黑龙山铁矿二期露天转地下开采实践

刘怀智 张洪雷

(1.中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116600；2.通化钢铁集团板石矿业有限责任公司，吉林 白山 134300)

0 引言

露天矿在开采后期要面临着转地下开采问题，露天转地下开采是一项系统工程，各工艺系统相互制约，影响因素复杂，一方面要保障露天正常生产，另方面又要进行地下开采基建，在产量安排，开采顺序，时空关系，周边安全问题都要仔细研究。

1 矿山概况

1.1 开采现状

黑龙山铁矿二期为生产矿山，矿界内有南、北两个含矿带(下称南区、北区)，浅部均为露天开采，其中北区以1 500线为界，1 500线以北至2 000线属于一期范围，一期+35 m水平以下已转入地下开采，设计规模为矿石100万t/a，采用主、副井-主斜坡道联合开拓，现有主井为箕斗井，提升能力110万t/a(矿岩混提)，主井-325 m水平以下设破碎系统，地表设干选。现有副井为罐笼井，服务至-325 m水平，担负人员材料和掘进废石提升，-325 m水平设水仓泵房。主斜坡道直通地表，负责大件设备调度。系统开拓标高为+35～-325 m，首采区段为+35～-85 m，阶段高度120 m，目前覆盖层厚度已达100 m以上，一期于2014年投产，2015年达产，计划2022年转入-205 m阶段开采。

北区1 100～1 500、南区300～1 100线范围矿体采用露天开采，北区露天采场台阶高度为10 m，最高标高+130 m，最低标高-70 m，封闭圈标高+70 m，采场上口尺寸：420 m×380 m，下口尺寸135 m×25 m，采场总出人沟布置在矿体南端部，标高为+70 m。南区露天采场台阶高度10 m，采场最高标高+130 m，最低标高-55 m，封闭圈标高+110 m，采场上口尺寸:910 m×460 m，下口尺寸830 m×35 m。南区露天1 100线以北浅部矿体露天采场欠剥岩量较大，剥采比达到4～11.64 t/t，但为保证自有选厂生产，露天开采仍在进行。

南北露天采场均采用公路开拓，汽车运输，北区采场总出人沟标高为70 m，运输线路采用折返式布置在矿体南端下盘；南区采场总出人沟总出人沟标高为110 m，布置在矿体西部上盘。采场采用牙轮钻穿孔，电铲铲装，20 t自卸式汽车运输。采出矿石经露天运输道路运至庙二选厂。

北区1 100～1 500线、南区300～1 100线露天开采范围以外矿体为二期露天转地下开采对象，南区露天滞后北区4年转入井下开采。两区矿石生产规模合计由226 t/a逐年递减至68万t/a。转入坑内开采后，二期范围内开采规模合计200万t/a。

1.2 资源量

黑龙山铁矿矿床属于沉积变质矿床，赋存于太古界迁西群三屯营组黑云变粒岩、黑云浅粒岩、磁铁石英岩中。区内矿床分为南、北两部分，南区蔡园铁矿床和北区蔡园西沟铁矿床由于受FK4断裂破碎带影响，形成两个截然不同的构造单元，南区蔡园铁矿床为一单斜构造，断裂构造为成矿后断层，对矿体有一定破坏作用，走向NNE，倾向NW，倾角40°～60°，次一级褶皱不发育，矿层产状与岩层产状基本吻合。北区蔡园西沟矿床地质构造复杂，褶皱构造以紧密倒转为特点，断裂构造韧性断层呈带状展布为特征。向斜皱褶较紧密，轴面总体走向为NE 30°，倾向NW，倾角60°～70°间。因受韧性断层的影响，使向斜的局部位置遭受破坏，如翼部的矿体呈透镜体及扁豆体。

北区N 1 500线以南露天终了境界露天底标高为-70 m，北区N 1 500线以南露天挂帮矿量118万t，主要集中于北端，北端挂帮矿量为96万t，-70 m水平以下矿石量750万t。南区露天终了境界露天底标高为-55 m。南区露天N 1 100线以南挂帮矿量172万t，主要集中于南端，-55 m水平以下矿石量748万t。南北矿带间平行展布，间距约100 m。

2 露天转地下开采设计中的主要技术问题

2.1 挂帮矿体开采

挂帮矿体一般具有“上部短小，下部厚大”的特点，开采期内产量不均衡，具备条件时宜提前开采，因此应首先研究在露天开采期间，能否利用现有露天开拓运输系统将挂帮矿体予以回收。

