大紅山鐵礦坑露聯(lián)合同步開采優(yōu)化

范有才　徐萬壽

(玉溪大紅山礦業(yè)有限公司)

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大紅山鐵礦坑露聯(lián)合同步開采優(yōu)化

范有才徐萬壽

(玉溪大紅山礦業(yè)有限公司)

摘要針對大紅山坑露聯(lián)合同步開采過程中存在的露采遲緩壓礦、坑露矛盾突顯、采不保選加劇與經(jīng)濟(jì)效益惡化等生產(chǎn)、技術(shù)難題，以前期地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及坑露關(guān)系研究理論為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際、統(tǒng)籌兼顧，提出了4條技術(shù)優(yōu)化思路：通過對井下開采過程中圍巖移動角的研究，重新調(diào)整井下預(yù)留保安礦柱，減少露天采場對井下的壓礦量，緩解坑露矛盾；應(yīng)用3DMine軟件建立熔巖礦床模型，根據(jù)開采經(jīng)濟(jì)價值對露天礦進(jìn)行開采境界優(yōu)化，以同時滿足開采的經(jīng)濟(jì)性與坑露進(jìn)度要求；理順井下開采順序，實(shí)現(xiàn)坑露開采安全平穩(wěn)過渡；提前合理規(guī)劃開采境界外礦石，確保資源綜合利用。合理制定的優(yōu)化方案可以有效解決問題，為露天開采贏得時間，并為井下持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)創(chuàng)造條件，符合安全性、經(jīng)濟(jì)性的要求。

關(guān)鍵詞坑露聯(lián)合開采圍巖移動角開采境界開采順序綜合利用

大紅山鐵礦探獲地質(zhì)儲量為4.5億t，由71個礦體組成，礦體空間位置交錯，呈多層互層產(chǎn)出。礦山于2006年12月底達(dá)到地下400萬t/a采選規(guī)模，于2007年展開總體規(guī)劃建設(shè)，綜合開采淺部熔巖露天鐵礦、1#銅礦帶、Ⅲ～Ⅳ礦體、Ⅱ1礦體720 m標(biāo)高以上等礦體。至2010年底建成后，形成了露天開采與井下無柱分段崩落法、空場法、上向分層充填法等多區(qū)段、時空同步開采及低貧礦體綜合利用的資源開發(fā)新格局，實(shí)現(xiàn)了資源的深層次綜合利用，總體開采規(guī)模也達(dá)到1 200萬t/a以上，但同時也使得開采關(guān)系變得十分復(fù)雜，帶來了許多新的采礦難題。

1坑露聯(lián)合同步開采的關(guān)鍵問題

1.1露采遲緩壓礦

大紅山露天淺部熔巖鐵礦位于井下深部鐵礦的上部北西側(cè)，隨著井下崩落法開采范圍的擴(kuò)大，將對露天上部臺階產(chǎn)生影響，造成大量的資源無法正?；厥?。根據(jù)前期設(shè)計規(guī)劃，400萬t/a坑采在投產(chǎn)后第十二年向400 m標(biāo)高以下過渡，淺部熔巖露天鐵礦在此之前完成資源的搶救性開采。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于受資本投資量與資金運(yùn)轉(zhuǎn)效率等因素的制約和影響，使開采進(jìn)度受到較大的影響。同時為滿足鋼鐵市場對原料品質(zhì)的要求，井下礦體加快了開采速度，促使400萬t/a坑采工程向400 m標(biāo)高以下過渡的時間提前了2～3 a，致使原本緊張的坑露關(guān)系矛盾更為突出。

1.2采不保選加劇

由于坑露的制約影響關(guān)系，前期根據(jù)設(shè)計崩落開采65°移動角圈定了井下的保安礦柱，深部420 m以下礦體北部幾乎被壓覆，其中井下持續(xù)生產(chǎn)采礦工程300～400 m受壓礦量達(dá)到2 500萬t左右。由此，井下可布回采工作面和產(chǎn)量將受到極大的制約，采不保選加劇，且按井下400萬t/a以上的采礦能力，3～4 a后將無法持續(xù)生產(chǎn)。

