白云鄂博東礦境界外資源的開采方案研究

張 麗，賈瑞敏，田 琦

(包鋼(集團(tuán))公司白云鄂博鐵礦，內(nèi)蒙古 包頭 014080)

隨著時間的推移，大部分露天礦山正過渡到后期露天或已閉坑，由于開采技術(shù)條件的限制，設(shè)計露天境界外尚存有部分礦石未被回收，少則幾十萬噸，多則上百萬噸甚至上千萬噸，如何回收這部分礦石資源，延長礦山服務(wù)年限越來越被露天礦山所重視[1]。白云鄂博東礦經(jīng)過數(shù)十年的露天開采，已進(jìn)入礦山生命周期的末期。東礦境界內(nèi)目前保有鐵礦石資源儲量不足600萬t，剩余服務(wù)年限3 a，東礦面臨著閉坑停產(chǎn)的壓力。如果可以合理開發(fā)利用境界外資源，將延續(xù)東礦礦山生命周期，對保障包鋼集團(tuán)公司鐵礦石原料供給有重要意義。

1 礦山概況

目前，白云鄂博東礦采場+1 362 m水平以上臺階靠幫到界，生產(chǎn)臺階有+1 348 m水平、+1 334 m水平，主要出礦臺階+1 334 m水平?，F(xiàn)采剝總量407萬t，為了充分利用破碎站生產(chǎn)能力，采用礦石、巖石交替生產(chǎn)，礦石、巖石均采用公路-破碎站-膠帶機(jī)聯(lián)合運輸，現(xiàn)有巖石破碎站位于+1 502 m水平。

2 境界外資源分區(qū)開采

露天境界外資源可劃分兩部分：一部分是采礦證范圍內(nèi)+1 230 m以上境界外的掛幫礦資源，地質(zhì)儲量約為0.42億t；另一部分是采礦證范圍外即+1 230 m以下資源，地質(zhì)儲量約為1.70億t。

2.1 露天轉(zhuǎn)地下的必要性

對于境界外資源的利用，從露天開采的角度有兩種方案：一種是利用現(xiàn)有邊坡進(jìn)行擴(kuò)幫，對掛幫礦進(jìn)行利用；另一種方案對原境界底部進(jìn)行延深，開發(fā)利用原境界底部的資源。通過對露天擴(kuò)幫開采和境界底部延深的可行性研究分析表明，這兩種方案均不可行。第一，為保持生產(chǎn)規(guī)模的穩(wěn)定，擴(kuò)幫工程下降速度為采剝作業(yè)下降速度的3.3倍，結(jié)合礦山清理部分C區(qū)滑體耗時分析，實施難度極大，而且擴(kuò)幫作業(yè)存在難以回避的安全問題，擴(kuò)幫工程技術(shù)上不可行；同時，與原境界相比，擴(kuò)幫境界導(dǎo)致成本急劇上升，經(jīng)濟(jì)效益大幅下降，經(jīng)濟(jì)上也不合理，因此擴(kuò)幫工程不可行。第二，底部延深境界對+1 260 m下部不留設(shè)安全平臺，+1 185～+1 260 m段邊坡角達(dá)55°，該方案的實施雖能創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益，但方案的實施需要采取一系列技術(shù)及管理措施，以保證邊坡安全穩(wěn)定，且方案實質(zhì)上并不能緩解地下開采準(zhǔn)備工作的緊迫性，綜合考慮該方案不可行。因此，境界外資源開采采用地下開采是唯一選擇。

轉(zhuǎn)入地下開采，應(yīng)優(yōu)先考慮如何盡早實現(xiàn)地下采礦投產(chǎn)。針對東礦，最有可能盡早實現(xiàn)投產(chǎn)的是境界外掛幫礦體，采用基建時間最短的平硐開拓方式，平硐以外繼續(xù)利用露天開拓運輸系統(tǒng)，選擇安全高效的采礦方法，地下采礦成本不會太高，同時可為大規(guī)模地下開采的產(chǎn)量接續(xù)銜接提供緩沖時間。

2.2 地下開采分區(qū)

根據(jù)露天境界外礦體的形態(tài)、資源分布情況以及與露天采場的相對位置，將地下開采分為北東境界外掛幫礦采區(qū)、南部境界外掛幫礦采區(qū)和露天坑底境界外采區(qū)。其中，北東境界外掛幫礦采區(qū)和南部境界外掛幫礦采區(qū)位于現(xiàn)有采礦證+1 230 m以內(nèi)，露天坑底境界外深部采區(qū)位于現(xiàn)有采礦證外。