北露天境界开采对象是Ⅲ-1号矿体，为急倾斜矿体，北露天境界挂帮矿体主要集中在境界北端部1 400～1 500勘探线之间，赋存标高主要在+10～-70 m之间，露天底标高-70 m，北露天开采总出入沟在露天境界南端帮，且挂帮矿体位于一期地下开采影响范围内，不具备利用现有露天开拓运输系统回收北区挂帮矿体条件，因此选用地下开采方式进行回收该部分挂帮矿体。

挂帮矿矿体和相邻一期地下开采矿体为连续矿体，在地下开采的岩体移动范围内设置20 m保护带，回采时利用一期地下开采分层脉外联络巷道将挂帮矿各分层联通，利用分层联络巷道向矿体布置回采进路，靠近露天边帮时，控制炮孔装药量，以减小对露天边帮的影响，见图1。

图1 北区露天挂帮矿体开采示意图

南区露天境界主要开采对象是Ⅵ号矿体，露天境界最低标高-55 m，总出入沟在露天境界上盘，300线～1 100线之间境界外总挂帮矿量172万t，主要集中在境界南端部和南部下盘300～700勘探线之间，挂帮矿量为135万t；境界上盘和北端部共有37万t挂帮矿量，位于工业场地和地表联络道路保安矿柱内，暂不利用。南区挂帮矿赋存标高主要在+60～-55 m之间，上部短小，下部厚大。南区首先进行300～1 100勘探线间露天开采(服务期4年)，然后进行南区1 100～1 700勘探线之间露天开采(服务期4年)，南区露天开采共服务8年。鉴于南露天采场较长，露天道路及宽平台完整，并且南露天采场后期距离南挂帮矿矿较远，因此，露天开采期间可进行挂帮矿体开拓。

南区挂帮矿体开采设计考虑了两个开采方案,方案一是斜坡道开拓系统,采用坑内斜坡道和现有露天采场公路运输系统进行开拓。方案二是竖井开拓，利用南区-205 m阶段主回风井临时提升系统作为挂帮矿开采主提升井。方案一斜坡道开拓系统工程量较大，投资略高，但生产灵活，挂帮矿开采规模大，可以在短期内完成挂帮矿回收任务。方案二利用二期深部开采工程，工程量较少，投资略少，但基建工程施工速度慢，临时提升系统提升能力有限，挂帮矿回收期长。经过方案比选，最终确定选用方案一开采南区挂帮矿。方案具体如下：

设计规模：挂帮矿体第一年基建，第二年投产，投产规模为40万t/a，第三年生产规模为60万t/a，第四年生产规模为35万t/a。

开拓系统：利用现有露天采场公路运输系统，采用斜坡道开拓系统，包括主斜坡道、回风安全井、+60 m回风平硐和-50 m排水平硐。斜坡道出口与露天采场+30 m宽平台相通。硐内运输采用坑内卡车在采场装矿后经斜坡道运出地表，经地表干选抛废后，由露天卡车经现有露天道路运至选厂，在井下挂帮矿端部回风侧设回风安全井，上口与+60 m回风平硐相连，下口与-50 m水平排水平硐相连。

采矿方法：挂帮矿体赋存在露天采场南端部及下盘南端部，回采高度90 m，矿体倾角67°，平均厚度约30 m，挂帮矿开采需在4年内完成，以便尽快转人-205 m阶段矿体开采，见图2。

图2 南区露天挂帮矿体开采示意图

如果考虑空场法回采时，矿柱回收困难、矿石回采率低，不可取。考虑充填法回采时，工艺环节多，工序时间长，回采成本高，亦不可取。因此，较为合适的采矿方法为无底柱分段崩落采矿法，此方法在覆盖层下回采进路内后退式采矿，采场作业安全、产量提升潜力大，与深部采矿方法相同。

无底柱分段崩落法结构参数为：分段高度15 m，进路间距15 m，回采进路垂直矿体走向布置，一分段出1/3矿石，二分段出2/3矿石，形成30 m厚度矿石覆盖层。

通风系统:挂帮矿体开采通风系统采用主扇通风，抽出式通风方式，主扇设在+60 m回风平硐。采场新鲜风流从-50 m进风排水平硐和斜坡道进入井下、在局扇作用下进人工作面，冲洗工作面的污风经回风巷和回风安全井到+60 m回风平硐排出地表，挂帮矿开采总风量为60 m3/s。

