露天地下聯(lián)合開采空區(qū)殘留礦石

張海磊 孫 嘉 王成財(cái) 高慶偉 劉 濤 郝顯福

(西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900)

露天地下聯(lián)合開采空區(qū)殘留礦石

張海磊 孫 嘉 王成財(cái) 高慶偉 劉 濤 郝顯福

(西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900)

我國西部某鐵礦受前期掠奪式開采，形成了大量采空區(qū)，積壓了大量礦石，存在嚴(yán)重的安全隱患。對老空區(qū)進(jìn)行了人工探測，掌握了該礦空區(qū)形態(tài)、大小、分布及資源量。根據(jù)空間分布及采礦技術(shù)參數(shù)，將該礦老空區(qū)分為3類。為充分利用空區(qū)殘礦資源，結(jié)合相關(guān)研究，提出露天地下聯(lián)合開采空區(qū)殘留礦石方案。根據(jù)此方案，954 m中段以上殘留礦柱和頂板采取露天開采；924 m中段以下礦體以及露天坑內(nèi)具有開采條件的邊坡掛幫礦體，利用原礦床開采形成的開拓系統(tǒng)采用地下開采方式進(jìn)行回收；954 m中段至924 m中段礦體，上部20 m由露天坑底自上往下鑿巖，下部10 m由924 m中段自下往上鑿巖，爆破留下的礦石做下部中段回采的覆蓋巖石，在以后逐步回收。該方案既充分回收了采空區(qū)殘礦資源，又消除了采空區(qū)大面積冒落的隱患，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

露天地下聯(lián)合開采 殘留礦石 采空區(qū) 空場法 崩落法

我國西部某鐵礦是在上世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的一個(gè)鐵礦床。采礦深度從+1 035 m到+800 m。目前開拓到+800 m階段，最大深度達(dá)300 m[1-5]。

礦區(qū)位于中天山地背斜隆起帶東端。主要出露元古界卡瓦布拉克組及星星峽組區(qū)域變質(zhì)巖石。區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育華力西期侵入巖體。

區(qū)內(nèi)地勢平坦，山勢渾圓，屬低山丘陵地形。標(biāo)高一般在1 010 m左右，相對高差<40 m。本區(qū)屬內(nèi)陸干旱氣候區(qū)，多風(fēng)而少雨，晝夜溫差較大。極度干旱的氣候?qū)е铝藦?qiáng)烈的蒸發(fā)作用，致使蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量。區(qū)內(nèi)無地表水體及地表水流，僅極少次的暴雨可產(chǎn)生短暫性地表散流，但很快便消失。由于地下水補(bǔ)給來源貧乏，因此地下水不豐富，加之地下徑流條件極差，往往形成高濃度礦化堿性地下水。

該礦自發(fā)現(xiàn)以來，遭受掠奪式開采，不合理的采礦方法，不合理的支護(hù)手段與空區(qū)處理方法，采富棄貧、采厚棄薄，一個(gè)完好規(guī)整的礦床遭到空前破壞。+974 m標(biāo)高以上礦體遭到濫采，大量采空區(qū)長期以來一直未作處理。根據(jù)初步勘探結(jié)果，采空區(qū)內(nèi)殘留有相當(dāng)數(shù)量高品位鐵礦石，其儲量規(guī)模相當(dāng)于一座小型鐵礦床。

本研究結(jié)合相關(guān)技術(shù)，提出了露天地下聯(lián)合開采方案，以期充分開發(fā)和綜合利用老空區(qū)殘礦資源。

1 采空區(qū)的探測與分類

1.1 采空區(qū)探測

結(jié)合該鐵礦的設(shè)備情況，選用依靠基本探測工具的人工探測方法。在安全許可的情況下，用電子測距儀+目測，獲得采空區(qū)大小參數(shù)；用地質(zhì)取樣+經(jīng)驗(yàn)評估方法獲得殘礦地質(zhì)品位信息[6]。

