某露天轉(zhuǎn)地下礦山采礦方法選擇及工藝研究

許洪亮 張明峰 馬二輝 樊 潔

（1.中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司；2.河北省綠色智能礦山工程設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新中心）

露天礦山隨著開采深度的加大，露天邊幫殘留礦體和深部礦體轉(zhuǎn)為地下開采勢在必行［1-2］。露天邊坡穩(wěn)定性、露天采場匯水、境界礦柱留設(shè)等因素都是影響露天轉(zhuǎn)地下采礦方法選擇的限制條件。因此，從礦山實(shí)際出發(fā)，對技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全可靠性、相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策進(jìn)行全面比較，選擇合理的采礦方法對于露天轉(zhuǎn)地下開采礦山至關(guān)重要，進(jìn)而確保礦山安全、高效、綠色、可持續(xù)開采。

1 礦山概況

1.1 礦體賦存特征

內(nèi)蒙古某鐵礦山礦區(qū)共圈定鐵礦體1條，根據(jù)礦體的走向和產(chǎn)狀不同，礦區(qū)范圍內(nèi)的鐵礦體又分為西段、中段、東段3 部分。西段礦體傾角為70°左右，控制礦體長度為750 m，最大斜深為450 m，厚度為27～206 m，平均為94.16 m。中段礦體傾角為50°左右，控制礦體長度為250 m，最大斜深為440 m，厚度為40～142 m，平均為59.20 m。東段礦體傾角為40°～64°，控制礦體長度為250 m，最大斜深為220 m，厚度為20～100 m，平均為68.5 m。

1.2 開采技術(shù)條件

礦區(qū)位于內(nèi)蒙古高原，屬中山區(qū)，地形相對高差為80 m 左右，地貌類型單一，除表層有較薄的第四系覆蓋外，大都由下太古界角閃巖組成。

礦坑涌水主要來自于大氣降水和由第四系孔隙潛水間接補(bǔ)給于基巖裂隙，再由基巖裂隙潛水直接補(bǔ)給采坑內(nèi)的水，礦山水文地質(zhì)類型為以大氣降水為主、水文地質(zhì)條件簡單的基巖裂隙潛水充水的礦床。

礦區(qū)地表30 m 以上風(fēng)化帶巖體質(zhì)量較差，礦體頂板為角閃石英巖，依據(jù)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，飽水狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度在23.24～49.39 MPa，平均為37.35 MPa，屬半堅(jiān)硬巖類，力學(xué)強(qiáng)度較高，穩(wěn)固性較好。礦體為角閃石英型及石英型磁鐵礦石，依據(jù)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，飽水狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度為34.01～75.53 MPa，平均為46.95 MPa，屬半堅(jiān)硬巖類，力學(xué)強(qiáng)度較高，穩(wěn)固性較好。礦體底板圍巖為角閃巖，巖體完整性較好，依據(jù)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，飽水狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度在29.05～55.20 MPa，平均為35.2 MPa，屬半堅(jiān)硬巖類，力學(xué)強(qiáng)度較高，穩(wěn)固性較好。礦床工程地質(zhì)勘探類型為以塊狀巖類為主的工程地質(zhì)條件中等類型。

本礦區(qū)無污染源，地下水質(zhì)量等級為Ⅲ級，適用于飲用水和工業(yè)用水，礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件屬中等類型。

1.3 開采現(xiàn)狀

目前正在進(jìn)行露天開采，形成了露天采礦場、排土場、選礦車間、破碎車間以及與露天采礦場和選礦生產(chǎn)相配套的公輔設(shè)施。

礦山采用單一公路汽車開拓運(yùn)輸方式，露天采場位于礦區(qū)南部，分為西采坑與中東采坑。排土場分由南、北排土場，其中南排土場為目前礦山生產(chǎn)使用的主要排土場，位于露天采場以南，為多臺階排土場，最大排土段高位于南排土場南側(cè)，臺階高度為45 m，現(xiàn)狀排土標(biāo)高為1 728 m；在露天采場的北側(cè)零星分布了若干個(gè)廢石堆場及表土堆場。

