大型铁矿山露天转地下开采过渡方案优化

卢宏建 南世卿 甘德清 陈 超 张亚宾 高 锋

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术实验室，河北 唐山063009；3.河北钢铁集团矿业有限公司，河北 唐山 063007)

·采矿工程·

大型铁矿山露天转地下开采过渡方案优化

卢宏建1,2南世卿3甘德清1,2陈 超1,2张亚宾1,2高 锋1

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术实验室，河北 唐山063009；3.河北钢铁集团矿业有限公司，河北 唐山 063007)

合理确定大型铁矿山露天转地下开采过渡方案是露天转地下开采矿山关键技术问题之一。以庙沟铁矿为研究对象，首先在系统分析露天开采终了阶段，境界外矿体空间赋存状态的基础上，对不同区域的矿体开采进行方案设计，确定其基建时间节点与逐年产能；然后依据矿山开采现状与计划，结合挂帮矿体开采及覆盖层形成方案，分析矿山露天转地下开采过渡期阶段的时空相关性，提出了4种可行过渡方案；最后以露天转地下平稳过渡为目标，结合现有规范、标准，提出方案优化的评价指标为投资、资源利用可靠系数、产能平稳系数和开采安全系数。采用模糊综合评价理论对可行方案进行优化，确定了庙沟铁矿露天转地下开采过渡方案为：北端帮挂帮矿体采用崩落法、西边帮挂帮矿体采用平硐溜井联合开拓和回填形成覆盖层的过渡方案。

铁矿山 露天转地下 过渡方案 优化 评价指标

露天开采是金属矿床开采的重要手段，特别是我国80%的铁矿石产量来自于露天开采[1]，经过多年的开采，许多大中型露天矿[2-4]陆续转入地下开采。在露天转地下开采过渡过程中，如何合理确定过渡方案，是做到矿山不减产，顺利地由露天转入地下开采的首要工作。露天转地下矿山，在过渡期表现为露天开采减产和地下开采增产，2种开采方式在时间和空间上存在相关性[5]，不同矿山的相关性不同，导致过渡方案也不同。对于大型铁矿山，其过渡期的时空关系复杂，可行方案较多，需要对其进行合理优化。

目前对露天转地下过渡方案研究的成功案例较多，但局限于中小型矿山。李楠[6]提出了露天转地下分区高效开采技术，实现了小汪沟铁矿露天转地下产能的大幅度提高；毛凤海[7]提出了铁蛋山中型铁矿山过渡方案；南世卿[8]提出了适合黑山铁矿条件的露天转地下高效开采技术方案；甘德清[9]结合建龙铁矿实际情况与稳产过渡目标，通过多方案对比，确定了合理的衔接方案。

露天转地下方案优化研究主要集中在转入地下后的方案优化。王新民[10-11]提出了基于APH-TOPSIS的露天转地下采矿方案优选方法，建立露天转地下开采模式综合评判模型；卢宏建[12]运用模糊评价理论对石人沟铁矿露天转入地下后的合理生产能力进行了确定。过渡期的评价指标要以平稳过渡为目标，转入地下后的优化成果不能直接借鉴。

鉴于此，以庙沟铁矿为研究背景，在系统分析露天转地下过渡期开采时空关系的基础上，提出了多种可行过渡方案。以露天转地下平稳过渡为目标，结合现有规范、标准，确定了过渡期方案优化的评价指标，采用模糊综合评价理论对可行方案进行计算，同时考虑矿山实际情况，给出了露天转地下开采合理过渡方案。

1 露天转地下开采工程概况

庙沟铁矿始建于1986年，生产规模22万t/a，1989年建成投产；1993年进行了扩建改造，生产规模扩大为122万t/a，1994年建成投产；2008—2009年进行了选厂技术改造工程，磨选能力220万t/a；2010年生产铁精粉75万t；2010年进行了露天扩帮设计，开采最低标高372 m。生产规模245万t/a。2011—2013年矿山实际年生产能力260万t左右。矿山截止2013年末，露天开采至444 m水平，露天采场内保有矿石量为910万t。根据露天开采进度计划，2017年底露天开采结束。

露天采场封闭圈标高528 m，底部标高372 m，露天开采终了边帮下积压了一定量挂帮矿体，其中北端帮挂帮矿体分布于1～13线，矿体平均厚度30 m左右，顶部平台标高516 m，底部标高372 m。矿体倾角75°～87°，保有矿石量为457.5万t；西边挂帮矿体分布于1～8线西侧，走向长约600 m，矿体倾角87°，赋存高度468～372 m，三维形态近似于直角三角形，底部最宽90 m，保有矿石量为253.85万t；东边帮与南端帮挂帮矿体为零星小矿体，东边帮挂帮矿量为37万t，位于2线～8线；南端帮挂帮矿为31.6万t，位于8线～10线，如图1所示。

