個環(huán)節(jié)必須精細，否則將無法確保目標的實現(xiàn)。

截至2017年底，按2016年排土規(guī)劃剩余服務年限計算，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，需重新制訂2018-2022年的采礦和剝離計劃。原計劃每年剝離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(外委實施)，因此每年需要內排的剝離物為600萬m3，與年計劃目標一致，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，則所需內排空間為767萬m3。

根據(jù)2017年年底的實測結果及設計，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4.4個月，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年底前結束東一采120線-130線內排，即2021年必須考慮東二采部分區(qū)域排土。

根據(jù)東一采內排進度(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，東一采內排空間能滿足未來生產排土需要。

圖3 東一采排土進度

2.2.2 “3+2”模式內排工藝

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

圖4 “斜平面分區(qū)”內排設計剖面(以124線為例)

圖5 東一采內排空間模擬

從圖4的豎向剖面上看，分別是3個斜面區(qū)塊和2個水平面區(qū)塊；從圖5的立體空間上看，是由內而外，由低到高，依次向北推進。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)”內排工藝和傳統(tǒng)的“整體平面推移”內排工藝的區(qū)別是：前者能使臨空高邊坡盡早進入全面壓腳，增大壓幫面積，大大提高邊坡的抗側滑力，減少上部滑移對排土作業(yè)和北側下部掘進的影響，另一方面可為“高土高排，低土低排”創(chuàng)造條件[10]，其特點是對生產計劃和管理的要求更加周密和嚴格；后者是由低到高、由南往北推進內排，逐層遞增至2 310 m水平，其優(yōu)點是排土作業(yè)面大，生產管理靈活,不足是需要更大內排空間，全面壓幫進度滯后，對整體邊坡穩(wěn)固不利，內排作業(yè)和北端下部掘進受邊坡滑移影響大。共同點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驗表明，一次性根治，投入成本很大，經濟上難以承受。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，且存在滑移反復性，治理進度緩慢，故考慮在2個年度的旱季進行。經計算得出，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，時間是2018-2019年；第二期治理116線-119線，時間是2020-2021年。邊坡治理技術參數(shù)和實施要求為：單段臺階高10 m，臺階坡面角25°～34°，安全平臺寬3 m；治理與采礦同步進行，運輸?shù)缆方蝇F(xiàn)有道路，內側設排水邊溝，采用土工布鋪底；邊坡按設計要求擴幫到位。

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，治理時間段為2018年和2019年雨季過后，治理過程中須確保西幫運輸?shù)缆窌惩?，限時分段分步實施，在治理邊坡的同時，采出掛幫礦。

120線-121線深部礦開采。終采2 180 m最低水平(原設計)，通過優(yōu)化后可降至2 170 m水平，深部掘進優(yōu)化后的剖面見圖6。實施的條件是上部邊坡治理和掛幫礦開采均已完成，同時坑底水須排空。作業(yè)時間選擇2019年雨季后。具體實施步驟為：將坑內水抽至東二采，取消東幫2 202 m水平運輸?shù)缆罚臑槟隙藥偷桌@S形路直接進排土場，北端幫沿礦石底板進出；剝離物往南運至排土場，礦石往北運至新大破碎站；坑底靠西設排水溝，北端最低處設集水井，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)植被修復和生產、周邊村民種地均缺水，而雨季深部作業(yè)區(qū) “水患”嚴重。研究認為，通過采剝時空優(yōu)化，將雨水收集系統(tǒng)與礦山生產有機結合，可使“非傳統(tǒng)水源”得以有效利用。

生產用水量計算：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)為南擴排土場和西采排土場，年用水量約9萬m3；合計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)，管道敷設基建預算費用約780萬元，另外每年需支付水電費264萬元。

有關資料表明，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，滿足生產用水要求，多余的水可外排給村民種地。采用集水坑動態(tài)蓄水，即采取以“時間換空間[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)，東一采蓄水則隨內排進程向北收縮；2020年下半年東一采實施全面排土，僅東二采坑蓄水，同時加大九號坑深部開采，采完后作為2021年后主要蓄水點。非傳統(tǒng)水源利用進度如圖7所示。

圖7 非傳統(tǒng)水源利用進度

3 終采技術應用

截至2020年底，內排實施已有4年，露采服務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年底調整后的量)。由表1、表2可知：2017-2020年每年的實際剝離量與規(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 露采服務期年剝離量比較

表2 露采服務期年擦洗原礦量比較

2016年，該礦的排土規(guī)劃研究項目開展比較及時，前瞻性好，形勢判斷基本準確，執(zhí)行效率高，通過終采實施技術研究的補充，整體精度趨于5%，達到預期效果。服務年限進度為75%，剩余1.346 a，據(jù)目前應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，基本可以達到預期目標。

通過綜合技術的應用，確保了年度生產目標，并控制了生產成本，效益明顯：

a.解決了當前“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，同時還促進了企地和諧。

b.實現(xiàn)了東一采全面排土，緩解了排土壓力。滿足“應采盡采”原則,實現(xiàn)了磷資源保護性開采。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線深部較原設計多采出擦洗原礦4.78萬t。

4 結論

在原排土規(guī)劃及其實施的基礎上，開展了采剝時空、排土工藝及排土進度的優(yōu)化研究，規(guī)避了生產“難點”，實現(xiàn)了安全高效協(xié)同開采。終采技術的應用，減少了盲目的“遺礦”或“棄采”，不但使礦產資源得到了充分利用和保護，還使“非傳統(tǒng)水源”得到了有效利用。通過科學組織，實現(xiàn)了原礦生產目標，同時還降低了開采成本。