露天转地下开采的平稳过渡方案与技术措施

2012-01-09路增祥孟凡明蔡美峰

中国矿业 2012年11期

路增祥，孟凡明，蔡美峰

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100812；2.抚顺罕王傲牛矿业股份有限公司，辽宁抚顺 113001)

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，目前我国许多矿山都相继进入或即将进入由露天开采转入地下开采的状态。露天转地下开采矿山存在着露天开采临近结束和地下开采逐步开始的交替时期，在此时期内，露天与地下两种开采方式存在着时间和空间上的相关性，表现出露天开采量不断减少而地下开采量逐渐增加的特征。

在露天转地下开采过程中，由于矿体的赋存状态和矿床的开采技术条件的差异，以及露天与地下开采的设计方案和工程建设具体条件的不同，许多矿山采取了不尽相同的过渡方案。为确保露天开采平稳过渡到地下开采，实现露天转地下开采期间矿山生产能力的平稳过渡，李斯基[1]根据国内外有关露天转地下开采矿山的实际资料，探讨了实现露天开采不停产向地下开采过渡的相关问题。王运敏等人[2]通过对露天转地下开采平稳过渡关键技术的研究，力求解决露天与地下联合开采带来的特殊技术问题，实现矿山生产的平稳过渡。甘德清等人[3]结合宽城建龙铁矿的开采现状和对稳产过渡的要求，通过对多种过渡期联合开采方案的技术经济分析比较，提出了该矿保证过渡期时间和产量的合理衔接的露天转地下开采的稳产过渡方案。还有人[4-9]结合露天转地下开采矿山生产的实际情况和特殊性，从不同角度研究了过渡期的平稳过渡方案与措施。平稳过渡方案的研究是确保露天转地下开采过渡期产量衔接的关键技术内容之一，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，以本溪罕王矿业有限公司孟家铁矿露天转地下开采工程为例，对露天转地下开采平稳过渡的关键技术进行了研究，以期对我国即将实施露天转地下开采的矿山有所指导。

1 露天转地下开采的过渡方案

在一定的开采技术经济条件下，当露天开采深度超过其极限开采深度时，矿床的开采就必须实现从露天开采向地下开采转变。为确保露天开采平稳过渡到地下开采，在露天转地下开采过程中，根据矿体的赋存状态、矿床开采技术条件和露天与地下开采设计方案的不同，许多矿山采取统筹考虑矿山露天开采和地下开采工程建设的具体条件，采取了不尽相同的过渡方案。如：铜关山铜矿露天转地下开采中，采用有底柱分段崩落法，在地下开采的同时，三角矿柱由露天不扩帮下采，深孔一次爆破，矿石由地下运出的过渡期过渡方案；凤凰山铁矿采用了留境界矿柱消除露天开采与地下开采相互干扰的过渡方案；冶山铁矿、折腰山铜矿和石人沟铁矿则采取了平面分区，露天分区段结束，坑内分区段投产过渡方案；而永平铜矿[10]采取了先期从南坑开始，然后向北坑过渡，最后回收边帮残留矿体的分区分期交替过渡方案。代碧波等人[11]在综合分析了峨口铁矿矿山资源、露天生产现状、露天采剥进度计划以及地下开采分区的基础上，提出了地下产能配合露天产能生产衔接和露天产能配合地下产能生产衔接两大过渡方案等。

从矿山采矿生产是否停产角度，露天转地下开采的过渡方案可分为停产过渡和不停产过渡两种过渡方案，考虑到不停产过渡方案的优点[1]，更多的矿山在露天转地下开采中采用了不停产过渡方案。

