露天轉(zhuǎn)地下開采礦山開拓系統(tǒng)銜接方案的確定原則

路增祥，蔡美峰

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083；2.教育部金屬礦山安全高效開采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

當(dāng)前，隨著對(duì)礦產(chǎn)資源需求的增加和開采強(qiáng)度的不斷加大，淺部資源日益減少，露天開采礦山不斷向深部及地下開采轉(zhuǎn)移，國(guó)內(nèi)外多座礦山相繼進(jìn)入或即將進(jìn)入露天與地下聯(lián)合開采的狀態(tài)。露天礦山在向地下開采轉(zhuǎn)移前，充分考慮露天開采與地下開采的特點(diǎn)，優(yōu)化開拓工程布置，對(duì)降低地下開采系統(tǒng)的建設(shè)投資和降低生產(chǎn)成本具有積極的作用。國(guó)內(nèi)外露天轉(zhuǎn)地下開采礦山的經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)?shù)V山充分利用了露天與地下開采的有利工藝特點(diǎn)時(shí)，統(tǒng)籌規(guī)劃露天與地下開采的工程布置，可以使礦山的基建投資減少25%～50%，生產(chǎn)成本降低25%左右[1]。

露天轉(zhuǎn)地下開采是集露天和地下兩種工藝優(yōu)點(diǎn)為一體的綜合性開采技術(shù)，地下開拓系統(tǒng)與露天開拓系統(tǒng)的銜接，是實(shí)現(xiàn)兩種工藝優(yōu)點(diǎn)為一體的關(guān)鍵所在。目前，我國(guó)已經(jīng)實(shí)施露天轉(zhuǎn)地下的礦山，由于缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃和必要的技術(shù)支撐，轉(zhuǎn)地下開采礦山的開拓系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、礦石的溜破運(yùn)輸系統(tǒng)往往與露天脫節(jié)，造成露天與地下開采系統(tǒng)的不配套、不協(xié)調(diào)。不僅造成資金的浪費(fèi)，而且導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效率強(qiáng)化開采。因此，本文基于露天轉(zhuǎn)地下相互協(xié)調(diào)安全高效開采關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出了露天轉(zhuǎn)地下開采礦山開拓系統(tǒng)銜接方案的確定原則，并對(duì)實(shí)現(xiàn)原則的途徑進(jìn)行了分析，以期對(duì)我國(guó)即將實(shí)施露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山有所指導(dǎo)[1]。

1 開拓系統(tǒng)銜接方案

露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，實(shí)質(zhì)上是對(duì)同一個(gè)礦床采用露天與地下兩種開采工藝進(jìn)行開采，因而存在著兩種開采工藝系統(tǒng)相互結(jié)合與利用的可能。在對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)礦床的賦存特征，充分利用露天與地下開采工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)，發(fā)揮各自工藝的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)兩大開采系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，有利于提高礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。依據(jù)礦山地下和露天開采系統(tǒng)在開拓與采礦工藝上的聯(lián)系程度不同，露天轉(zhuǎn)地下開采礦山的開拓系統(tǒng)銜接方式，可歸納為露天轉(zhuǎn)地下開采獨(dú)立開拓系統(tǒng)、局部聯(lián)合開拓系統(tǒng)以及聯(lián)合開拓系統(tǒng)三種[1-4]。文獻(xiàn)[1]對(duì)三種方式的特點(diǎn)、適用性、使用案例及應(yīng)用前景，進(jìn)行了較為詳盡的描述。

根據(jù)目的和用途的不同，按主要開拓工程的類型，露天轉(zhuǎn)地下開采礦山的開拓系統(tǒng)銜接，可分為豎井、斜井、斜坡道、溜井和平硐(平巷)銜接方案五種類型[4-5]。對(duì)于這些方案的優(yōu)缺點(diǎn)及滿足條件，很容易從相關(guān)的文獻(xiàn)資料中找到。

應(yīng)該指出，露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，在其地下開拓方案選擇時(shí)，并不一定是單一選用上述五種方案的某一種方式，而是結(jié)合深部礦床的賦存特征及開采技術(shù)條件、露天坑的開采現(xiàn)狀與邊坡穩(wěn)定性狀況、露天轉(zhuǎn)地下開采的生產(chǎn)規(guī)模規(guī)劃、地下礦山建設(shè)投入的工程量與資金總額、基本建設(shè)的周期與投達(dá)產(chǎn)期限和投資回收期、礦產(chǎn)資源的利用程度與礦石回收率、企業(yè)對(duì)勞動(dòng)生產(chǎn)率的高低和將來生產(chǎn)成本與利潤(rùn)總額的期望、開采方案對(duì)安全、環(huán)保和土地保護(hù)方面要求的滿足程度[6-8]，以及地下開采系統(tǒng)與已有露天生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)合程度等因素，綜合選取一種或多種方案，共同完成對(duì)擬開采資源的開拓方案。