2011年进行了露天转地下开采设计，地下采矿开拓工程采用竖井方案，布置1条主井、1条副井、1条辅助斜坡道和2条回风竖井。采用无底柱分段崩落法开采，矿块结构参数20 m×18 m(分段高度×进路间距)，首采分段水平为360 m，最低开采分段水平为0 m，生产规模300万t/a。2012年地下基建工程开始，2018年投产，2019年达产。

图1 露天开采终了挂帮矿体分布

基于开采现状，矿山2015—2017年为减产期，要达到矿山露天转地下不减产的过渡目标，合理利用露天开采终了边帮挂帮矿体是一个很好的突破口。因此，分析矿山露天后期、挂帮矿体、地下矿体开采的时空关系，确定合理的过渡方案是矿山亟待解决的问题。

2 挂帮矿体开采与地下覆盖层形成方案

2.1 北端帮挂帮矿开采方案

北端7～13线矿体因厚度较小，露天开采经济不合理，前期未进行开采。可应用采矿方法有空场法、崩落法与充填法。过渡期采矿方法应满足安全与投产时间短的原则，充填法由于需要增加充填站设施建设，其投产时间比空场法与崩落法长很多，故可选择的采矿方法有崩落法和空场法。

该区域矿段距离地表较近，为了缩短基建进度，尽快投产，结合矿山现状确定采用斜坡道开拓系统。斜坡道硐口布置在504 m标高，向下布置斜坡道到360 m标高，斜坡道最大坡度12%，每个分段设1个缓坡段，平均坡度10%。各分段均在露天边坡上与露天采场贯通，作为安全出口并作为回风出口与排水出口。各分段新鲜风流均从小斜坡道进入，从贯通于露天采场的回风出口排出。由于通风距离较小，通风阻力不大，在每个分段的回风平巷各安装1台大功率的副扇，采用无风墙通风，360 m分段利用西回风井进行回风。

为保证露天开采与北端帮挂帮矿体开采不相互影响，两者间留设隔离矿柱，矿柱北部在492 m平台以北50 m处，南部为露天北端边帮，深部留设到372 m水平，地下采场一侧按70°留设，隔离矿柱矿量为221.3万t。

(1)崩落法开采。采场结构参数与地下采矿方法参数相同。露天扩帮时将516 m平台向北推至11线，516 m标高以上矿体全部采完。516～504 m矿体爆破松动作为地下开采的矿石垫层，同时将露天剥离废石堆至540 m标高，作为地下开采的覆盖层。露天开采和北端帮挂帮矿体崩落法开采结束后，回收隔离矿柱，按50%回收率计算，回收矿石量110.65万t。此方案基建与采掘投资9 241万元，基建工期为24.5个月，逐年采出矿石量如表1所示。

表1 过渡期内北端帮挂帮矿逐年生产能力

Table 1 Annual production capacity of northern hanging wall ore body during transition period 104t

生产年份崩落法开采产能空场法开采产能第1年8.009.18第2年77.1045.90第3年86.6395.90第4年50.0452.20第5年110.60120.70

(2)空场法开采。矿体厚度小于6 m时采用浅孔留矿法开采，大于6 m时采用阶段矿房法。浅孔留矿法采出的矿石量为20万t，作为机动矿量使用；阶段矿房法采出矿石量203.2万t，用于平衡过渡期产能。空场法回采结束后，北端矿存留矿柱矿量241.4万t，露天开采结束后按50%回收率计算，回收120.70万t。此方案开采基建与采掘投资8 326万元，基建工期为13.7个月，逐年采出矿石量如表1所示。

2.2 西边帮挂帮矿开采方案

回采设计2种方案：一是采用中深孔与硐室爆破形成矿石覆盖层在下部放矿过程中进行回收；二是采用平硐溜井联合开拓方案回采，露天结束前，随着开采水平下降，西边帮矿体揭露后，进行回采工作，矿体从斜坡道出矿，露天结束后，在覆盖层达到要求厚度区域崩落矿柱，从地下系统出矿。采矿方法为低段高平底结构分段矿房法，预留护坡矿柱、无底柱、进路刷帮后退式回采、装载机出矿的中深孔落矿的分段采矿法。

编制平硐溜井联合开拓方案基建工程进度计划，确定基建工期为22个月，基建与采掘投资2 629万元。自基建开始第1年掘进副产矿石量3.9万t；第2年掘进副产矿石7.5万t，矿房出矿3.3万t；第3年出矿49.2万t。

