組合臺階陡幫開采在山西某露天鐵礦的應(yīng)用研究

孫明亮 郭 章

（銅源國際工程設(shè)計(jì)研究有限公司）

結(jié)合礦山近2 a 的生產(chǎn)實(shí)踐以及相關(guān)理論知識和研究成果，重新論述了組合臺階開采的應(yīng)用范圍，并提出組合臺階開采中關(guān)于生產(chǎn)剝采比的均衡方法和思路，為礦山設(shè)計(jì)工作者和管理人員提供參考。

1 礦山概況

1.1 地質(zhì)概況

礦區(qū)位于五臺山西段的北麓，馬鬃山南坡。區(qū)內(nèi)群山起伏，山高坡陡。區(qū)內(nèi)地形最高點(diǎn)位于礦區(qū)的西北部，最高海拔標(biāo)高為2 221.5 m，最低點(diǎn)位于礦區(qū)的西南邊緣，海拔標(biāo)高為1 826 m，相對高差為395.5 m，屬中山區(qū)。

礦區(qū)內(nèi)有Fe2 和Fe3 共2 條鐵礦體，目前礦山只對Fe3礦體進(jìn)行露天開采。Fe3礦體主要賦存于馬鬃山向斜南翼，地表出露長度為1 200 m，平均出露寬度為54.13 m，深部具分枝復(fù)合現(xiàn)象，厚度逐漸變薄。礦體賦存標(biāo)高為1 941～2 153 m，礦體埋深為0～232 m。礦體頂?shù)装鍘r性均為綠泥角閃片巖。礦體傾向北東，傾角為8°～42°，呈層狀、似層狀、厚板狀產(chǎn)出。

1.2 開采現(xiàn)狀

礦山現(xiàn)已形成一個(gè)沿走向長850 m、寬340 m 的山坡露天采場，采場呈東低西高狀，最低開采臺階標(biāo)高為2 060 m，最高剝巖臺階為2 170 m 水平臺階，現(xiàn)狀邊坡角為35°～46°。最低開采標(biāo)高為2 060 m，底部平臺尺寸為385 m×170 m，該平臺南部已到界，北部距最終開采境界65 m，東部距最終開采境界90 m，西部距最終開采境界660 m；采場2 150，2 120，2 100 m平臺寬度為22～36 m，這3處平臺具備開采作業(yè)條件。

礦山開采工藝為穿孔—爆破—采裝—運(yùn)輸—排土間斷式開采，穿孔設(shè)備選用孔徑為165 mm 的露天潛孔鉆機(jī)，采裝設(shè)備選用1.6 m3單斗挖掘機(jī)，運(yùn)輸設(shè)備選用20 t級礦用自卸汽車。

礦山現(xiàn)有開拓運(yùn)輸方式為公路+溜槽。在采場南幫2 055和2 065 m標(biāo)高布置1#、2#共2個(gè)礦石溜槽，采場內(nèi)采出的礦石經(jīng)挖掘機(jī)裝入自卸汽車運(yùn)至溜槽上部平臺卸礦，溜槽下部的礦石由挖掘機(jī)裝入汽車，二次倒運(yùn)至粗碎站。

礦山現(xiàn)形成東、西及北3 個(gè)排土場，東、西排土場均位于采場南側(cè)，排土平臺標(biāo)高分別為2 100 和2 085 m，北排土場位于采場北側(cè)，現(xiàn)已經(jīng)關(guān)閉。

1.3 露天開采境界

利用3Dmine礦業(yè)工程軟件對露天開采境界進(jìn)行優(yōu)化，露天采場共分18個(gè)臺階，最低開采標(biāo)高為1 990 m，最高開采標(biāo)高為2 190 m，封閉圈標(biāo)高為2 060 m。采場呈東西展布，采場長度為1 205 m，寬度為260 m，最大邊坡高度為170 m。采場南部最終邊坡角為13°～38°，采場北部及東西端部最終邊坡角為49°，境界內(nèi)共圈定礦石量1 394.97 萬t，巖石量2 765.99 萬t，平均剝采比為1.98。露天開采最終境界平面圖見圖1。

