酒鋼西溝礦分期開采方案設計研究

許守信 陳 誠 顏威山 沈珍鵬(酒鋼集團甘肅西溝礦業(yè)有限公司，甘肅 嘉峪關 735100)

酒鋼西溝石灰石礦位于嘉峪關市西南約43 km處的祁連山北麓，礦區(qū)平均海拔2 800 m，占地面積25 km2，是一座中型現(xiàn)代化山坡露天礦。礦山始建于1959年，是酒鋼唯一的熔劑石灰石生產基地。原有B系統(tǒng)的最大生產能力為年產石灰石成品礦225萬t，已不能滿足公司對石灰石原料的需求，因而于2011年9月啟動了礦山技術改造項目，新建A系統(tǒng)于2015年正式投用，2016年具備年產石灰石成品礦500萬t的生產能力。為了擴大采場開采境界，中冶北方工程技術有限公司在《西溝石灰石礦技術改造項目初步設計》中將東山頭圈入采場最終開采境界內，并確定采場的開采順序繼續(xù)沿用以往自上而下分層全境界開采順序。然而，在全境界開采順序下，東山頭開采過程中會對下部3 100 m工業(yè)場地設備及人員造成嚴重的安全隱患，同時，全境界開采使3 100 m工業(yè)場地的廢棄時間延遲到20 a以后，存在一定的經濟性問題，因此，很有必要研究采用分期開采技術以解決兩難問題[1]。

1 采場分期開采的必要性

采場東山頭地勢險峻，山頭垂直高度達到200 m以上，山體外露部分礦巖風化嚴重，裂隙十分發(fā)育，坡面懸浮大量難以處理的特大石塊。山頭東北邊正下方為3 100 m工業(yè)場地，東南邊的下方為3 180 m卷揚機工業(yè)場地以及上山公路群。

在“技術改造項目”啟動前，西溝礦為了擴大境界和回采礦石曾嘗試過幾次階段性的小規(guī)模處理，但每一次的嘗試均因開采安全風險太大而被迫停止。

2011年4月至2013年5月，礦山按照“西溝礦技術改造項目采場境界設計”的要求對東山頭3 308 m水平以上部分實施了處理，處理期間曾發(fā)生過數(shù)次滾石砸壞3 100 m工業(yè)場地設備設施的事故。在 3 320～3 308 m臺階推進到最東邊、行將結束時，由于山坡懸浮的特大石塊存在隨時下落風險而被迫停止處理。在很長一段時間內，該公司相關部門及西溝礦尚不能提出有效解決方案。

因此，東山頭作為露天開采境界的一部分，只要隨著采場同時下降，則位于采場下部的工業(yè)場地、上山道路等就失去了天然的保護屏障。東山頭邊緣的爆破和鏟裝作業(yè)勢必會引起超大石塊滾落，將會嚴重威脅到3 100 m工業(yè)場地等作業(yè)場所的安全。只有在工業(yè)場地上部保留東山頭，在工業(yè)場地停止使用后，再對東山頭進行開采，才能徹底解決這一安全風險。為此，提出分期開采這一生產安全措施。

2 分期開采設計主要依據

(1)中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心甘肅總隊2003年2月提交的《甘肅省肅南裕固族自治縣西溝礦區(qū)石灰?guī)r礦補充勘探地質報告》。

(2)《擴能改造項目設計(初步設計和施工圖設計)技術要求》與礦山生產現(xiàn)狀資料。

(3)中冶北方工程技術有限公司完成的《技術改造項目初步設計》相關資料。

(4)西溝礦2015年末開采現(xiàn)狀圖。

3 分期開采方案

3.1 分期開采境界圈定

3.1.1 分期開采境界圈定原則

(1)以保證公司對工業(yè)石灰石500萬t/a的長期需求為前提，以分期開采期內剝采比均衡、設備效率不降低、產能輸出不降低、綜合生產成本不增加為原則，合理布置一、二期采場境界。

