特大型露天礦多區(qū)段開采方式研究

常 劍 凌道兵 劉貞表

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.安徽九華金峰礦業(yè)股份有限公司)

新水平準備是露天礦延深和持續(xù)生產(chǎn)必須進行的開拓準備工作[1-4]。新水平準備的目的是形成新的采剝工作面，礦山建設初期，評價新水平準備強度高低的標準為基建期長短，高強度新水平準備要求盡快形成與礦山投入設備數(shù)量相匹配的工作面，減少設備閑置，實現(xiàn)早日投產(chǎn)、達產(chǎn)[5]；礦山生產(chǎn)期，要求新水平準備工作保障礦山生產(chǎn)連續(xù)與產(chǎn)量穩(wěn)定，并與礦山開拓系統(tǒng)合理銜接。對于特大型露天礦，礦區(qū)平面范圍大，在新水平通過掘進單條長段溝或短段溝時，存在的不足為：①掘進出入溝時，受作業(yè)空間限制，無法投入多臺設備作業(yè)，設備閑置較多；②長段溝工程量大，沿走向布置工作線，橫向推進，對于急傾斜礦體的開采，不利于實現(xiàn)采剝均衡；③短段溝布置單臺設備，形成多個工作面還需開辟下一水平，導致基建工程量大，基建期長。因此，對于特大型露天礦，為將礦產(chǎn)資源的儲量規(guī)模優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)規(guī)模優(yōu)勢，提高新水平的準備強度及開采強度，本研究采用分區(qū)段開展新水平準備工作，探索多區(qū)段開采方式。

1 多區(qū)段開采方式

目前，露天礦采剝方法按采剝工程在空間和時間上的演化特征，可分為全境界開采、分期開采、分區(qū)開采[6]，這3種開采方式均由最初的首采區(qū)通過臺階水平推進和垂直延深達到最終境界，礦山在生產(chǎn)過程中，各個時期的開采境界始終只有1個[7]。從時間上是否分期、空間上是否分區(qū)的角度，現(xiàn)有采剝方法的分類方式見表1及圖1。

表1 露天礦采剝方法分類

圖1 露天礦采剝方法示意

由表1、圖1可知：現(xiàn)有采剝方法分類未考慮采剝工程空間分區(qū)、時間同步的情況，即采場內(nèi)分區(qū)同時作業(yè)，鑒于此，本研究提出露天礦多區(qū)段開采方式。

多區(qū)段開采是將露天礦劃分為若干區(qū)段，各區(qū)段獨立進行新水平準備工作，在新水平延深過程中，形成各區(qū)段獨立的開拓運輸系統(tǒng)，在露天開采境界中，存在多條獨立的開拓運輸?shù)缆?，服務于采場不同的區(qū)域。在礦山生產(chǎn)后期，由于工作幫的推進，逐漸形成了最終露天開采境界。

多區(qū)段開采方式與傳統(tǒng)分期開采、分區(qū)開采方式的區(qū)別如下：

(1)從時間上看，多區(qū)段開采方式強調(diào)的是多個小露天開采境界同時作業(yè)，分期開采、分區(qū)開采則具有時序性，即首先形成分期(分區(qū))境界后，然后擴幫形成最終露天開采境界。

(2)從空間上看，前者將露天礦劃分區(qū)段，實現(xiàn)多區(qū)段作業(yè)，形成多個小露天境界，后者在礦山服務年限內(nèi)始終僅有1個露天坑，通過工作線延展達到終了境界。

2 多區(qū)段開采方式特點

2.1 生產(chǎn)規(guī)模分析

本研究采用礦山工程年下降速度分析露天礦多區(qū)段開采方式的生產(chǎn)規(guī)模[8-9]，計算公式為

(1)

式中，A為露天礦可能達到的生產(chǎn)能力，t/a；P為所選用的有代表性的分層礦量，t；V為采礦工程延深速度，m/a；h為臺階高度，m；η為礦石回收率，%；e為廢石混入率，%。

