露天地下楔形過渡協(xié)同開采技術(shù)研究與分析

范曉明 王洪強 趙 強 張 昭 黃其沖 趙文龍

（北方爆破科技有限公司）

露天轉(zhuǎn)地下開采是在露天開采的末期，礦山還在進行露天開采的條件下，開始進行地下開采。此時，對地下開采而言，受到地表已經(jīng)形成露天坑、且露天開采還在繼續(xù)等安全條件的限制；對露天開采而言，地下開采的加入，改變了露天礦體開采環(huán)境和圍巖的穩(wěn)定性。因此，在轉(zhuǎn)型期兩者互相約束。正是由于這一原因，在國內(nèi)外由露天開采轉(zhuǎn)入地下開采的大型金屬礦山生產(chǎn)過程中，基本都存在過渡期產(chǎn)能平穩(wěn)持續(xù)和安全高效開采的技術(shù)難題［1-6］。

迄今為止，特大型深凹露天礦山在露天轉(zhuǎn)地下開采的過渡期間，均需要減產(chǎn)，甚至是停產(chǎn)過渡，尚未實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)或增產(chǎn)過渡［7-9］。根據(jù)礦山實例統(tǒng)計，由露天開采轉(zhuǎn)入地下開采的金屬礦山主要采取境界礦柱過渡方式、境界礦柱+覆蓋層過渡方式、設(shè)置過渡層的3層過渡方式以及我國近年提出的楔形轉(zhuǎn)接過渡方式。露采在下、地采在上的楔形過渡方式成功應(yīng)用于海南鐵礦的實踐表明，該技術(shù)方案可以有效利用露天和地下開采的工藝優(yōu)勢，實現(xiàn)露天轉(zhuǎn)地下的穩(wěn)產(chǎn)與增產(chǎn)過渡［10］。

1 露天轉(zhuǎn)地下楔形過渡協(xié)同開采方法

1.1 楔形過渡開采原理

露天轉(zhuǎn)地下楔形過渡開采方法通過合理改進露天與地下采礦方法、制定露天末期與地下開拓系統(tǒng)、優(yōu)化露天地下開采界線、設(shè)計掛幫礦高效開采方法、確定邊坡安全防控技術(shù)與合理制定全礦床協(xié)同開采方案等內(nèi)容，將特大型鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采的礦體條件與露天地下時空拓展技術(shù)有機結(jié)合，從而構(gòu)建露天地下楔形過渡協(xié)同開采方法。

楔形過渡協(xié)同開采方法主要涵蓋以下內(nèi)容：①充分利用露天公路盡早建設(shè)地下開拓工程，借助平硐、斜井等措施工程，可對露采境界外礦體進行多方位開拓，快速增大開拓、采準與回采礦量；②利用誘導冒落法開采掛幫礦，通過控制采空區(qū)的跨度與高度，控制塌陷坑的容積與深度，接收邊坡滑落的散體，使之不影響露天采場，這樣誘導工程的位置可靈活布置，既可布置在露天采場的上方，也可布置在露天采場的下方，只要與露天采場在水平投影面上錯開，其上露天邊坡允許塌陷即可，由此可大幅度增大地下開采效率，快速提高地下產(chǎn)能；③加大力度開采露天陡幫坑底礦，充分發(fā)揮露天工藝優(yōu)勢，增大露天開采強度；④通過數(shù)據(jù)分析露天與地下開采的工藝和經(jīng)濟優(yōu)勢，確定適用于協(xié)同開采的開采境界，提高協(xié)同開采能力及經(jīng)濟效益的最大化；⑤基于露天坑底礦量延深開采和掛幫礦量誘導冒落法開采，構(gòu)建邊坡全程安全管控技術(shù)，即在塌陷坑形成之前，建立邊坡監(jiān)測預警系統(tǒng)，冒透地表之后，通過塌陷坑控制巖移方向。

通過時空協(xié)同、生產(chǎn)協(xié)同與安全協(xié)同，構(gòu)建基于協(xié)同過渡的露天地下協(xié)同開采模式，形成全礦床協(xié)同開采方法，消除過渡低產(chǎn)期，最終形成從露天開采、露天地下協(xié)同開采、地下開采方式三者的平穩(wěn)銜接。

1.2 楔形過渡開采適應(yīng)性分析

應(yīng)用楔形過渡方式實現(xiàn)露天地下安全高效協(xié)同開采需要三方面保障條件：①控制邊坡巖移的方向，消除邊坡巖移危害，保證露天和地下的安全開采；②充分利用露天和地下安全高效開采技術(shù)，實施地下誘導冒落開采與露天陡幫延深開采，最大限度地提高開采效率；③采取措施工程加快掛幫礦的開采進度，快速形成與提高地下的生產(chǎn)能力。這三方面保障條件實現(xiàn)的難易程度與露天采場的規(guī)模密切相關(guān)，特大型礦床的露天運輸系統(tǒng)條件與開采空間條件，為實現(xiàn)這三方面保障條件奠定了良好基礎(chǔ)，深入研究每一方面的形成技術(shù)，便可保障楔形過渡協(xié)同開采方式對于特大型露天鐵礦的高度適應(yīng)性。

