露天转地下开采矿山开拓系统衔接方案的确定原则

2011-02-15路增祥蔡美峰

中国矿业 2011年9期

路增祥，蔡美峰

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.教育部金属矿山安全高效开采重点实验室，北京 100083)

当前，随着对矿产资源需求的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，露天开采矿山不断向深部及地下开采转移，国内外多座矿山相继进入或即将进入露天与地下联合开采的状态。露天矿山在向地下开采转移前，充分考虑露天开采与地下开采的特点，优化开拓工程布置，对降低地下开采系统的建设投资和降低生产成本具有积极的作用。国内外露天转地下开采矿山的经验表明，当矿山充分利用了露天与地下开采的有利工艺特点时，统筹规划露天与地下开采的工程布置，可以使矿山的基建投资减少25%～50%，生产成本降低25%左右[1]。

露天转地下开采是集露天和地下两种工艺优点为一体的综合性开采技术，地下开拓系统与露天开拓系统的衔接，是实现两种工艺优点为一体的关键所在。目前，我国已经实施露天转地下的矿山，由于缺乏统筹规划和必要的技术支撑，转地下开采矿山的开拓系统、排水系统、矿石的溜破运输系统往往与露天脱节，造成露天与地下开采系统的不配套、不协调。不仅造成资金的浪费，而且导致生产系统很难实现大规模、高效率强化开采。因此，本文基于露天转地下相互协调安全高效开采关键技术的研究，提出了露天转地下开采矿山开拓系统衔接方案的确定原则，并对实现原则的途径进行了分析，以期对我国即将实施露天转地下开采的矿山有所指导[1]。

1 开拓系统衔接方案

露天转地下开采的矿山，实质上是对同一个矿床采用露天与地下两种开采工艺进行开采，因而存在着两种开采工艺系统相互结合与利用的可能。在对露天转地下开采的矿山进行设计时，根据矿床的赋存特征，充分利用露天与地下开采工艺系统的特点，发挥各自工艺的优势，实现两大开采系统的有机结合，有利于提高矿山企业的经济效益。依据矿山地下和露天开采系统在开拓与采矿工艺上的联系程度不同，露天转地下开采矿山的开拓系统衔接方式，可归纳为露天转地下开采独立开拓系统、局部联合开拓系统以及联合开拓系统三种[1-4]。文献[1]对三种方式的特点、适用性、使用案例及应用前景，进行了较为详尽的描述。

根据目的和用途的不同，按主要开拓工程的类型，露天转地下开采矿山的开拓系统衔接，可分为竖井、斜井、斜坡道、溜井和平硐(平巷)衔接方案五种类型[4-5]。对于这些方案的优缺点及满足条件，很容易从相关的文献资料中找到。

应该指出，露天转地下开采的矿山，在其地下开拓方案选择时，并不一定是单一选用上述五种方案的某一种方式，而是结合深部矿床的赋存特征及开采技术条件、露天坑的开采现状与边坡稳定性状况、露天转地下开采的生产规模规划、地下矿山建设投入的工程量与资金总额、基本建设的周期与投达产期限和投资回收期、矿产资源的利用程度与矿石回收率、企业对劳动生产率的高低和将来生产成本与利润总额的期望、开采方案对安全、环保和土地保护方面要求的满足程度[6-8]，以及地下开采系统与已有露天生产系统的结合程度等因素，综合选取一种或多种方案，共同完成对拟开采资源的开拓方案。

根据主体工程与露天坑的相互位置关系，上述五种方案可分为露天开采境界内开拓方案、境界外开拓方案和混合开拓方案三大类。

1)露天开采境界内开拓方案

该方案是将用于深部资源开拓的各种功能的主体工程，布置于露天坑境界内的适当位置，以实现对深部资源的开拓。该方案的实质，是露天开采的矿石全部或部分利用地下开拓系统出矿，或是地下开拓系统局部利用露天开拓工程，达到露天与地下开采工艺系统的相互利用和完美结合，实现露天与地下共用的一体化开拓系统。方案的优点，在于充分利用了已有露天开拓系统对矿床的开拓深度、露天生产运输系统和设备设施的残余功能，因而能够减少地下开拓的工程量，达到缩短地下矿山建设工期和节省工程投资的目的。但是，考虑到露天矿边坡特别是地下开拓主体工程周围边坡，以及需要长期保留和使用的露天运输台阶的长期稳定问题，地下开拓主体工程的位置选择较为困难，并且增加了露天边坡的维护工作量与维护费用。若矿山的露天边坡稳定性高，境界内开拓方案则具有明显的优势。