由式(1)可知，對于1個已圈定最終開采境界的露天礦山，采用分期開采或分區(qū)開采方式時，分期或分區(qū)境界的分層礦量較全境界少，在其他參數(shù)相同的情況下，分期或分區(qū)開采所能達到的生產(chǎn)規(guī)模較全境界開采小，對于采用多區(qū)段開采方式的露天礦山，各區(qū)段雖有各自的小露天境界，但該作業(yè)方式強調(diào)各區(qū)段同時作業(yè)，因此多區(qū)段開采方式的生產(chǎn)規(guī)模與全境界開采基本一致。

2.2 設備作業(yè)效率分析

鏟裝作業(yè)是露天礦生產(chǎn)工藝的核心環(huán)節(jié)，鏟裝設備效率直接關(guān)系到露天礦山生產(chǎn)規(guī)模能否實現(xiàn)，臺班生產(chǎn)能力按下式計算[10]

(2)

式中，E為挖掘機斗容，m3；Kh為滿斗系數(shù)；T為每班工作時間，h；η′為時間利用系數(shù)；t為作業(yè)循環(huán)時間，s；Kp為松散系數(shù)。

采用全境界開采以及分區(qū)、分期開采方式的礦山，所有設備均在同一露天采場內(nèi)作業(yè)，設備之間存在干擾。為保障生產(chǎn)安全，在采場實施爆破前后一段時間內(nèi)，采場內(nèi)設備停止作業(yè)，降低了設備的有效作業(yè)時間。以6 m3挖掘機為例，參照《采礦設計手冊》給定的各項參數(shù)取值范圍，式(2)各項參數(shù)取值見表2。經(jīng)計算，6 m3挖掘機生產(chǎn)能力為2 592 m3/臺班，按年工作300 d、每天3班計算，其生產(chǎn)能力為233.3萬m3/a，礦巖平均密度按3.0～3.5 t/m3計算，6 m3挖掘機的綜合生產(chǎn)效率為699.9～816.6萬t/a。

表2 采裝設備臺班能力參數(shù)取值

對于采用多區(qū)段開采方式的礦山，各區(qū)段共用1套設備，穿爆、裝運作業(yè)在不同的區(qū)段同時進行，即在1個區(qū)段進行穿孔作業(yè)時，另1個區(qū)段可進行鏟裝作業(yè)，穿孔與采裝作業(yè)在不同的區(qū)段交替連續(xù)進行，使本區(qū)段的裝運作業(yè)不受另1個區(qū)段爆破作業(yè)影響，并提高區(qū)段的爆破規(guī)模，增加鏟裝設備在區(qū)段內(nèi)的連續(xù)作業(yè)時長，減少鏟裝設備在多區(qū)段之間反復調(diào)度的次數(shù)，從而提高了設備的時間利用系數(shù)。如澳大利亞bluehill鐵礦，分為東、西2個露天采場，2個露天采場同時作業(yè)，設備共用，礦山采用1臺6 m3挖掘機，2臺鉆機(1用1備)，礦山生產(chǎn)規(guī)模達250萬t/a，剝采比為3 t/t，礦山年采剝總量達千萬噸，究其原因，主要為礦山作業(yè)方式不同，致使設備的有效作業(yè)時間不同。

2.3 基建期分析

露天礦山基建工作的主要任務是揭露礦體，形成采礦作業(yè)面，以滿足設備正常作業(yè)要求[11]。對于地勢平坦的露天礦山，礦山基建期需形成若干采剝工作面，工作面的形成方案有：方案一，在單個水平上形成較長的工作線，根據(jù)采裝設備的工作線長度，分配采裝設備(圖2)；方案二，多水平布置工作面(圖3)；方案三，將露天礦劃分為多區(qū)段，分別布置工作面(圖4)。

圖2 挖掘機工作線布置(方案一)

圖3 挖掘機工作線布置(方案二)

圖4挖掘機工作線布置(方案三)

形成以上3種挖掘機工作線布置方式所需的工程量包括出入溝、開段溝工程量，以及完成新水平準備所需的擴幫工程量，隨著擴幫工作的進行，開段溝逐漸消失于工作平臺。本研究分別對各方案工程量進行如下計算。

方案一工程量的計算公式為

V=BkLNh+V1+NV2，

(3)

