露天地下楔形过渡协同开采技术研究与分析

2022-11-04范晓明王洪强黄其冲赵文龙

现代矿业 2022年10期

范晓明王洪强赵强张昭黄其冲赵文龙

（北方爆破科技有限公司）

露天转地下开采是在露天开采的末期，矿山还在进行露天开采的条件下，开始进行地下开采。此时，对地下开采而言，受到地表已经形成露天坑、且露天开采还在继续等安全条件的限制；对露天开采而言，地下开采的加入，改变了露天矿体开采环境和围岩的稳定性。因此，在转型期两者互相约束。正是由于这一原因，在国内外由露天开采转入地下开采的大型金属矿山生产过程中，基本都存在过渡期产能平稳持续和安全高效开采的技术难题［1-6］。

迄今为止，特大型深凹露天矿山在露天转地下开采的过渡期间，均需要减产，甚至是停产过渡，尚未实现稳产或增产过渡［7-9］。根据矿山实例统计，由露天开采转入地下开采的金属矿山主要采取境界矿柱过渡方式、境界矿柱+覆盖层过渡方式、设置过渡层的3层过渡方式以及我国近年提出的楔形转接过渡方式。露采在下、地采在上的楔形过渡方式成功应用于海南铁矿的实践表明，该技术方案可以有效利用露天和地下开采的工艺优势，实现露天转地下的稳产与增产过渡［10］。

1 露天转地下楔形过渡协同开采方法

1.1 楔形过渡开采原理

露天转地下楔形过渡开采方法通过合理改进露天与地下采矿方法、制定露天末期与地下开拓系统、优化露天地下开采界线、设计挂帮矿高效开采方法、确定边坡安全防控技术与合理制定全矿床协同开采方案等内容，将特大型铁矿露天转地下开采的矿体条件与露天地下时空拓展技术有机结合，从而构建露天地下楔形过渡协同开采方法。

楔形过渡协同开采方法主要涵盖以下内容：①充分利用露天公路尽早建设地下开拓工程，借助平硐、斜井等措施工程，可对露采境界外矿体进行多方位开拓，快速增大开拓、采准与回采矿量；②利用诱导冒落法开采挂帮矿，通过控制采空区的跨度与高度，控制塌陷坑的容积与深度，接收边坡滑落的散体，使之不影响露天采场，这样诱导工程的位置可灵活布置，既可布置在露天采场的上方，也可布置在露天采场的下方，只要与露天采场在水平投影面上错开，其上露天边坡允许塌陷即可，由此可大幅度增大地下开采效率，快速提高地下产能；③加大力度开采露天陡帮坑底矿，充分发挥露天工艺优势，增大露天开采强度；④通过数据分析露天与地下开采的工艺和经济优势，确定适用于协同开采的开采境界，提高协同开采能力及经济效益的最大化；⑤基于露天坑底矿量延深开采和挂帮矿量诱导冒落法开采，构建边坡全程安全管控技术，即在塌陷坑形成之前，建立边坡监测预警系统，冒透地表之后，通过塌陷坑控制岩移方向。

通过时空协同、生产协同与安全协同，构建基于协同过渡的露天地下协同开采模式，形成全矿床协同开采方法，消除过渡低产期，最终形成从露天开采、露天地下协同开采、地下开采方式三者的平稳衔接。

1.2 楔形过渡开采适应性分析

应用楔形过渡方式实现露天地下安全高效协同开采需要三方面保障条件：①控制边坡岩移的方向，消除边坡岩移危害，保证露天和地下的安全开采；②充分利用露天和地下安全高效开采技术，实施地下诱导冒落开采与露天陡帮延深开采，最大限度地提高开采效率；③采取措施工程加快挂帮矿的开采进度，快速形成与提高地下的生产能力。这三方面保障条件实现的难易程度与露天采场的规模密切相关，特大型矿床的露天运输系统条件与开采空间条件，为实现这三方面保障条件奠定了良好基础，深入研究每一方面的形成技术，便可保障楔形过渡协同开采方式对于特大型露天铁矿的高度适应性。