1.2 采空區(qū)分類

通過對調(diào)查結(jié)果的細(xì)致分析，根據(jù)空區(qū)空間分布及采礦技術(shù)參數(shù)，將該礦空區(qū)分為3種類型。

(1)第一類空區(qū)。第一類空區(qū)形成原因在于開礦前期，民采掠奪式開采，不合理采礦方法、采富棄貧，從而形成一個(gè)個(gè)露天狹長深溝。本次調(diào)查了8個(gè)該類型空區(qū)，其特點(diǎn)為：①為民采露天開采后形成，典型的采富棄貧類型，空區(qū)大小不一，形態(tài)各異；②空區(qū)一般較為狹長，長度在10～40 m不等，但寬度較小，在5 m左右，深度大約10 m；③部分露天空區(qū)因?yàn)闀r(shí)間久遠(yuǎn)，已經(jīng)被填平，無法找到，只能根據(jù)礦上老員工提供數(shù)據(jù)。

(2)第二類空區(qū)。第二類空區(qū)的縱投影如圖1所示，由于開采高度較高，出于安全原因，空區(qū)上方有部分礦體未能采出；或由于品位不高，故留下部分礦體不予開采。此類采空區(qū)上覆礦體一般寬度較小，圍巖較穩(wěn)固。

圖1 第二類空區(qū)Fig.1 The second type mined-out area

經(jīng)調(diào)查，該類型空區(qū)有18個(gè)，占總調(diào)查采空區(qū)數(shù)量的37.5%，這類空區(qū)在分布和形態(tài)上表現(xiàn)出如下特點(diǎn)：①老采空區(qū)上下方和兩側(cè)幫分布有規(guī)模較大殘留礦體；②此類空區(qū)多是留礦法開采后形成的，空區(qū)寬度和高度較大，殘留礦體一般可向上或向側(cè)延伸15～30 m；③空區(qū)中間充填有已采下但因安全原因未能運(yùn)出的礦石。

(3)第三類空區(qū)。第三類空區(qū)形態(tài)如圖2所示。用留礦法開采完畢后回采巷道頂板，采通2相鄰采場，而中間留下5 m左右馬脊梁充當(dāng)?shù)V柱，用于保護(hù)巷道，形成此類空區(qū)。

圖2 第三類空區(qū)Fig.2 The third type mined-out area

此類空區(qū)共有22個(gè)，占總調(diào)查采空區(qū)數(shù)量的45.8%。其中巷道保持完好，還能進(jìn)去的有16個(gè)，已發(fā)生垮塌的有6個(gè)。此類空區(qū)特點(diǎn)為：①空區(qū)圍巖較穩(wěn)固，殘留礦體多為留礦法開采后形成；②殘留礦體厚度較大，位于空區(qū)中部和頂部；③空區(qū)及礦體覆有上層垮落圍巖，殘留礦體的上下部分均已形成空區(qū)，左右有間柱。

1.3 殘留礦石量估算

本次調(diào)查的采空區(qū)主要是974 m和924 m中段，其中974 m中段存在22個(gè)老采空區(qū)，924 m中段存在18個(gè)老采空區(qū)，另有露天采坑8個(gè)。

初步預(yù)算總調(diào)查空區(qū)殘留礦量為152萬t，其中974 m中段殘留50.3萬t，924 m中段殘留101.7萬t。

2 露天地下聯(lián)合開采

世界各國多數(shù)礦山都存在有殘礦回收問題，采用的回收方法多種多樣，為回采殘礦積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)該鐵礦具體的賦存狀態(tài)和開采技術(shù)條件，參考國內(nèi)外同類礦山開采經(jīng)驗(yàn)，選擇了露天地下聯(lián)合開采方案：露天開采924 m和974 m中段殘留礦柱和頂板；在露天開采結(jié)束后，露天坑以下礦體以及露天坑內(nèi)具有開采條件的邊坡掛幫礦體利用原礦床開采形成的開拓系統(tǒng)采用地下開采方式進(jìn)行回收[7-9]。

