露天地下联合开采空区残留矿石

张海磊 孙 嘉 王成财 高庆伟 刘 涛 郝显福

(西北矿冶研究院，甘肃 白银 730900)

露天地下联合开采空区残留矿石

张海磊 孙 嘉 王成财 高庆伟 刘 涛 郝显福

(西北矿冶研究院，甘肃 白银 730900)

我国西部某铁矿受前期掠夺式开采，形成了大量采空区，积压了大量矿石，存在严重的安全隐患。对老空区进行了人工探测，掌握了该矿空区形态、大小、分布及资源量。根据空间分布及采矿技术参数，将该矿老空区分为3类。为充分利用空区残矿资源，结合相关研究，提出露天地下联合开采空区残留矿石方案。根据此方案，954 m中段以上残留矿柱和顶板采取露天开采；924 m中段以下矿体以及露天坑内具有开采条件的边坡挂帮矿体，利用原矿床开采形成的开拓系统采用地下开采方式进行回收；954 m中段至924 m中段矿体，上部20 m由露天坑底自上往下凿岩，下部10 m由924 m中段自下往上凿岩，爆破留下的矿石做下部中段回采的覆盖岩石，在以后逐步回收。该方案既充分回收了采空区残矿资源，又消除了采空区大面积冒落的隐患，具有极高的经济效益和社会效益。

露天地下联合开采 残留矿石 采空区 空场法 崩落法

我国西部某铁矿是在上世纪80年代发现的一个铁矿床。采矿深度从+1 035 m到+800 m。目前开拓到+800 m阶段，最大深度达300 m[1-5]。

矿区位于中天山地背斜隆起带东端。主要出露元古界卡瓦布拉克组及星星峡组区域变质岩石。区内广泛发育华力西期侵入岩体。

区内地势平坦，山势浑圆，属低山丘陵地形。标高一般在1 010 m左右，相对高差<40 m。本区属内陆干旱气候区，多风而少雨，昼夜温差较大。极度干旱的气候导致了强烈的蒸发作用，致使蒸发量远大于降雨量。区内无地表水体及地表水流，仅极少次的暴雨可产生短暂性地表散流，但很快便消失。由于地下水补给来源贫乏，因此地下水不丰富，加之地下径流条件极差，往往形成高浓度矿化碱性地下水。

该矿自发现以来，遭受掠夺式开采，不合理的采矿方法，不合理的支护手段与空区处理方法，采富弃贫、采厚弃薄，一个完好规整的矿床遭到空前破坏。+974 m标高以上矿体遭到滥采，大量采空区长期以来一直未作处理。根据初步勘探结果，采空区内残留有相当数量高品位铁矿石，其储量规模相当于一座小型铁矿床。

本研究结合相关技术，提出了露天地下联合开采方案，以期充分开发和综合利用老空区残矿资源。

1 采空区的探测与分类

1.1 采空区探测

结合该铁矿的设备情况，选用依靠基本探测工具的人工探测方法。在安全许可的情况下，用电子测距仪+目测，获得采空区大小参数；用地质取样+经验评估方法获得残矿地质品位信息[6]。

1.2 采空区分类

通过对调查结果的细致分析，根据空区空间分布及采矿技术参数，将该矿空区分为3种类型。

(1)第一类空区。第一类空区形成原因在于开矿前期，民采掠夺式开采，不合理采矿方法、采富弃贫，从而形成一个个露天狭长深沟。本次调查了8个该类型空区，其特点为：①为民采露天开采后形成，典型的采富弃贫类型，空区大小不一，形态各异；②空区一般较为狭长，长度在10～40 m不等，但宽度较小，在5 m左右，深度大约10 m；③部分露天空区因为时间久远，已经被填平，无法找到，只能根据矿上老员工提供数据。

(2)第二类空区。第二类空区的纵投影如图1所示，由于开采高度较高，出于安全原因，空区上方有部分矿体未能采出；或由于品位不高，故留下部分矿体不予开采。此类采空区上覆矿体一般宽度较小，围岩较稳固。

图1 第二类空区Fig.1 The second type mined-out area

经调查，该类型空区有18个，占总调查采空区数量的37.5%，这类空区在分布和形态上表现出如下特点：①老采空区上下方和两侧帮分布有规模较大残留矿体；②此类空区多是留矿法开采后形成的，空区宽度和高度较大，残留矿体一般可向上或向侧延伸15～30 m；③空区中间充填有已采下但因安全原因未能运出的矿石。