2.3 东边帮、南端帮挂帮矿开采方案

东边帮和南端帮挂帮矿体较分散，规模小，矿体厚度在20 m以下，同时向帮内延伸不超过25 m采用露天台阶方法开采，采出的矿石作为机动矿量使用。

2.4 地下覆盖层形成方案

地下采用无底柱分段崩落法需要形成覆盖层，依据规范，结合矿山实际情况，可行覆盖层形成方案有2种，覆盖层厚度不少于40 m。

(1)西边帮挂帮矿体爆破与东侧回填补充组合方案。从南到北分4～5次采用中深孔与硐室爆破组合崩落西边帮挂帮矿体，每次爆破露天边帮长度约200 m。首次爆破在露天开采结束后立即进行，东侧不足40 m区域进行回填补充。工期为9个月，投资6 449万元，开始时间节点为2017年1月。

(2)回填形成覆盖层方案。自南向北进行回填工作，投资2 564万元，回填工期为296 d，开始时间节点为2017年底，不同区域回填时间如表2所示。

表2 不同区域回填时间安排

3 露天转地下开采时空关系分析与过渡方案

3.1 时空关系分析

矿山露天转地下开采过渡阶段，存在露天生产、挂帮矿体的基建与回采、覆盖层形成、地下工程基建与首采区的回采等工作，各工作区域的在空间和时间上的衔接相关性较强。故依据矿山开采现状与计划，结合挂帮矿体开采方案及覆盖层形成方案，构建了矿山露天转地下开采过渡期阶段的时空关系图(见图2)。

图2 露天转地下开采过渡期时空关系

①—过渡期北端帮挂帮矿体开采区域；②—露天开采与北端帮挂帮矿体开采隔离矿柱；③—过渡期露天开采区域；④—西边帮挂帮矿体；⑤—深部矿体首采360 m分段；⑥—深部矿体开采340 m分段；⑦—覆盖层；⑧—隔离矿柱回采时覆盖层

依据矿体赋存条件，结合矿山露天与地下开采计划，将过渡期阶段矿体开采区域分为北端帮挂帮矿体、露天、隔离矿柱、西边帮矿体、地下5部分，如图2(a)所示。北端帮挂帮矿体最上水平516 m，按开采计划揭露最早，可作为过渡期弥补产能的首采区域，可与露天开采同时进行。随着露天开采水平下降，西边帮矿体揭露后，可进行此区域的开采基建与回采工作。当露天开采至最底水平372 m时，自南向北实施覆盖层形成工作，同时进行隔离矿柱的回收与地下首采分层的采切工作，如图2(b)所示。覆盖层形成后地下开采工作全面展开，达到设计生产能力，实现矿山平稳过渡。

3.2 过渡方案确定

在对露天转地下过渡区域开采设计、产能与时空节点分析的基础上，结合矿山开采现状，提出了4种可行过渡方案。方案一，北端帮挂帮矿体采用空场法、西边帮挂帮矿体采用中深孔与硐室爆破组合崩落挂帮矿形成覆盖层，同时采用回填方法对东侧覆盖层补充至设计厚度。方案二，北端帮挂帮矿体采用崩落法、西边帮挂帮矿体采用中深孔与硐室爆破组合崩落挂帮矿形成覆盖层，同时采用回填方法对东侧覆盖层补充至设计厚度。方案三，北端帮挂帮矿体采用空场法、西边帮挂帮矿体采用平硐溜井联合开拓方案、覆盖层采用回填方案。方案四，北端帮挂帮矿体采用崩落法、西边帮挂帮矿体采用平硐溜井联合开拓方案、覆盖层采用回填方案。

可行方案的露天后期产能相同，如露天转地下开采工程概况所述；各方案的北端矿挂帮矿体开采的时间为2014—2018年，崩落法与空场法开采的逐年产能变化如表1所示。方案一与方案二中西边帮挂帮矿体采用中深孔与硐室组合崩落挂帮矿形成覆盖层后，进行360 m水平进路掘进工程与东侧覆盖层补充工作，2018年可进行采切工程到0线，回采矿石到2线，可采出矿石50万t，360 m水平采切进度安排与矿量分布情况如表3所示。方案三与方案四中采用平硐溜井联合开拓回采西帮挂帮矿的时间为2016—2018年，逐年产能变化如西边帮挂帮矿开采方案所述，2017年底露天结束后进行覆盖层回填工作，同时进行采切与回采工作，2018年底可回采矿石到2线，可采出矿石153.3万t，360 m水平采切进度安排与矿量分布情况如表4所示。

