杏山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層形成方法

盧宏建 甘德清 陳 超

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，唐山 河北 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，唐山 河北 063009)

杏山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層形成方法

盧宏建1,2甘德清1,2陳 超1,2

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，唐山 河北 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，唐山 河北 063009)

以杏山鐵礦為研究背景，結(jié)合礦山實際情況，基于隨機(jī)介質(zhì)放礦理論的覆蓋層結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論與露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層回填自然分級理論，確定了杏山鐵礦能滿足防損失貧化、防沖擊地壓、阻滯水作用、減少漏風(fēng)防寒保暖，可形成擠壓爆破和端部放礦條件等安全功能的覆蓋層厚度為45 m，形成方法為高臺階一次翻卸，并制定了詳細(xì)的方案與技術(shù)保障措施。取得以下主要結(jié)論:①杏山鐵礦覆蓋層分整體下移層和流動層2層鋪設(shè)，流動層回填廢石粒度不小于20 mm，100 mm以上的粒度含量不小于40%，厚度不小于20 m。②整體下移層回填廢石小于5 mm與大于5 mm的粗顆粒比例為3∶7，厚度不小于25 m。杏山鐵礦實施覆蓋層后的井下漏風(fēng)率、礦石貧化率、井下泥石流和滲漏時間等指標(biāo)評價數(shù)據(jù)良好，對類似礦山有指導(dǎo)借鑒意義。

露天轉(zhuǎn)地下 覆蓋層 高臺階翻卸 自然分級

露天開采是金屬礦開采的重要手段，特別是我國80%的鐵礦石產(chǎn)量來自于露天開采，經(jīng)過多年的開采，眾多露天礦山已經(jīng)或者將要轉(zhuǎn)為地下開采[1]。隨著開采技術(shù)的發(fā)展和高效設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用，多數(shù)露天轉(zhuǎn)地下礦山能力呈增大趨勢，而能夠滿足地下大產(chǎn)能的采礦法首選無底柱分段崩落法。該采礦方法特點是要求有一定厚度的覆蓋巖層，以滿足安全生產(chǎn)的需要。國內(nèi)外學(xué)者就露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層的結(jié)構(gòu)與形成方式問題已經(jīng)進(jìn)行了一些研究工作[2-5]，但尚處于完善階段。本研究以首鋼杏山鐵礦為背景，結(jié)合礦山實際情況，應(yīng)用基于隨機(jī)介質(zhì)放礦理論的覆蓋層結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論與露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層回填自然分級理論[6-7]，提出了適合首鋼杏山鐵礦的覆蓋層形成方法，并對其方案進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，應(yīng)用效果顯著，對類似礦山有指導(dǎo)借鑒意義。

1 覆蓋層功能與結(jié)構(gòu)分析

覆蓋層是介于露天礦和地下礦之間的散體隔離層，其需要具有防損失貧化、防沖擊地壓、阻滯水作用、減少漏風(fēng)防寒保暖以及可形成擠壓爆破和端部放礦條件6大功能。

甘德清通過物理相似實驗發(fā)現(xiàn)了在進(jìn)路均勻出礦條件下，橢球體發(fā)育均勻，覆蓋層具有分層移動的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上提出了能滿足覆蓋層6大功能的覆蓋層安全結(jié)構(gòu)與厚度，見圖1所示。

圖1 覆蓋層安全結(jié)構(gòu)與厚度確定原理Fig.1 Determination principle of security architecture and thickness of covering layer

依據(jù)覆蓋層的分層規(guī)律，將其宏觀結(jié)構(gòu)分為2部分：流動層和整體下移層。整體下移層位于放礦松動橢球體上部，不參與放礦橢球體內(nèi)顆粒流動，在覆蓋層移動過程中保持結(jié)構(gòu)和厚度基本不變，故將其作為實現(xiàn)覆蓋層防滲透、防漏風(fēng)的滲漏平衡層。流動層參與放礦橢球體顆粒流動，容易侵入放出橢球體造成礦石貧化和覆蓋層損失變薄，故將其作為控制礦石過早貧化和覆蓋層厚度的貧化控制層。

整體下移層作為滲漏平衡層，其結(jié)構(gòu)和厚度取決于防滲透、防泥石流和防漏風(fēng)要求。根據(jù)建立的分層控制的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，優(yōu)化整體下移層的孔隙率和厚度，使覆蓋層結(jié)構(gòu)滿足遲滯水滲透時間和防漏風(fēng)要求，并控制覆蓋層滲透壓力，降低誘發(fā)井下泥石流發(fā)生概率。

流動層和礦石層接觸，為避免放礦過程中過早貧化和因塊度過大造成懸拱，其粒度結(jié)構(gòu)和地下開采崩落礦石粒度結(jié)構(gòu)相近。流動層厚度取決于放礦橢球體發(fā)育程度，與分段高度存在1～2倍的關(guān)系。