在露天坑边坡稳定条件下，当深部资源量不大，或是对挂帮矿及露天矿残留的边坡矿进行回收时，可采用境界内开拓方案。如首钢矿业公司的杏山铁矿，对露天挂帮矿的开采，采用了露天坑内的平硐斜坡道开拓方案。而加拿大波古平公司的某金矿和前苏联的某铁矿，从露天坑底的非工作帮开掘平硐，分别采用平硐斜井和平硐斜坡道开拓方案进行深部资源的开采。

2)露天开采境界外开拓方案

该方案是将地下生产系统的主体开拓工程布置于露天坑开采境界以外，露天与地下开采系统在开拓和开采工艺上没有直接的联系，形成各自使用相互独立的开拓运输系统。该方案的实质，是在不同的空间位置上，对同一矿床采用了两种相对独立的露天与地下开采工艺系统进行开采，矿床的开拓方式与回采工艺之间没有联系或联系甚微。其优点在于地下开采系统的建设与露天坑的生产相对独立，因而地下开采系统建设与生产期间，不会对露天坑的生产产生影响或影响极小。但由于露天与地下开拓系统相互独立，没能充分考虑两种系统的结合与相互利用，因而地下开采系统建设投入的基建工程量大、投资高、基建工期长；同时，露天深部生产的剥离量大、运输和排水的费用高。

国内外的实践经验表明，特殊的矿床赋存条件、矿床深部勘探程度不足、受露天矿开采现状与边坡稳定性的影响，以及露天开采系统设计考虑不周或其他方面的因素，是露天转地下开采矿矿山采用露天境界外开拓方案的主要原因。如我国白银折腰山铜矿，在实施露天转地下开采之初，采用了境界外上盘主、副井开拓方案，为了减少井巷工程和基建资金投入，将入风井(北风井)设于矿体下盘的露天边坡边缘处，回风井设于露天坑内。经过施工后，两条回风井因露天生产干扰严重而移位于露天境界之外，入风井因露天边坡的稳定性影响，也移位于露天坑口封闭圈外约200m处，最终使该矿形成了露天转地下开采的境界外开拓方案布局[6]。而瑞典的基鲁纳瓦拉矿在自1952年开始的露天转地下开采中，先后施工了10条竖井和一条斜坡道进行地下开采，到1974年，地下开采的系统的生产能力达到了2430万t/a。

在一定的地形地质条件和矿床的赋存条件下，这种开拓方案，可以在进行矿床露天开采设计的同时，对深部和侧翼矿体进行地下开采设计，以便于露天与地下开采基建工作同时进行，使矿山顺利转入地下开采。如前苏联的阿巴岗斯基铁矿在露天与地下联合开采中，1957年开始采用露天开采，到1969年开采结束，1960年开始地下开采，地下开采系统的建设，就采用了露天境界外下盘竖井开拓方案。

3)露天开采境界内外混合开拓方案

该方案是地下开拓系统的部分主体工程布置露天坑开采境界内，而另一部分主体工程布置于露天坑开采境界以外的情形。如本溪罕王矿业有限公司，在其露天转地下开采设计中，采用了露天境界外主、风井和境界内辅助斜坡道联合开采其深部资源的开拓方案。金川公司露天转地下开采工程的主斜坡道，探矿措施井均设在露天采坑内[8]。

混合开拓方案的优点，在于不仅充分利用了已有露天开拓系统的开拓深度、露天生产运输系统和设备设施的残余功能，更重要的是能够有效地加快地下开采系统建设的施工速度和降低工程投资。对于露天转地下开采的矿山，在充分研究露天矿边坡稳定性的条件下，结合露天开采现状，尽可能考虑采用境界内外混合开拓方案，以加快地下开采系统的建设速度和降低投资。

2 开拓系统衔接方案的确定原则

2.1 确定原则

一般情况下，露天转地下开采的矿山，根据地下开采生产规模的大小、开拓系统布置的复杂难易程度和各类工程所处的工程地质与水文地质条件等，地下开采系统建设需要花费3～6年的时间，所投入的基建工程量几乎相当于一个新建的同规模地下矿山所需的工程量。因此，地下开采系统的设计与建设，不仅要考虑地下矿山工程设计与建设的一般性特点，还要考虑原有露天开采系统对地下开拓系统设计与建设的不利影响，同时还要兼顾地下开拓系统对原有露天开拓系统的利用程度，以及地下系统建设对原的露天生产设备的利用情况等。

