某鐵礦露天轉地下開采方案設計研究

杜 鑫

(山東黃金集團玲瓏金礦，山東 招遠 265419)

1 前言

我國是世界上露天礦開采較多的國家之一，鐵礦石開采90%以上為露天開采[1]。有色金屬礦石開采50%以上為露天開采，眾多化工原料均來自露天開采[2]，建設材料幾乎全來自露天礦。露天礦經(jīng)過近幾十年開采，露天采場閉坑是國內大部分露天礦山企業(yè)面臨的問題，李楠提出露天轉地下分區(qū)高效開采技術[3]，實現(xiàn)小汪溝鐵礦露天轉地下開采平穩(wěn)過渡[4]。

露天轉地下開采的礦山，開采期一般要經(jīng)過露天開采期、露天轉地下聯(lián)合開采過渡期和地下開采期3個階段[5～6]。深凹露天礦我國露天礦山企業(yè)主要的特點，露天礦在轉入地下開采時面臨很多困難。為使露天開采與地下開采平穩(wěn)轉換，需要研究平穩(wěn)過渡的關鍵技術[1]。其關鍵技術如下。

(1)在進行露天轉地下開采設計時，需要對地下開采統(tǒng)一全面規(guī)劃，根據(jù)所作的規(guī)劃盡早做出一個設計施工方案。使露天開采與地下開采平穩(wěn)銜接，在保障礦山產量的前提下使礦山經(jīng)濟效益保持穩(wěn)定[5～7]。

(2)要有充分的地下開采建設時間，露天開采的排水井或疏干巷道等地下工程可以為地下開采的建設縮短建設時間。

(3)露天開采作業(yè)與地下開采的安全互不影響。

(4)充分考慮地下涌水和大氣降水滲入或流入地下采場的水量，從而為地下開采的防洪排水設施設計提供參考依據(jù)，防止露天坑積水灌入地下采場。

(5)漏風嚴重是露天轉地下開采通風最突出的問題，如果不合理地制定露天、地下隔離層厚度及布設方案，地下通風的效率和質量會受到影響。

為實現(xiàn)該鐵礦資源持續(xù)開采，急需尋求安全有效的露天轉地下開采方案[8]。

2 礦山資源現(xiàn)狀

某大型露天鐵礦山已經(jīng)開采多年，采場基本呈東西長約1 100m、南北寬約1 000m的圓形，最低開采標高-148m，采深155m，臺階高度15～20m，邊坡角35°～45°，總出入溝位于采場北側11勘探線，運輸公路寬度15m，露天坑已實現(xiàn)閉坑。該鐵礦掛幫礦分兩期進行開采，其中一期開采露天采場西南邊幫-92、-113、-133m中段礦體，于2013年結束；二期開采露天采場東幫4線以東、-130～-58m間礦體，于2013年投產。結合礦體賦存特征、資源儲量及品位狀況，礦區(qū)7線以東經(jīng)過多年露天及掛幫礦開采，剩余多為近境界邊角礦體。

該鐵礦礦體分為3種類型：第一種為主礦體，其軸長方向為NE70°，長1 100m，短軸寬880m。礦體向四周傾斜，傾角為40°～60°。地表出露礦體標高在75m，垂直延伸在481m。主礦體厚度為10～140m，平均厚度60.6m。該鐵礦10～15線間淺部主礦體已大部被采完，已經(jīng)過50年的露天開采。目前礦體保有部分主要分布在路天坑底以下。第二種為零星小礦體，共41個，分布零散，規(guī)模較小。第三種是0～7線深部，為火山沉積巖中的沉積型鐵礦，長140m，厚40m。

3 設計方案

3.1 設計開采范圍

從礦山-148m水平以上保有礦體的分布位置來看，7線以西掛幫礦剩余可利用地質資源量約177萬t，且品位較低、分布較為分散；東部由于河流的存在，為保護河流而留設的保安礦柱礦量約974萬t，又因露天坑保安礦柱479萬t礦石不能開采，實際東部可利用的地質資源量為217萬t。-148m以下采礦權范圍內保有礦石量6 397萬t，其中7線以西5 540萬t，占總礦石量的86.6%；7線以東857萬t，占總資源量13.4%，但由于為保護河流而留設的保安礦柱礦量約680萬t，實際可利用資源量僅為177萬t。-350m以下由于礦體控制程度較低，分布較為分散，且資源量相對較少。綜合考慮，在露天坑底以下留設20m作為隔離層。本次設計開采范圍為7～27號勘探線(西部)-168～-350m間的礦體，開采方式為地下開采。采用垂直斷面法估算礦石資源量為5 160.73萬t。