根據(jù)主體工程與露天坑的相互位置關(guān)系，上述五種方案可分為露天開采境界內(nèi)開拓方案、境界外開拓方案和混合開拓方案三大類。

1)露天開采境界內(nèi)開拓方案

該方案是將用于深部資源開拓的各種功能的主體工程，布置于露天坑境界內(nèi)的適當(dāng)位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)深部資源的開拓。該方案的實(shí)質(zhì)，是露天開采的礦石全部或部分利用地下開拓系統(tǒng)出礦，或是地下開拓系統(tǒng)局部利用露天開拓工程，達(dá)到露天與地下開采工藝系統(tǒng)的相互利用和完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)露天與地下共用的一體化開拓系統(tǒng)。方案的優(yōu)點(diǎn)，在于充分利用了已有露天開拓系統(tǒng)對(duì)礦床的開拓深度、露天生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)施的殘余功能，因而能夠減少地下開拓的工程量，達(dá)到縮短地下礦山建設(shè)工期和節(jié)省工程投資的目的。但是，考慮到露天礦邊坡特別是地下開拓主體工程周圍邊坡，以及需要長(zhǎng)期保留和使用的露天運(yùn)輸臺(tái)階的長(zhǎng)期穩(wěn)定問題，地下開拓主體工程的位置選擇較為困難，并且增加了露天邊坡的維護(hù)工作量與維護(hù)費(fèi)用。若礦山的露天邊坡穩(wěn)定性高，境界內(nèi)開拓方案則具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

在露天坑邊坡穩(wěn)定條件下，當(dāng)深部資源量不大，或是對(duì)掛幫礦及露天礦殘留的邊坡礦進(jìn)行回收時(shí)，可采用境界內(nèi)開拓方案。如首鋼礦業(yè)公司的杏山鐵礦，對(duì)露天掛幫礦的開采，采用了露天坑內(nèi)的平硐斜坡道開拓方案。而加拿大波古平公司的某金礦和前蘇聯(lián)的某鐵礦，從露天坑底的非工作幫開掘平硐，分別采用平硐斜井和平硐斜坡道開拓方案進(jìn)行深部資源的開采。

2)露天開采境界外開拓方案

該方案是將地下生產(chǎn)系統(tǒng)的主體開拓工程布置于露天坑開采境界以外，露天與地下開采系統(tǒng)在開拓和開采工藝上沒有直接的聯(lián)系，形成各自使用相互獨(dú)立的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)。該方案的實(shí)質(zhì)，是在不同的空間位置上，對(duì)同一礦床采用了兩種相對(duì)獨(dú)立的露天與地下開采工藝系統(tǒng)進(jìn)行開采，礦床的開拓方式與回采工藝之間沒有聯(lián)系或聯(lián)系甚微。其優(yōu)點(diǎn)在于地下開采系統(tǒng)的建設(shè)與露天坑的生產(chǎn)相對(duì)獨(dú)立，因而地下開采系統(tǒng)建設(shè)與生產(chǎn)期間，不會(huì)對(duì)露天坑的生產(chǎn)產(chǎn)生影響或影響極小。但由于露天與地下開拓系統(tǒng)相互獨(dú)立，沒能充分考慮兩種系統(tǒng)的結(jié)合與相互利用，因而地下開采系統(tǒng)建設(shè)投入的基建工程量大、投資高、基建工期長(zhǎng)；同時(shí)，露天深部生產(chǎn)的剝離量大、運(yùn)輸和排水的費(fèi)用高。

