露坑聯采隔離層設置優(yōu)化及產量銜接方案研究

胡天壽 詹立榮 王 宇

(1.江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦；2.長沙礦山研究院有限責任公司)

對于露天與地下聯合開采的礦山，理論上露天開采坑底位置越淺，地下開采采場距露天坑底越深，越有利于隔離層的整體穩(wěn)定。然而，目前不少礦山由于露天開采生產能力大、作業(yè)安全等優(yōu)勢，露天開采下降速度遠大于井下開采下降速度，導致之前預留的隔離層厚度不斷降低。由于露天爆破振動以及地下開采擾動的影響，若隔離層厚度過小，其能否保持穩(wěn)定性、保證露天和地下同時開采安全等問題將變得復雜和不可確定[1-2]。此時，地下開采可能會突然發(fā)生崩落破壞，給地下采場造成強動力的沖擊。隔離層發(fā)生崩落破壞時產生的壓縮空氣從連通的巷道泄出，速度極高，形成具有極大破壞性的空氣沖擊波，給井下作業(yè)人員及設備帶來極大危險，甚至導致礦井報廢[3-5]。而留設的隔離層厚度過大又必然會造成資源的浪費，即使采用露采方式在生產后期對隔離層進行回收，其回采率也較低，回收時工藝難度也更加復雜。另外，隔離層厚度過大，也不利于目前礦山的產量平衡和穩(wěn)定。因此，隔離層需要根據實際開采的情況及時做出調整，并對排產方案進行優(yōu)化，以確?；夭傻陌踩唾Y源的回收。

1 工程概況

永平銅礦為一座大型露天地下聯合開采礦山，產品為銅精礦和硫精礦。露天開采于1984年投產，地下開采采用兩步驟分段空場階段出礦嗣后充填法，于2009年投產。目前礦山整體開采規(guī)模為10 000 t/d，露天和地下各5 000 t/d。

露天開采設計最低標高為-50 m，地采中段高度為50 m，首采-100 m中段，在露采和地采之間留設+0～-50 m標高共50m作為臨時隔離層。由于露采的下降速度遠大于地采的下降速度，目前隔離層的最小厚度為42 m，沒有發(fā)生貫穿破壞，尚處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著開采的加劇，預留的隔離層厚度將不斷減小。因此，隔離層需要根據實際開采的情況及時作出調整，并優(yōu)化產量銜接工作。

2 隔離層調整方案

礦山井下目前回采-100 m中段，西部采場與露天采場間厚度遠大于50 m，穩(wěn)定性基本不受影響；而東部采場位于露天坑下方，是受隔離層影響的主要區(qū)域。其一步驟礦柱已全部充填完畢，二步驟礦房部分已充填，部分已回采尚未充填，剩余部分尚未開采。因此，考慮到后期排產的連續(xù)性，本研究推薦以-100 m中段東部盤區(qū)露天正下方的部分采場區(qū)域為新的隔離層位置，優(yōu)先進行回采充填作業(yè)，將礦石置換出來后，以此部分連續(xù)充填體為新的隔離層。

為了保證露天與地下在同一垂直面作業(yè)時的隔離層厚度始終不小于50 m，本研究對新隔離層在-100 m 中段的水平范圍進行了極限分析。

根據礦山排產，露天開采終了境界的最低工作平臺標高為-50 m。露天終了境界與-100 m中段東部盤區(qū)的位置對應關系見圖1。

從圖1可知，-100 m中段E1～E7盤區(qū)均位于露天開采下方，其采場的位置與露天坑底的距離表明，這部分采場的回采對露天開采存在不同程度的影響。其中，E2、E3、E4盤區(qū)的全部采場都處于露天終了境界最小工作平臺(-50 m)的正下方；E1和E5盤區(qū)的部分采場位于露天終了境界邊坡下方；E6和E7盤區(qū)位于露天終了境界側翼(-30 m平臺側翼)。

若露天坑繼續(xù)向+0 m以下延伸，則隔離層小于50 m的尚未充填的采場包括E1-4(1)(單個采場內礦塊編號，下同)、E1-4(2)、E1-6(1)、E1-6(2)、E1-6(3)、E2-1(2)、E2-3(2)、E2-5(2)、E2-7(1)、E2-7(2)、E2-7(3)、E3-4、E4-3、E5-1、E5-3、E5-7、E6-2、E6-4、E6-6、E7-1、E7-3。