表3 方案一与方案二中360 m水平采切进度安排与矿量分布

表4 方案三与方案四中360 m水平采切进度安排与矿量分布

根据地下系统基建与采掘进度安排，2012年地下基建工程开始，2018年投产，2019年达产；2016—2018年每年掘进副产矿石量10万t；2019年，掘进副产矿石量30万t，回采矿石量270万t。

综上所述，庙沟铁矿4种露天转地下开采过渡方案的产能变化情况如表5所示。

表5 各方案露天采场与地下采场逐年采出矿量

Table 5 Annual production of open-pit and underground stope in each scheme 104t

年份露天产能方案一方案二方案三方案四挂帮矿体产能方案一方案二方案三方案四地下产能方案一方案二方案三方案四合计产能方案一方案二方案三方案四20142602602602609.28.09.28.00000269268269268201522022022022045.977.145.977.10000266297266297201621521521521595.986.699.890.510101010320312325315201721521521521552.250.062.960.71010101027727528828820180000120.7111.01701606060163163181171332323201900000.00.00.00.0300300300300300300300300

4 过渡方案优化评价指标

过渡期的评价指标以平稳过渡为目标，同时也需考虑经济、地质资源、开采技术等因素，结合现有规范、标准，提出过渡方案优化的评价指标为投资、资源利用可靠系数、产能平稳系数、开采安全系数4个因素。

(1) 投资。各方案的地下投资是相同的，设备和人员可算入地下的投资，仅是提前使用。因此各方案的投资仅考虑基建与采掘投资。

(2) 资源利用可靠系数。地质资源的可利用量直接影响产能，若过渡期可利用的资源量过少，会造成矿山减产，反之，会造成资源积压，因此过渡期可利用的资源储量是一个重要评价指标。资源利用可靠系数M是由每年可利用的资源储量(过渡方案中每年采出矿量)与计划产能的比值

M=S/Dj，

(1)

式中，S为可利用的资源储量；Dj为计划的生产规模。

(3) 产能平稳系数。矿山的产能直接影响到选厂以及公司的计划，因此，过渡期时的平稳系数均是衡量一个矿山是否平稳过渡的重要评价指标。平稳指数N代表了过渡期间矿山产能波动大小

N=(Dg-Dl)/ (Dd-Dl)，

(2)

式中，Dg为过渡期产能，Dl为露天产能，Dd为地下产能。

(4) 开采安全系数。安全是保障生产的前提，根据不同采矿方法的安全性引起力学效应对不同区域的开采方案进行安全系数确定，空场法大于崩落法，回填覆盖层大于中深孔与硐室爆破组合崩落挂帮矿形成覆盖层的方法。空场法开采方案安全系数为1.5，崩落法为1.0。中深孔与硐室爆破组合崩落挂帮矿形成覆盖层，然后采用回填方法对东侧覆盖层补充至设计厚度的方案安全系数为1.2，回填方案安全系数1.5。

根据矿山过渡期可行方案产能分析知过渡期为2014—2018年，依据矿山生产计划指标，确定过渡期计划产能与当前露天产能相同为280万t，地下产能为300万t。各方案的资源利用可靠系数为过渡期内资源利用可靠系数的平均值。各方案的的平稳指数为过渡期内平稳指数的平均值。各方案的开采安全系数是聘请相关专家，依据不同区域开采方法与覆盖层形成方式的安全系数，对其组合给出权重并打分计算后确定。根据各评价指标计算方法对过渡期4个方案的因素指标进行计算，数据汇总如表6所示。

表6 各方案评价指标数据汇总

5 基于模糊评价理论的方案优化

5.1 模糊关系矩阵建立

依据模糊综合评价理论[13]确定评价对象为4种可行过渡方案X={x1，x2，x3，x4}={方案一，方案二，方案三，方案四}。评价指标(因素集)U={u1，u2，u3，u4}={投资，资源利用可靠系数，产能平稳系数，开采安全系数}。

5.2 模糊关系矩阵建立

(1) 评价等级建立。根据确定的因素集，构建评价等级集V={好，中，差}，对其进行赋值V= {v1(好)，v2(中)，v3(差)}= {1，2，3}，则可建立评价结果与单值化阈值的关系，如表7所示。

表7 评价等级

(2)各因素模糊关系。应用折线型隶属函数对总投资、资源利用可靠系数、产能平稳系数、开采安全系数4个因素分别进行了计算，得出各方案的模糊关系，各元素数据如表8所示。

表8 单因素模糊向量汇总

5.3 权重的确定

利用层次分析法确定评价的权重。邀请矿山有关权威专家对所选评价指标进行重要性分级，总结专家的分级结果和意见，经过分析、比较，形成判断矩阵并进行一致性检验后得到4个因素的权重系数为

A=(0.251，0.305，0.16，0.284).

