基于空間轉(zhuǎn)換的精準采礦關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

劉文勝 高義軍 洪振川 朱末琳 寧澤功 郭奇峰 張 英

（1.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團有限公司；2.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責任公司；3.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團南山礦業(yè)有限公司；4.北京科技大學土木與資源工程學院）

礦山開采具有工序復雜、設(shè)備多樣、資源有限、生產(chǎn)任務(wù)重等特點，給礦山生產(chǎn)的管理調(diào)度帶來巨大困難。很多研究者通過礦山采場和排土場的時空關(guān)系建立數(shù)學模型，對礦山的生產(chǎn)進行優(yōu)化［1-4］，另外一些研究者從生產(chǎn)進度［5］、運輸?shù)缆罚?］、物流調(diào)度［7］、地質(zhì)風險［8］等角度對生產(chǎn)方案進行研究。王東等［9］以元寶山露天礦內(nèi)排土場為工程背景提出一種內(nèi)排土場壓腳掛幫并行建設(shè)方案。栗嘉彬［10］提出了采—排—復一體化技術(shù)適應(yīng)性評價體系；李國清等［11］運用改進遺傳算法獲得礦山生產(chǎn)接續(xù)和設(shè)備調(diào)度最佳方案；馬龍等［12］設(shè)計雙層可行域搜索策略，用改進的量子粒子群優(yōu)化算法進行成本最小化研究；胡國斌［13］運用計算機人工智能求解獲得最優(yōu)生產(chǎn)計劃。

和尚橋鐵礦生產(chǎn)至今，未設(shè)置專門排土場，僅在開采范圍內(nèi)設(shè)置了臨時排土場，目前，礦山已進入生產(chǎn)中后期，需對臨時排土場壓覆資源進行利用，為此，需提前對臨時排土場堆置廢石進行處置，由于外部受土空間有限，結(jié)合采場生產(chǎn)現(xiàn)狀，擬利用采剝作業(yè)形成的空間堆置臨時排土場廢石，以保障資源的充分利用，為論證其可行性，需開展基于空間轉(zhuǎn)換的精準采礦關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 資源分布狀況研究

本次研究所依據(jù)的礦體三維地質(zhì)模型根據(jù)地質(zhì)報告構(gòu)建，并結(jié)合生產(chǎn)探礦數(shù)據(jù)，對該模型進行動態(tài)更新，開發(fā)地質(zhì)預(yù)判系統(tǒng)，用于指導礦山日常生產(chǎn)。礦山塊體模型如圖1所示。

1.1 查明資源分布狀況分析

1.1.1 資源量分布

（1）平面分布。根據(jù)全礦地質(zhì)模型中礦巖屬性分類，利用軟件自西向東每100 m 計算資源量，其變化趨勢如圖2 所示，平面分布上，資源量自西向東逐漸增加，達2 000 萬t 后再次降低，之后躍升至2 000萬t 以上。資源量平面分布的變化與生產(chǎn)執(zhí)行境界平面橫向尺寸的變化吻合。

（2）空間分布。資源量垂直分布趨勢如圖3 所示。距離在垂直方向上，由淺部到深部，資源量呈現(xiàn)快速增加，然后緩慢降低的趨勢。

1.1.2 資源品位分布

（1）平面分布。資源品位自西向東變化趨勢如圖4 所示。在平面分布上，東部資源品位高于西部，東部資源平均品位在20%以上，西部資源平均品位低于20%。

（2）空間分布。資源品位沿深度變化趨勢如圖5所示，資源平均品位沿深度逐漸降低，上部平均品位24.66%，深部平均品位20.36%。說明隨著采場降深，采出原礦品位將不可避免呈下降趨勢。

1.2 采剝進度計劃

根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀，采場需沿用現(xiàn)有采剝工藝，采用多臺階同時進行。2020 年末采場臨時境界內(nèi)保有礦量3 136.78 萬t，巖土量6 124.60 萬t，平均剝采比1.95，為達到礦山要求每年700 萬t 生產(chǎn)能力，年需剝離巖土約1 500萬t。逐年排產(chǎn)結(jié)果如圖6所示。

2 采場空間轉(zhuǎn)換方案

對于大型露天礦山，利用已開采或未開采區(qū)域，對剝離廢石進行處置，可有效降低露天開采對周邊環(huán)境的影響，減少外部排土場建設(shè)、運行及邊坡維護成本，但不能影響資源利用。因此，利用采場空間轉(zhuǎn)換實現(xiàn)內(nèi)排作業(yè)的可行性受采場空間尺寸、剝離量的影響。根據(jù)剝離廢棄物流向，將采場空間轉(zhuǎn)換分為3個階段。

