露天轉(zhuǎn)井下開(kāi)采掛幫礦石處理及覆蓋層形成方案研究

郁 平

(河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司廟溝鐵礦，河北 秦皇島 066501)

0 引言

廟溝鐵礦露天采場(chǎng)馬上閉坑，正在準(zhǔn)備回填覆蓋層，轉(zhuǎn)井下工程首采分段采切工程即將完工，待通風(fēng)排水等輔助設(shè)施具備后，可進(jìn)行首采分段回采。對(duì)于特殊位置的西邊幫400 m、380 m首采分段，臨近露天采場(chǎng)邊幫，利用崩落掛幫礦作為覆蓋層，既可降低礦石貧化率，在施工過(guò)程中可對(duì)部分礦石進(jìn)行回收，剩余部分作為覆蓋層，回收的部分礦石，彌補(bǔ)過(guò)渡期資源缺口。

1 開(kāi)采現(xiàn)狀

該礦已開(kāi)采至372 m水平，按設(shè)計(jì)已是最后一個(gè)開(kāi)采水平，將近閉坑。露天轉(zhuǎn)井下工程已施工5年，部分工程已完成，待露天采場(chǎng)開(kāi)采完畢，進(jìn)行覆蓋層回填工程。露天采場(chǎng)部分邊幫仍覆存部分掛幫礦石，在露天轉(zhuǎn)井下開(kāi)采過(guò)渡期，合理回收掛幫礦石，彌補(bǔ)礦石資源缺口，在保證生產(chǎn)連續(xù)性的同時(shí)也要確保井下的開(kāi)采安全。

2 露天采場(chǎng)掛幫礦石的儲(chǔ)量及賦存狀態(tài)

露天開(kāi)采最低水平372 m，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)回來(lái)的現(xiàn)狀圖，利用CAD、南方Cass等軟件工具圈定采場(chǎng)覆存掛幫礦量共約422.0萬(wàn)t，其中所有礦石量、高程點(diǎn)、等高線等數(shù)據(jù)均以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為準(zhǔn)。

1) 北端幫隔離礦柱礦量100萬(wàn)t。為確保小斜坡道試驗(yàn)礦塊開(kāi)采和露天同時(shí)開(kāi)采的安全性，留設(shè)了的隔離礦柱。上水平標(biāo)高492 m，下水平標(biāo)高372 m。頂寬約20 m，底寬約280 m。

2) 西邊幫掛幫礦量：250萬(wàn)t。分布范圍從1線到8線連續(xù)分布，走向長(zhǎng)度約600 m。礦體覆存狀態(tài)幾乎呈直立，夾角80多度，各斷面形狀近似直角三角形。北部和南部的礦石量較少，中部礦石量較多。各剖面的形態(tài)如下：

0E：底標(biāo)高372 m，臺(tái)階邊界到礦體距離約50 m，頂標(biāo)高420 m，高48 m。

8W：底標(biāo)高396 m，臺(tái)階邊界到礦體距離寬28 m，頂標(biāo)高420 m，高24 m。

2E：底標(biāo)高372 m，臺(tái)階邊界到礦體距離90 m，頂標(biāo)高462 m，高90 m。

3)南部邊幫礦量：30萬(wàn)t。南端幫440～636 m標(biāo)高之間，厚度約20～30 m之間的一層礦體，礦體傾角56°。

4) 東部邊幫礦量：42萬(wàn)t。為少數(shù)零星的小礦體，品位低，為Fe2品位礦石。

3 覆蓋層厚度

《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中規(guī)定：無(wú)底柱分段崩落法工作面的上方應(yīng)有大于分段高度的覆蓋層，本礦山分段高度20 m，按照無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采技術(shù)要求至少是分段高度的2倍，因此覆蓋層厚度大于40 m，隨著地下開(kāi)采落礦的需要，人工回填補(bǔ)充覆蓋層厚度。