1.3經(jīng)濟(jì)效益惡化

2014年以來，礦業(yè)面臨礦價下跌、市場低迷的新形勢，而淺部熔巖露天開采鐵礦地質(zhì)品位約20%(圈定邊界品位為13%)，低于國家工業(yè)利用品位，且磁性鐵占有率不到40%，選礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不理想，選比大，造成產(chǎn)出少、成本高，經(jīng)濟(jì)效益惡化。

1.4排廢場地受限

礦山前期生產(chǎn)廢石場基本已堆滿，前期規(guī)劃的小廟溝廢石場因經(jīng)營效益惡化，無法正常投資建成使用，已沒有足夠的廢石場地滿足露天排廢需要，生產(chǎn)經(jīng)營雪上加霜。

2坑露聯(lián)合同步開采優(yōu)化

根據(jù)長沙礦山研究院對井下崩落塌陷狀況的監(jiān)測數(shù)據(jù)及馬鞍山礦山研究院關(guān)于坑露矛盾相互影響關(guān)系的理論推測，結(jié)合實(shí)際問題進(jìn)行分析考慮，提出4個方面的開采優(yōu)化思路：一是結(jié)合自生產(chǎn)以來地下開采產(chǎn)生的地表移動情況，合理調(diào)整移動角，重新圈定井下壓礦邊界，釋放部分礦量，緩和坑露矛盾；二是理順地下開采關(guān)系，實(shí)現(xiàn)坑露安全開采和今后坑下平穩(wěn)過渡；三是結(jié)合當(dāng)前市場、排土場條件，優(yōu)化露天開采境界，在減少礦山經(jīng)營虧損的同時，加快露天礦開采進(jìn)度，盡早解除坑露矛盾；四是提前對優(yōu)化境界外的礦石合理規(guī)劃開采，確保資源綜合利用。

2.1地下開采移動角調(diào)整

結(jié)合馬鞍山礦山研究院的“坑露聯(lián)采銜接綜合開采技術(shù)”，通過將地下空區(qū)與地表開裂縫現(xiàn)狀疊加，根據(jù)各采區(qū)空間地理位置關(guān)系及開采情況推斷，地表的開裂范圍基本覆蓋了地下崩落法的主采區(qū)、中Ⅱ采區(qū)、南翼采區(qū)的正上方。同時，因主采區(qū)已與南翼采區(qū)連通，中Ⅱ采區(qū)也在豎直方向上與南翼采區(qū)貫通，結(jié)合地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，對地表的開裂下沉造成主要影響的是地下主采區(qū)、南翼采區(qū)及中Ⅱ采區(qū)。綜合分析主采區(qū)、南翼采區(qū)、中Ⅰ、中Ⅱ采區(qū)開采現(xiàn)狀及其采空區(qū)分布狀況并對比地表開裂現(xiàn)狀，選取塌陷區(qū)域內(nèi)各典型橫縱剖面圖，對照得到不同剖面上的裂縫角度(塌陷角)。塌陷區(qū)內(nèi)井下空區(qū)與其影響的地表裂縫之間的裂縫角度均大于76°(尤其是靠近邊坡側(cè))，可近似采用該角度作為大紅山鐵礦地下采空區(qū)造成巖層冒落擴(kuò)張至地表形成裂縫的塌陷角。研究認(rèn)為未來400 m水平及二期開采主要向西南方向發(fā)展，地表裂縫及塌陷范圍也將向西南方向發(fā)展，塌陷現(xiàn)狀已逐漸趨于穩(wěn)定，可以選擇70°作為移動角進(jìn)行壓礦范圍的調(diào)整，具備安全性。

由此結(jié)合實(shí)際進(jìn)一步分析，從井下開采的角度，為便于生產(chǎn)組織協(xié)調(diào)，保證預(yù)留礦柱的完整性，減少礦柱后期回采廢石接觸面，應(yīng)以A36′線附近為界，A36′以東礦體解除壓礦制約，A36′以西以露天上部坡頂線預(yù)留20 m保護(hù)帶，向下按70°移動角圈定主采區(qū)北部礦柱保護(hù)界線。通過按此原則重新圈定井下各分段的壓礦界線，井下A36′以東礦體得到釋放，持續(xù)生產(chǎn)采區(qū)300 m以上釋放礦量約1 200萬t左右，緩解了露天對地下開采的制約程度。