2.1 初 期

圖7 為露天開采境界縱剖面簡圖，ABCDEF為露天開采境界。采場空間轉(zhuǎn)換初期為礦山開始生產(chǎn)至采場具備內(nèi)部排土條件的時間段。在礦山生產(chǎn)初期，未形成采場內(nèi)排空間前，利用開采范圍內(nèi)尚未開發(fā)利用區(qū)域臨時堆置剝離廢石，這涉及到首采區(qū)和臨時排土場位置的選擇，以快速形成內(nèi)排空間為原則，選擇開采深度較小的區(qū)域為首采區(qū)，露天開采境界走向另一側(cè)為臨時排土場區(qū)域。

為減少初期剝離量，可采用陡幫開采方式，增加開采強度，使首采區(qū)快速到底，在采場內(nèi)具備內(nèi)排條件后（圖8），即可進行內(nèi)排作業(yè)。在初期利用尚未開采區(qū)域（圖8 中HF段）堆置廢石時，必須保證采場采剝作業(yè)與臨時排土場的間距（圖8 中HI段）大于安全距離。

2.2 中 期

在采場內(nèi)具備內(nèi)排空間后，即可開展內(nèi)排作業(yè)，此時，內(nèi)排工作線隨采剝工作線推進，根據(jù)生產(chǎn)剝采比，判斷采剝作業(yè)形成的采場空間是否能容納剝離的全部廢石，分以下3種情況（圖9）。

（1）全部容納有盈余，即在剝采比較小的情況下，采剝作業(yè)形成的采場空間大于內(nèi)排剝離廢石所需要的空間。

（2）能全部容納，即采剝作業(yè)形成的采場空間等于內(nèi)排剝離廢石所需要的空間。

（3）不能全部容納，即采剝作業(yè)形成的采場空間小于內(nèi)排剝離廢石所需要的空間，此時需要利用初期臨時排土場堆置部分剝離廢石。

2.3 后 期

采場空間轉(zhuǎn)換后期需要對開采范圍內(nèi)臨時排土場進行處置，以釋放被臨時排土場壓覆資源，對臨時排土場的處置，分為以下2種情況。

（1）在剝采比較小，采場內(nèi)排空間有盈余的條件下，可將臨時排土場內(nèi)廢石堆置在內(nèi)排土內(nèi)。

（2）在內(nèi)排空間有限，可將臨時排土場內(nèi)廢石堆置于內(nèi)排土場上方（即加高內(nèi)排土場高度），或設(shè)置外部排土場堆置臨時排土場廢石。

露天開采結(jié)束，完成采場空間轉(zhuǎn)換，見圖10。

3 和尚橋內(nèi)部受土可行性研究

3.1 概述

采場西北側(cè)已經(jīng)開采至-72 m 水平（到界），且空間面積較大，具備內(nèi)排土條件。內(nèi)排土場采取分期堆排，主要堆存臨時排土場的物料。后期隨著采礦的東擴南進，內(nèi)排土場不斷擴大，最終堆至+12 m。

3.2 臨時排土場現(xiàn)狀

臨時排土場已于2014 年末堆排至約+84 m，并停止了臨時排土。目前臨時排土場有1 722.74 萬t（折合861.37 萬m3），其中境界內(nèi)880.1 萬t（折合440.05 萬m3），排土標高+24～+84 m。臨時排土場分層巖土量見表1。

3.3 內(nèi)排土堆置要素

3.3.1 所需排土場總?cè)莘e

根據(jù)和尚橋鐵礦采場排產(chǎn)并結(jié)合采場生產(chǎn)實際，前期臨時排土場及采場剝離巖土總量525.0 萬m3，通過汽車運往內(nèi)排土場堆排。計算前期需要的排土場容積：

式中，V為排土場設(shè)計的總?cè)莘e，萬m3；K1為富余系數(shù)，取1.02；Vy為排土場設(shè)計的有效容積，萬m3；Vs為剝離巖土的實方數(shù)，萬m3；Ks為剝離巖土的松散系數(shù)，取1.20；Kc為剝離巖土的下沉系數(shù)，取0.17。