4 掛幫礦處理及覆蓋層形成方案比較

4.1 方案簡(jiǎn)介

此次設(shè)計(jì)對(duì)掛幫礦處理及覆蓋層形成提出了兩個(gè)可行性方案：

方案一：露天開(kāi)采期間提前進(jìn)行掛幫礦處理工程的施工，露天開(kāi)采結(jié)束之后立即進(jìn)行掛幫礦的崩落形成礦石覆蓋層，在礦區(qū)西側(cè)形成首采礦塊。

方案二：露天開(kāi)采結(jié)束之后，利用汽車(chē)運(yùn)輸方式將排土場(chǎng)廢石人工回填至露天坑形成覆蓋層，然后在覆蓋層的保護(hù)下進(jìn)行掛幫礦回采，繼而進(jìn)行正常分段的回采。

4.2 崩落掛幫礦形成覆蓋層(方案一)

1)西邊幫采用中深孔爆破以露天采場(chǎng)為爆破自由面，一次爆破約40 m，不必專(zhuān)門(mén)開(kāi)鑿補(bǔ)償空間。其掛幫礦量處理的工程如下：

露天采場(chǎng)采用潛孔鉆將372～396 m平臺(tái)爆破。在西邊幫400 m分段、380 m分段掘進(jìn)鑿巖巷道，分段鑿巖巷通過(guò)采區(qū)斜坡道聯(lián)通，并均與小斜坡道和輔助斜坡道貫通。扇形孔穿孔設(shè)備采用Simba H1354鑿巖臺(tái)車(chē)，炮孔直徑Ф80 mm，炮孔最大深度控制小于28 m。(注：所有設(shè)備型號(hào)、及技術(shù)指標(biāo)均以初步設(shè)計(jì)為依據(jù)。)

崩落掛幫礦的工程量為：分段鑿巖巷3 870 m，斜坡道及聯(lián)巷680 m，中深孔16.9萬(wàn)m，潛孔鉆鉆孔6 000 m。爆破礦石量217.1萬(wàn)t,夾層巖石量49.6萬(wàn)t。

2)北端幫留有為確保小斜坡道地下開(kāi)采與露天采場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行且安全可靠的保安礦柱。在回采保安礦柱時(shí)，崩礦、落礦過(guò)程中不可避免地會(huì)有礦石滾落到露天采坑，這部分崩落礦體可補(bǔ)充覆蓋層厚度。

3)采場(chǎng)南部掛幫礦采用硐室爆破，布置爆破硐室12個(gè)，硐室工程量：12×9 m3=108 m3；硐室聯(lián)巷300 m。西邊幫掛幫礦首次爆破后，立即進(jìn)行南邊幫掛幫礦量的爆破，爆破礦石量48.6萬(wàn)t。在有傾角56°的邊幫進(jìn)行爆破，肯定會(huì)有大量的崩落礦石可滾落露天坑底，此部分滾落礦體可補(bǔ)充覆蓋層厚度，見(jiàn)圖1。

圖1 西幫400 m分段邊坡實(shí)際圖

4)由于東邊幫傾角較小，爆破后崩落礦石無(wú)法自溜到露天坑底，因此東邊幫掛幫礦暫不處理。

5)露天采場(chǎng)除東幫以外的3個(gè)方向的邊坡掛幫礦都以崩落的方式處理后，在不考慮邊坡經(jīng)誘導(dǎo)的冒落圍巖量，露天坑底西側(cè)會(huì)形成40～50 m之間厚度的礦石覆蓋層(2～4線最厚)，東側(cè)可形成約大于30 m礦石覆蓋層(0～1線最薄)。除0～1線東側(cè)以外，基本可滿足地下開(kāi)采覆蓋層的要求。

井下首采分段的覆蓋層是處理掛幫礦過(guò)程中形成的礦石覆蓋層，部分覆蓋層厚度可能會(huì)存在30 m以下，未達(dá)到40 m的情況，此問(wèn)題可在回采前利用采礦進(jìn)路及切割巷道崩落頂、底板圍巖，繼續(xù)補(bǔ)充覆蓋層厚度，最終保證大于40 m的覆蓋層要求。

