廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下安全開采技術(shù)研究

楊洪寶 溫 超 姜赫名

(河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司廟溝鐵礦，河北 秦皇島 066501)

0 引言

對于露天轉(zhuǎn)地下開采礦山，如何實現(xiàn)協(xié)同開采保障過渡期產(chǎn)能，以及消除露天邊坡對井下采場威脅，一直是礦企關(guān)注的重點問題[1-3]。在露天轉(zhuǎn)地下開采過程中，礦山的穩(wěn)產(chǎn)過渡方法、覆蓋層形成方法及井下采場合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)都是影響礦山安全高效開采的主要因素[4-6]。本文針對廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)井下安全開采需要，從覆蓋層形成、露天邊幫削坡及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等方面進行了系統(tǒng)的分析，以實現(xiàn)該礦山安全高效開采。

1 工程概況

廟溝鐵礦露天開采于1986年開工建設(shè)，經(jīng)過三十多年開采，目前已經(jīng)基本開采完畢，形成一個面積約6.8×105 m2，距封閉圈深約152 m的露天采坑，坑底最低標(biāo)高為372 m，隨后轉(zhuǎn)入井下開采，屬于典型的露天轉(zhuǎn)地下開采礦山。廟溝鐵礦井下設(shè)計采用無底柱分段崩落法開采，分段高度為20 m，進路間距20 m，崩礦步距1.8 m，厚大礦體在礦體中間增設(shè)聯(lián)絡(luò)巷，聯(lián)絡(luò)巷間距為50～70 m。回采進路聯(lián)絡(luò)巷布置在礦體的下盤，距礦體15 m(最小距離不小于一個鏟運機車身+一個拐彎半徑)，礦石溜井的間距90～126 m(5～7進路間距)，回采進路斷面尺寸為：寬×高=4.5 m×3.8 m。

目前廟溝鐵礦已進行露天轉(zhuǎn)地下開采現(xiàn)場試驗階段，開采中主要存在的問題包括：①露天邊坡較陡，最大高度約320 m，突然大范圍垮塌將對地下采場的頂板產(chǎn)生較大的沖擊，易導(dǎo)致沖擊波災(zāi)害，需要采取措施重點防范，保障井下開采安全進行；②井下無底柱分段崩落法采區(qū)，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計不合理，目前試驗采區(qū)回采率約為69.4%，貧化率約為23.2%，損失貧化較大，需要對主要的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析優(yōu)化，以降低礦石損失貧化率，提高回采率。為此，對于露天轉(zhuǎn)井下開采礦山而言，需綜合分析露天邊坡的安全性、覆蓋層的合理性以井下采場的高效性，特開展廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下安全開采技術(shù)研究。

2 露天邊坡沖擊災(zāi)害防范措施分析

對于廟溝鐵礦露天邊坡可能垮塌存在的沖擊災(zāi)害，對井下采場造成威脅，主要從形成覆蓋層與邊坡削幫兩個方面進行措施分析。

2.1 露天坑底覆蓋層形成方法

為保障廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采的安全進行，避免邊坡垮塌對井下采場造成沖擊災(zāi)害，需在井下首采工作面頂板上方預(yù)留一定厚度的散體覆蓋層，其作用主要包括兩個方面，一是消波吸能，減緩邊坡垮落巖塊對頂板的沖擊作用；二是為井下首采分段崩落的礦石提供正常覆蓋層下安全回采條件。

2.1.1 覆蓋層合理厚度的確定

廟溝鐵礦無底柱分段崩落法采場，對于覆蓋層厚度的設(shè)置，應(yīng)滿足地下無底柱分段崩落法出礦要求，保證較好的礦石回收指標(biāo)，當(dāng)覆蓋層厚度不能滿足要求時，應(yīng)進行強制放頂處理，并進行適量廢石補充，以保證井下采場作業(yè)安全。

根據(jù)杏山鐵礦[7]、眼前山鐵礦[8]、大冶鐵礦[9]、諾爾湖鐵礦[10]等實踐經(jīng)驗，合理覆蓋層厚度范圍35～45 m，為此本文選取覆蓋層厚度為40 m。充分考慮覆蓋層的安全要求，防止竄風(fēng)及泥石流對井下生產(chǎn)構(gòu)成威脅，對于覆蓋層的布設(shè)分兩部分，A1層采用較大礦石粒度，A2層采用較小礦石粒度，兩者共同構(gòu)成覆蓋層的總體厚度，即總體厚度為40 m。布設(shè)方式見圖1。

圖1 覆蓋層布設(shè)方法

2.1.2 覆蓋層合理塊度的確定

露天坑底形成的覆蓋層，其塊度大小對于井下崩落法采場礦石貧化具有重要影響。根據(jù)廟溝鐵礦廢石主要來源于露天采場剝離廢石與井下采場崩落采出廢石，通過現(xiàn)場調(diào)研礦石及廢石塊度構(gòu)成，其塊度分布主要分為3種，粒度級配見表1。