國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，特殊的礦床賦存條件、礦床深部勘探程度不足、受露天礦開采現(xiàn)狀與邊坡穩(wěn)定性的影響，以及露天開采系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮不周或其他方面的因素，是露天轉(zhuǎn)地下開采礦礦山采用露天境界外開拓方案的主要原因。如我國(guó)白銀折腰山銅礦，在實(shí)施露天轉(zhuǎn)地下開采之初，采用了境界外上盤主、副井開拓方案，為了減少井巷工程和基建資金投入，將入風(fēng)井(北風(fēng)井)設(shè)于礦體下盤的露天邊坡邊緣處，回風(fēng)井設(shè)于露天坑內(nèi)。經(jīng)過施工后，兩條回風(fēng)井因露天生產(chǎn)干擾嚴(yán)重而移位于露天境界之外，入風(fēng)井因露天邊坡的穩(wěn)定性影響，也移位于露天坑口封閉圈外約200m處，最終使該礦形成了露天轉(zhuǎn)地下開采的境界外開拓方案布局[6]。而瑞典的基魯納瓦拉礦在自1952年開始的露天轉(zhuǎn)地下開采中，先后施工了10條豎井和一條斜坡道進(jìn)行地下開采，到1974年，地下開采的系統(tǒng)的生產(chǎn)能力達(dá)到了2430萬t/a。

在一定的地形地質(zhì)條件和礦床的賦存條件下，這種開拓方案，可以在進(jìn)行礦床露天開采設(shè)計(jì)的同時(shí)，對(duì)深部和側(cè)翼礦體進(jìn)行地下開采設(shè)計(jì)，以便于露天與地下開采基建工作同時(shí)進(jìn)行，使礦山順利轉(zhuǎn)入地下開采。如前蘇聯(lián)的阿巴崗斯基鐵礦在露天與地下聯(lián)合開采中，1957年開始采用露天開采，到1969年開采結(jié)束，1960年開始地下開采，地下開采系統(tǒng)的建設(shè)，就采用了露天境界外下盤豎井開拓方案。

3)露天開采境界內(nèi)外混合開拓方案

該方案是地下開拓系統(tǒng)的部分主體工程布置露天坑開采境界內(nèi)，而另一部分主體工程布置于露天坑開采境界以外的情形。如本溪罕王礦業(yè)有限公司，在其露天轉(zhuǎn)地下開采設(shè)計(jì)中，采用了露天境界外主、風(fēng)井和境界內(nèi)輔助斜坡道聯(lián)合開采其深部資源的開拓方案。金川公司露天轉(zhuǎn)地下開采工程的主斜坡道，探礦措施井均設(shè)在露天采坑內(nèi)[8]。

混合開拓方案的優(yōu)點(diǎn)，在于不僅充分利用了已有露天開拓系統(tǒng)的開拓深度、露天生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)施的殘余功能，更重要的是能夠有效地加快地下開采系統(tǒng)建設(shè)的施工速度和降低工程投資。對(duì)于露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，在充分研究露天礦邊坡穩(wěn)定性的條件下，結(jié)合露天開采現(xiàn)狀，盡可能考慮采用境界內(nèi)外混合開拓方案，以加快地下開采系統(tǒng)的建設(shè)速度和降低投資。

2 開拓系統(tǒng)銜接方案的確定原則

2.1 確定原則

一般情況下，露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，根據(jù)地下開采生產(chǎn)規(guī)模的大小、開拓系統(tǒng)布置的復(fù)雜難易程度和各類工程所處的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件等，地下開采系統(tǒng)建設(shè)需要花費(fèi)3～6年的時(shí)間，所投入的基建工程量幾乎相當(dāng)于一個(gè)新建的同規(guī)模地下礦山所需的工程量。因此，地下開采系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)，不僅要考慮地下礦山工程設(shè)計(jì)與建設(shè)的一般性特點(diǎn)，還要考慮原有露天開采系統(tǒng)對(duì)地下開拓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)的不利影響，同時(shí)還要兼顧地下開拓系統(tǒng)對(duì)原有露天開拓系統(tǒng)的利用程度，以及地下系統(tǒng)建設(shè)對(duì)原的露天生產(chǎn)設(shè)備的利用情況等。

因此，露天礦開拓系統(tǒng)與地下礦山開拓系統(tǒng)的銜接，應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)方面的原則：

1)地下開采系統(tǒng)工程量最小原則

某種意義上講，在滿足各種工程使用功能的前提下，最大限度地減少地下開采系統(tǒng)的基建工程量，對(duì)加快開采系統(tǒng)的建設(shè)速度，減少工程的建設(shè)資金投入和降低將來的工程維護(hù)費(fèi)用，都具有重要的意義。如在確保工程不受邊坡穩(wěn)定性影響的前提下，盡可能利用露天開拓深度，將風(fēng)井、斜坡道等工程布置于露天采坑內(nèi)等。