2 覆蓋層形成方法與評價

覆蓋層形成方法有硐室崩落邊幫圍巖、分層廢石回填、高臺階廢石回填形成覆蓋層方法、聯(lián)合法4種方法。

(1)硐室崩落露天邊幫圍巖。硐室崩落露天邊幫圍巖形成覆蓋層方法是通過硐室拋擲爆破技術(shù)，將露天采場邊幫圍巖崩落后拋擲道露天采場坑底形成覆蓋層。此方法形成質(zhì)量難控制，厚薄不均勻；邊幫多次擾動破壞，施工風(fēng)險大；爆破塊度結(jié)構(gòu)難控制，粗細(xì)互層；爆破震動危害大，破壞地下井巷工程。

(2)分層廢石回填。分層廢石回填形成覆蓋層方法是通過分層排卸廢石形成覆蓋層。此方法按設(shè)計結(jié)構(gòu)施工難度大、工期長、每個翻卸高度均為互層。

(3)高臺階廢石回填形成覆蓋層方法。甘德清[7]運用散體自溜分級理論、相似實驗和現(xiàn)場工業(yè)試驗，提出了高臺階一次回填形成覆蓋層的方法。此方法可利用廢石自然分級的規(guī)律，實現(xiàn)覆蓋層從頂部到底部粒度漸進(jìn)式過渡分布，能滿足覆蓋層分層結(jié)構(gòu)與粒度控制的需要。

(4)聯(lián)合法。聯(lián)合法即以上3種方法的結(jié)合。

3 杏山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層形成方案

首鋼杏山鐵礦露天生產(chǎn)規(guī)模150萬t/a，采場最高標(biāo)高為305 m，露天境界最低標(biāo)高為 -33 m，封閉圈標(biāo)高為 117 m，2004 年底，露天開采已近尾聲，-33 m以下進(jìn)行了露天轉(zhuǎn)地下開采。地下采用無底柱分段崩落法開采，生產(chǎn)規(guī)模320萬t/a。針對杏山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下的過程中面臨的排土場倒運和掛幫礦開采引起上盤邊坡滑塌覆蓋露天采場的現(xiàn)狀，適合采用倒排排土場廢石，人工回填形成露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層。

3.1 覆蓋層的結(jié)構(gòu)與厚度

根據(jù)前面“覆蓋層功能與結(jié)構(gòu)分析”一節(jié)的理論分析，杏山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層分2層鋪設(shè)，即整體下移層H1和流動層H2。

3.1.1 流動層

(1)該層回填物料粒度不小于20 mm(篩掉細(xì)粒結(jié)構(gòu))。

(2)回填物料中100 mm以上的粒度含量不小于40%。

(3)該層厚度不小于20 m。

3.1.2 整體下移層

(1)粒徑小于5 mm的細(xì)顆粒與大于5 mm的粗顆粒在該層中的比例為3∶7。

(2)該層厚度不小于25 m。

(3)覆蓋層的整體厚度不小于45 m。

3.2 回填物料的性質(zhì)與回填方式

排土場的位置位于杏山露天采場西北側(cè)，距離露天坑總出入溝口平均運距2 km，到露天坑回填點平均運距3.5 km。

45 m厚度覆蓋層需要回填95萬m3廢巖，考慮1.1的沉降系數(shù)，實際需要松方廢巖105萬m3，排土場堆積量能夠滿足回填要求。排土場廢石主要由石榴黑云斜長片麻巖和混合花崗巖組成，粒徑主要分布在5～200 mm。

汽車運輸回填。采用8 m3挖掘機(jī)裝30 t汽車運至再選回收場地，通過格篩300 mm以下物料經(jīng)膠帶進(jìn)入磁滑輪干選，廢料經(jīng)篩分20 mm以上由汽車運至露天坑鋪設(shè)流動層，或直接將廢料運至露天坑內(nèi)鋪設(shè)整體下移層。

3.3 首鋼杏山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層回填方案

按照安全生產(chǎn)要求，覆蓋層需在2011年5月底之前完成。結(jié)合露天公路及掘進(jìn)帶礦倒運場的使用情況，可利用北排土場干選廢料及生產(chǎn)掘進(jìn)巖石分期形成覆蓋層。在+10 m水平公路回頭曲線以45 m臺階高度一次倒排回填形成覆蓋層。

(1)道路通過能力。道路通過能力取決于單位時間內(nèi)通過線路一定地點的最大汽車數(shù)量，它與行車線數(shù)量、路面質(zhì)量與狀態(tài)、汽車運行速度以及安全行車間距有關(guān)：

N=1 000vnK2/S，

(1)

式中，N為道路通過能力，輛/h；v為汽車行車速度，km/h；n為線路數(shù)目(單車道時n=0.5，雙行道時n=1)；K2為車輛行駛的不均衡系數(shù)，一般取0.5～0.7；S為同一方向上汽車之間安全距離，即停車視距。