按同時回采有效礦塊數(shù)、中段合理年下降速度、中段服務年限驗證和按新水平準備時間驗證，最終設計方案選取礦山70萬t/a生產規(guī)模。

3.2 采礦方法

根據(jù)礦山開采技術條件及生產現(xiàn)狀、礦床賦存特征，圍巖條件較好時選用分段空場嗣后充填采礦法；上向水平分層充填采礦法用于圍巖不穩(wěn)固的礦段；上向進路式充填采礦法用于部分圍巖條件較差的礦段。

礦山采用的上向水平分層充填采礦法所占比例約為40%，分段空場嗣后充填采礦法所占比例約為60%。當?shù)V體厚度小于15m時，采場布置方式為沿礦體走向布置。當?shù)V體厚度為15m及以上時，采場布置方式為垂直礦體走向布置。采場布置如圖1和圖2所示。

3.3 開拓系統(tǒng)

根據(jù)礦山生產現(xiàn)狀、建設規(guī)模要求、礦床開采技術條件及地表地形條件，并經(jīng)過與建設單位協(xié)商，斜坡道+豎井聯(lián)合開拓確定為礦山的開拓方式。礦區(qū)7線以東經(jīng)過多年露天及掛幫礦開采，剩余多為近境界邊角礦體及青山河保護界線壓覆礦體；7線以西、-148m以上雖保有資源儲量約295萬t，但多為貧礦、低品位礦，賦存規(guī)模小，而礦區(qū)-350m以下資源儲量少、控制程度低，尚不具備回采條件，故上述礦體均留作遠景儲備資源，設計暫不利用。采礦工業(yè)場地位于露天采場北約0.5km處，設置主、副井及其配套輔助設施。井下共設4個生產中段，分別為-200、-250、-300m和-350m，設計首采-350m中段與-200m中段，其中-200m中段采用斜坡道開拓方式，-250、-300、-350m中段采用豎井開拓方式，見圖3。

圖3 開拓系統(tǒng)縱投影圖

采礦工業(yè)場地位于露天采場北約0.5km處，設置主、副井及其配套輔助設施。主井擔負礦石提升任務，副井擔負廢石、材料、設備、人員等輔助提升，主、副井兼顧進風；斜坡道擔負礦山-200m中段生產時礦石、廢石、材料、設備、人員等運輸及進風任務。

豎井開拓的各生產中段均設置有軌運輸水平，-350、-250m中段生產期間礦、廢石采用無軌設備鏟運，經(jīng)采區(qū)溜井卸至有軌運輸水平裝礦車運至井底車場，由罐籠提升至地表；-300m中段生產期間礦、廢石則采用無軌設備鏟裝，經(jīng)采區(qū)溜井卸至有軌運輸水平裝礦車后運至卸載站，經(jīng)礦、廢石集中溜井卸至-350m有軌運輸水平裝礦車轉運至井底車場，由罐籠提升至地表。

斜坡道開拓的-200m中段礦、廢石采用無軌設備鏟裝，由坑內卡車經(jīng)斜坡道、平硐及露天采場公路運輸至地表。

3.4 礦山通風

礦山采用側翼對角抽出式通風系統(tǒng)。主井、副井、斜坡道進風，回風平硐(含盲回風井)出風。-200m中段生產時新風經(jīng)-138m平硐、斜坡道、分段沿脈巷、分段聯(lián)絡巷進入各工作面，污風則經(jīng)回風天井、回風聯(lián)絡巷、回風平巷、回風石門、1#盲回風井、-131m回風平硐排出地表。-350m及上部各接續(xù)中段生產時新風經(jīng)主井、副井、中段沿脈運輸巷、進風天井、分段沿脈巷、分段聯(lián)絡巷進入各工作面，污風則經(jīng)回風天井、回風聯(lián)絡巷、回風平巷、回風石門、2#盲回風井及-92m回風平硐排出地表。

按《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定，柴油設備單位功率所需風量指標為4m3/kW·min，按采裝運、掘進及輔助同時作業(yè)柴油設備計算礦井需風量為64.4m3/s，根據(jù)主要柴油設備、最大班下井人數(shù)及生產作業(yè)點需風量計算結果，礦區(qū)前期井下總需風量為120m3/s，后期井下總需風量為108.9m3/s。

3.5 壓氣系統(tǒng)

根據(jù)井下生產設備工作要求，前期-200m中段生產時利用-138m平硐口附近現(xiàn)有空壓機站，管路沿-138m平硐、斜坡道敷設至-200m中段；前期-350m及其上部接續(xù)中段生產時設計于采礦工業(yè)場地內新建一座固定式空壓機站，管路沿副井、沿脈巷、管纜井、聯(lián)絡巷敷設至各生產中段；壓風自救系統(tǒng)風源均由上述各機站提供，供氣方式為集中供氣。計算總耗氣量為102.4m3/min。