(2)分期開采保持初步設計總體開采境界及現(xiàn)有開拓運輸系統(tǒng)不變，分期開采后二期最終邊幫境界與技術改造項目初步設計的開采境界相吻合。

(3)分期開采方案既能保證3 100 m工業(yè)場地的生產系統(tǒng)在報廢前的安全，又能保證一期開采、二期開采均滿足500萬t/a的產能。

(4)現(xiàn)有系統(tǒng)和新系統(tǒng)的設備更新周期在10 a左右，因此，將東山頭預留邊幫臺階數(shù)量控制在7個以內，1#、2#溜井報廢期擬定為2024年之前，報廢后再實施二期開采，過渡期控制在5 a以內[2]。

(5)從東山頭已經處理形成的3 308 m水平最高作業(yè)平臺開始自上而下按12 m段高分期。

(6)圈定的一期露天開采境界的邊坡角及邊坡構成要素，不大于巖石力學計算推薦值，以確保露天采場的生產安全。

3.1.2 臨時邊幫邊坡構成要素

(1)臺階高度。考慮到礦山現(xiàn)有的裝備水平，結合巖石穩(wěn)定性，確定本次設計的臺階高度為12 m。 3 284 m水平上部2個臺階按照單臺階預留，以下采用24 m并段的方式。

(2)一期境界邊坡角。所確定的一期境界邊坡角為34.4°?；谀壳皫r石力學資料的可靠程度，考慮生產爆破(或地震)和地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響，安全系數(shù)限值Fs取為1.20，臨時幫邊坡高度相對較低，計算剖面邊坡高度為84 m，總體邊坡角度在34.4°～38.0°，安全系數(shù)大于1.471，邊坡整體穩(wěn)定性較好[3]。

(3)階段坡面角。開采終了時階段坡面角為65°，生產時階段坡面角為70°。

(4)安全平臺、清掃平臺、運輸平臺寬度。3 284～3 236 m水平間的邊幫采取24 m并段，在3 296 m、3 284 m、3 260 m水平留有寬度為15 m的安全、清掃平臺。

臨時幫上預留的運輸?shù)缆窞殡p車道，將3 296～ 3 236 m水平運輸平臺寬度設計為13 m，在道路間留有60 m以上的緩坡段。由于3 320～3 308 m臺階預留礦巖總量約1.5萬t，汽車運輸量較小，故將 3 308～3 296 m運輸?shù)缆穼挾仍O計為10 m的單車道。運輸?shù)缆房v坡坡度為8%[4]。

3.1.3 境界圈定結果

到2015年年末，露天開采最終境界內122b+333級石灰石資源儲量27 699.81萬t，其中熔劑灰?guī)r 24 464.94萬t，水泥灰?guī)r3 234.87萬t；巖石 6 959.64萬t。

根據酒鋼“十三五”鋼鐵產量規(guī)劃和周邊市場石灰石需求預測， 測算2016—2028年分期開采13 a間石灰石總產量計劃為6 100萬t，其中，2016—2020年石灰石產量計劃420萬t/a；2021—2028年礦石產量計劃500萬t/a。

境界內3 320～3 212 m水平的礦石儲量合計 7 874.67萬t，巖石量合計3 206萬t，按照92.5%的回采率，滿足分期開采期間的6 525萬t的地質礦量消耗需求，因此，將分期開采臺階確定在3 212 m水平以上。

根據前述圈定境界原則及邊坡要素，本次設計對一期露天境界進行了圈定[5]。

圈定的一期露天境界見圖1，露天開采一期境界圈定結果見表1。

圖1 一期露天境界(單位：m)Fig.1 First stage of open-pit mining

表1 露天開采一期境界圈定結果Table 1 Results of the first stage of open-pit mining boundary

露天開采一期境界內122b+333級石灰石資源儲量3 850.26萬t，其中熔劑灰?guī)r3 592.76萬t，水泥灰?guī)r257.5萬t；巖石2 114.99萬t。露天開采一次境界可利用各分層礦巖量見表2。