2.2 挂帮矿开采与深部开采各系统衔接

2.2.1 开拓系统衔接

挂帮矿开采作为该矿露天转地下开采重要环节，需要与露天开采同时结束，以达到充分回收矿产资源，保证矿山露天转地下生产连续性，挂帮矿开采开拓工程布置时应兼顾边坡安全。

矿山一期工程计划2022年转入-205 m阶段开采；二期在2014年开始计时，北露天采场可服务3年，北区深部开拓工程基建期5年，基建结束后与一期同时转入-205 m阶段开采；二期南区2014年开始计时，南区300～1 100勘探线露天开采可服务4年，2018年开始转入南区挂帮矿开采和南区1 100～1 700勘探线露天开采，继续服务4年，同时开展南区-205 m阶段基建，基建期4年，完成后与北区深部一同转入-205 m阶段矿体开采。

挂帮矿采用斜坡道开拓系统，充分利用现有露天道路作为挂帮矿外运道路，在靠近挂帮矿露天宽平台处施工斜坡道，在开采错动范围外施工回风平硐，避免边坡滑坡影响平硐安全。地下阶段开拓系统工程建成后，-50 m水平以下矿石由采区溜井卸放至阶段运输水平，再运至主溜井破碎系统破碎后由主井提升至地表，至此挂帮矿开拓完成，生产全面转入深部开拓系统。

2.2.2 产量衔接

通过二期基建计划编制，二期北区转地下工程2017年开始基建，基建时间为5年，二期南区挂帮矿和南区深部基建2018年同时开始，挂帮矿服务4年，南区露天也服务4年，2022年深部矿体开拓系统形成后，南北露天同时转地下开采，与一期共同形成300万t/a(一期100万t/a)能力。

2.2.3 采准衔接

挂帮矿采矿方法为无底柱分段崩落法，其结构参数与深部无底柱分段崩落法一致，分段高度15 m，进路间距15 m，矿体平均厚度较大，因此回采进路按垂直矿体走向布置，挂帮矿进路方向与深部矿开采进路方向一致，深部采矿参数无需调整，采准过渡衔接方便。

2.2.4 通风衔接

挂帮矿回风系统属于独立回风系统，与深部矿体的回风系统互不干扰，无需调整。

2.3 矿石覆盖层和防水垫层形成

2.3.1 挂帮矿开采覆盖层形成

为实现挤压爆破条件，改善矿石回收和贫化指标，同时在采场上部形成安全缓冲垫层，无底柱分段崩落法开采时，需在开采矿体上部形成一定厚度的覆盖层。

该工程挂帮矿覆盖层形成时，一是矿体上部两个分段内崩落矿石的1/3和2/3留在采场内作为矿石覆盖层，二是在靠近露天边邦设10～15 m矿柱，防止坑内采场放炮将矿石崩入露天采场，同时起到开采期间稳固边坡作用，见图3。

图3 挂帮矿体开采近露天边邦矿柱设置示意图

2.3.2 防水垫层形成

露天转地下开采的矿山，需在露天底部设防水垫层，用以减缓暴雨期间露天采场的地表汇水快速渗入井下，减轻井下排水的压力，保证井下各系统安全。同时较厚的防水垫层有利于防止采场漏风和采场防冻。

防水垫层宜采用废石形成，该项目防水垫层厚度按照不小于40 m考虑[1]，其形成方法主要有外运或内排岩石方法形成、爆破边帮形成等方法。结合矿山开采实际情况，北区露天防水垫层采用外运岩石回填形成，南区露天防水垫层由南区1 100～1 700勘探线间露天开采的废石回填形成，深部开拓系统投产前需完成防水垫层形成工作，见图4。

图4 露天转地下矿石垫层和废石防水层设置示意图

2.4地下开采开拓系统选择

设计对深部开拓系统进行了多方案比选，选取主副井-斜坡道联合开拓方案、主斜坡道方案进行了详细技术经济比较，最终推荐主副井-斜坡道联合开拓方案，新建一条主井(箕斗井)、一条副井(罐笼井)、一条南区主回风井、一条北区主回风井，见图5。

图5 露天转地下开采开拓系统纵投影图

新建主井为箕斗井(+110～-550 m)，采用矿岩混提方式，承担采场矿石和采准岩石提升任务，矿石提升量为200万t/a，废石提升量为20万t/a，地表设置大粒度干选抛废设施。井筒净直径5 m，最低服务到-400 m水平，提升机选用JKM3.5×6多绳摩擦提升机一台，单箕斗配平衡锤提升，电机功率N=2 100 kW，配15 m3底卸式单箕斗。

新建副井为罐笼井(+110～-590 m)，担负井下人员、材料、废石(新水平准备)及部分小型设备提升任务，井筒净直径6.5 m，最低服务到-400 m水平，同时作为破碎系统提升井使用，安装一台JKMD3.25×4型落地式多绳摩擦提升机，选择双层双车多绳罐笼，电机功率为N=1 250 kW。提升YFC0.7-7翻转式矿车(粉矿)和YGC1.2-7固定式矿车(新水平出碴)。副井兼作为进风井使用。