3.6 提升系統(tǒng)

礦山全部礦石的提升任務由主井提升系統(tǒng)承擔，在可行性研究階段對多種提升方案進行技術經(jīng)濟類比分析，主井采用單罐籠配平衡錘的提升方式，選用落地式多繩摩擦式提升機。小時提升量為141.4t，提升速度為5.36～8.93m/s，單次提升量為4.56m3。

3.7 坑內運輸

有軌運輸：結合選用的采礦方法及其礦床開拓方案，井下前期-350m中段及后期各接續(xù)中段生產礦、廢石均采用無軌設備鏟運，經(jīng)采區(qū)溜井卸至集中有軌運輸水平由電機車牽引礦車組運至主、副井車場，最終通過罐籠提升至地表。礦石運輸采用ZK10- 6/250架線式電機車單機牽引16輛YGC1.2- 6型固定式礦車組成列車組，單列車長35.75m，電機車將礦石列車牽引至主井車場，通過推車機將礦車推入罐籠后提升至地表。采用ZK3- 6/250架線式電機車單機牽引8輛YFC0.7- 6型翻斗式礦車組成列車組將廢石運輸至地表，單列車長16.35m，廢石列車將由副井車場運出，礦車將由罐籠提升至地表。

經(jīng)計算，完成70萬t/a礦石和3.5萬t/a廢石的運輸任務無軌運輸需4列礦石車和1列廢石車同時工作；前期-350m中段生產時完成40萬t/a礦石和2萬t/a廢石運輸任務需2列礦石車和1列廢石車同時工作。

無軌運輸：前期-200m中段生產礦、廢石均采用無軌設備鏟裝至坑內卡車后經(jīng)斜坡道、-138m平硐、露天采場公路運至地表。礦山前期-200m中段生產時礦、廢石運輸設計利用礦山現(xiàn)有10t坑內卡車，考慮日常設備檢修、備用，完成礦石30萬t/a、廢石1.5萬t/a運輸任務共需10t坑內卡車9臺(7用2備)，現(xiàn)有卡車數(shù)量可以滿足生產要求。

3.8 排水系統(tǒng)

坑內排水：前期分別在-200m中段回風石門和主井-350m中段井底車場附近建排水泵房，將井下涌水分別排至-70m平硐口附近現(xiàn)有水池和采礦工業(yè)場地內新水池，其中-200m中段正常涌水量5 137m3/d，最大涌水量為6 864m3/d，生產用水回水量170m3/d，充填用水回水量110m3/d；-350m中段正常涌水量4 233m3/d，最大涌水量為5 080m3/d，生產用水回水量230m3/d，充填用水回水量140m3/d。后期-350m中段排水泵房擔負整個礦區(qū)的排水任務。

露天坑排水：露天坑正常涌水量30 000m3/d，最大涌水量39 600m3/d，經(jīng)計算，各級泵站現(xiàn)有排水設施滿足排水要求，各級泵站工作制度如下。

-70m泵站正常涌水時2臺水泵同時工作，其余水泵留作備用和檢修，正常涌水排水時間18.94h/d,最大涌水時3臺水泵同時工作，其余留作備用和檢修，最大涌水排水時間16.67h/d。

-142m泵站正常涌水時2臺12SH- 6型臥室離心泵同時工作，其余水泵留作備用和檢修，正常涌水排水時間18.94h/d, 最大涌水時3臺水泵同時工作，最大涌水排水時間16.67h/d。

露天坑底正常涌水時4臺IS200- 150- 315型浮箱泵同時工作，其余水泵留作備用和檢修，正常涌水排水時間18.75h/d，最大涌水時6臺IS200- 150- 315型浮箱泵同時工作，其余水泵留作備用和檢修，最大涌水排水時間16.5h/d。

4 結語

結合礦體賦存特征、資源儲量及品位狀況，礦區(qū)7線以東的礦體經(jīng)過多年露天及掛幫礦開采，露天坑已實現(xiàn)閉坑。開采地段因為存在地下采空區(qū)，隔離層需留設在最終境界以下與露天礦的地下開采之間，生產實踐證明，露天轉地下設計方案的采礦方法、開拓系統(tǒng)和通風系統(tǒng)可實現(xiàn)該礦山平穩(wěn)過渡及生產銜接，可以保障礦山的持續(xù)高效安全生產。該鐵礦山的設計研究可為類似礦山的露天轉地下設計工作提供參照。