2.2地下開采關(guān)系理順

為協(xié)調(diào)好露天礦制約期間坑露開采關(guān)系及露天礦制約解除后井下開采關(guān)系，合理規(guī)劃井下持續(xù)生產(chǎn)的開采順序，協(xié)調(diào)安排壓礦與未壓礦的開采關(guān)系。從空間上應(yīng)合理控制未壓礦下降的垂直高度以避免較明顯的地壓現(xiàn)象，上下分段之間以南北向的聯(lián)道劃分成條帶錯開，按順序持續(xù)回采，同時有利于設(shè)備、人員在分段間、條帶間的作業(yè)協(xié)調(diào)及生產(chǎn)組織，滿足生產(chǎn)效率及產(chǎn)量均衡要求。通過分析，按以下幾個方面細(xì)化協(xié)調(diào)井下持續(xù)生產(chǎn)采區(qū)開采順序：

(1)持續(xù)生產(chǎn)采區(qū)開采前期需留下壓礦部分不采，并利用未壓礦部分與其它地段的開采相搭配，確保礦山總體產(chǎn)量。

(2)協(xié)調(diào)安排好壓礦部分與未壓礦的開采關(guān)系，隨著開采分段的下降，壓礦部分面積越來越大，未壓礦部分面積越來越小，若壓礦部分不在適當(dāng)?shù)臅r間開采，礦山總體產(chǎn)量將無法確保，之后開采壓礦部分時，初期產(chǎn)量也較小，因此，規(guī)劃壓礦部分開采時間為2022年，即露天礦必須在6 a內(nèi)結(jié)束開采。

(3)壓礦部分要按分段強(qiáng)采,均衡控制上下分段的開采順序(圖1)，以降低壓礦部分高差，也便于設(shè)備、人員及進(jìn)回風(fēng)通道的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)均衡生產(chǎn)。

圖1　北部壓礦段分段回采關(guān)系

(4)為避免上下分段同時用一條溜井卸礦的安全問題及粉塵污染，上下分段之間的回采順序應(yīng)按各水平南北向的聯(lián)道劃分成條帶(以南北向各排溜井劃分)，錯開回采。

(5)為滿足生產(chǎn)規(guī)模要求，各分段需對應(yīng)布置切割槽，以安排未壓礦部分多分段同時回采。

(6)上分段制約下分段拉槽的條帶要安排優(yōu)先退采。

(7)工序安排上要實(shí)現(xiàn)深孔鑿巖，爆破和出礦保持合理的前后對應(yīng)關(guān)系，以及各工序在作業(yè)區(qū)域的緊密錯開，避免互相交叉影響，提高效率。

2.3露天開采境界優(yōu)化

2.3.1境界優(yōu)化方案

前期境界優(yōu)化方案采用3DMine礦業(yè)軟件建立熔巖礦的礦床模型，根據(jù)當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件對模型中的每個單元塊進(jìn)行經(jīng)濟(jì)價值的賦值計算，并按開采的經(jīng)濟(jì)性逐一篩選，從而得出最優(yōu)的開采境界。

以2015年公司鐵精礦產(chǎn)品平均價格為基準(zhǔn)價格，分別按降低5%、10%、15%、20%、25%、30%的幅度計算，得出當(dāng)售價降幅小于20%時，優(yōu)化境界經(jīng)濟(jì)可行；當(dāng)售價降幅為20%及以上時，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下無法經(jīng)濟(jì)開采。

在優(yōu)化境界經(jīng)濟(jì)可行的基準(zhǔn)價格下，境界內(nèi)礦石量為3 100萬t左右，剝離量為1 300萬m3左右，境界內(nèi)礦石可根據(jù)排土容量考慮一次性開采或分期開采。其中，按平均下降速度與可布置挖掘機(jī)的數(shù)目分別驗(yàn)證生產(chǎn)能力，一次性開采可達(dá)到550萬t/a，由于過渡境界的尺寸較小，分期開采只能達(dá)到400萬t/a。結(jié)合坑露安全回采時間的要求，應(yīng)按一次性開采考慮。