2 楔形过渡在特大型铁矿床露天转地下开采中的应用

对于特大型铁矿床，常规的开采方式为先用露天开采，后用地下开采。通常露天开采分为前期、中期与末期，一般中期产能最大，末期产能由大逐渐变小；地采产能由无到有、由小变大，在两者过渡期间，经历低产期。如何应用楔形过渡方式解决特大型铁矿露天转地下开采的难题，本节将露天转地下开采的特大型铁矿矿体条件作为特定的开采对象，基于楔形过渡方式，将露天与地下开采作为手段，利用两者的工艺优势，实现全矿床的露天地下协同开采，使两者相互补足，增强矿体的开采能力。

2.1 特大型矿床矿体条件

对于特大型铁矿床露天转地下开采，通过露天延深和挂帮矿诱导冒落开采，实现斜面转接过渡，达到“露采在下，地采在上”的矿体开采条件（图1），有效解决了露天开采与地下开采的相互干扰问题，持续大规模的矿石生产能力，需充分释放地下产能，开发特大型铁矿床持续高效开采模式，解决其减产与停产过渡的难题。

2.2 楔形过渡协同开采技术特点

针对特大型铁矿床，“露采在下，地采在上”的矿体开采条件具有一定的开采局限性，主要体现在挂帮矿的开采能力问题，尤其是在特大型矿床露天开采末期进入露天地下协同开采这一阶段，这就需要挂帮矿体地下开采需要与露天开采保持良好的协同关系，有助于产能平稳持续。楔形过渡开采技术特点主要有协同开采的准备和诱导冒落首采分段的布置2个方面。

协同开采准备主要有：①从露天边坡向挂帮矿施工平硐及斜坡道，做好挂帮矿的采准工程，确定挂帮矿的开采时间；②协同开采过程中，挂帮矿开采的初期要借用露天运输系统，所以需在合适的台阶布置防护坝，防止挂帮矿开采引起的边坡滚石威胁挂帮矿运输平硐出口，在防护坝形成之后，地下应具备正常的大规模回采条件，其中诱导工程的回采跨度应能够诱导顶板矿岩冒落到足够的高度，在下一分段形成回采条件。

原则上诱导冒落工程布置只要地下采场与露天采场在水平投影面上错开，既可以布置在露天开采水平之上，也可以布置在露天开采水平之下，消除采动岩移影响即可。但本文提出诱导冒落首采分段布置要点为在进行露天开采的同时，进行诱导冒落法开采挂帮矿的采准作业，同时为降低生产成本和提高开采效率，宜选择在较低的水平布置诱导冒落首采分段，并下部回采分段可低于露天开采水平，以此充分释放挂帮矿回采能力（图2）。

对于特大型矿山，为持续大规模矿石生产能力，需改善“露采在下，地采在上”的矿体生产条件的局限性，进一步拓展露天地下协同开采时空，以此实现地下产能的快速提升。诱导冒落法首采分段的相对位置越低越好，因为首采分段位置低，挂帮矿诱导冒落矿石层的高度大，有利于提高开采效率与降低生产成本，所以在挂帮矿开拓时，可以由露天台阶掘进下向斜坡道，尽可能将首采分段（诱导冒落工程）向更低水平布置，拓展挂帮矿诱导冒落开采方法，据此可形成“露采在上，地采在下”的露天地下协同开采方法（图3）。

2.3 工程应用

以大孤山实际矿体条件实施楔形过渡的露天地下协同开采技术，本着“下盘侧矿体由陡帮延深开采方式露天采出，上盘侧挂帮矿体由诱导冒落法开采方式地下采出”的协同开采原则，实施全矿床露天地下协同开采，从本质上解决过渡期产能平稳持续和安全高效开采的难题。对该矿山近些年的矿石生产量统计得出，通过露天开采+露地协同开采+地下开采，大孤山铁矿产能由露天开采的600万t/a逐步增大到地下开采的700万t/a，并可持续开采30 a，实现了安全持续高效开采。