因此，為保證隔離層厚度不小于50 m，設置E1～E7盤區(qū)中尚未充填的這21個采場和已充填完的采場一起形成的連續(xù)充填體為新的隔離層?？紤]到露天臺階下降的時間不一，新隔離層的充填時間、緊緩次序亦有不同?？傮w順序是根據露天臺階推進方向和臺階下降時間，優(yōu)先充填露天終了境界最小工作平臺正下方E2、E3、E4盤區(qū)，然后充填露天終了境界邊坡下方的E1和E5盤區(qū)部分采場，最后充填露天終了境界側翼E6和E7盤區(qū)，確保露天臺階推進和下降到-50 m標高前，地下采場已充填完畢，形成新隔離層。

3 露坑聯采產量銜接方案

為了保證露天地下聯合開采的安全，露天臺階的下降必須在新隔離層設置完成后，即相應采場形成連續(xù)充填體后才能進行。因此，對應工作面之間的回采順序顯得尤為重要。通過合理的產量銜接方案及排產順序，確保在隔離層調整期礦山的生產能力不發(fā)生大的波動。

3.1 露天坑-2 m臺階保有礦巖量及服務期核算

根據現場調研，+90 m臺階以上露天境界已經剝采完成，故以+90 m臺階為上部邊界，制作露天現狀境界與露天終了境界的復合實體三維模型，見圖2。通過布爾運算，得到理論上目前-2 m臺階以上的露天境界內保有礦巖量(露天終了境界內礦巖量--2 m臺階以下保有礦巖量-露天現狀境界內礦巖量)。

圖1 露天終了境界與-100 m中段東部盤區(qū)的位置對應關系示意

圖2 露天開采境界三維模型

通過三維體積計算可知，-2 m臺階以上保有礦巖的總體積為260.88萬m3。礦巖比例按1∶1.7進行反算，得出三維模型中-2 m臺階以上保有礦量為282.58萬t，廢石量為468.35萬t。此結果與現場提供的統(tǒng)計結果一致。

3.2 露采剩余礦量(不含新開臺階)服務年限

礦山工作制度為330 d/a。按照露天165萬t/a(15萬t/月)的生產規(guī)模進行核算，截止到2017年4月底，露天開采-2 m臺階以上的剩余保有礦量為206.10萬t。若露天坑暫時不向下延伸，則-2 m臺階以上的礦石僅夠服務13.7個月(1.25 a)。

3.3 新隔離層設置所需時間

目前-100 m中段一步驟礦柱已全部充填完畢。二步驟礦房中E2-1(1)、E3-2、E3-6、E4-1、E4-5、E5-5已充填完畢；E2-1(2)、E2-5(2)、E6-4已回采完畢，正在充填；E1-4(1)、E2-7(1)、E4-3、E5-1正在回采；剩余礦房尚未回采。各采場的剩余礦量和需充填體積見表1。

-100 m中段東部盤區(qū)出礦能力為13萬t/月，充填能力為3.45萬m3/月。經詳細分解到具體采場，則單個采場最大出礦能力為4.1萬t/月，單個采場最大充填能力為3萬m3/月。因此，若不考慮采場平行回采，要完成所有隔離層區(qū)域采場的回采作業(yè)，至少需要23.7個月(973 214/41 000)；若不考慮采場充填的先后順序，要完成所有隔離層采場的充填作業(yè)，至少需要13.3個月(399 396/30 000)。

考慮到有5個采場已回采完，可直接進行充填，即新隔離層位置的采場可同步進行回采和充填，則要完成隔離層連續(xù)充填體設置，至少需要23.7個月?？紤]1.2的工序銜接補償系數，完成隔離層連續(xù)充填體設置，共需要28.4個月。具體工期安排見表2。

表1 各采場的剩余礦量和需充填體積

表2 新隔離層設置工期安排

4 排產優(yōu)化及進度安排

4.1 排產優(yōu)化原則

要完成新設隔離層中21個采場的回采、充填工作(其中有5個采場已回采)，至少需要28.4個月，而目前露天坑-2 m臺階以上的礦量僅夠維持13.7個月穩(wěn)產服務期。若在完成整個隔離層的設置后再向下延伸露天坑，則露采有14.7個月的停工期。為解決這14.7個月露天產量差額，提出了2種方案：