表2 露天開采一期境界可利用分層礦巖量Table 2 Amount of ore and rock of per valuable layer in the first stage of open-pit mining

東山頭預留的122b+333級石灰石資源總儲量704.97萬t，其中熔劑灰?guī)r513.23萬t，水泥灰?guī)r191.74萬t；巖石88.42萬t。東山頭預留的可利用各分層礦巖量見表3。

表3 東山頭預留的可利用分層礦巖量Table 3 Amount of ore and rock reserved of per valuable layer in the eastern hilltop

3.2 分期開采的服務年限

經編制采剝進度計劃確定：

一期開采服務年限為8 a(2016—2023年)；

二期開采從2024年開始一直到露天開采結束，近45 a時間。其中東山頭在二期開始5 a后，即2028年，東山頭處理結束，礦山進入全境界開采階段。

3.3 采剝進度計劃的編制

3.3.1 編制采剝工作進度計劃的依據

(1)西溝石灰石礦2015年底開采狀態(tài)圖。

(2)礦山規(guī)模為500萬t/a。

(3)設計確定的露天開采境界內礦巖量表。

(4)設計確定的開拓運輸系統(tǒng)、采礦方法及穿孔、鏟裝、運輸設備選型，設備效率，4 m3電鏟臺年綜合效率為100～120萬t。

(5)最小工作平臺寬度35 m。

(6)礦石回收率為92.5%。

3.3.2 采剝工作進度計劃編制說明

(1)一期開采。一期境界的服務時間為2016—2023年。

2016—2020年計劃：每年采礦420萬t，合計采出礦量2 100萬t(消耗地質礦量2 246萬t)，排巖量1 575萬t(含礦石損失排巖量)。2020年年末，主采場內3 260 m水平以上臺階礦石量1 821萬t、巖石量1 384萬t全部采剝完畢，采出礦石1 703萬t，排巖 1 466萬t。同時，3 260～3 248 m臺階采出礦石346萬t(消耗地質礦量370萬t)、排巖93萬t，3 248～ 3 236 m臺階采出礦石51萬t(消耗地質礦量55萬t)、排巖16萬t。

2021—2023年計劃：每年采礦500萬t，采礦量 1 500萬t(消耗地質礦量1 604萬t)，剝巖量790萬t(含礦石損失)。2023年年末，主采場內3 260～ 3 248 m臺階礦巖全部采剝完畢，采出礦石724萬t(消耗地質礦量774萬t)，排巖390萬t。同時，3 248～3 236 m臺階采出礦石722萬t(消耗地質礦量772萬t)、排巖396萬t。3 236～3 224 m臺階采出礦石54萬t(消耗地質礦量58萬t)、排巖4萬t。

(2)二期開采。2023年年末，當一期開采結束時,1#、2#溜井及3 100 m平硐電機車運輸、中粗破碎及B2以上膠帶運輸系統(tǒng)不能再使用，礦石生產將全部由新建A系統(tǒng)及B3以下膠帶運輸系統(tǒng)承擔。由于A系統(tǒng)的粗破碎生產能力按500萬t/a處理量設計(3#溜井及3#破碎機硐室按300萬t/a處理量設計，4#溜井及4#破碎機硐室按不小于200萬t/a處理量設計)，A系統(tǒng)的中破碎系統(tǒng)先按300萬t/a處理量選擇中破碎設備，因此，當B系統(tǒng)中破碎系統(tǒng)停止后，屆時只需將A系統(tǒng)φ2 200 mm圓錐破碎機更換為HP800破碎機并采用短皮帶將破碎后的部分礦石分流到B3膠帶，其他設備不用任何改變，便可保持500萬t/a的生產規(guī)模。因此，3 100 m生產系統(tǒng)的報廢不會影響礦山500萬t/a的生產規(guī)模。

