露天矿分期开采及内部排土探究

李俊勇

（中铁十九局集团矿业投资有限公司，北京 100161）

被剥离岩土的运输与处理成本对露天矿的开采效益有决定性影响，而内部排土不仅可以大幅降低运输与土地征用成本，还能够在矿体采掘过程中及时回填采空区，有利于保障生产安全和降低对地下岩土结构、地表生态系统的干扰。因而在技术与自然条件允许的前提下，应优先采用采用分期开采与内部排土方式进行露天矿的开采。

1 分期开采与内部排土的技术原理和特点

1.1 露天矿分期开采概述

分期进行矿床空间分布范围大、走势与品位复杂的露天矿开采有助于控制生产成本，基于对全境界地质构造、矿体赋存等自然条件以及开采技术条件的深入分析，明确不同时期的开采计划与具体的工艺方案。通常情况下，可以从空间或时间维度区分露天矿的分期开采类型，前者根据矿体分布、品位变化以及表面覆盖岩土厚度等特征，在作业空间上沿纵向或矿体走向将采场划分为若干区域，进而根据采掘和排土条件、剥离量等确定开采顺序；后者则根据开采年限将分期开采区分为长期与短期，但原则上一期开采境界的确定都是以控制基建投资规模、缩短成本回收周期为目标，选择可至少开采十年的高品位、储量大且剥离量小的区域。

1.2 内部排土的技术原理及特点

露天矿开采过程中剥离的矿体周边岩土需要及时清运和处理，通常情况下可以选择将其运至矿场开采边界外堆放，或者回填到前期的采空区，后者即被称为内部排土，是近年来大型露天矿开采活动中优先使用的排土方式。内部排土可以依据矿床走势、地质构造特征选择扩充式或分区式内排，前者可以实现采掘与内排土台阶同步推进，即直接将被剥离的土石方回填至采空区域；后者则需要率先将采场选定区域开采至设计标高，并且使其容积、作业空间满足内部排土条件，再正式开始边采掘边回填模式，所以需要事先规划出短期的外部排土场。

2 开采技术方案的设计原则

2.1 分期方式的选择

根据矿体走势、分布以及覆盖岩土厚度特征进行分区并确定开采次序，原则上在剥离量小、最易形成满足设备运行需求的内部排土场的区域开展一期开采，并且保证其开采时间可以持续十年以上[1]。当矿床为缓倾或水平且分布范围偏大时，可以按照其走势在空间上进行分期，率先开采矿体厚度大且剥离量相对较小的区域。而对于倾角偏大、向地下深处延伸的矿床，则在纵深方向实施分期开采，原则上在初期基建投资回报率最高、可以快速形成内部排土场的区域进行一期开采。

2.2 内部排土技术方案的设计

露天矿的内部排土技术方案设计应以总体运输功最小化为指标进行优化，在初步确定分期方案之后，基于对不同阶段剥离量、采空区容积变化的分析和计算，进行内部排土开采技术方案的优化。从而明确内部排土场的位置、运输道路设计参数，论证和比较扩充式与阶段式内排采掘和排土工艺方案的经济性，确定最终的分期开采计划。

3 露天矿开采技术方案的设计及优化

3.1 分期与内部排土方式的选择

在确定分期开采和内部排土方案的过程中，首先需要搜集具体露天矿的全境界环境条件、矿藏分布等方面的资料，通过现场勘查核实储量、开采边界并估算剥离总量。其次，根据已有地质勘查资料与技术条件明确一期开采内部排土场底盘的位置，通过估算和分析剥离量、采掘作业强度论证内部排土方案的可行性。并且根据外部排土条件分析分区内排所需的作业空间、外运土石方量的大小，进而确定排土场的结构参数并优化岩土流向，比对并选择运输功最小的排土技术方案。

3.2 各分期的开采与回填范围划定

在依据前文所述原则确定露天矿的一期开采目标区域之后，应结合已有技术条件划定开采边界并明确采掘方式。首先一期开采范围的界定不仅要确保内排底盘作业空间满足采掘设备作业要求，而且应考量一期采掘和内排台阶与二期开采工艺的衔接，以最合理的方式完成覆盖岩土的剥离和回填，以达到运输功最小化的目标[2]。其次，依据地质勘察获得的数据构建分析模型，模拟分期开采和内部排土过程，分析矿体采掘外运量与剥离量的变化过程，论证内部排土场的形成和演变能否满足采掘和运输要求。

3.3 运输道路规划以及采掘、运输方案设计

在实施露天矿的分期开采和内部排土作业时，当一期开采深度达到内部排土场底盘设计标高时，需要根据开采境界的环境条件特征设计采掘、内排台阶以及采场的空间构建模式。其次，运输路线的规划设计以运距最小且总体运输功最小为原则，根据内排技术条件可以灵活选择运输设备组合，以保障采掘进度与排土效率。而在深凹的露天矿开采区域内，为了保障生产安全并控制运距，可以使用皮带式运输设备或绞车提升配合车辆完成排土和矿产外运。

3.4 主要工艺参数的设计及优化

鉴于大型露天矿的每一个开采周期都需要延续相当长的时间，通过构建模型并模拟整个工艺流程来明确各项技术参数，能够让开采过程更加顺利并保障生产安全。首先，根据对一期开采小境界剥离量、开采边界和矿体储量的计算数据，结合采掘设备、技术条件确定开采进度、内部排土场形成时间。当采用分区内排方案时，明确临时性外部排土场的位置、大小以及运输方案。其次，确定采场的空间位置参数，优化采掘推进速度和内部排土台阶的宽度等参数以及岩土流向，原则上台阶高度应小于20m。而二期开采所剥离的岩土总量须小于一期采空区的容量，并且在回填后的矿坑底部道路设计中，需要根据所用设备的运转需要确定道路宽度。

4 结语

虽然内部排土与分期开采相关技术的应用时间相对较短，但已经在煤炭、金属等多种类型的露天矿藏开采中得以成功运用，相比传统的外部排土模式显著降低了开采成本，而且有助于于精确控制开采区域内围岩的稳定性，也解决了因弃土堆置造成的生态环境污染与环境安全问题。而在信息技术日益成熟的背景下，可以运用计算机技术高效、精确的完成露天矿分期开采与内部排土技术方案的模拟和优化。所以在未来的大型露天矿开采工程中，这一模式必将得到更多的应用。