2.1 954 m中段以上露天開采

露天開采的規(guī)模為1 500 t/d，開采對象主要為924 m和974 m中段殘留礦柱和頂板。開采范圍為924 m水平至地表，礦區(qū)面積約20 000 m2。依據(jù)目前設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模，全境界礦石生產(chǎn)服務(wù)年限3～4 a，考慮到資源勘查情況及空區(qū)探測實(shí)際情況，首期開采至954 m水平，露采服務(wù)年限為4 a，無基建期，第1年投產(chǎn)即達(dá)產(chǎn)。

(1)露天開采境界。考慮到礦山現(xiàn)有工程、礦區(qū)地質(zhì)地形條件、企業(yè)投資回報(bào)等因素，按露天境界剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比(4.05 t/t)的原則確定露天坑底標(biāo)高為954 m。開采范圍內(nèi)資源儲量估算的結(jié)果為礦石量86萬t,剝離量巖石量90萬m3[9]。最終開采境界的主要參數(shù)見表1所示。

表1 最終開采境界主要參數(shù)Table 1 The main parameters of the final state mining

(2)露天采剝工藝。生產(chǎn)初期受采場尺寸和地形條件的限制，需采用緩幫剝離，緩幫采礦的剝采方式進(jìn)行剝采作業(yè)，采、剝工作面均采用縱向工作面。隨著開采水平下降，在采場尺寸和地形條件允許時(shí)，為了均衡生產(chǎn)剝采比，需采用陡幫剝離(傾斜條帶式)，緩幫采礦的剝采方式進(jìn)行剝采作業(yè)。剝離工作面橫向推進(jìn)，每次剝離的條帶寬度為40～60 m，安全平臺寬度為3～8 m；采礦工作面采用縱向推進(jìn)方式。同時(shí)工作的臺階數(shù)為2～3個(gè)，其中1個(gè)臺階采礦，1～2個(gè)臺階剝離。采剝階段臺階高度10 m，臺階坡面角70°，運(yùn)輸塹溝底寬10 m。出入溝底寬30 m。

2.2 地下開采與露天開采的銜接

地下開采與露天開采的銜接如圖3所示。

圖3 地下開采與露天開采銜接圖Fig.3 The convergence of underground and open pit mining

(1)露天坑底至924 m中段有30 m高度，擬定上部20 m由露天坑底自上往下鑿巖，下部10 m由924 m中段自下往上鑿巖[10]。

(2)鑿巖方式以中深孔為主，局部利用淺眼鉆機(jī)鑿巖[11-12]。

(3)爆破以采空區(qū)為自由面，局部采用擠壓爆破的方式。

(4)地下爆破超前于露天爆破，以充分利用老采空區(qū)作為自由面，不從本中段出礦。

(5)924 m中段原則上不做大的改造，只在不滿足鑿巖要求的地段做局部的挑頂和刷幫，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查大部分巷道滿足要求。

(6)爆破留下的礦石做下部中段回采的覆蓋巖石，在以后逐步回收。

2.3 924 m中段以下采用地下開采

地下采礦方案與露天采礦方案相適應(yīng)，采礦方法以空場法和崩落法為主。開采過程中以露天坑為泄壓天窗，以954 m至924 m之間松散礦石為覆蓋層和緩沖層，利用頂板和巖體的自然崩落來處理空區(qū)。

(1)下部中段盤區(qū)和礦塊的劃分。由圖4可以看出：①礦塊垂直于礦體走向布置；②考慮到2 m3的鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)礦距離不超過100 m，以及下部中段礦體走向長度通常在200 m左右，決定劃分3個(gè)盤區(qū)，每個(gè)盤區(qū)長度60～70 m；③為增加礦房礦量，特別是露天與地下同時(shí)進(jìn)行時(shí)，增大井下采礦量，緩解深部基建壓力，盤區(qū)內(nèi)礦塊采用兩房一柱布置形式；④根據(jù)880 m中段現(xiàn)有工程布置，一般采用穿脈布置，穿脈之間距離20～25 m，礦塊寬度10～12.5 m，盡量利用現(xiàn)有巷道；⑤礦房采用空場采礦法回采，礦柱采用崩落法回采，礦房留5 m厚頂柱，利用礦柱內(nèi)鑿巖巷道打中深孔爆破落礦。