一期境界開采結束后，東山頭與主采場開采同步進行，以滿足500萬t/a產能為原則，分別編制東山頭和主采場采剝計劃。

(3)東山頭采剝計劃。到2024年二期開采時，東山頭從3 320 m水平至3 236 m水平共預留7個臺階，礦巖總量793.38萬t，其中礦石704.97萬t(可回收659萬t)、巖石88.41萬t(實際排巖量135萬t)，平均生產剝采比0.21t/t。汽車運輸作業(yè)量為608 萬t·km(其中礦石573萬t·km、巖石25萬t·km)。按照單臺大車額定運輸能力31.2萬t·km、電鏟100～120萬t的年生產能力以及各臺階工作線長度，編制東山頭逐年采剝計劃。

2024年初，由于工作場地所限，只能允許1臺電鏟作業(yè)，配備2臺大車進行礦巖運輸；隨著采剝工作的開展，工作場地逐步擴大，安排2臺電鏟作業(yè)，配備4臺大車進行礦巖運輸。

由于所有礦巖均需重車下行，因此，在施工過程中，道路必須嚴格按照設計要求施工，坡度不能大于8%，在適當?shù)奈恢昧粼O緩坡段，在所有道路外側必須留設擋土堆，在必要的位置(例如彎道位置)留設擋土墻，保證礦巖安全運輸。

2028年年末，東山頭處理結束。

(4)主采場開采計劃。2024—2028年，主采場3 212 m水平以上計劃采礦量1 841萬t(消耗原礦 1 970 萬t)，剝巖740萬t。

二期開采第5年年末(東山頭處理結束)，采場狀態(tài)見圖2。

3.3.3 采剝工作進度計劃編制結果

依據上述原則，編制采剝進度計劃，一期開采服務8 a，二期開采服務5 a后，東部山頭處理結束，礦山進入全境界開采階段。

詳細采剝進度計劃如表4所示。

4 技術經濟

4.1 安全效益

(1)采用分期開采方案能夠從根本上消除東山頭作業(yè)帶給3 100 m工業(yè)場地的安全隱患，避免發(fā)生因東山頭開采引起大石塊滾落砸毀壞設備設施、長時間停產的嚴重事故，因此，分期開采具有難以估算的巨大安全效益。

(2)山北公路通行的車輛、人員，3 200 m卷揚系統(tǒng)設施設備、日常采場及3 100 m生產崗位相關人員通勤免遭采場東山頭滾石帶來的危害。

圖2 二期開采第5年年末圖(單位：m)Fig.2 Advancing chart at the end of the fifth year of the second stage mining

表4 采剝進度計劃Table 4 Progress schedule for mining and stripping

4.2 成本效益

二期開采前5 a(東山頭開采期間)，能夠使西溝礦綜合成本降低1 307萬元。

5 結 論

分期開采較全境界開采能為礦山帶來巨大的安全效益和可觀的經濟效益。《西溝礦分期開采方案設計研究》成果已被中冶北方工程技術有限公司采納，為設計院進行分期開采正規(guī)設計提供技術支撐。通過分期開采方案設計研究，既節(jié)省了設計費用，又提高了采礦技術人員露天開采設計水平和編制采剝計劃的能力。

[1] 查克兵.露天礦分期開采問題探討[J].中國礦山工程，2005(3):20-22.

Cha Kebing.Some issues discussion on open-pit mine development in pase[J].China Mine Engineering，2005(3):20-22.

[2] 劉廷吉.露天礦分期開采的技術特征[J].中國礦業(yè)，1994(4):18-22.

Liu Tingji.Features of mining by stages in open-pits[J].China Mining Magazine,1994(4):18-22.

[3] 王運敏.現(xiàn)代采礦手冊:中冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

Wang Yunmin.Modern Mining Handbook:Middle Manual[M].Beijing:Metallurgical Industry Press，2011.

[4] 《采礦手冊》編委會.采礦手冊:第3卷[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1990.

“Mining Handbook” Editorial Board.Mining Handbook：Vol.3[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,1990.

[5] 陳福元.露天礦分期開采的設計與研究[J].科學時代，2012(1):52-53.

Chen Fuyuan.Design and research of open-pit mine staging[J].Science Times,2012(1):18-22.