通過優(yōu)化露天開采境界，可以滿足6 a內(nèi)露天開采結(jié)束的安全要求，在時間上與井下安排基本協(xié)調(diào)，促使2022年下半年可及時回采井下北部調(diào)整移動角后仍壓礦部分，與未壓礦部分320，300 m分段協(xié)同開采，2027年壓礦部分下降到320 m標(biāo)高，之后與未壓礦部分協(xié)同向300 m標(biāo)高以下平穩(wěn)過渡。

通過優(yōu)化，露采剝離量大大減少，避免了新建排土場的建設(shè)投資，能夠?qū)崿F(xiàn)國際礦價大幅下跌條件下的經(jīng)濟(jì)合理開采。應(yīng)國家礦產(chǎn)資源綜合利用的要求，優(yōu)化境界外礦石仍然不能棄采，須考慮更經(jīng)濟(jì)合理的開采方案。

2.3.2礦價進(jìn)一步下行的實(shí)施步驟

由于鐵礦價格不斷下行，按境界優(yōu)化方案，基準(zhǔn)價格下行20%及以上時，無法經(jīng)濟(jì)開采。前期與外包采礦單位合同價格談判未達(dá)成一致而暫停露天開采，下一步按優(yōu)化方案組織實(shí)施，恢復(fù)露天開采時，若價格下行20%及以上，棄采也不一定是最優(yōu)的方案，可將前期投資固定資產(chǎn)推銷總額與棄采的虧損總額進(jìn)行比較，完善實(shí)施步驟。第一步，分析不新增剝離，前期直接采礦；第二步，按優(yōu)化境界，在確保安全的前提下適當(dāng)調(diào)整邊坡角，少剝離，并按20%以上重新圈定邊界品位，編排生產(chǎn)作業(yè)計劃，力爭提高供礦品位，并考慮將產(chǎn)生廢石預(yù)拋廢處理，破碎形成建材產(chǎn)品銷售；若第一步、第二步不可行，則實(shí)施第三步，即進(jìn)一步提高邊界品位，重新圈定礦體，根據(jù)礦體賦存狀況研究利用高品位礦體；若以上都不可行，第四步再考慮以加大井下、周邊低品位礦規(guī)模，完全替代露天低品位鐵礦生產(chǎn)，全面釋放井下壓礦部分產(chǎn)能。

2.4境界外礦石提前規(guī)劃開采

境界外礦石開采規(guī)劃是以保證境界內(nèi)外礦石同步回采、互不影響為原則，以最終確定的優(yōu)化境界線向東南推移30 m作為露天臺階的安全保護(hù)帶，30 m保護(hù)帶以外至原地下開采的Ⅲ2-3西段礦石規(guī)劃為優(yōu)化境界外前期井下開采，30 m保護(hù)帶以內(nèi)礦石后期掛幫開采。

為充分利用原井下頭部礦體系統(tǒng)工程及通道規(guī)劃優(yōu)化境界外前期井下開采礦石以節(jié)約投入、降低開采成本，前期通過完善有關(guān)地質(zhì)資料、原采空區(qū)資料，在平剖面上補(bǔ)充落實(shí)周邊坑道，結(jié)合現(xiàn)場落實(shí)采空區(qū)、運(yùn)輸及進(jìn)回風(fēng)系統(tǒng)、水電使用條件等提出初步開采方案，并通過細(xì)化測算有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)與成本指標(biāo)等進(jìn)行多次優(yōu)化，完成開采規(guī)劃。

境界外礦石開采規(guī)劃結(jié)合此部分礦石周邊已回采空區(qū)現(xiàn)狀及露天臺階需保護(hù)等狀況，經(jīng)過多次論證，采用房柱法回采，同時規(guī)劃未來幾年井下深部回采范圍，結(jié)合前期井下塌陷狀況，研究分析未來各年度井下開采對境界外礦石的影響關(guān)系，預(yù)計將于2 a后會受到不同程度的影響。為提高資源綜合回收利用水平，須對境界外礦石實(shí)施搶救開采。結(jié)合境界外礦石附近的井下開采系統(tǒng)，原Ⅱ5礦體835，775分段坑道完整可靠的現(xiàn)狀，以及短期內(nèi)西段不受井下深部開采影響的分析，規(guī)劃利用775 m分段西段至地表的通道作為進(jìn)風(fēng)、運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ溃?35 m分段西段至地表的通道作為回風(fēng)通道，同時為各分段出礦便利，在礦體中部設(shè)置采區(qū)輔助斜坡道作為車輛、人員、材料進(jìn)出及礦石、廢石的主要運(yùn)輸通道。

