海外Weld Range大型露天鐵礦內(nèi)部排土

黃土龍 章 林

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山243000;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000)

在露天開采中，為了開采境界內(nèi)的礦石，必須剝離剝離境界內(nèi)的巖土，而剝離的巖土量往往是礦石量的數(shù)倍。礦山規(guī)模、剝采比越大，剝離的巖土量越大，所需要排土場容量越大。

根據(jù)排土場與露天采場的位置關(guān)系，將排土場分為內(nèi)部排土場和外部排土場。內(nèi)部排土場是指將露天開采結(jié)束后形成的采空區(qū)作為廢石的排棄場地［1］。內(nèi)部排土場利用采空區(qū)進行排巖，相比于外部排土場，不需要額外征地，可大大減少征地費用。開采結(jié)束的露天礦，不進行處理，易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，而回填采空區(qū)是解決露天礦坑發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的有效措施，有利于露天坑復(fù)墾工作的開采［3］。因此，在露天開采中，應(yīng)優(yōu)先考慮內(nèi)部排土場。

1 礦山概況

Weld Range鐵礦石項目，位于Meekathara的西南65 km，主要有Beebyn和Madoonga 2個礦區(qū)。礦產(chǎn)資源總量2.038億t，設(shè)計規(guī)模為1 500萬t/a，其中Madoonga礦區(qū)生產(chǎn)規(guī)模為800萬t/a。Madoonga礦區(qū)礦體走向北東東，傾向南南東，傾角陡(＞70°)，礦體厚度20～50 m。Madoonga礦區(qū)最終開采境界分為2個采區(qū)，分別是Madoonga主采區(qū)和Madoonga小礦體采區(qū)。Madoonga主采區(qū)露天境界長大約3.5 km，平均寬度為400 m，開采最高標(biāo)高為+640 m，最低標(biāo)高為+265m。Madoonga小礦體采區(qū)為Madoonga主采區(qū)附屬采區(qū)，位于Madoonga主采區(qū)的東北部，與Madoonga主采區(qū)露天境界最近距離約40 m，開采最高標(biāo)高為+640 m，最低標(biāo)高為+535 m。

按照原設(shè)計，Madoonga主采區(qū)自東向西分為東區(qū)、中區(qū)、西區(qū)3個區(qū)域(如圖1)，依次開采。Madoonga礦區(qū)平均剝采比為4.1，Madoonga礦區(qū)廢石共計2.638億t，原設(shè)計全部排入外部排土場，需排土場容積約 1.817 9億 m3，排土場占地面積將達 2.5 km2。Madoonga礦區(qū)的南面地形坑洼不平，限制了廢石堆的容積，并且存在許多重要的野生動物群系，外部排土場只能布置在Madoonga礦區(qū)北側(cè)。

圖1 Madoonga采區(qū)最終境界Fig.1 Final boundary of M adoongam ining area

2 實行內(nèi)排的可行性

在露天礦場內(nèi)能否建立內(nèi)部排土場，取決于礦體的賦存特征(傾角、厚度、層數(shù)等)、水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，露天礦開采程序和工藝系統(tǒng)等［4］。內(nèi)部排巖底盤都是建立在露天坑底標(biāo)高上，因而露天坑內(nèi)部排土首先必須使開采臺階降低到露天坑底。對于急傾斜礦床，開采深度往往較深，無法實現(xiàn)倒堆開采。只有當(dāng)露天境界平面范圍較大，或沿走向采場較長，且可以分期或分區(qū)開始時，將其中一個區(qū)域早于其他區(qū)域開采完，作為內(nèi)部排土場，才能實現(xiàn)內(nèi)部排巖。Madoonga礦區(qū)分沿走向長約4 km，沿走向劃分為3個區(qū)域，將其中一個區(qū)域優(yōu)先開采完，形成采空區(qū)，將其他區(qū)域剝離的巖石排入采空區(qū)，即可實現(xiàn)內(nèi)部排土。

3 內(nèi)部排巖方案

開采順序決定了礦石供應(yīng)和內(nèi)部排土規(guī)模。根據(jù)開采順序的不同，存在3個可選方案:一是首先開采東區(qū);二是首先開采中區(qū);三是首先開采西區(qū)。對這3個方案進行比較，最大限度的提高內(nèi)部排土規(guī)模，減少外部排土場的規(guī)模。各區(qū)段參數(shù)以及產(chǎn)生的廢石量見表1。

表1 各采區(qū)規(guī)模Table1 The scale of each m ining area

(1)3個方案中，首采區(qū)開采完后形成的采空區(qū)體積大小，依次為方案一＞方案二＞方案三，形成的采空區(qū)體積越大，能夠排入的巖土量越大，即內(nèi)部排土規(guī)模:方案一＞方案二＞方案三。