1) 北東境界外掛幫礦采區(qū)。北東境界外掛幫礦采區(qū)位于17線下盤以東，為東礦露天采場下盤礦體，可以分為西北和東北兩區(qū)域，礦體主要賦存于+1 230～+1 460 m之間，總資源儲量約為1 360萬t。但有部分礦體位于C區(qū)滑坡體下，采用露天平硐開拓難度大，而且地表有部分露天開采的建構(gòu)筑物及礦區(qū)公路，地表環(huán)境地質(zhì)較為復(fù)雜。

2) 南部境界外掛幫礦采區(qū)。南部境界外掛幫礦采區(qū)位于東礦露天采場上盤，主要分西南與東南兩個區(qū)域，礦體主要賦存于+1 230～+1 488 m之間，總儲量約2 839萬t。該區(qū)域工程地質(zhì)條件較好，露天開采運輸公路主要集中在南部上盤。地表有部分露天開采的建構(gòu)筑物、礦區(qū)公路、露天開采運輸公路及外運鐵路線，環(huán)境地質(zhì)亦比較復(fù)雜。

3) 露天坑底深部采區(qū)。該區(qū)域位于采礦證外(+1 230 m以下)，通過礦體模型計算+1 230 m以下保有資源儲量17 041.9萬t，各采區(qū)平面分布圖見圖1。

圖1 掛幫礦分區(qū)開采平面圖Fig.1 Plane map of zonal mining in hanging-wall mine

2.3 地下開采分區(qū)規(guī)劃

1) 北東境界外掛幫礦采區(qū)。北東境界外掛幫礦部分礦體位于C區(qū)滑體下，工程地質(zhì)條件較差，該采區(qū)投產(chǎn)時間應(yīng)等露天采場閉坑后，否則可能嚴(yán)重影響露天開采采場生產(chǎn)的安全。若采用露天采場內(nèi)開拓需要從東南上盤或西北下盤掘進(jìn)平硐，井巷工程量大、運輸距離長，安全性較差，與露天坑底深部開采的開拓相結(jié)合較為合理。

2) 南部境界外掛幫礦采區(qū)。南部境界外采區(qū)掛幫礦工程地質(zhì)條件良好，不良地質(zhì)因素少，可以采用露天采場內(nèi)開拓。而露天采場內(nèi)開拓因其基建時間短，可為東礦露天開采的產(chǎn)量銜接和深部開采形成規(guī)模贏得緩沖時間。因此，盡快通過露天采場內(nèi)開拓進(jìn)行南部境界外掛幫礦開采，實現(xiàn)露轉(zhuǎn)地的有序銜接。

3) 露天坑底境界外采區(qū)。露天坑底境界外開采采用自下而上的回采順序，且采用露天采場外開拓，與露天開采無交叉，地下開采影響對露天開采和掛幫礦開采影響不大。因此露天坑底深部采區(qū)開采可以馬上立項，獲準(zhǔn)后可及時基建，預(yù)計礦山井巷建設(shè)及安裝基建時間4～5 a。

目前東礦露天采場生產(chǎn)服務(wù)年限僅剩余3 a，而根據(jù)國內(nèi)類似露天轉(zhuǎn)地下礦山的經(jīng)驗，從立項到基建結(jié)束再到實現(xiàn)生產(chǎn)，需要7～8 a。如果全部采用露天采場外開拓，由于基建時間長，東礦礦石產(chǎn)量將會有2～3 a的空白。而掛幫礦采用露天采場內(nèi)開拓基建時間短，且與坑底深部開采相互影響不大，可為東礦露天開采的產(chǎn)量接續(xù)和坑底深部開采形成規(guī)模贏得緩沖時間，應(yīng)盡快實行露天采場內(nèi)開拓即南部境界外掛幫礦開采，實現(xiàn)露轉(zhuǎn)地的產(chǎn)量銜接。

為實現(xiàn)白云鄂博東礦露天轉(zhuǎn)地下實現(xiàn)不停產(chǎn)銜接，東礦應(yīng)選擇南部境界外掛幫礦采用露天采場內(nèi)開拓并率先實施，盡早實現(xiàn)地下投產(chǎn)；北東境界外掛幫礦開采隨后實施；露天坑底境界外開采最后實施。

3 境界外資源開采方案

3.1 南部境界外掛幫礦開采

白云鄂博東礦南部境界外掛幫礦開采時，露天開采的邊坡和公路需要保護(hù)，參考相關(guān)礦山經(jīng)驗，靠近露天邊幫礦體留設(shè)垂直距離不小于20 m的保安礦柱。從資源垂直分布看，扣除預(yù)留保安礦柱，掛幫礦境界外資源量主要分布在+1 230～+1 404 m。