(1)方案一，露采減產。

(2)方案二，優(yōu)化新隔離層設置，露采提前向下延伸。

考慮到礦山實際，露采減產將帶來一系列問題。因此，推薦方案二。

原則上，對應下溝位置的采場先進行充填置換，形成充填隔離層，保證上下對應工作面的隔離層保持50 m以上。如此，分批次在對應位置設置隔離層后，上部露采即可向下延伸。

4.2隔離層設置排產優(yōu)化

根據生產計劃，露天坑下坑位置與露天終了境界最小工作平臺在水平投影方向基本一致。只要保證露天坑向下延伸時，其水平投影方向對應的-100 m 中段相應位置充填體隔離層已設置完畢即可。因此，新隔離層分區(qū)域按順序進行設置。

根據新隔離層與露天終了境界最小工作平臺的相對位置關系，分3個階段進行采場的回采充填。具體設置順序見圖3。

4.3 新隔離層設置工期優(yōu)化

結合礦山的實際情況，對新隔離層設置的工期優(yōu)化應滿足如下原則：

(1)由于E2-7、E1-4、E1-6采場厚度較大，內部設計有2～3個小采場，以間柱隔開。為保證鑿巖、爆破及通風的順暢，這3個大采場內部回采時只能按順序回采。

(2)在滿足出礦能力的前提下，大部分采場可平行回采。

(3)由于充填能力和充填管道數量的限制，采場只能按順序進行充填。

(4)為保證圍巖的穩(wěn)定性，采場回采后應及時組織充填。

各期作業(yè)區(qū)的進度安排見表3。

由表3可知，露天終了境界正下方的一期區(qū)域共有8個未充填采場，其中有3個已回采完，可以直接充填。當一期充填體隔離層全部設置完成后，露天開采下溝區(qū)域距最小工作平臺(-50 m標高)間的礦巖均可進行剝離和回采。從產量銜接方面看，一期充填體隔離層全部設置完成需8.8個月,而-2 m臺階以上礦量服務期為13.7個月，略大于隔離層設置時間，可以順利下溝，露采產量能夠保持平穩(wěn)。待所有充填體新隔離層全部設置完成，露天臺階即可向北面擴幫，穩(wěn)定生產。

圖3 新隔離層設置順序

表3 各期作業(yè)區(qū)進度安排

注：表中黑色線條為回采工期，灰色線條為充填工期。

為防止地表陷落，地下開采設計采用分段空場嗣后分級尾砂膠結充填法，相關研究結果顯示，地下采場頂板所受應力及沉降量均在安全范圍內，充填體強度滿足采礦安全需要。因此，充填體形成的新隔離層可有效支撐圍巖，滿足采礦安全需求。

5 相關安全技術措施

(1)嚴格控制露天地下深孔爆破作業(yè)最大單響藥量，降低爆破振動的相互影響。露天爆破作業(yè)時，正下方地下采場作業(yè)人員暫時撤離，爆后加強采場和巷道頂板檢查，出現隱患及時處理。

(2)加快一期新隔離層區(qū)域內采場的回采和充填，在此之前，-2 m臺階不得往下延伸。

(3)加強地下采空區(qū)上覆巖層和露天邊坡監(jiān)測，建立預警機制，對位移異常區(qū)域及時采取支護、充填、封閉等安全措施，防止地表坍塌而發(fā)生安全事故[6]。

(4)在地下開采巖體移動界線以外的來水方向增設防洪堤、截水溝攔截地表徑流，露天采區(qū)增設排水設備，地下確保排水排泥設備正常運轉，以應對露天來水涌入井下。

6 結 論

(1)排產優(yōu)化后，可在露天剩余礦巖量服務年限內完成新隔離層設置，按進度工期安排地下采掘及充填不會影響露天采剝按計劃推進，可確保露坑采礦規(guī)模保持10000t/d，生產能力不發(fā)生大的波動。

(2)露天坑底及地下采場頂板對應工作面之間的隔離層厚度始終大于50 m，滿足隔離層安全距離要求。

(3)采用分級尾砂膠結充填工藝，新隔離層(充填體)自立性好，強度高，可有效支撐地下采場圍巖，不會出現大的沉降和破壞，露天邊坡也可保持穩(wěn)定。

(4)有效解決了預留隔離層厚度不斷降低、回采安全性不斷下降、露坑產能銜接不平穩(wěn)等問題，對類似礦山過渡期決策和生產安排具有借鑒意義。