(3)第三类空区。第三类空区形态如图2所示。用留矿法开采完毕后回采巷道顶板，采通2相邻采场，而中间留下5 m左右马脊梁充当矿柱，用于保护巷道，形成此类空区。

图2 第三类空区Fig.2 The third type mined-out area

此类空区共有22个，占总调查采空区数量的45.8%。其中巷道保持完好，还能进去的有16个，已发生垮塌的有6个。此类空区特点为：①空区围岩较稳固，残留矿体多为留矿法开采后形成；②残留矿体厚度较大，位于空区中部和顶部；③空区及矿体覆有上层垮落围岩，残留矿体的上下部分均已形成空区，左右有间柱。

1.3 残留矿石量估算

本次调查的采空区主要是974 m和924 m中段，其中974 m中段存在22个老采空区，924 m中段存在18个老采空区，另有露天采坑8个。

初步预算总调查空区残留矿量为152万t，其中974 m中段残留50.3万t，924 m中段残留101.7万t。

2 露天地下联合开采

世界各国多数矿山都存在有残矿回收问题，采用的回收方法多种多样，为回采残矿积累了丰富的经验。

根据该铁矿具体的赋存状态和开采技术条件，参考国内外同类矿山开采经验，选择了露天地下联合开采方案：露天开采924 m和974 m中段残留矿柱和顶板；在露天开采结束后，露天坑以下矿体以及露天坑内具有开采条件的边坡挂帮矿体利用原矿床开采形成的开拓系统采用地下开采方式进行回收[7-9]。

2.1 954 m中段以上露天开采

露天开采的规模为1 500 t/d，开采对象主要为924 m和974 m中段残留矿柱和顶板。开采范围为924 m水平至地表，矿区面积约20 000 m2。依据目前设计生产规模，全境界矿石生产服务年限3～4 a，考虑到资源勘查情况及空区探测实际情况，首期开采至954 m水平，露采服务年限为4 a，无基建期，第1年投产即达产。

(1)露天开采境界。考虑到矿山现有工程、矿区地质地形条件、企业投资回报等因素，按露天境界剥采比不大于经济合理剥采比(4.05 t/t)的原则确定露天坑底标高为954 m。开采范围内资源储量估算的结果为矿石量86万t,剥离量岩石量90万m3[9]。最终开采境界的主要参数见表1所示。

表1 最终开采境界主要参数Table 1 The main parameters of the final state mining

(2)露天采剥工艺。生产初期受采场尺寸和地形条件的限制，需采用缓帮剥离，缓帮采矿的剥采方式进行剥采作业，采、剥工作面均采用纵向工作面。随着开采水平下降，在采场尺寸和地形条件允许时，为了均衡生产剥采比，需采用陡帮剥离(倾斜条带式)，缓帮采矿的剥采方式进行剥采作业。剥离工作面横向推进，每次剥离的条带宽度为40～60 m，安全平台宽度为3～8 m；采矿工作面采用纵向推进方式。同时工作的台阶数为2～3个，其中1个台阶采矿，1～2个台阶剥离。采剥阶段台阶高度10 m，台阶坡面角70°，运输堑沟底宽10 m。出入沟底宽30 m。

2.2 地下开采与露天开采的衔接

地下开采与露天开采的衔接如图3所示。

图3 地下开采与露天开采衔接图Fig.3 The convergence of underground and open pit mining

(1)露天坑底至924 m中段有30 m高度，拟定上部20 m由露天坑底自上往下凿岩，下部10 m由924 m中段自下往上凿岩[10]。

(2)凿岩方式以中深孔为主，局部利用浅眼钻机凿岩[11-12]。

(3)爆破以采空区为自由面，局部采用挤压爆破的方式。

(4)地下爆破超前于露天爆破，以充分利用老采空区作为自由面，不从本中段出矿。

(5)924 m中段原则上不做大的改造，只在不满足凿岩要求的地段做局部的挑顶和刷帮，根据现场调查大部分巷道满足要求。

(6)爆破留下的矿石做下部中段回采的覆盖岩石，在以后逐步回收。

2.3 924 m中段以下采用地下开采

地下采矿方案与露天采矿方案相适应，采矿方法以空场法和崩落法为主。开采过程中以露天坑为泄压天窗，以954 m至924 m之间松散矿石为覆盖层和缓冲层，利用顶板和岩体的自然崩落来处理空区。