6)工程量與投資。西邊幫：分段鑿巖巷3 870 m，簡(jiǎn)易斜坡道及聯(lián)巷680 m，斷面均為17.27 m2，巷道掘進(jìn)工程量78 578.5 m3。中深孔16.9萬(wàn)m，露天多功能潛孔鉆鉆孔6 000 m。爆破礦石量217.1萬(wàn)t,夾層巖石量49.6萬(wàn)t。

南邊幫掛幫礦量采用硐室爆破，布置爆破硐室12個(gè)，硐室工程量：12×9 m3=108 m3；硐室聯(lián)巷300 m，斷面均為9 m2，巷道掘進(jìn)工程量2 680 m3。爆破礦石量48.6萬(wàn)t。

合計(jì)掘進(jìn)工程量81 386.8 m3，按300元/m3，投資2 441.6萬(wàn)元。

中深孔爆破礦、巖量266.7萬(wàn)t，按12元/t，投資3 200.4萬(wàn)元。

硐室爆破礦石量48.6萬(wàn)t，總裝藥量145.8 t，炸藥費(fèi)用按6 248元/t，投資91.1萬(wàn)元。

總投資5 733.1萬(wàn)元。(注：所有工程量均以設(shè)計(jì)圖紙斷面尺寸計(jì)算得來(lái)，投資以現(xiàn)施工單價(jià)預(yù)算得來(lái)。)

工期：掛幫礦處理的掘進(jìn)工程量4 850 m/81 386.8 m3，設(shè)計(jì)在基建期(主提升系統(tǒng)投產(chǎn)前)完成處理掛幫礦的分段鑿巖巷1 000 m以及簡(jiǎn)易斜坡道及聯(lián)巷680 m。其他工程約3 170 m在主提升系統(tǒng)投產(chǎn)后進(jìn)行，分二個(gè)掘進(jìn)隊(duì)，月進(jìn)尺120 m/隊(duì)，約9個(gè)月完成。包括中深孔鑿巖工作，全部工程在露天閉坑前完成。

4.3 汽車(chē)運(yùn)輸廢石形成廢石覆蓋層方案(方案二)

1)覆蓋層的結(jié)構(gòu)。因露天轉(zhuǎn)井下的提前下采用無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行回采井下礦石，必然存在覆蓋層與露天開(kāi)采最低水平覆存的礦體的空間位置、地下放礦過(guò)程中松動(dòng)體和放出體的空間關(guān)系，在充分考慮覆蓋層的一些安全要求，如防竄風(fēng)、防滲流、防寒、防泥石流等一定防護(hù)作用，分別為H2層和H1層，見(jiàn)圖2。

圖2 覆蓋層的結(jié)構(gòu)

第一步先在坑底部采用汽車(chē)將排土場(chǎng)巖石人工回填的方式形成覆蓋層的下層，即H2層。按照放礦理論，下層與首采分段的礦石分層存在松動(dòng)體合放出體的關(guān)系，防止細(xì)小顆粒形成泥石流通道，H2層理想的粒度結(jié)構(gòu)應(yīng)接近首采分段落礦礦石層粒度結(jié)構(gòu)。H2層粒度結(jié)構(gòu)和厚度的要求為：

(1)該層回填物料粒度不小于20 mm即可(篩掉細(xì)粒結(jié)構(gòu))。

(2)回填物料中100 mm或更大顆粒比例不小于40%。

(3)該層厚度不小于20 m。

第二步，在H2層上繼續(xù)人工回填補(bǔ)充覆蓋層厚度，即H1層。因?yàn)樵搶又苯优c露天相接，為防止井下空氣串槽，露天雨水下滲等情況，所以H1層的物料粒級(jí)組成、結(jié)構(gòu)要求主要考慮孔隙度、密實(shí)度。根據(jù)排土場(chǎng)廢石的粒度構(gòu)成情況，該層的主要粒度成份要求為：