2 采剝工藝選擇

礦山現(xiàn)有采剝工藝為自上而下分臺階緩幫開采，臺階工作線大致垂直礦體走向布置，由東向西推進(jìn)。從礦山現(xiàn)狀來看，采場西端幫（4 線以西）剝巖相對滯后（2 090 m 以上欠剝離巖量約為1 260 萬t），不僅積壓了大量礦石資源，還對采場東部2 060 m 向下開采造成影響，嚴(yán)重制約著礦山未來發(fā)展。若礦山仍采用緩幫開采，需從采場西部2 190 m 向下逐層剝離，這樣剝離工程量較大，增加工程投資。需要2 a時(shí)間才能形成合理的采剝關(guān)系，而且集中剝巖過程中也會降低礦石年產(chǎn)量，不利于礦山穩(wěn)定發(fā)展，極大地降低了開采經(jīng)濟(jì)效益。因此，需研究制定出合理的采剝工藝，調(diào)整礦山工程發(fā)展程序，以保證礦山的可持續(xù)發(fā)展。

首先，考慮采用分期開采。露天開采境界內(nèi)資源量約1 400 萬t，生產(chǎn)規(guī)模為200 萬t/a，露天采場屬于長條形，若采用分期開采，只能沿礦體走向?qū)嵤?，那么各分期開采年限比較短，而且生產(chǎn)能力不穩(wěn)定，無法從根本上解決因剝巖滯后而導(dǎo)致生產(chǎn)能力下降的問題。因此，排除了分期開采。

其次，考慮采用陡幫開采。通過合理選擇陡幫作業(yè)形式和礦山工程發(fā)展程序，可以有效降低開采前期剝巖量，推遲剝巖高峰，實(shí)現(xiàn)剝采比均衡，提高開采經(jīng)濟(jì)效益。

陡幫開采按工作面作業(yè)方式分為組合臺階開采和傾斜條帶式開采。傾斜條帶式開采是將剝巖臺階劃分若干條帶，條帶內(nèi)各臺階自上而下尾隨開采，各臺階需要有較長的工作線才能滿足挖掘機(jī)的作業(yè)要求；組合臺階開采是將工作幫上的臺階劃分為若干組，每組2～5 個(gè)臺階，每組臺階由一臺挖掘機(jī)在組內(nèi)從上而下逐個(gè)臺階進(jìn)行開采，除組內(nèi)正在作業(yè)的臺階外，其余臺階均處于暫不作業(yè)狀態(tài)，所留平臺寬度較小，或直接并段。

結(jié)合本礦山礦體賦存條件、開采現(xiàn)狀、開采境界和裝備水平等因素，若考慮采用傾斜條帶式開采，條帶內(nèi)各臺階需要有較長的工作線才能滿足挖掘機(jī)的作業(yè)要求，而本礦山西端幫各臺階工作線較短，很難實(shí)現(xiàn)條帶式開采。若考慮采用組合臺階開采，將采場西端幫組合臺階開采工作線斜交礦體走向布置，由東向西推進(jìn)，組內(nèi)各臺階既采礦又剝巖，這樣既達(dá)到了陡幫開采效果，又保證礦山生產(chǎn)能力。

3 組合臺階開采方案

采場西端幫（4 線以西）采用自上而下多組臺階同時(shí)作業(yè)的陡幫開采工藝，東端幫（4 線以東）仍采用緩幫開采。

3.1 組合臺階參數(shù)

根據(jù)本礦山裝備水平、采剝工作面技術(shù)參數(shù)、組合臺階工作線長度、生產(chǎn)規(guī)模和均衡生產(chǎn)剝采比要求，最終確定組合臺階的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下［1-5］。

將3～4 個(gè)臺階劃分為1 組，單臺階高度為10 m，并段后為20 m，工作臺階坡面角為65°～75°，最小工作平盤寬度為40 m，最小工作線長度為150 m。每組臺階自上而下開采，其中，只有一個(gè)臺階作業(yè)，保留40～60 m工作平盤寬度，其余臺階只保留10 m安全平臺寬度。每組臺階推進(jìn)到預(yù)定位置后，即完成一個(gè)采剝循環(huán)，每組臺階長度為250～350 m，礦巖總量為60萬m3，安排2臺挖掘機(jī)作業(yè)。