(1)下部中段盘区和矿块的划分。由图4可以看出：①矿块垂直于矿体走向布置；②考虑到2 m3的铲运机运矿距离不超过100 m，以及下部中段矿体走向长度通常在200 m左右，决定划分3个盘区，每个盘区长度60～70 m；③为增加矿房矿量，特别是露天与地下同时进行时，增大井下采矿量，缓解深部基建压力，盘区内矿块采用两房一柱布置形式；④根据880 m中段现有工程布置，一般采用穿脉布置，穿脉之间距离20～25 m，矿块宽度10～12.5 m，尽量利用现有巷道；⑤矿房采用空场采矿法回采，矿柱采用崩落法回采，矿房留5 m厚顶柱，利用矿柱内凿岩巷道打中深孔爆破落矿。

(2)下部中段平面布置方式。由图5可以看出：①中段平面布置脉外运输主平巷，担负上部中段集中出矿任务，采用有轨运输方式，电机车牵引矿车到主井提升到地表；②分段高度为10 m，设3个分段，布置脉外分段平巷，形成通风和出矿条件；③分段之间用斜坡道连接，斜坡道布置在脉外，采用折返式布置，形成铲运机和人员、材料通道；④使用2 m3铲运机，巷道断面2.8 m×2.8 m。

(3)分段凿岩阶段空场采矿法回采矿房。由图6可以看出：矿块垂直于走向布置。其中矿块高度40 m，宽度10～12.5 m；顶柱厚度3～5 m；分段高度8～10 m；盘区长度60～70 m。

(4)无底柱分段崩落法回采矿柱。由图7可以看出：矿块垂直于走向布置。其中矿块高度40m，宽度10～12.5 m；分段高度8～10 m；盘区长度60～70 m。

图4 矿房矿柱的布置形式Fig.4 Arrangement of the pillars of the stope

图5 中段平面布置Fig.5 The floor plan of levels

3 结 语

(1)该铁矿采空区的大量存在，不仅造成相当数量高品位矿石的积压，还在极大程度上存在发生采空区大面积冒落的安全隐患。利用露天地下联合开采技术及时回收采空区残留矿石是必要的，也是可行的。

(2)露天地下联合开采不单纯是露天采矿技术和地下采矿技术的结合，而是一项极其复杂的系统工程，国内无论是在基础理论还是技术内涵、适应条件的研究上均不成熟，还处于不断的探索之中。本研究在一定程度上可为国内同行在遇到同类问题时提供一条新的思路。

(3)本矿山采空区的探测方法较为原始，若采用更先进的仪器与方法，可获得更为精确的结果。若建立力学模型进行数值模拟计算，可对联合开采方案进行进一步优化。

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(责任编辑 徐志宏)

Exploitation of Residual Ore in Mined-out Area by Open-underground Mining Method

Zhang Hailei Sun Jia Wang Chengcai Gao Qingwei Liu Tao Hao Xianfu

(NorthwestInstituteofMiningandMetallurgy，Baiyin730900，China)

Due to the previous predatory exploitation in an iron mine in western China，a large number of waste caves with serious safety hazard have been formed and abundant ores are remained.Manual detection has been made in surveying goafs to get its，shape，size，distribution and resources.According to the spatial distribution and mining technical parameters，old goafs are divided into three categories.To make full utilization of the residual resources，the opencast-underground combined mining method was put forward.Based on this scheme，the ores in residual pillars and roof above 954 m level are recovered by open-pit method；After the completion of open pit，the original development system is used to recycle the ores under 954 m level and the slope ores with mining feasibility in open-pit by underground mining method；For the ores between 954 m level to 924 m level，the upper 20 m is drilled up-to-down from open-pit bottom，and the lower 10 m is drilled down-to-up from underground stops.The ores which are produced by blasting are as the lower-middle level covered rocks and are recovered step by step.This scheme fully recovers residual mineral resources in waste caves，but also eliminates large-scale caving hazards in waste caves.So it produces a higher economical and social benefit.

Open-underground mining method，Residual ore，Mined-out area，Open-stoping method，Caving mining

2013-11-27

张海磊(1990—)，男，助理工程师。

TD8

A

1001-1250(2014)-03-031-05