經(jīng)計算，前期需要的排土場總?cè)莘e為549.2 萬m3。

3.3.2 本次設(shè)計內(nèi)排土場容積

設(shè)計排土場堆置高度為84 m，排土堆至+12 m，臺階高度為24 m，底層高度-72 m，最頂層臺階高度為12 m。排土場各分層容積見表2。

將內(nèi)排土場布置在靠近大尾山一側(cè)，確定內(nèi)排土相關(guān)參數(shù)見表3。

根據(jù)和尚橋鐵礦采場排產(chǎn)并結(jié)合采場生產(chǎn)實際，臨時排土場及采場剝離巖土總量525.0 萬m3，通過汽車運往內(nèi)排土場堆排。排土場有效容積為843.1萬m3，可以滿足礦山臨時排土場剝離廢石土的堆排要求。

3.4 堆排工藝

排土場堆排時采用覆蓋式多臺階分層堆排工藝，整個排土過程由下而上，逐層排棄。該工藝工序簡單，適應(yīng)性廣，機動性大。

排土作業(yè)采用50 t 自卸汽車與164 kW 推土機聯(lián)合堆排，為保護汽車卸載時安全，卸載平臺邊緣必須設(shè)置安全車擋，車擋就地推置而成，高度不小于0.8 m，頂部和底部寬度分別不應(yīng)小于0.6 m 和2.3 m，排土臺階頂面留3%左右的反向坡。夜間作業(yè)時，設(shè)置照明設(shè)施。排土場總堆置高度為84 m，共分4層堆置，第一層排土場標高為-48 m，第二層排土-24 m，第三層排土標高為0 m，第四層排土標高為+12 m。排土場固定運輸?shù)缆费睾蜕袠虿蓤霰泵娌蓤鰞?nèi)布置。

3.5 內(nèi)排進度計劃

根據(jù)和尚橋鐵礦臨時排土場采剝進度計劃及排產(chǎn)計劃，結(jié)合排土場的現(xiàn)狀，具體安排排土場排棄進度計劃如下：

（1）第一層-72～-48 m 臺階的容積為244.9萬m3，沿-48m 標高向東、南2 個方向修筑排土道路，本層可利用采場內(nèi)的巖土由南向北修筑路堤，盡快使南北路堤貫通，滿足排土要求。-72 m 底部堆排3 m 厚的大塊巖石，排土場東部-96 m 礦坑利用采場或者臨時排土場剝離的大塊巖石和物料堆平壓實。本層堆滿需16個月。

（2）第二層-48～-24 m 臺階的容積為202.8萬m3，利用采場內(nèi)-24 m 寬臺階沿著排土場北面向西，再向南修筑路堤排土。根據(jù)臨時排土場及采場采剝計劃，為滿足排土要求，-24 m 臺階北面保證安全的前提下提前修路堤。本臺階排滿需14個月。

（3）第三層-24～0 m 臺階的容積為272.4 萬m3，排土道路從內(nèi)排土場-24 m 臺階修筑路堤至0 m 標高。截至第三年底本臺階排土量約為148.8 萬m3，第四年主要在排土場東南面位置排土。

（4）第四層0～+12 m臺階的容積為123.0萬m3，排土道路從排土場內(nèi)部修筑路堤向+12 m 標高，由北向南排土。

4 內(nèi)排土邊坡穩(wěn)定性分析

和尚橋內(nèi)排土場的工程地質(zhì)條件較為簡單，排土高度較大，地表基巖較穩(wěn)定，最可能出現(xiàn)的破壞方式為排土場本體坡面滑動。隨堆排時間的延長，和尚橋內(nèi)排土場會持續(xù)發(fā)生沉降，通過采用極限平衡法以1個月時間為計算目標，計算得出和尚橋內(nèi)排土場沉降以豎向沉降為主導。自然條件下排土場邊坡安全系數(shù)在1.282～1.676，地震條件下邊坡安全系數(shù)在1.226～1.664。自然條件、降雨及地下水條件下排土場邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

通過對礦區(qū)資源分布狀況進行調(diào)查，依據(jù)開采計劃建立了采場空間轉(zhuǎn)換三階段理論，從可行性和穩(wěn)定性角度對方案進行研究，通過剝離物料采場內(nèi)循環(huán)，解決了無排土場條件下露天采場資源開發(fā)的困境，實現(xiàn)了近城區(qū)礦山資源的綠色開發(fā)利用。