組合臺階開采的工作線推進(jìn)方向一般垂直礦體走向，而本礦山礦體厚度不大，呈東西走向且走向較長，所形成的開采境界東西長、南北短。為保證每組臺階的礦巖量滿足一個(gè)開采循環(huán)，將組合臺階開采工作線采用沿礦體走向呈一定角度（30°～45°）布置，由東向西推進(jìn)直至開采結(jié)束。

3.2 新水平準(zhǔn)備

山坡露天開采時(shí)，利用境界外固定道路與采場內(nèi)移動道路進(jìn)行開拓延伸；深凹露天開采時(shí)，沿礦體下盤掘出入溝和開段溝，按固定坑線開拓新水平。

3.3 生產(chǎn)剝采比均衡

本礦山應(yīng)用組合臺階開采，均衡生產(chǎn)剝采比工作較一般露天礦山復(fù)雜，既要考慮單臺階礦巖量和推進(jìn)速度，又要考慮組合臺階的礦巖量和推進(jìn)速度。設(shè)計(jì)利用3Dmine 礦業(yè)工程軟件中排產(chǎn)功能，反復(fù)調(diào)整組合臺階內(nèi)的臺階數(shù)量和工作線推進(jìn)方向來編制生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃，均衡生產(chǎn)剝采比［6-7］。

通過編制生產(chǎn)計(jì)劃圖表，礦山總體服務(wù)年限為7 a，各年采出礦巖量及剝采比見圖2，第1～6 年生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃圖見圖3～圖8。

4 開采效果

西端幫采用陡幫開采，較傳統(tǒng)的緩幫開采工藝工作幫坡角由小于10°提高到15°～25°，降低了開采前期剝巖量，均衡生產(chǎn)剝采比，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益，減少最終邊坡暴露時(shí)間。

礦山根據(jù)本設(shè)計(jì)方案，對采場西端幫（4 線以西）實(shí)施組合臺階開采，沒有出現(xiàn)減產(chǎn)，順利完成了預(yù)期的采剝?nèi)蝿?wù)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)產(chǎn)過渡及生產(chǎn)剝采比的均衡。

經(jīng)過2 a 的生產(chǎn)實(shí)踐，可以看出設(shè)計(jì)確定的組合臺階參數(shù)比較合理，符合礦山實(shí)際情況，降低了礦山基建期剝巖量約1 260 萬t，節(jié)約建設(shè)投資約4 410 萬元，提高了礦山開采經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

（1）組合臺階開采作為陡幫開采的一種作業(yè)方式，通常應(yīng)用到擴(kuò)幫剝巖工程，但根據(jù)本次設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，可以得出，對于露天開采境界內(nèi)礦體走向大于800 m、開采深度大于150 m 的露天礦山，組合臺階開采不僅可以應(yīng)用到剝巖工程，還可以應(yīng)用到采礦工程，將組合臺階開采工作線正交或斜交礦體走向布置，既擴(kuò)幫又采礦，能夠取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

（2）當(dāng)組合臺階既剝離又采礦時(shí)，通過調(diào)整組合臺階內(nèi)的臺階數(shù)量和組合臺階工作線推進(jìn)方向來編制采剝計(jì)劃和均衡生產(chǎn)剝采比。

（3）利用Surpac、3Dmine 和Datemine 等礦業(yè)工程軟件不僅能夠建立礦床地質(zhì)模型和優(yōu)化露天境界，而且能夠快捷、準(zhǔn)確地編制礦山長短期生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃。尤其對于實(shí)施陡幫開采、分期開采的露天礦山，利用軟件中的排產(chǎn)功能，能夠很好地研究露天礦開采程序，從而合理地確定陡幫開采結(jié)構(gòu)參數(shù)、分期開采境界及過渡方式等問題。