(2)下部中段平面布置方式。由圖5可以看出：①中段平面布置脈外運(yùn)輸主平巷，擔(dān)負(fù)上部中段集中出礦任務(wù)，采用有軌運(yùn)輸方式，電機(jī)車牽引礦車到主井提升到地表；②分段高度為10 m，設(shè)3個(gè)分段，布置脈外分段平巷，形成通風(fēng)和出礦條件；③分段之間用斜坡道連接，斜坡道布置在脈外，采用折返式布置，形成鏟運(yùn)機(jī)和人員、材料通道；④使用2 m3鏟運(yùn)機(jī)，巷道斷面2.8 m×2.8 m。

(3)分段鑿巖階段空場采礦法回采礦房。由圖6可以看出：礦塊垂直于走向布置。其中礦塊高度40 m，寬度10～12.5 m；頂柱厚度3～5 m；分段高度8～10 m；盤區(qū)長度60～70 m。

(4)無底柱分段崩落法回采礦柱。由圖7可以看出：礦塊垂直于走向布置。其中礦塊高度40m，寬度10～12.5 m；分段高度8～10 m；盤區(qū)長度60～70 m。

圖4 礦房礦柱的布置形式Fig.4 Arrangement of the pillars of the stope

圖5 中段平面布置Fig.5 The floor plan of levels

3 結(jié) 語

(1)該鐵礦采空區(qū)的大量存在，不僅造成相當(dāng)數(shù)量高品位礦石的積壓，還在極大程度上存在發(fā)生采空區(qū)大面積冒落的安全隱患。利用露天地下聯(lián)合開采技術(shù)及時(shí)回收采空區(qū)殘留礦石是必要的，也是可行的。

(2)露天地下聯(lián)合開采不單純是露天采礦技術(shù)和地下采礦技術(shù)的結(jié)合，而是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，國內(nèi)無論是在基礎(chǔ)理論還是技術(shù)內(nèi)涵、適應(yīng)條件的研究上均不成熟，還處于不斷的探索之中。本研究在一定程度上可為國內(nèi)同行在遇到同類問題時(shí)提供一條新的思路。

(3)本礦山采空區(qū)的探測方法較為原始，若采用更先進(jìn)的儀器與方法，可獲得更為精確的結(jié)果。若建立力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，可對聯(lián)合開采方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Exploitation of Residual Ore in Mined-out Area by Open-underground Mining Method

Zhang Hailei Sun Jia Wang Chengcai Gao Qingwei Liu Tao Hao Xianfu

(NorthwestInstituteofMiningandMetallurgy，Baiyin730900，China)

Due to the previous predatory exploitation in an iron mine in western China，a large number of waste caves with serious safety hazard have been formed and abundant ores are remained.Manual detection has been made in surveying goafs to get its，shape，size，distribution and resources.According to the spatial distribution and mining technical parameters，old goafs are divided into three categories.To make full utilization of the residual resources，the opencast-underground combined mining method was put forward.Based on this scheme，the ores in residual pillars and roof above 954 m level are recovered by open-pit method；After the completion of open pit，the original development system is used to recycle the ores under 954 m level and the slope ores with mining feasibility in open-pit by underground mining method；For the ores between 954 m level to 924 m level，the upper 20 m is drilled up-to-down from open-pit bottom，and the lower 10 m is drilled down-to-up from underground stops.The ores which are produced by blasting are as the lower-middle level covered rocks and are recovered step by step.This scheme fully recovers residual mineral resources in waste caves，but also eliminates large-scale caving hazards in waste caves.So it produces a higher economical and social benefit.

Open-underground mining method，Residual ore，Mined-out area，Open-stoping method，Caving mining

2013-11-27

張海磊(1990—)，男，助理工程師。

TD8

A

1001-1250(2014)-03-031-05