杏山鐵礦露天公路多為單行道，n取0.5，汽車行駛速度取10 km/h，車輛行駛不均衡系數(shù)取0.6，由于冬季施工，停車視距按照現(xiàn)場條件取100 m，故杏山露天道路通過能力

N=1 000×10×0.5×0.6/100=30(輛/h)，

公路通過能力為40.5萬t/月，滿足覆蓋層形成需求。

(2)設(shè)備臺效計算。覆蓋層形成利用北排土場干選巖石，平均運距4.5 km，42 t礦用運輸空車上坡15 km/h，重車下坡10 km/h，故車輛運輸時間44 min。裝車需要6 min，汽車調(diào)頭翻卸需要5 min，因此1次運輸作業(yè)循環(huán)需要55 min，按每車裝載土方量30 t計算，臺效33 t/(臺·h)，按日工作15 h計算，則每月臺效為1.5萬t/(臺·月)。挖掘機(jī)每小時可裝車7.5車，臺效225 t/(臺·h)。

3.4 技術(shù)保障措施

(1)對采礦工藝和放礦制度的要求。由于排土場廢石粒級的客觀條件，造成覆蓋層最下部流動層散體塊度小于采場設(shè)計平均塊度。因此在開采露天底下部第一分段時，需要調(diào)整爆破參數(shù)，適當(dāng)提高炸藥單耗，改善爆破條件，通過降低回采礦石塊度，盡量接近流動層的粒度，以防止由于粒級差別大而在放礦過程中過早發(fā)生貧化。

杏山鐵礦-45～-30 m分段在B13勘探線到A3勘探線之間，包括部分大杏山和全部小杏山的露天坑底下的地下首采分段，采用松動放礦制度，只放出1/3的礦石，剩余礦石作為礦石墊層，以加大覆蓋層厚度，提高地下開采的安全性，減小礦石的貧化率。

(2)泥石流預(yù)防措施。為預(yù)防泥石流的發(fā)生，對杏山鐵礦露天坑內(nèi)掛幫礦平硐口進(jìn)行滲漏防淤處理，并在露天坑底設(shè)置泄水孔，作為覆蓋層疏水通道。

(3)回填工藝要求。回填下部流動層的排土場廢石要通過篩分剔除20 mm的細(xì)粒結(jié)構(gòu)。在回填過程中，要盡量提高一次回填的高度，以加大物料自然分級的效果。

3.5 應(yīng)用效果

露天轉(zhuǎn)地下過渡期開采技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比見表1所示。

表1 露天轉(zhuǎn)地下過渡期開采技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比Table 1 Comparison for technical and economic index during transition from open pit to underground mining

由表1可以看出杏山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下過渡期在井下漏風(fēng)率、礦石貧化率、井下泥石流和滲漏時間等指標(biāo)上明顯優(yōu)于國內(nèi)外其他露天轉(zhuǎn)地下開采礦山，應(yīng)用效果顯著。

4 結(jié) 語

在總結(jié)分析露天轉(zhuǎn)地下礦山覆蓋層功能、安全結(jié)構(gòu)與厚度確定、形成方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合杏山鐵礦實際情況，提出了適合首鋼杏山鐵礦的覆蓋層形成方法，對類似礦山有借鑒意義。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Covering Layer Forming Method during Transition from Open Pit to Underground in Xingshan Iron Mine

Lu Hongjian1,2Gan Deqing1,2Chen Chao1,2

(1.CollegeofMineEngineering，HebeiUnitedUniversity，Tangshan063009，China；2.HebeiProvinceKeyLaboratoryofMiningDevelopmentandSafetyTechnique，Tangshan063009，China)

Taking Xingshan Iron Mine as research background，combined with the actual situation of the mine，and based on the covering layer structure optimization theory of random media ore-drawing theory and natural grading theory of covering layer backfill from open pit to underground，the covering layer thickness of Xingshan Iron Mine is determined to be 45 m and the forming method is high step once dumping，which meet the safety functions of the anti-dilution losses，anti-rockburst，blocking water，reducing air leakage for cold proof，and forming the extrusion blasting and the end ore-drawing conditions.A detailed program and the technical guarantee measures are proposed.The main conclusions are as follows：①Xingshan Iron Mine overlay layer have overall downward layer and flowing layer.The waste rock backfill size at flowing layer is not less than 20 mm，rock content of 100 mm or above is not less than 40%，and the thickness is not less than 20 m.②The waste rock backfill size of overall downward layer is smaller than 5mm，and has a ratio of 3∶7 with that of greater than 5 mm.Its thickness is not less than 25 m.After the implementation of covering layer，Xingshan Iron Mine owned good evaluating index in the leakage rate，ore dilution rate，underground landslides and seepage time and other indicators.The research provides a guiding reference for similar mines.

Transition from open pit to underground，Covering layer，High bench tipping，Natural classification

2013-11-04

河北省自然科學(xué)基金項目(編號：E2013209328)。

盧宏建(1980—)，男，博士，副教授。

TD856.1

A

1001-1250(2014)-01-025-04