2)地下開采系統(tǒng)建設(shè)工期最短原則

加快地下開采系統(tǒng)的建設(shè)速度，對(duì)于礦山生產(chǎn)能力的平穩(wěn)過渡有著重要的作用。露天礦生產(chǎn)后期，隨著露天坑的開采深度不斷加大，邊坡的穩(wěn)定性問題也越來越大，礦山的生產(chǎn)能力也不斷下降。為維持礦山生產(chǎn)的均衡持續(xù)發(fā)展，礦山開采由露天轉(zhuǎn)為地下的迫切性加劇。因此，提高各類工程的施工速度，和盡可能減少工程建設(shè)工期關(guān)鍵線路上的開拓工程量，是對(duì)縮短地下開采系統(tǒng)建設(shè)工期的關(guān)鍵問題。

3)礦床開采成本最小原則

從某種意義上講，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的宗旨，是以最小的投入，通過物的活化勞動(dòng)獲取最大的利潤(rùn)。礦山企業(yè)對(duì)于礦產(chǎn)資源的開采，當(dāng)?shù)V產(chǎn)品和原材料價(jià)格不受市場(chǎng)波動(dòng)影響時(shí)，企業(yè)利潤(rùn)的大小與開采成本的高低成反比，即開采成本越高，所獲得的利潤(rùn)就越低，反之則相反。

就我國(guó)鐵礦石開采而言，近80%的鐵礦石來源于露天開采。隨著露天開采深度不斷加大，礦山的開采技術(shù)條件不斷惡化，生產(chǎn)成本越來越高。露天開采末期，由于邊坡穩(wěn)定性問題、運(yùn)輸距離不斷增加、排巖量增加、排土場(chǎng)占地面積不斷擴(kuò)大等，導(dǎo)致噸礦開采成本不斷增長(zhǎng)，企業(yè)利潤(rùn)率下降。

影響礦床開采成本高低的因素較多，其中運(yùn)輸成本的高低與礦床開拓系統(tǒng)方案有關(guān)。因此，為實(shí)現(xiàn)礦床開采的成本最小化，在開拓系統(tǒng)銜接方面，對(duì)于礦石的運(yùn)輸，當(dāng)露天礦的運(yùn)輸成本較高而井下運(yùn)輸提升成本較低時(shí)，可以采用溜井銜接方案將露天礦采下的礦石下放到井下，利用地下井巷進(jìn)行運(yùn)輸提升，可以大大地減少運(yùn)距，從而達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的[5]。為降低礦石的提升運(yùn)輸成本，主豎井位置的選擇，宜優(yōu)先考慮選礦廠的位置，使其距破碎站原礦倉(cāng)的距離最近，并采用皮帶運(yùn)輸方式，以減少地表礦石二次運(yùn)輸?shù)木嚯x和運(yùn)輸費(fèi)用。

4)露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)及設(shè)備利用程度最高原則

露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，充分利用礦山已有的運(yùn)輸設(shè)備及其配套設(shè)施，最大限度的發(fā)揮露天生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施的潛能，提高其利用率，在不同的時(shí)期起到不同的作用。在地下系統(tǒng)建設(shè)期間，有利于加快工程的建設(shè)速度和減少基建投資；在生產(chǎn)過渡期，對(duì)生產(chǎn)的調(diào)節(jié)具有積極的作用，而在地下開采系統(tǒng)投產(chǎn)后，則有利于降低生產(chǎn)成本和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

作為露采轉(zhuǎn)地采的主要開拓工程——井筒位置的選擇，既要考慮已有選礦廠的位置，以縮短地面運(yùn)輸距離；也要考慮充分利用露采已經(jīng)形成的采礦工業(yè)場(chǎng)地，可降低工程建設(shè)投資；還要考慮露天已形成采坑，將井筒布置在采坑內(nèi)可縮短井筒長(zhǎng)度，將井下廢石堆存于露采坑內(nèi)，可減少建設(shè)用地。如甘肅某鎳礦露采轉(zhuǎn)地采時(shí)，將主斜坡道布置在露天坑內(nèi)，大大縮短了斜坡道長(zhǎng)度；山東某鐵礦、安徽某銅礦露采轉(zhuǎn)坑采時(shí)，將副井布置在露天坑附近，井下掘進(jìn)的廢石提出地表后，直接排往露天坑內(nèi)；江西某銅礦露采轉(zhuǎn)地采設(shè)計(jì)時(shí)，將主、副井布置在露采已有工業(yè)場(chǎng)地附近，采場(chǎng)辦公樓、材料堆場(chǎng)、道路等各種設(shè)施均可利用。