表1 礦巖塊體粒度級配

針對不同塊度分布情況，進行了物理放礦模擬實驗，針對廢石塊度組成情況，共進行3組實驗，分別將礦石與廢石破碎成表1所示的比例。分段高度20 cm，進路采取菱形布置方式，劃分為3個分段，在首分段頂部設(shè)置40 cm厚廢石覆蓋層，采用截止品位放礦方式，及放出口廢石礦石體積比達1:1后停止放礦。實驗統(tǒng)計結(jié)果見圖2。

圖2 放礦實驗結(jié)果

通過圖2可以看出，不同的覆蓋層廢石塊度組成，對于礦石的回收率影響較大，條件1礦石回收率為91.5%，條件3礦石回收率為80.28%，廢石大塊度占比較大時，礦石回收率最高，廢石混入率最低。3組實驗廢石混入率變化較小，分別為5.47%、6.75%與6.21%，即隨著廢石大塊占比的增加，礦石回收率的降低速度遠大于廢石混入率減小的速度。綜合分析，現(xiàn)場對于A1覆蓋層進行鋪設(shè)時，選取條件1中的粒度分布指導(dǎo)現(xiàn)場充填作業(yè)。

2.1.3 覆蓋層形成方法

覆蓋層所需廢石，主要利用露天開采結(jié)束后邊坡處理產(chǎn)生及井下采出的廢石，不足部分從現(xiàn)有東排土場自上而下取廢石回填，主要采取人工回填方式形成覆蓋層，先回填A(yù)1層，再回填A(yù)2層，露天最終境界底部標(biāo)高372 m，走向長度400 m，最小底部寬度40～50 m，設(shè)計采用汽車運輸，將露天坑底及邊幫沿礦體傾向采取階梯式充填，形成覆蓋層厚度約為40 m，見圖3。對于廢石粒度，由于現(xiàn)場已有廢石散體大部分在這個粒度范圍內(nèi)，可保證廢石散體得充填用量。

圖3 覆蓋層布設(shè)方式

2.2 露天邊幫削坡方法

露天采場東北邊幫0勘探線至7勘探線位于地下開采圍巖錯動范圍之內(nèi)，為避免邊坡滑移風(fēng)險與節(jié)約回填成本，設(shè)計在露天開采結(jié)束后自上向下對東北邊幫進行削坡處理，處理產(chǎn)生的廢石量約為320×104t，全部回填至露天采場作為覆蓋層，消除邊坡滑移危害。

2.2.1 現(xiàn)有北東邊幫邊坡參數(shù)

本次邊幫削坡擬處理的邊坡在露天采場的北東部，0勘探線和7勘探線之間，邊幫削坡處理標(biāo)高自554.75～417 m(見圖4)。北東邊幫0勘探線和7勘探線的現(xiàn)有邊坡，最高標(biāo)高為554.75 m，單臺階最大高度為34.3 m，臺階坡面角53°～70°，最終邊坡角40°～43°，安全平臺寬度4～11 m，運輸平臺寬度8～16 m。

圖4 削幫前露天邊幫情況

2.2.2 削坡后北東邊幫邊坡參數(shù)

削坡范圍位于廟溝鐵礦地下開采的錯動范圍，對錯動范圍的部分采場邊坡進行削坡處理，削坡產(chǎn)生的廢石回填至露天采場，可以增加地下的開采的安全性，同時露天采場削坡以后，邊坡角變緩，也增加了露天采場邊坡的安全性(見圖5)。削坡以后北東邊幫的邊坡參數(shù)見表2。

圖5 削幫后露天邊幫情況

表2 削坡后邊坡參數(shù)

2.2.3 削坡工藝

北東邊幫削坡研究采用牙輪鉆機穿孔，液壓挖掘機鏟裝，25 t自卸汽車運輸,礦山現(xiàn)有一臺KY250型牙輪鉆和一臺KY310型牙輪鉆，月穿孔能力為4 000 m/臺。邊坡終了時或局部穿孔平臺較小時采用DR55潛孔鉆機穿孔。工作面參數(shù)見表3。

表3 工作面參數(shù)