从时间和空间的相关性方面，露天转地下开采的过渡方案可以以下几类：

1)留境界矿柱过渡方案。此方案是在露天与地下开采之间留设境界矿柱，该境界矿柱即露天开采与地下开采隔离层，同时也是地下开采的安全顶柱。该方案的优点在于有利于消除露天开采与地下开采的相互干扰，实现露天与地下同时施工作业；能够实现露天转地下开采过渡期矿山生产规模的最大化；能有效地防止露天积水大量涌入地下，使地下建设与开采更加安全。能够消除地下通风系统的漏风问题，使通风效率大为提高。其缺点是若境界矿柱永久保留则造成大量矿石损失；若回收境界矿柱，则在安全与技术方面存在较大的难度。凤凰山铁矿和石人沟铁矿南区的露天转地下开采，均采取了留境界矿柱的过渡方案。除崩落法以外的全部地下采矿方法均适用于此方案。

2)境界内全面过渡方案。此方案是露天开采境界范围露天坑的底板标高已全部达到露天极限开采深度，在露天开采境界范围内全面展开转入地下开采工程的方案。该方案实施时，矿山的露天开采已全部结束，地下开采根据采准工程的准备情况和井下生产规划与总体布局方案，可全面展开也可局部展开地下开采。该方案的优点在于露天开采与地下开采相互之间几乎没有影响。其缺点表现在若生产组织稍有不慎，则有可能会导致矿山生产接续出现困难。全部地下采矿方法均适用于此方案。

3)境界内分区过渡方案。此方案是根据露天开采在平面范围内的不同降深和地下开采工程的进展，沿露天坑长度方向进行平面分区，实施露天分区段结束、坑内分区段投产过渡的方式。该方案的优点在于地下开采系统的分区段提前投产，有利于抵消露天采矿能力下降给矿山生产规模带来的不利影响；露天生产的分区段结束，使生产区段的剥离可以实现废石的内排，有利于降低过渡期的矿山生产成本。其缺点是地下开采与露天开采会产生相互影响。全部地下采矿方法均适用于此方案。

2 孟家铁矿露天转地下开采过渡方案

2.1 矿山露天开采现状及地下开采工程概况

孟家铁矿于2003年建成投产。孟家铁矿矿区地处辽东山区，矿区地势平缓，铁矿体倾角为62°～87°，矿体厚度6.0～43.2m，矿体赋存标高+200～-300m 之间。根据孟家铁矿床矿体的赋存特征及开采技术条件，该首期采用了露天开采方式进行回采。经过近十年的开采，该矿已由山坡开采转入凹陷开采，露天坑封闭圈标高为+155m，坑底最低标高为+70m。到2009年1月止，露天开采境界范围内保有的可采储量约2856.6kt，按1200kt/a的采矿生产能力，露天开采的剩余服务年限仅有2.38年。

露天坑开采结束时，露天坑坑底标高为+70m，坑底长度约500m，坑底宽为22～36m，最终边坡角上盘为52.6°，下盘为48.8°。

2009年5月孟家铁矿委托设计院展开了露天转地下开采工程的设计工作，2010年5月工程正式开始施工。地下开采工程采用了露天境界外竖井+境界内斜坡道开拓方案。主竖井为混合井，位于矿床北翼42号勘探线附近矿体下盘岩石移动范围外。回风井位于矿床南翼37号勘探线附近岩石移动范围外。为加快地下开拓工程施工速度，在37号勘探线附近岩石移动范围外、露天坑矿体下盘运输道旁设辅助斜坡道，斜坡道开口标高+142m标高。坑内破碎系统设在-150m水平，装矿系统设在-180m水平。共设+10m、-50m和-110m三个中段，中段高度60m，分段高度为15m，首采分段为+55m分段。地下采矿方法为无底柱分段崩落法，覆岩厚度为40m。孟家铁矿露天转地下开采地下开拓系统如图1所示。

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图1 孟家铁矿露天转地下开采地下开拓系统纵投影

2.2 过渡方案的确定

地下开拓工程施工之初，孟家铁矿露天采场南部已回采到+70m标高，北部回采至+58标高。根据孟家铁矿的露天开采现状和稳产过渡要求，结合地下开采工程的建设进展，该矿露天转地下开采的过渡方案宜采用境界内分区过渡的不停产过渡方案。其主要思路是：

1)矿床地下开拓方案原设计为北翼混合井+南翼回风井开拓方案，地下开拓系统的顺序施工很难保证矿山生产的平稳过渡。因此，通过设计优化，增加了露天境界内辅助斜坡道工程，以加快地下采矿工程的施工速度，提前形成采矿能力。