在露天礦生產(chǎn)設(shè)備的利用方面，江西某銅礦在其露天轉(zhuǎn)地下開采的運(yùn)輸方式及其設(shè)備選擇時(shí)，利用露天礦開采時(shí)期的大型卡車轉(zhuǎn)載運(yùn)輸，節(jié)省建設(shè)投資達(dá)千萬元以上。而貴州某金礦利用斜坡道開拓，坑內(nèi)汽車運(yùn)輸方案，將原礦直接運(yùn)往選礦廠原有的粗碎站破碎，避免了井下粗碎站的重復(fù)建設(shè)，也大大節(jié)省了工程的建設(shè)投資[9-10]。

2.2 實(shí)現(xiàn)上述原則的主要途徑

露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，要真正達(dá)到提高工程建設(shè)速度、降低工程投入和節(jié)省成本的目的，就應(yīng)將上述原則的實(shí)現(xiàn)作為工程項(xiàng)目建設(shè)各個(gè)階段的主要工作。實(shí)現(xiàn)上述原則的主要途徑有：

1)加大露天轉(zhuǎn)地下可行性研究和初步設(shè)計(jì)階段的研究深度，從項(xiàng)目的總體方案上把握研究成果技術(shù)經(jīng)濟(jì)的可行性與合理性，使項(xiàng)目總體方案達(dá)到最優(yōu)化。

2)廣泛調(diào)查與了解條件相似、規(guī)模相近的礦山，以及其他地下開采礦山在礦山設(shè)計(jì)與建設(shè)方面的先進(jìn)技術(shù)與先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，特別是要關(guān)注其他礦山在工程子項(xiàng)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)優(yōu)化成果，或是在施工中的有利于加快工程施工進(jìn)度的好的施工方法，進(jìn)而在施工圖設(shè)計(jì)與工程施工中盡可能采用。

3)加強(qiáng)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，在保證工程使用功能的前提下，不斷進(jìn)行施工過程中的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，能夠使設(shè)計(jì)、施工方案趨于更為合理[11]。

4)以礦山生產(chǎn)的運(yùn)輸成本為例。露天生產(chǎn)的運(yùn)輸成本，主要體現(xiàn)在礦石的運(yùn)輸和廢石的運(yùn)輸兩個(gè)方面。隨著露天開采的不斷延深，運(yùn)輸距離也不斷加大，在運(yùn)輸單位成本不變的情況下，導(dǎo)致運(yùn)輸總成本增加。

5)選擇優(yōu)良的施工隊(duì)伍，是實(shí)現(xiàn)工程“安全、優(yōu)質(zhì)、高效”的關(guān)鍵之一。優(yōu)良的施工隊(duì)伍，不僅表現(xiàn)在該隊(duì)伍具有良好的管理水平，更重要的是要具有能夠應(yīng)對(duì)和處理工程施工過程中可能遇到的一些復(fù)雜性問題，這對(duì)于加快工程施工速度、縮短建設(shè)工期十分有利。

6)強(qiáng)化工程管理，優(yōu)化工程施工順序，實(shí)施工程建設(shè)工期的動(dòng)態(tài)目標(biāo)管理。如根據(jù)工程施工的特點(diǎn)，投入必要的措施工程，盡可能地展開平行作業(yè)等，以加快工程的施工速度，并根據(jù)施工進(jìn)展，隨時(shí)調(diào)整施工計(jì)劃目標(biāo)。

3 結(jié)語

露天轉(zhuǎn)地下開采礦山開拓系統(tǒng)銜接方案的合理與否，對(duì)于礦山地下開采系統(tǒng)建設(shè)投資的大小，和礦山生產(chǎn)轉(zhuǎn)入地下開采方式后，能否順利按期達(dá)產(chǎn)和企業(yè)的盈利空間大小有著重要的影響。開拓系統(tǒng)銜接方案的確定原則及其實(shí)現(xiàn)途徑的提出，無論是對(duì)實(shí)施露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山企業(yè)，還是對(duì)工程設(shè)計(jì)單位，都具有實(shí)際性的指導(dǎo)意義。

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