因此，露天矿开拓系统与地下矿山开拓系统的衔接，应着重考虑以下几个方面的原则：

1)地下开采系统工程量最小原则

某种意义上讲，在满足各种工程使用功能的前提下，最大限度地减少地下开采系统的基建工程量，对加快开采系统的建设速度，减少工程的建设资金投入和降低将来的工程维护费用，都具有重要的意义。如在确保工程不受边坡稳定性影响的前提下，尽可能利用露天开拓深度，将风井、斜坡道等工程布置于露天采坑内等。

2)地下开采系统建设工期最短原则

加快地下开采系统的建设速度，对于矿山生产能力的平稳过渡有着重要的作用。露天矿生产后期，随着露天坑的开采深度不断加大，边坡的稳定性问题也越来越大，矿山的生产能力也不断下降。为维持矿山生产的均衡持续发展，矿山开采由露天转为地下的迫切性加剧。因此，提高各类工程的施工速度，和尽可能减少工程建设工期关键线路上的开拓工程量，是对缩短地下开采系统建设工期的关键问题。

3)矿床开采成本最小原则

从某种意义上讲，企业生产经营的宗旨，是以最小的投入，通过物的活化劳动获取最大的利润。矿山企业对于矿产资源的开采，当矿产品和原材料价格不受市场波动影响时，企业利润的大小与开采成本的高低成反比，即开采成本越高，所获得的利润就越低，反之则相反。

就我国铁矿石开采而言，近80%的铁矿石来源于露天开采。随着露天开采深度不断加大，矿山的开采技术条件不断恶化，生产成本越来越高。露天开采末期，由于边坡稳定性问题、运输距离不断增加、排岩量增加、排土场占地面积不断扩大等，导致吨矿开采成本不断增长，企业利润率下降。

影响矿床开采成本高低的因素较多，其中运输成本的高低与矿床开拓系统方案有关。因此，为实现矿床开采的成本最小化，在开拓系统衔接方面，对于矿石的运输，当露天矿的运输成本较高而井下运输提升成本较低时，可以采用溜井衔接方案将露天矿采下的矿石下放到井下，利用地下井巷进行运输提升，可以大大地减少运距，从而达到降低生产成本的目的[5]。为降低矿石的提升运输成本，主竖井位置的选择，宜优先考虑选矿厂的位置，使其距破碎站原矿仓的距离最近，并采用皮带运输方式，以减少地表矿石二次运输的距离和运输费用。

4)露天矿生产系统及设备利用程度最高原则

露天转地下开采的矿山，充分利用矿山已有的运输设备及其配套设施，最大限度的发挥露天生产设备设施的潜能，提高其利用率，在不同的时期起到不同的作用。在地下系统建设期间，有利于加快工程的建设速度和减少基建投资；在生产过渡期，对生产的调节具有积极的作用，而在地下开采系统投产后，则有利于降低生产成本和提高劳动生产率。

作为露采转地采的主要开拓工程——井筒位置的选择，既要考虑已有选矿厂的位置，以缩短地面运输距离；也要考虑充分利用露采已经形成的采矿工业场地，可降低工程建设投资；还要考虑露天已形成采坑，将井筒布置在采坑内可缩短井筒长度，将井下废石堆存于露采坑内，可减少建设用地。如甘肃某镍矿露采转地采时，将主斜坡道布置在露天坑内，大大缩短了斜坡道长度；山东某铁矿、安徽某铜矿露采转坑采时，将副井布置在露天坑附近，井下掘进的废石提出地表后，直接排往露天坑内；江西某铜矿露采转地采设计时，将主、副井布置在露采已有工业场地附近，采场办公楼、材料堆场、道路等各种设施均可利用。

在露天矿生产设备的利用方面，江西某铜矿在其露天转地下开采的运输方式及其设备选择时，利用露天矿开采时期的大型卡车转载运输，节省建设投资达千万元以上。而贵州某金矿利用斜坡道开拓，坑内汽车运输方案，将原矿直接运往选矿厂原有的粗碎站破碎，避免了井下粗碎站的重复建设，也大大节省了工程的建设投资[9-10]。