(1)粒徑不大于5 mm的細(xì)顆粒與大于5 mm的粗顆粒在該層中的比例為3:7。

(2)該層厚度不大于25 m。

2)覆蓋層的厚度

覆蓋層由下層H2和上層H1兩層構(gòu)成，覆蓋層的整體厚度等于H1和H2兩層之和，覆蓋層的整體不小于45 m，考慮覆蓋層的形成方式，設(shè)計(jì)取覆蓋層厚度48 m。

3)汽車(chē)運(yùn)輸工程量

露天最低開(kāi)采水平372 m，尺寸400 m×50 m。

西掛幫礦從1E到8E呈連續(xù)分布形態(tài)，走向長(zhǎng)度將近600 m。產(chǎn)狀為礦體傾角接近垂直，各斷面形狀近似直角三角形。北部和南部礦石量較少，中部礦石量較多。

汽車(chē)運(yùn)輸形成的覆蓋層沿礦體傾向呈階梯狀，將露天坑底及西側(cè)邊幫掛幫礦全部覆蓋，垂直厚度48 m。西側(cè)覆蓋層最高標(biāo)高510 m，中部覆蓋層最高標(biāo)高468 m，東側(cè)覆蓋層最高標(biāo)高420 m。覆蓋層的走向長(zhǎng)度400 m(底部)～600 m(頂部)；水平投影寬度100～150 m。平均按走向長(zhǎng)度500 m，寬度125 m，垂直厚度48 m計(jì)算，覆蓋層最終體積300萬(wàn)m3，考慮1.2的沉降系數(shù)，實(shí)際需要填方廢石360萬(wàn)m3，按1.8 t/m3的容重計(jì)，約合648萬(wàn)t。

4)工期及投資

(1)按設(shè)備臺(tái)效計(jì)算。目前考慮巖石覆蓋層主要來(lái)自排土場(chǎng)翻選，平均運(yùn)距4.5 km，采用42 t礦用汽車(chē)，時(shí)速空車(chē)上坡時(shí)25 km/h，重車(chē)下坡15 km/h，來(lái)回一趟折返時(shí)間大約30 min。裝車(chē)需要6 min，汽車(chē)調(diào)頭翻卸需要5 min，總的計(jì)算完成一次運(yùn)輸作業(yè)循環(huán)需要41 min，按每車(chē)裝載土方量30 t計(jì)算，臺(tái)效43.3 t/臺(tái)·h，按日工作15 h計(jì)算，則每月臺(tái)效為2萬(wàn)t/臺(tái)·月。挖掘機(jī)每小時(shí)可裝車(chē)7.5車(chē)，臺(tái)效225 t/臺(tái)·h。

(2)廢石回填方案經(jīng)濟(jì)概算。礦用汽車(chē)礦山前期已經(jīng)投入，為已有設(shè)備，不需增加投入，此方案新投入主要為廢石鏟裝和運(yùn)輸費(fèi)用，總費(fèi)用為3.956元/m3，覆蓋層采用廢石回填方案經(jīng)濟(jì)總投資為2 563.5萬(wàn)元。

5)對(duì)首采階段采礦工藝和放礦制度的要求

在與坑底垂直距離最近的首采分段開(kāi)采時(shí)，需要調(diào)整爆破參數(shù)，炸藥單耗，具體優(yōu)化方案和參數(shù)可以在實(shí)際崩礦、放礦過(guò)程中再定。在回采過(guò)程中為避免出現(xiàn)過(guò)早的貧化，降低礦石質(zhì)量的問(wèn)題，可以考慮優(yōu)化回采礦石的塊度大小，盡量做到與H2層的粒度相接近，避免出現(xiàn)粒度級(jí)別差距過(guò)大情況。