3.1.1 采礦方法選擇

南部境界外掛幫礦是該礦露天開采境界內(nèi)礦體的外延部分，礦體一般比較厚，由于上部和側(cè)幫有露天開采和地表的建構(gòu)筑物，開采環(huán)境比較復(fù)雜。只有采用適合該地段開采技術(shù)條件的采礦方法，才能保證掛幫礦的開采強(qiáng)度和規(guī)模，同時減少基建時間，實現(xiàn)掛幫礦與深部開采時間的有序銜接[2-3]。經(jīng)過對初選的3種采礦方法，即：上向水平分層充填法、上向水平進(jìn)路充填法和盤區(qū)點柱式上向分層充填法，進(jìn)行技術(shù)比較、經(jīng)濟(jì)比較、綜合定性比較，以及采用后帶來的社會效益比較后，認(rèn)為南部境界掛幫礦開采適宜的采礦方案是點柱式上向分層充填法(圖2)。點柱式上向分層充填法的采場沿走向劃分開采盤區(qū)，盤區(qū)長60 m，盤區(qū)寬度為礦體的厚度，盤區(qū)間留盤區(qū)礦柱6 m，分段高度15 m，采高3 m，分層控頂高度為4.5 m左右。采場內(nèi)點柱尺寸為4 m×4 m，點柱均勻布置，最大暴露面積不應(yīng)超過600 m2。

圖2 點柱式上向分層充填法Fig.2 Point-column upward slicing filling method

3.1.2 開拓方案

對于可以進(jìn)行露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，露天邊坡掛幫礦的開拓系統(tǒng)有以下兩種方式：一種是采用平硐溜井加斜坡道的方式進(jìn)行開拓，這種方式是在原來露天開采系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上單獨進(jìn)行[4]；另一種是將深部開采和露天邊坡掛幫礦的開采統(tǒng)籌兼顧，露天邊坡掛幫礦回采時的礦石提升可以利用深部開采時的開拓系統(tǒng)[5-6]。白云鄂博東礦坑底深部開采目前還處于論證階段，其開拓系統(tǒng)基建工程最快也需要七八年時間，所以，露天邊坡掛幫礦的回采迫在眉睫，對深部開采與露天開采之間的產(chǎn)量銜接意義重大，可保證東礦礦石產(chǎn)量的延續(xù)。

綜合基建項目投資和服務(wù)年限內(nèi)的經(jīng)營費，平硐方案最優(yōu)，豎井方案次之，斜坡道方案較差。從基建工期考慮，豎井方案基建工期最長，主斜坡道方案次之，平硐方案基建時間最短，見效時間最快。綜合上述因素，推薦南部境界外掛幫礦開拓采用平硐方案。開拓方案系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 南部境界外掛幫礦開拓系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of development system of hanging-wall mine in southern boundary

3.2 北東境界外掛幫礦開采

北東境界外掛幫礦開采也采用點柱式上向分層充填法，礦山生產(chǎn)規(guī)模為40萬t/a，后期減產(chǎn)至20萬t/a，服務(wù)年限約為17 a，采用坑底深部的斜坡道和東風(fēng)井進(jìn)行開拓，充分利用深部開拓系統(tǒng)。

3.3 露天坑底境界外開采

白云鄂博東礦屬于深井開采范疇，應(yīng)重視深井開采的高應(yīng)力、高溫等特定的開采環(huán)境和由此誘發(fā)的巖爆、熱害、開采方法、開采順序等，因此有別于普通的礦山開采方法。另外，白云鄂博東礦上下盤均賦存有稀土及鈮礦等稀有礦產(chǎn)資源，開采夾心鐵礦的同時需要保護(hù)好上下盤的稀有礦產(chǎn)，亦使得開采方法更有局限性。

3.3.1 采礦方法選擇

基于白云鄂博鐵礦的實際情況，初步考慮以下兩類可行的采礦方法：一是無底柱分段崩落法；二是充填法。從目前所掌握的資料及現(xiàn)場情況看，白云鄂博東礦地下開采較合適的采礦方法為充填法。選擇大直徑深孔鑿巖階段出礦嗣后膠結(jié)充填法為主要采礦方法，針對東礦鐵礦資源的賦存特點從采礦工藝上對其進(jìn)行優(yōu)化，使之更適合本礦特點。