式中，Bk為完成新水平準備所需的擴幫寬度，m，應滿足下一水平能夠正常掘進出入溝、開段溝和擴幫水平能夠正常進行采剝工作的最小寬度要求，按下式計算：

Bk=W+b1+b2+Bmin，

(4)

式中，W為運輸平臺寬度，m；b1為出入溝溝底寬度，m；b2為開段溝溝底寬度，m；Bmin為最小工作平臺寬度，m；L為挖掘機工作線長度，m；N為基建完成時所需工作面的數(shù)量；h為臺階高度，m；V1為出入溝工程量，m3，按下式計算：

(5)

式中，i為出入溝坡度，%；α為溝幫坡面角，(°)；V2為開段溝工程量，m3，按下式計算：

V2=(b2+hcotα)hL.

(6)

方案二工程量可用下式計算：

(7)

方案三工程量的計算公式為：

V=BkLNh+NV1+NV2.

(8)

以形成3處挖掘機工作線為例，各參數(shù)取值為h=15 m，i=10%，W=10 m，b1=20 m，b2=20 m，α=65°，Bmin=40 m，L=200 m，計算得各方案出入溝、開段溝、擴幫工程量見表3。

表3 3種方案的工程量 萬m3

根據(jù)表1可知：方案二工程量最大，主要原因為采場開辟新水平，上部水平擴幫工程量大；方案三較方案一工程量略大，是由于單水平上多掘進了2條出入溝。不能簡單的將采裝設備效率累加作為采裝環(huán)節(jié)的能力，以此計算各方案基建期，而應考慮各項工程中設備的作業(yè)條件，即進行各項工程時的設備數(shù)量及工作效率。如在基建期投入3臺采裝設備，設備工作效率為50萬m3/a，掘溝時工作效率則會降低20%。方案一掘進1條出入溝，受作業(yè)空間限制，只能布置1臺設備進行作業(yè)，開段溝長度為3臺挖掘機工作線總長，布置2臺設備進行作業(yè)，擴幫工程布置3臺設備作業(yè)；方案二在3個水平各布置1條出入溝，共掘進3條出入溝，受作業(yè)空間限制，初期第一水平的出入溝、開段溝作業(yè)僅能布置1臺設備，擴幫工程可布置2臺設備作業(yè)，在上水平擴幫工程使下水平具備掘溝條件時，可進行下一水平作業(yè)，達到設備全部作業(yè)無閑置的狀態(tài)；方案三在單水平上多區(qū)段作業(yè)，初期即可達到設備全勤的狀態(tài)。各方案的設備作業(yè)狀況及各項工程耗時見表4～表6。

表4 方案一設備作業(yè)情況

各方案完成基建工程的時間及工程量見表7。由表7可知：方案三工期最短，單位時間內(nèi)完成的工程量最多，因此，對于新建礦山，為快速完成基建工作，實現(xiàn)投產(chǎn)，提高設備利用率，可將新水平劃分為多個區(qū)段，分別進行掘溝、擴幫作業(yè)，最終形成多區(qū)段開采方式。

3 結(jié) 語

根據(jù)露天礦空間演變的時序關(guān)系，提出了多區(qū)段開采方式，是對現(xiàn)有采剝方法的補充。對于特大型露天礦，多區(qū)段開采方式的特點為：①與分期開采、分區(qū)開采方式相比，多區(qū)段開采方式的生產(chǎn)規(guī)模大，可將礦產(chǎn)資源的儲量規(guī)模優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)規(guī)模優(yōu)勢，避免了采用分期開采、分區(qū)開采方式時由于分層礦量減少導致開采規(guī)模減小的不足；②增加了設備在區(qū)段內(nèi)的連續(xù)作業(yè)時長，減少了設備在多區(qū)段之間的反復調(diào)度次數(shù)，提高了設備的時間利用系數(shù)，進而提高了設備的作業(yè)效率；③改變了礦山基建期部分設備閑置的狀況，縮短了礦山基建期。

表5 方案二設備作業(yè)情況

注：第一水平擴幫工程達到27萬m3(0.27 a)時具備下一水平的掘溝條件；第二水平擴幫工程達到27萬m3(0.34 a)時具備下一水平的掘溝條件。

表6 方案三設備作業(yè)情況

表7 各方案基建工程量及工期