2 楔形過渡在特大型鐵礦床露天轉(zhuǎn)地下開采中的應(yīng)用

對于特大型鐵礦床，常規(guī)的開采方式為先用露天開采，后用地下開采。通常露天開采分為前期、中期與末期，一般中期產(chǎn)能最大，末期產(chǎn)能由大逐漸變?。坏夭僧a(chǎn)能由無到有、由小變大，在兩者過渡期間，經(jīng)歷低產(chǎn)期。如何應(yīng)用楔形過渡方式解決特大型鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采的難題，本節(jié)將露天轉(zhuǎn)地下開采的特大型鐵礦礦體條件作為特定的開采對象，基于楔形過渡方式，將露天與地下開采作為手段，利用兩者的工藝優(yōu)勢，實現(xiàn)全礦床的露天地下協(xié)同開采，使兩者相互補足，增強礦體的開采能力。

2.1 特大型礦床礦體條件

對于特大型鐵礦床露天轉(zhuǎn)地下開采，通過露天延深和掛幫礦誘導冒落開采，實現(xiàn)斜面轉(zhuǎn)接過渡，達到“露采在下，地采在上”的礦體開采條件（圖1），有效解決了露天開采與地下開采的相互干擾問題，持續(xù)大規(guī)模的礦石生產(chǎn)能力，需充分釋放地下產(chǎn)能，開發(fā)特大型鐵礦床持續(xù)高效開采模式，解決其減產(chǎn)與停產(chǎn)過渡的難題。

2.2 楔形過渡協(xié)同開采技術(shù)特點

針對特大型鐵礦床，“露采在下，地采在上”的礦體開采條件具有一定的開采局限性，主要體現(xiàn)在掛幫礦的開采能力問題，尤其是在特大型礦床露天開采末期進入露天地下協(xié)同開采這一階段，這就需要掛幫礦體地下開采需要與露天開采保持良好的協(xié)同關(guān)系，有助于產(chǎn)能平穩(wěn)持續(xù)。楔形過渡開采技術(shù)特點主要有協(xié)同開采的準備和誘導冒落首采分段的布置2個方面。

協(xié)同開采準備主要有：①從露天邊坡向掛幫礦施工平硐及斜坡道，做好掛幫礦的采準工程，確定掛幫礦的開采時間；②協(xié)同開采過程中，掛幫礦開采的初期要借用露天運輸系統(tǒng)，所以需在合適的臺階布置防護壩，防止掛幫礦開采引起的邊坡滾石威脅掛幫礦運輸平硐出口，在防護壩形成之后，地下應(yīng)具備正常的大規(guī)?；夭蓷l件，其中誘導工程的回采跨度應(yīng)能夠誘導頂板礦巖冒落到足夠的高度，在下一分段形成回采條件。

原則上誘導冒落工程布置只要地下采場與露天采場在水平投影面上錯開，既可以布置在露天開采水平之上，也可以布置在露天開采水平之下，消除采動巖移影響即可。但本文提出誘導冒落首采分段布置要點為在進行露天開采的同時，進行誘導冒落法開采掛幫礦的采準作業(yè)，同時為降低生產(chǎn)成本和提高開采效率，宜選擇在較低的水平布置誘導冒落首采分段，并下部回采分段可低于露天開采水平，以此充分釋放掛幫礦回采能力（圖2）。

對于特大型礦山，為持續(xù)大規(guī)模礦石生產(chǎn)能力，需改善“露采在下，地采在上”的礦體生產(chǎn)條件的局限性，進一步拓展露天地下協(xié)同開采時空，以此實現(xiàn)地下產(chǎn)能的快速提升。誘導冒落法首采分段的相對位置越低越好，因為首采分段位置低，掛幫礦誘導冒落礦石層的高度大，有利于提高開采效率與降低生產(chǎn)成本，所以在掛幫礦開拓時，可以由露天臺階掘進下向斜坡道，盡可能將首采分段（誘導冒落工程）向更低水平布置，拓展掛幫礦誘導冒落開采方法，據(jù)此可形成“露采在上，地采在下”的露天地下協(xié)同開采方法（圖3）。

2.3 工程應(yīng)用

以大孤山實際礦體條件實施楔形過渡的露天地下協(xié)同開采技術(shù)，本著“下盤側(cè)礦體由陡幫延深開采方式露天采出，上盤側(cè)掛幫礦體由誘導冒落法開采方式地下采出”的協(xié)同開采原則，實施全礦床露天地下協(xié)同開采，從本質(zhì)上解決過渡期產(chǎn)能平穩(wěn)持續(xù)和安全高效開采的難題。對該礦山近些年的礦石生產(chǎn)量統(tǒng)計得出，通過露天開采+露地協(xié)同開采+地下開采，大孤山鐵礦產(chǎn)能由露天開采的600萬t/a逐步增大到地下開采的700萬t/a，并可持續(xù)開采30 a，實現(xiàn)了安全持續(xù)高效開采。

3 結(jié) 論

（1）楔形轉(zhuǎn)接過渡方式在露天采場逐漸縮小與地下采場逐漸擴大中實現(xiàn)斜面轉(zhuǎn)接過渡，拓展了露天開采與地下開采時空，消除了彼此相互干擾，保障了露天轉(zhuǎn)地下平穩(wěn)過渡與增產(chǎn)銜接，實現(xiàn)了從露天到地下全周期連續(xù)高效開采，對特大型鐵礦床具有高度適應(yīng)性。

（2）基于楔形過渡的露天地下協(xié)同開采技術(shù)，露天陡幫延深開采坑底礦，地下誘導冒落法開采掛幫礦，誘導工程既可以布置在露天開采水平之上，也可以布置在露天開采水平之下，只要地下采場與露天采場在水平投影面上錯開，消除采動巖移影響即可。