1.4 露天轉(zhuǎn)地下開采的限制條件

根據(jù)設(shè)計(jì)確定的最終境界，露天開采最低開采標(biāo)高至1 500 m 水平，預(yù)計(jì)5 a 開采結(jié)束，選擇的工藝方案在技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的前提下，應(yīng)能保證露天轉(zhuǎn)地下開采在時(shí)間上有序銜接、產(chǎn)能上平穩(wěn)過渡。

露天開采結(jié)束后采礦權(quán)范圍內(nèi)尚保有鐵礦石資源量2 425萬t，采礦方法選擇應(yīng)充分考慮開采礦體平面范圍南側(cè)緊鄰采礦權(quán)邊界的限制條件，盡可能少地留設(shè)保護(hù)礦柱，確保礦石回收率，同時(shí)應(yīng)重點(diǎn)防范露天邊坡垮塌和露天采場內(nèi)匯水突然涌入井下等因素造成的安全生產(chǎn)事故［3］。

2 采礦方法

2.1 采礦方法初選

該礦山以大于20 m 的厚—極厚礦體為主，礦體和圍巖較穩(wěn)固，從礦巖的工程地質(zhì)條件考慮，適宜該礦山的采礦方法有分段充填采礦法［4］和無底柱分段崩落采礦法。

2.1.1 分段充填采礦法

極厚礦體和厚礦體采用垂直礦體走向布置礦塊，礦塊長度為礦體厚度，礦塊寬度為20 m；中厚礦體采用沿走向布置，礦塊長度為40 m，寬度為礦體厚度。礦房分兩步驟回采，出礦及鑿巖分段高度為24 m，采用自下而上的開采順序，井下回采鑿巖采用中深孔鑿巖臺車，采用4 m3鏟運(yùn)機(jī)出礦，礦塊生產(chǎn)能力為7 ～14萬t/a。

2.1.2 無底柱分段崩落采礦法

極厚礦體和厚礦體采用垂直礦體走向布置進(jìn)路，礦塊長度為礦體厚度，礦塊寬度為75 m，分段高度為12 m，進(jìn)路間距為15 m，1臺鏟運(yùn)機(jī)服務(wù)5條進(jìn)路；中厚礦體采用沿礦體走向布置進(jìn)路，礦塊長度為50 m，礦塊寬度為礦體厚度，分段高度為12 m，1臺鏟運(yùn)機(jī)服務(wù)4個(gè)礦塊。采用自上而下的開采順序，井下回采鑿巖采用中深孔鑿巖臺車，出礦采用4 m3鏟運(yùn)機(jī)，鏟運(yùn)機(jī)臺效為 40 萬 t/a。

2.2 采礦方法比較

從礦山生產(chǎn)能力、采出礦石量、排水費(fèi)用和投資與收益幾個(gè)方面對上述2種采礦方法進(jìn)行對比。

（1）礦山生產(chǎn)能力。通過編制采礦進(jìn)度計(jì)劃，從增加穩(wěn)產(chǎn)比例、延長礦山服務(wù)年限角度考慮，充填法和崩落法的生產(chǎn)能力都可以達(dá)到150萬t/a。

（2）礦柱礦石量。為使巖體移動監(jiān)測界線不出采礦權(quán)平面范圍，分段充填采礦法按照上、下盤70°，端部75°，由地表礦權(quán)界線向下圈定保安礦柱，保護(hù)礦柱量為329.26萬t；無底柱分段崩落采礦法按照上、下盤65°，端部70°，由地表礦權(quán)界線向下圈定保安礦柱，保護(hù)礦柱量為630.32萬t，崩落法比充填法多301.06萬t。