根據(jù)穿孔設(shè)備的使用性能及礦山對爆破工作的要求，礦山爆破工作主要為柱狀散裝藥深孔爆破。采用乳化炸藥、起爆彈導(dǎo)爆管起爆。礦巖不合格大塊選用液壓挖掘機配破碎錘進行二次破碎，北東邊幫削坡作業(yè)采用起爆彈、非電導(dǎo)爆管進行起爆。礦山現(xiàn)有采裝設(shè)備為8臺液壓挖掘機，1.8～2.1 m3液壓挖掘機6臺，1.5 m3液壓挖掘機兩臺。北東邊幫削坡平均運距1.5 km，自卸汽車上坡25 km/h，重車下坡15 km/h，故車輛運輸時間10 min。裝車需要3.5 min，汽車調(diào)頭翻卸需要1.5 min，因此一次運輸作業(yè)循環(huán)需要15 min，按每車裝載量24.5 t計算，臺效98 t/臺·h，按日工作18 h計算，則每月臺效為5.3×104 t/臺·月。礦山現(xiàn)有25 t自卸汽車14輛，考慮13輛生產(chǎn)，一輛備用，運輸能力為68.9×104 t/月，可以滿足削坡工程運輸?shù)囊蟆?/p>

3 井下采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法

為實現(xiàn)廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下安全高效開采目標(biāo)，消除露天邊坡威脅后，在合理覆蓋層鋪設(shè)方式的前提下，還需要綜合分析井下無底柱分段崩落法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。目前該方法于2019年在井下試驗采場應(yīng)用中，礦石回采率約為69.4%，貧化率約為23.2%，礦石損失率與貧化率較大，為了獲得較好的回收指標(biāo)，在分段高度確定的前提下，需要對進路間距與崩礦步距進行合理優(yōu)化確定。

3.1 進路間距優(yōu)化

目前，廟溝鐵礦采用無底柱分段崩落法時，分段高度為20 m，進路間距為20 m，崩礦步距為1.8 m。對于礦體厚度較大或者接近于厚礦體條件的急傾斜礦體，一般在每個分段需布置多條回采進路，合理回采進路間距值可利用以下經(jīng)驗公式進行確定[11]：

(1)

式中：B—進路間距；H—分段高度；b—進路寬度；e—自然數(shù)；ω=(α+α1)/2；α，α1，β1—散體流動參數(shù)。

廟溝鐵礦分段高度為20 m，進路寬度為4.5 m，散體流動參數(shù)α=1.573，α1=1.712，β1=0.132，將上述參數(shù)帶入公式(1)，得到進路間距值為17.38 m，為此取合理進路間距為18 m。

3.2 崩礦步距優(yōu)化

崩礦步距是影響礦石損失貧化的重要參數(shù)之一，崩礦步距過小或者過大都會對回收指標(biāo)造成影響，增加礦石損失貧化值。采用崩落法放礦時，沿進路方向的放出體方程表達式為[12]：

y2=(1+α1)β1zα1ln(h/z)

(2)

式中：α1，β1—沿進路方向散體流動參數(shù)；y、z—放出體坐標(biāo)變量；h—放出體高度(約為兩倍分段高度)。

假定放出體最寬部位ymax所在高度為hmax，則在z=hmax處有dy/dz=0，此時有hmax=h/(e1/α1)，放出體最大寬度表達式為：

(3)

由此得到最優(yōu)崩礦步距計算表達式為：

(4)

式中：θ—放出體流軸與端壁夾角；k—礦石松散系數(shù)；e—自然數(shù)。

根據(jù)該礦散體流動參數(shù)實驗結(jié)果，沿進路方向α1=1.712，β1=0.132；放出體高度h=40 m，夾角=75°，松散系數(shù)k=1.3。根據(jù)式(4)計算得到崩礦步距L=2.19 m，最終優(yōu)化后崩礦步距取2.2 m。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

通過現(xiàn)場實際應(yīng)用，削幫后露天邊幫穩(wěn)定性良好，該礦于2020年2月采用優(yōu)化后的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，礦石回收率與貧化率統(tǒng)計結(jié)果與改進前對比情況見圖6?？梢钥闯?，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后，回收率平均為76.5%，貧化率平均為18.3%，回收率較優(yōu)化前提高了10.2%，貧化率降低了26.7%，現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的效果。

(a)回收率

5 結(jié)語

1)針對廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下安全開采需要，研究給出了合理覆蓋層厚度及廢石粒度確定方法，其中厚度不小于40 m，粒度按照條件1進行匹配，給出了覆蓋層分兩層形成方法。

2)為避免邊坡垮塌對井下采場造成沖擊威脅，研究給出了北東邊幫削坡方法，削坡產(chǎn)生的廢石可同步用于充填露天坑，有效緩解覆蓋層廢石來源問題，保障了井下采場作業(yè)安全。

3)針對廟溝鐵礦井下無底柱分段崩落法開采，研究提出了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，經(jīng)計算分析，進路間距由20 m改為18 m，崩礦步距由2 m改為2.2 m，可實現(xiàn)廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下安全高效開采目標(biāo)。

4)通過現(xiàn)場應(yīng)用，露天邊幫穩(wěn)定性良好，采用優(yōu)化后的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，回收率提高了10.2%，貧化率降低了26.7%，經(jīng)濟效益顯著。