隨著井下放礦過(guò)程，覆蓋層侵入礦石中，造成覆蓋層損失變薄，應(yīng)崩落上、下盤(pán)圍巖予以補(bǔ)充。

4.4 方案對(duì)比與結(jié)論

方案一崩落掛幫礦形成覆蓋層方案總費(fèi)用為5 733.1萬(wàn)元，方案二廢石回填方案總投資為2 563.5萬(wàn)元，方案一比方案二增加投資3 169.6萬(wàn)元。

但方案一的優(yōu)勢(shì)在于：

1)盡管方案一比方案二增加投資3 169.6萬(wàn)元，但崩落掛幫礦需要的費(fèi)用無(wú)法避免，并且方案二形成覆蓋層后回采掛幫礦時(shí)所需要的采切工程將要比崩落掛幫礦形成覆蓋層工程量大，同時(shí)還需要增加溜井系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)等工程。因此，若以全部回采過(guò)程的采礦費(fèi)用計(jì)算，方案二要比方案一投資更高。

2)方案一可在露天開(kāi)采結(jié)束之后能盡快的在礦體的西側(cè)首采礦塊上部形成覆蓋層，相比方案二達(dá)產(chǎn)時(shí)間可提前約8個(gè)月，過(guò)渡期間可多生產(chǎn)礦石約80萬(wàn)t。按每t礦石利潤(rùn)93.3元計(jì)算，可增加收益7 464萬(wàn)元。

3)方案一是以崩落礦石作覆蓋層，生產(chǎn)初期采用無(wú)貧化放礦，礦石的貧化指標(biāo)會(huì)大幅度優(yōu)于方案二。礦山回采期間可逐漸誘導(dǎo)露天邊幫垮塌，覆蓋在礦石覆蓋層之上，并逐漸將礦石覆蓋層回收，因此，回收率指標(biāo)也不會(huì)低于方案二。

4)采用無(wú)貧化放礦，放礦管理為定量管理：爆破多少礦石回采多少礦石，避免了截止品位放礦制度需要隨時(shí)控制放礦截止品位，管理相對(duì)簡(jiǎn)單。

但方案一的缺點(diǎn)是需要在露天開(kāi)采結(jié)束之后進(jìn)行多次露天邊幫掛幫礦大爆破，并且伴有形成的覆蓋層的厚度不均勻的現(xiàn)象，靠近西幫的覆蓋層厚度較大而靠近東幫的覆蓋層厚度較小?？刹捎门c方案二相結(jié)合，在西側(cè)首采礦塊回采期間，采用汽車(chē)運(yùn)輸方式從東部邊坡向東側(cè)礦石覆蓋層上部補(bǔ)充廢石至覆蓋層厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)以上比較，此次設(shè)計(jì)推薦采用方案一與方案二相結(jié)合的方式形成覆蓋層：主要以崩落掛幫礦為主形成覆蓋層、配合汽車(chē)運(yùn)輸廢石對(duì)東側(cè)覆蓋層補(bǔ)充至厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

廟溝鐵礦5線以南340～380 m水平的平均開(kāi)采面積約為7.0萬(wàn)m2，如考慮形成40 m厚的覆蓋層約需要280萬(wàn)m3，考慮 1.1的厚度不均勻系數(shù)后約需要308萬(wàn)m3。設(shè)計(jì)安排露天開(kāi)采結(jié)束后掛幫礦的爆破量為礦巖84.1萬(wàn)m3，考慮1.5的松散系數(shù)后，可形成的126.2萬(wàn)m3的礦石覆蓋層。因此本次設(shè)計(jì)廢石回填量為181.8萬(wàn)m3。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采的露天轉(zhuǎn)井下礦山在特殊的過(guò)渡銜接期間，掛幫礦的回收處理與覆蓋層形成存在著密切的聯(lián)系，崩落邊坡掛幫礦當(dāng)覆蓋層，既能達(dá)到回收部分礦石的目的，又能滿足轉(zhuǎn)地下工程的安全回采的要求，實(shí)現(xiàn)特殊時(shí)期的生產(chǎn)需要，實(shí)現(xiàn)礦山發(fā)展連續(xù)性。