（3）充填采礦方法設(shè)計(jì)利用礦量為1 993.15 萬t，按照礦石回收率84.58%、廢石混入率9.58%計(jì)算，采出礦石量為1 864.42萬t。崩落采礦方法設(shè)計(jì)利用礦量為1 696.31 萬t，按照礦石回收率82%、廢石混入率18%計(jì)算，采出礦石量為1 696.31 萬t，比充填采礦方法少168.11萬t。

（4）排水費(fèi)用。采用分段充填采礦法不會產(chǎn)生大面積塌陷，地表水不會大量匯入井下，井下涌水較小，排水設(shè)備投資和排水費(fèi)用均較小。采用無底柱分段崩落采礦法，地表會產(chǎn)生塌陷，地表水將匯入井下，井下涌水較大，排水設(shè)備投資和排水費(fèi)用均較大。

（5）投資與收益。綜合考慮采切成本和充填成本，充填采礦法年綜合成本比崩落采礦法多1 764 萬元；2種采礦方法年采出礦石量相同，因廢石混入率不同，充填采礦方法的采出礦石品位要高于崩落采礦方法，因此充填采礦法的鐵精粉產(chǎn)量高于崩落采礦法，由此計(jì)算年銷售收入，充填采礦法比崩落采礦法多2 184 萬元?？鄢杀镜挠绊?，采用充填采礦法年銷售收入多420萬元。

（6）政策符合性分析。無底柱分段崩落法采用覆蓋巖下放礦，隨著開采的進(jìn)行，地表會出現(xiàn)塌落，建設(shè)及生產(chǎn)期間產(chǎn)生的廢石及選別后的尾礦不能綜合利用，廢石場和尾礦庫占地面積增大，礦山后期面臨的環(huán)保政策壓力較大。采用分段充填采礦方法能避免地表塌陷，有效保護(hù)地表環(huán)境，符合國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)要求。

2.3 采礦方法確定

綜上所述，采用分段充填采礦法保安礦柱壓礦量少，設(shè)計(jì)利用礦量多，礦石回采率高，廢石混入率低，排土場、尾礦庫占地面積小，能避免地表塌陷，有效保護(hù)地表環(huán)境，符合國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求。因此，推薦礦山采用充填采礦方法進(jìn)行地下開采。

3 采礦工藝設(shè)計(jì)

3.1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

類比國內(nèi)采用分段充填采礦法的相似礦山，厚度小于20 m 的礦體沿礦體走向布置礦房，厚度20～50 m 的礦體垂直礦體走向布置礦房，厚度大于50 m的礦體采用盤區(qū)布置形式，根據(jù)采礦方法布置形式的需要，按照礦體的不同厚度區(qū)間統(tǒng)計(jì)了礦體的平均傾角和厚度：小于20 m 的中厚礦體平均傾角為42°，平均厚度9.1 m，占7.07%；20～50 m 的厚礦體平均傾角為51°，平均厚度為30.8 m，占46.35%；大于50 m 的極厚礦體平均傾角為57°，平均厚度為126.2 m，占46.58%。

極厚礦體采用垂直礦體走向布置的分段充填采礦法，礦塊長度不超過50 m，超過50 m 的礦體再劃分成一步采和二步采礦塊分別回采。在沿礦體走向方向上間隔布置一步采和二步采礦塊。一步采和二步采的礦塊尺寸相同，礦塊寬20 m，礦塊高24 m（分段高度），極厚礦體分段充填采礦法見圖1。

厚礦體采用垂直礦體走向布置的分段充填采礦方法，在沿礦體走向方向上間隔布置一步采和二步采礦塊。一步采和二步采的礦塊尺寸相同，礦塊寬20 m，高24 m（分段高度），厚礦體分段充填采礦方法見圖2。

厚度小于20 m 的中厚礦體采用沿礦體走向布置的分段充填采礦方法，一步采和二步采礦塊間隔布置。礦塊高24 m（分段高度），礦塊寬度為礦體厚度，礦塊長40 m，中厚礦體分段充填采礦方法見圖3。