2)对露天开采境界内的剩余资源进行开采，使露天坑底全部达到+70m标高。

3)按先南后北的次序，对露天坑两端的边角矿进行扩帮开采。扩帮开采中产生的废石在露天坑内进行内排，以逐步形成覆盖层，废石不足时从排土场运取。露天坑南部先期形成覆盖层，然后是北部。

4)地下采矿首先在39号勘探线以南完成采准与切割工程，并在覆盖层形成后开始进行采矿方法试验，形成采矿能力。

5)在对露天坑两端的边角矿进行扩帮开采期间，由于露天开采能力下降，可通过沿矿体走向施工大断面切割巷道的方式，解决选矿生产矿量不足的问题。

6)在露天开采结束后、混合井形成提升能力以前，由辅助斜坡道承担地下开采的矿石运输任务，以满足选矿生产的需要。

2.3 组织与技术措施

为确保孟家铁矿露天转地下开采的平稳过渡，在露天生产和地下工程设计与建设方面采取了如下技术措施。

2.3.1 露天开采方面

为延长露天开采的服务年限，生产计划中统筹考虑露天境界内和露天坑两侧端帮的扩帮开采，按照先露天境界内开采至+70m标高，然后进行露天坑南翼端帮、最后北翼端帮扩采的顺序进行端帮扩帮开采。

2.3.2 地下工程设计方面

孟家铁矿地下开拓工程原设计为南、北翼竖井开拓方案。考虑到地下工程建设的工期较长，而该矿露天开采的剩余服务年限仅有2.38年，面临生产接续的困难。为加快地下开采工程的建设速度，通过设计优化，采取了增加露天境界内辅助斜坡道工程的设计方案。主要内容是：

充分利用露天的开拓深度，在露天坑下盘运输道旁侧+142m标高处设计露天境界内辅助斜坡道工程，作为露天开采结束后、混合井尚未形成提升能力时地下采出矿石的主要运输通道。同时，在41号勘探线附近、露天坑下盘+90m标高处施工一条长约180m的措施斜坡道至+55分段水平，为加快地下开拓、采准与切割工程的施工速度和尽早形成地下出矿能力创造条件。

2.3.3 地下工程建设方面

1)对地下工程进行全面综合分析，确定工程的关键线路，并将工程按关键线路拆分为2～3个工程标段，对工程施工单位的确定进行招投标。

孟家铁矿地下开采工程按此原则共划分为三个标段：主竖井标段，主要包括竖井井筒、井下溜破系统、装矿系统、粉矿回收系统和排水系统等；风井标段，主要包括风井井筒、+10m水平和-110m水平中段巷道和采区溜井系统等；辅助斜坡道标段，主要包括斜坡道、+55m分段巷道、+40m分段巷道以及两分段的分段巷道、回采巷道和切割工程等。

通过工程招投标，选择施工能力强、施工速度快和施工质量好的地下工程施工单位承担工程施工。根据工程招投标情况，孟家铁矿地下开采工程共选择了两个施工单位，其中一个施工单位承担主竖井标段和辅助斜坡道标段的施工任务，另一施工单位承担风井标段的施工任务。

2)编制工程施工进度控制网络图和施工组织设计，严格按网络图节点控制工程施工进度。

3)对影响生产接续较大的辅助斜坡道工程组织快速施工，确保在露天开采结束前完成地下采矿方法试验。

孟家铁矿基建期辅助斜坡道施工采取了多机台凿岩、铲运机装载、汽车运输排岩的施工方案，该工程自2010年4月下旬开工，到2010年11月下旬施工结束，平均月进尺超过了180m，其中2010年8月，辅助斜坡道施工速度达到月进尺226.5m，创当年全国斜坡道掘进的最高纪录。

4)尽可能采用平行作业方式展开工程施工。如辅助斜坡道和措施斜坡道工程施工至各分段水平时，在斜坡道的同时，展开各分段巷道的施工等。