每個采礦階段高度50 m，采場底部為出礦水平，頂部為鑿巖水平，頂部鑿巖水平同時也是上個采礦階段的出礦水平，在距下盤脈外約30 m布置鑿巖水平下盤沿脈巷道，在距離上盤第一個鑿巖硐室邊緣30 m左右布置鑿巖水平上盤沿脈巷道。在鑿巖水平以下5 m布置鑿巖硐室，硐室高度4 m，其頂板與鑿巖水平保持同一標(biāo)高，回采、充填完畢后作為上一采礦階段開采工程的底板。鑿巖硐室通過同標(biāo)高鑿巖穿脈、聯(lián)絡(luò)巷，經(jīng)斜坡道與上下盤沿脈巷相通。采礦方法圖如圖4所示。

圖4 大直徑深孔鑿巖階段出礦嗣后膠結(jié)充填法工藝優(yōu)化Fig.4 Process optimization of post-cemented filling in large diameter deep hole drilling stage

3.3.2 開拓方案

開拓方案布置2條主井、1條副井、1條進(jìn)風(fēng)井和2條回風(fēng)井共6條井筒。兩條主井分期建成，由于露天采坑服務(wù)年限已經(jīng)較長，下盤東北部及中部發(fā)生過數(shù)次滑坡，采用露天坑底斜坡道開口不安全，因此斜坡道只能從地表上考慮。開拓系統(tǒng)見圖5。

圖5 開拓系統(tǒng)圖Fig.5 Development system diagram

在北下盤20線～21線之間巖石錯動界線以外布置一條斜坡道，主要承擔(dān)大型采掘設(shè)備的下放，同時兼顧西北及東北區(qū)域掛幫礦開采。在西南上盤16勘探線附近巖石錯動界線以外，布置1條副井，主要承擔(dān)人員、材料及部分廢石提升任務(wù)。

4 露天轉(zhuǎn)地下開采安全技術(shù)措施

1) 為避免露天爆破對地下井巷工程的破壞，在地下工程與露天底或者邊幫之間應(yīng)保持足夠的距離，鄰近露天邊幫或露天底的穿爆作業(yè)不能超深，控制露天爆破裝藥量，并采用分段微差爆破、減少每段爆破孔數(shù)、打預(yù)裂孔等減震措施，以保證地下開拓井巷的安全。并防止露天與地下爆破的相互影響[7]。

2) 在露天采場邊坡開挖截水溝并設(shè)置排水泵站，攔截地表水經(jīng)露天采場涌入井下。

3) 建立必要的巖石移動觀測隊伍，隨時掌握地下采空區(qū)上覆巖層的移動規(guī)律，確保邊坡和生產(chǎn)作業(yè)安全。

4) 統(tǒng)籌考慮露天開采與坑內(nèi)開采的時空關(guān)系，以及坑采多中段同時開采的因素，避免相互干擾造成安全隱患，嚴(yán)格控制充填工序質(zhì)量[8]。同時在露天生產(chǎn)排產(chǎn)計劃安排時，在靠近坑采的區(qū)域，保留境界礦柱，以加大露采和坑采作業(yè)的距離。

5) 地下工程作業(yè)應(yīng)不影響露天作業(yè)的正常進(jìn)行和安全生產(chǎn)，注意與露天采場作業(yè)的密切配合，研究合理的回采順序。露天礦邊坡下的回采，采用由里端向邊坡推進(jìn)的回采順序。

5 結(jié) 論

1) 通過對擴(kuò)幫開采和境界底部延深方案的分析比較后，最終確定地下開采是境界外資源開采的是唯一選擇。白云鄂博東礦境界外資源地下開采可以分為三大區(qū)域：露天坑底境界外資源開采、南部境界外掛幫礦開采、北東境界外掛幫礦開采。為實現(xiàn)白云鄂博東礦露天轉(zhuǎn)地下實現(xiàn)不停產(chǎn)銜接，白云鄂博東礦應(yīng)選擇南部境界外掛幫礦采用露天采場內(nèi)開拓并率先實施，盡早實現(xiàn)地下投產(chǎn)；北東境界外掛幫礦開采隨后實施；露天坑底境界外開采最后實施。

2) 南部境界外掛幫礦采用露天采場內(nèi)平硐開拓，采用坑內(nèi)汽車運輸，充分利用露天開采現(xiàn)有道路和設(shè)施，并能最快投產(chǎn)，在露天開采閉坑前形成開采規(guī)模。露天坑底境界外和北東境界外掛幫礦開拓采用露天采場外開拓，其中坑底境界外采用豎井+斜坡道聯(lián)合開拓，北東境界外掛幫礦利用坑底境界外的開拓工程斜坡道和東風(fēng)井進(jìn)行開采并可先實施。

3) 通過多方案類比，充分考慮保護(hù)上下盤稀土的前提下：掛幫礦采礦方法選擇上向點柱充填法。露天坑底深部采礦方法為大直徑深孔鑿巖階段出礦嗣后膠結(jié)充填法。