3.2 采切工程

采切工程主要有通風(fēng)天井、溜井、出礦巷道、出礦進(jìn)路、沿脈運(yùn)輸巷、塹溝拉底巷道、切割井等。

溜井采用脈外直溜井，間距120 m；通風(fēng)天井采用脈外斜井，間距150 m，出礦巷道間距40 m，出礦進(jìn)路間距14.2～15.5 m。平巷掘進(jìn)鑿巖采用國產(chǎn)液壓掘進(jìn)鑿巖臺車，采用國產(chǎn)2 m3柴油鏟運(yùn)機(jī)出碴和12 t井下卡車運(yùn)輸。天、溜井掘進(jìn)主要采用天井鉆機(jī)施工。配備錨桿臺車、撬毛臺車和噴漿臺車輔助作業(yè)。

3.3 回采工藝

采用中深孔分段鑿巖，國產(chǎn)液壓中深孔采礦臺車鑿上向扇形中深孔，炮孔直徑為76 mm，炮孔排距為1.5～2 m，孔底距為3～3.5 m。每一循環(huán)鉆2 排孔，每次爆破1～2 排炮孔。炮孔裝藥采用國產(chǎn)井下炸藥混裝車，采用乳化炸藥、數(shù)碼電子雷管起爆系統(tǒng)。

出礦設(shè)備采用國產(chǎn)4 m3電動鏟運(yùn)機(jī)，采場采出礦石塊度控制在500 mm 以內(nèi)，不合格大塊在進(jìn)路中用移動式碎石機(jī)進(jìn)行二次破碎處理。

3.4 通 風(fēng)

采場兩側(cè)各設(shè)置1 條通風(fēng)天井，通風(fēng)天井間距150 m，1條天井進(jìn)風(fēng)，另外1條天井回風(fēng)，為確保獨(dú)頭工作面的通風(fēng)質(zhì)量，選擇局扇輔助通風(fēng)。

3.5 充填工藝

礦塊回采結(jié)束，立即對采空區(qū)進(jìn)行充填，降低圍巖應(yīng)力，達(dá)到新的應(yīng)力平衡。

一步采礦房中部采用灰砂比1∶8 的尾砂膠結(jié)充填，二步采礦房中部采用1∶15低配比尾砂膠結(jié)充填，礦房底板6 m 及頂板1 m 采用1∶8 尾砂膠結(jié)充填，充填料漿濃度72%。

地表建設(shè)1座充填站，充填骨料為選廠排出的尾砂，膠凝材料為425號硅酸鹽水泥。

4 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

（1）設(shè)計(jì)采礦回收率84.58%，大于《冶金行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范》中鐵礦采礦回收率83%的最低指標(biāo)要求。

（2）廢石混入率9.58%，礦石貧化率5.29%，采出礦石TFe品位30.52%。

（3）根據(jù)礦山實(shí)際的礦體賦存條件選擇了分段充填采礦方法，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，政策上鼓勵(lì)，采礦單位制造成本為93.89元/t，礦山經(jīng)濟(jì)效益好。

（4）項(xiàng)目年產(chǎn)礦石150 萬t，最終產(chǎn)品為鐵精粉（TFe 品位66.5%），計(jì)算年產(chǎn)鐵精粉34.88 萬t，計(jì)算年?duì)I業(yè)收入31 534.88萬元，計(jì)算年利潤總額為7 917.89萬元，凈利潤為6 730.21萬元。項(xiàng)目投資稅后內(nèi)部收益率18.52%；項(xiàng)目稅后投資回收期7.21 a（含建設(shè)期3 a）。

5 結(jié) 語

崩落法和充填法在技術(shù)上均適用于該露天轉(zhuǎn)地下開采礦山，經(jīng)對比分析，充填采礦方法雖然投資偏大，成本偏高，但礦石回收率高，廢石混入率低，綜合收益最高，對地表環(huán)境影響最小，也是目前國家鼓勵(lì)采用的采礦方法，因此最終推薦采用充填法回采。