南区矿体开拓时，在南区南端部矿体下盘最终错动界限外布置一条南区主回风井，主回风井上口标高为+103 m，下口标高-205 m，井筒直径为Φ4 m，内设梯子间，兼作南区主要安全出口。为加快南区工程施工进度，南区主回风井建成后安装临时提升设施，担负南区开拓系统基建出渣。

北区矿体开拓时，为不影响一期回风系统使用，在北区矿体中部下盘最终错动界限外布置一条北区主回风井，北区主回风井上口标高为+109 m，下口标高-205 m，回风井井筒直径为6.0 m，内设梯子间，兼作北区主要安全出口。

阶段高度为120 m，运输水平标高分别为-205 m、-325 m、-400 m。

2.5矿界间矿柱回收问题

相邻矿界内露天开采时，矿界间都设有一定距离的隔离矿柱，企业在各自矿界内露天开采，其开采范围得以有效控制，两露天矿之间相互影响较小。当露天开采结束转入地下开采后，由于深部矿体开采导致地表错动范围增大，隔离矿柱也会进入地下开采错动范围内，因此隔离矿柱资源回收也要妥善解决，避免造成资源浪费和相邻矿山开拓系统相互影响。

该项目中，相邻矿山在设计初期属于矿权整合区范围，但至今未整合完成，因此设计要求二期投产前，将处于开采影响范围内矿体的矿权明确，在未获得相关开采手续前，井下开采错动界限不得影响矿界矿柱及相邻矿矿体开采安全，同时矿界内设保安矿柱，对矿界隔离矿柱加以保护。通过地方管理部门协调，矿山已和相邻矿达成矿界矿柱及影响范围内矿体处置方案，以资源置换方式解决矿权问题，同时相邻矿加快基建进度，二者开采保持在同一开采阶段标高内，避免了开拓系统相互影响，避免了资源浪费，实现相互安全开采，见图6。

图6 相邻矿界保安矿柱设置图

3 结语

矿山二期基建于2014年底开始，北区露天2017年底闭坑转入覆盖层形成工作，南区露天在2018年底开始进行挂帮矿基建和南区1 100～1 700勘探线间露天开采，南区挂帮矿2019年投产，目前生产水平由60 m标高开采至0 m标高，累计出矿量40多万t。

生产实践证明，挂帮矿开拓通风系统和采矿方法是合适的，可在短时间内实现矿山产量接续。挂帮矿体采用平硐-斜坡道开拓，充分利用现有露天宽平台和露天道路运输系统，缩短了挂帮矿基建时间、降低矿石外部运输成本；通风系统运行安全平稳；采矿方法与深部采矿方法一致，避免采矿参数调整，该方法开采强度大，生产安全可靠，实现挂帮矿体安全、高效开采。

挂帮矿开采后，在矿体上部露天边坡已产生塌陷，设计已考虑到挂帮矿体开采导致边坡塌陷问题，选取的斜坡道和回风平硐均在边坡塌陷影响范围外，从而避免露天边坡塌陷威胁。

深部开拓系统2017年开始基建，目前主井、副井和主回风井井筒已施工完成，主、副井井塔已建成，设备安装调试结束，北区开拓工程已完工，具备投产条件；南区-205 m阶段基建工程在2022年也将建成后，实现南北区露天转深部开采过渡。

黑龙山铁矿二期工程建设中遇到的问题及其解决办法对即将转入地下开采的露天矿山有一定的借鉴意义：

1)准备工作应提前进行

本项目露天采场闭坑前4年开始进行该项目的设计工作，时间较为宽裕。同时，矿山一期2008年由露天转入地下开采，有实践经验人员储备充足，因此各方面工作进展顺利。

2)挂帮矿体开采与露天开采共同进行

由于挂帮矿体“上小下大”的普遍特点，致使挂帮矿的产量不均衡，初期产量低，因此应研究挂帮矿体与露天开采同时生产的可能性，提前创造全面转地下开采条件。

3)露天开采后期，应研究开采顺序，方便利用露天采场实施内排，以减少排岩成本。

4)应充分研究项目周边矿权设置及相互影响，对设有隔离矿柱和开采错动界限有重叠情况，应研究矿柱联合开采可行性，避免资源破坏，对暂时不能联合回收资源，应以保护为主。

对于露天转地下开采的矿山，通过露天挂帮矿开采与深部开采统筹考虑，在各工艺环节做到合理衔接，就可以顺利实现露天转地下开采的平稳过渡。