通過優(yōu)化，前期可采出鐵品位25%以上、銅品位0.4%左右的鐵和銅礦石量100萬t以上，原礦采礦成本為42元/t，精礦采選綜合成本為348元/t，在當(dāng)前礦價下仍然經(jīng)濟(jì)可行。同時境界外礦石開采規(guī)劃的實(shí)施是境界優(yōu)化的必要條件，聯(lián)合實(shí)施才能兼顧坑露矛盾與資源綜合利用，促進(jìn)露天與井下安全持續(xù)生產(chǎn)。

3保障措施

為確保方案的有效實(shí)施，在露天1 000 m臺階預(yù)留60 m寬平臺作為安全緩沖平臺，并對露天東上部邊坡巖體質(zhì)量特征、巖石結(jié)構(gòu)面進(jìn)行跟蹤分析，在露天邊坡與井下塌陷區(qū)之間設(shè)置觀測點(diǎn)，進(jìn)行移動變形監(jiān)測，井下東北側(cè)利用Ⅲ2-3礦體開采坑道設(shè)置應(yīng)力及位移監(jiān)測等，為合理實(shí)施坑露聯(lián)合開采技術(shù)提供保障。

4結(jié)語

針對對大紅山鐵礦存在的露天采礦遲緩壓礦、坑露矛盾突出、采不保選加劇等問題，結(jié)合實(shí)際、統(tǒng)籌兼顧，提出4條技術(shù)優(yōu)化思路并制定實(shí)施方案，包括調(diào)整地下開采移動角、理順地下開采關(guān)系、優(yōu)化露天開采境界、提前規(guī)劃境界外礦石，系統(tǒng)考慮了開采的時空關(guān)系以及經(jīng)濟(jì)性、安全性，解決了存在的關(guān)鍵問題,既能實(shí)現(xiàn)最快對淺部熔巖露天鐵礦實(shí)施搶救性開采，又能保證坑采的出礦量滿足生產(chǎn)需要，最大限度綜合利用礦產(chǎn)資源。

(收稿日期2016-02-20)

Optimization of the Open-pit and Underground Joint Synchronous Mining of Dahongshan Iron Mine

Fan YoucaiXu Wanshou

(Yuxi Dahongshan Mining Co., Ltd.)

AbstractThe production and technical problems such as the mineral below construction caused by slow open-pit mining, the contradiction between the open-pit and underground is obvious, the mining is not suitable for mineral processing, the deterioration of economic benefits are existed in the process of the open-pit and underground joint synchronous mining. According to the above problems, based on the early ground pressure monitoring data analysis results and the research theory of the relationship between open-pit and underground, combing with the actual situation of the Dahongshan iron mine, the following 4 technique optimization methods are proposed: the mine reserved safety pillars are conducted readjustment to reduce the mineral below construction caused by open-pit to relieve the contradiction between open-pit and underground based on studying the surrounding rock movement angle in the process of underground mining; the lava deposit model is established by adopting 3DMine software, the open-pit mining boundary is optimized based on the mining economical value to meet the requirements of mining economics and open-pit and underground joint synchronous mining speed; the underground mining sequence is optimized to realize the smooth and safety transition of open-pit and underground mining; the mining scheme of the ores outside the mining boundary is planed reasonably in advance to ensure the rational comprehensive utilization of resources. The above reasonable schemes can solve the above problems, which provide ample time for open-pit mining and create conditions of the underground safety production. Besides that, they are meet the requirement of safety and economics.

KeywordsOpen-pit and underground mining, Surrounding rock movement angle, Mining boundary, Mining sequence, Comprehensive utilization

范有才(1979—)，男，高級工程師，工商管理碩士, 653400 云南省玉溪市新平縣戛灑鎮(zhèn)。