5.4 模糊综合评判的结果向量

将单因素模糊向量组成的矩阵R和通过层次分析法确定的权重A，代入公式B=AR，得出各方案的模糊综合评价结果向量，B1= (0.113 6,0.408 6,0.507 3)；B2= (0,0.015 3,0.984 8)；B3=(0.931 8,0.068 2,0)；B4=(0.533 0,0.353 4,0.113 6)。

5.5 单值化模糊向量

将得出的各方案的模糊综合评价向量利用加权平均的方法进行单值化计算，公式为

(3)

式中，Cn为单值化结果；bj为B中的第j个元素；j为B中元素序号。

各方案综合评价向量进行单值化运算结果为C1=2.559 1，C2=2.999 7，C3=1.005 3，C4=1.357 2。

5.6 优化结果分析

分析单值化结果知：C3与C4接近1，属于v1(好)级别；C1与C2接近2，属于v2(中)级别，不做考虑对象。基于优化结果，结合矿山实际情况，方案四北端帮挂帮矿体采用崩落法与地下崩落法开采工艺参数基本相同，可以提前培训深部矿体开采队伍，矿山过渡期开采方案最终确定C4为最优方案，即：北端挂帮矿采用崩落法、西帮挂帮矿采用平硐溜井联合开拓和回填形成覆盖层的过渡方案。

6 结 论

(1)基于矿山开采终了时期境界外矿体空间赋存状态及开采技术条件，给出了不同区域矿体的可行开采方案、采矿方法、基建时间与逐年产能。

(2)依据矿山开采现状与计划，结合挂帮矿体开采及覆盖层形成方案，分析了矿山露天转地下开采过渡期阶段的时空关系，提出了4种可行过渡方案。

(3)以露天转地下平稳过渡为目标，结合现有规范、标准，提出了过渡期方案优化的评价指标为投资、资源利用可靠系数、产能平稳系数、开采安全系数等4个影响因素。

(4)基于模糊综合评价理论对提出的多方案进行了评价计算，确定北端挂帮矿体采用崩落法、西帮挂帮矿体采用平硐溜井联合开拓和回填形成覆盖层的过渡方案为最优方案。

(5)研究结果能为庙沟铁矿露天转地下开采过渡方案的选择提供可靠的技术支撑，研究思路与优化方法对类似矿山有很好的借鉴意义。

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(责任编辑 徐志宏)

Optimization of Transitional Scheme from Open-pit to Underground Mining for Large-scale Iron Mine

Lu Hongjian1,2Nan Shiqin3Gan Deqing1,2Chen Chao1,2Zhang Yabin1,2Gao Feng1

(1.College of Mining Engineering，Hebei United University，Tangshan，063009，China；2.Mining Development and Safety Technology Key Lab of Hebei Province，Tangshan 063009，China；3.Hebei Iron and Steel Group Mining Co.，Ltd，Tangshan 063007，China)

It is one of the key technical problems for mines that transit from open-pit to underground mining to confirm transitional scheme from open-pit to underground mining rationally.Taking Miaogou iron mine as the research object，based on the systematically analysis of the stage of the end of open-pit mining and the occurrence of ore body which is outside the boundary，the infrastructure time and annual production capacity are firstly determined after designing the mining scheme of different districts.Then，on the basis of the exploitation status quo and plan，combing with the formation plan of covering layer and mining schemes of hanging wall ore body，four transition schemes were put forward by analyzing the time-space relationship of transitional period.Finally，in order to achieve a smooth transition，such indexes as investment，resource utilization coefficient，smooth capacity coefficient and mining safety coefficient are regarded as the evaluation index of scheme optimization combined with existing norms and standards.Fuzzy comprehensive evaluation theory is used to optimize the feasible schemes，and the transitional scheme determined finally is that the northern hanging wall ore body will be mined by caving method，and the western hanging wall ore body will be recovered by combination of footrill and chute，and then backfill to form the covering layer.

Iron mine，Transition from open pit to underground，Transitional scheme，Optimization，Evaluation index

2014-09-07

河北省自然科学基金项目(编号：E2013209328)，河北省高等学校科学技术研究项目(编号：ZD2014037)。

卢宏建(1980—)，男，博士，副教授。

TD803/804

A

1001-1250(2014)-11-001-06