(2)西區(qū)地勢低，坑底標(biāo)高最高，規(guī)模最小，實現(xiàn)內(nèi)部排土最快，實現(xiàn)內(nèi)部排土的所需要的時間依次為方案一＞方案三＞方案二＞方案四。

(3)從內(nèi)部排土運輸距離考慮，方案二，中段作為首采區(qū)，運輸距離最短，但是中區(qū)排土東西兩側(cè)均存在排土場邊坡，邊坡的存在使排土空間大大減少。

(4)方案三中，西區(qū)開采結(jié)束后形成的采空區(qū)太小，很快就會達到排土極限，內(nèi)排不得不中斷，此時中區(qū)產(chǎn)生的大部分廢石需要外排，在中區(qū)開采結(jié)束后，方可繼續(xù)內(nèi)排。

(5)方案三中，西區(qū)空間狹小，首先開采西區(qū)，所能布置的設(shè)備有限，新水平準備壓力大，很難達到800萬t/a的產(chǎn)能要求。

綜合以上分析，方案一形成內(nèi)排需要的時間太長，方案二人為造成內(nèi)排空間浪費，只有方案三較為合理。對方案三進行優(yōu)化，改為同時開采西區(qū)和中區(qū)，一方面解決方案三間斷排土，生產(chǎn)組織困難的問題，另一方面同時開采西區(qū)和中區(qū)，可以布置更多的設(shè)備，加快開采進度，使產(chǎn)能更加均衡。

4 新水平準備

與緩傾斜礦床一次采掘礦體全厚不同，能夠快速實現(xiàn)內(nèi)部排土不同，急傾斜礦床開采深度大，不可能一次采掘全厚，為加快實現(xiàn)內(nèi)部排土，需要對首采區(qū)進行強采。除布置更多的采掘設(shè)備外，強采的關(guān)鍵在于加快采場下降速度，縮短新水平準備時間，這是因為新水平準備工作中，施工條件惡劣，空間狹小，缺少自由面，爆破效果差，能布置的設(shè)備非常有限。

新水平準備時間由掘進出入溝時間、掘進開段溝時間、和為掘進出入溝、開段溝所需空間的擴幫工作時間3部分組成。出入溝掘進時間基本是固定的。從表1可知，即使分區(qū)后，走向長度仍然遠大于采區(qū)寬度，即開段溝橫向布置，掘溝工程量將遠小于縱向布置，掘進開段溝的時間最短。同理，擴幫工作量最少，擴幫工作所需時間最少。因此，開段溝橫向布置，橫向采剝，新水平準備時間將大大減少。

5 排土工藝及參數(shù)

為充分發(fā)揮內(nèi)部排土場運距短的優(yōu)勢和適應(yīng)多臺階組合開采的生產(chǎn)方式，排土場排土工藝為覆蓋式多臺階排土方式，廢石堆置標(biāo)高盡可能與廢石剝離標(biāo)高保持一致，保證水平運輸，節(jié)省運輸費用。

由于是在露天采空區(qū)內(nèi)排土，排土場西、南、北面均為采場固定邊幫，只有東面是露天坑。排土場基本不會高出地面，只有東面邊坡可能發(fā)生失穩(wěn)，生產(chǎn)過程中，排土場坡腳線至采場工作面保持一定的安全距離，發(fā)生失穩(wěn)的主要影響為影響生產(chǎn)，損失輕微。因此沿用外部排土場參數(shù)，排土場是安全的。

內(nèi)部排土場參數(shù):臺階坡面角18°，總體邊坡角為15°，排土臺階高度為10 m，臺階外緣留有10 m安全平臺。

圖2 西區(qū)排土結(jié)束后內(nèi)部排土場示意Fig.2 A schematic diagram of the internal dum ping site after the end of theW est dump

6 結(jié)論

(1)Weld Range鐵礦Madoonga礦區(qū)，走向長，礦區(qū)平面大，具備分區(qū)開采，內(nèi)部排土的條件。通過調(diào)整首采區(qū)，確定內(nèi)部排土方案，外部排土場規(guī)模可縮小近一半。

(2)內(nèi)排運輸距離比外排減少了500 m，內(nèi)部排土基本屬于水平運輸，與重車上坡運輸相比，汽車運輸效率將極大提高，運輸成本大大降低。

(3)通過實施內(nèi)排，內(nèi)部排土占比將達到48%，減少排土場占用土地購買費用和后期復(fù)墾費用。

(4)內(nèi)部排土，減少了露天邊坡暴露面積和時間，降低了發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性，由于排土場是散體，相比于巖石邊坡，復(fù)墾要容易的多。

［1］ 高永濤，吳順川.露天采礦學(xué)［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2010: 238.

Gao Yongtao，Wu Shunchuan.Open-pit Mining Engineering［M］.Changsha:Central South University Press，2010.

［2］ 甘德清，楊福海.露天礦內(nèi)部排土模擬優(yōu)化研究［J］.唐山工程技術(shù)學(xué)院學(xué)報，1995(1):12-20.

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