基于空间转换的精准采矿关键技术应用

2023-08-24刘文胜高义军洪振川朱末琳宁泽功郭奇峰

现代矿业 2023年7期

刘文胜高义军洪振川朱末琳宁泽功郭奇峰张英

（1.安徽马钢矿业资源集团有限公司；2.安徽马钢罗河矿业有限责任公司；3.安徽马钢矿业资源集团南山矿业有限公司；4.北京科技大学土木与资源工程学院）

矿山开采具有工序复杂、设备多样、资源有限、生产任务重等特点，给矿山生产的管理调度带来巨大困难。很多研究者通过矿山采场和排土场的时空关系建立数学模型，对矿山的生产进行优化［1-4］，另外一些研究者从生产进度［5］、运输道路［6］、物流调度［7］、地质风险［8］等角度对生产方案进行研究。王东等［9］以元宝山露天矿内排土场为工程背景提出一种内排土场压脚挂帮并行建设方案。栗嘉彬［10］提出了采—排—复一体化技术适应性评价体系；李国清等［11］运用改进遗传算法获得矿山生产接续和设备调度最佳方案；马龙等［12］设计双层可行域搜索策略，用改进的量子粒子群优化算法进行成本最小化研究；胡国斌［13］运用计算机人工智能求解获得最优生产计划。

和尚桥铁矿生产至今，未设置专门排土场，仅在开采范围内设置了临时排土场，目前，矿山已进入生产中后期，需对临时排土场压覆资源进行利用，为此，需提前对临时排土场堆置废石进行处置，由于外部受土空间有限，结合采场生产现状，拟利用采剥作业形成的空间堆置临时排土场废石，以保障资源的充分利用，为论证其可行性，需开展基于空间转换的精准采矿关键技术研究。

1 资源分布状况研究

本次研究所依据的矿体三维地质模型根据地质报告构建，并结合生产探矿数据，对该模型进行动态更新，开发地质预判系统，用于指导矿山日常生产。矿山块体模型如图1所示。

1.1 查明资源分布状况分析

1.1.1 资源量分布

（1）平面分布。根据全矿地质模型中矿岩属性分类，利用软件自西向东每100 m 计算资源量，其变化趋势如图2 所示，平面分布上，资源量自西向东逐渐增加，达2 000 万t 后再次降低，之后跃升至2 000万t 以上。资源量平面分布的变化与生产执行境界平面横向尺寸的变化吻合。

（2）空间分布。资源量垂直分布趋势如图3 所示。距离在垂直方向上，由浅部到深部，资源量呈现快速增加，然后缓慢降低的趋势。

1.1.2 资源品位分布

（1）平面分布。资源品位自西向东变化趋势如图4 所示。在平面分布上，东部资源品位高于西部，东部资源平均品位在20%以上，西部资源平均品位低于20%。

（2）空间分布。资源品位沿深度变化趋势如图5所示，资源平均品位沿深度逐渐降低，上部平均品位24.66%，深部平均品位20.36%。说明随着采场降深，采出原矿品位将不可避免呈下降趋势。

1.2 采剥进度计划

根据矿山开采现状，采场需沿用现有采剥工艺，采用多台阶同时进行。2020 年末采场临时境界内保有矿量3 136.78 万t，岩土量6 124.60 万t，平均剥采比1.95，为达到矿山要求每年700 万t 生产能力，年需剥离岩土约1 500万t。逐年排产结果如图6所示。

2 采场空间转换方案

对于大型露天矿山，利用已开采或未开采区域，对剥离废石进行处置，可有效降低露天开采对周边环境的影响，减少外部排土场建设、运行及边坡维护成本，但不能影响资源利用。因此，利用采场空间转换实现内排作业的可行性受采场空间尺寸、剥离量的影响。根据剥离废弃物流向，将采场空间转换分为3个阶段。

2.1 初期

图7 为露天开采境界纵剖面简图，ABCDEF为露天开采境界。采场空间转换初期为矿山开始生产至采场具备内部排土条件的时间段。在矿山生产初期，未形成采场内排空间前，利用开采范围内尚未开发利用区域临时堆置剥离废石，这涉及到首采区和临时排土场位置的选择，以快速形成内排空间为原则，选择开采深度较小的区域为首采区，露天开采境界走向另一侧为临时排土场区域。

为减少初期剥离量，可采用陡帮开采方式，增加开采强度，使首采区快速到底，在采场内具备内排条件后（图8），即可进行内排作业。在初期利用尚未开采区域（图8 中HF段）堆置废石时，必须保证采场采剥作业与临时排土场的间距（图8 中HI段）大于安全距离。

2.2 中期

在采场内具备内排空间后，即可开展内排作业，此时，内排工作线随采剥工作线推进，根据生产剥采比，判断采剥作业形成的采场空间是否能容纳剥离的全部废石，分以下3种情况（图9）。

（1）全部容纳有盈余，即在剥采比较小的情况下，采剥作业形成的采场空间大于内排剥离废石所需要的空间。

（2）能全部容纳，即采剥作业形成的采场空间等于内排剥离废石所需要的空间。

（3）不能全部容纳，即采剥作业形成的采场空间小于内排剥离废石所需要的空间，此时需要利用初期临时排土场堆置部分剥离废石。

2.3 后期

采场空间转换后期需要对开采范围内临时排土场进行处置，以释放被临时排土场压覆资源，对临时排土场的处置，分为以下2种情况。

（1）在剥采比较小，采场内排空间有盈余的条件下，可将临时排土场内废石堆置在内排土内。

（2）在内排空间有限，可将临时排土场内废石堆置于内排土场上方（即加高内排土场高度），或设置外部排土场堆置临时排土场废石。

露天开采结束，完成采场空间转换，见图10。

3 和尚桥内部受土可行性研究

3.1 概述

采场西北侧已经开采至-72 m 水平（到界），且空间面积较大，具备内排土条件。内排土场采取分期堆排，主要堆存临时排土场的物料。后期随着采矿的东扩南进，内排土场不断扩大，最终堆至+12 m。

3.2 临时排土场现状

临时排土场已于2014 年末堆排至约+84 m，并停止了临时排土。目前临时排土场有1 722.74 万t（折合861.37 万m3），其中境界内880.1 万t（折合440.05 万m3），排土标高+24～+84 m。临时排土场分层岩土量见表1。

3.3 内排土堆置要素

3.3.1 所需排土场总容积

根据和尚桥铁矿采场排产并结合采场生产实际，前期临时排土场及采场剥离岩土总量525.0 万m3，通过汽车运往内排土场堆排。计算前期需要的排土场容积：

式中，V为排土场设计的总容积，万m3；K1为富余系数，取1.02；Vy为排土场设计的有效容积，万m3；Vs为剥离岩土的实方数，万m3；Ks为剥离岩土的松散系数，取1.20；Kc为剥离岩土的下沉系数，取0.17。

经计算，前期需要的排土场总容积为549.2 万m3。

3.3.2 本次设计内排土场容积

设计排土场堆置高度为84 m，排土堆至+12 m，台阶高度为24 m，底层高度-72 m，最顶层台阶高度为12 m。排土场各分层容积见表2。

将内排土场布置在靠近大尾山一侧，确定内排土相关参数见表3。

根据和尚桥铁矿采场排产并结合采场生产实际，临时排土场及采场剥离岩土总量525.0 万m3，通过汽车运往内排土场堆排。排土场有效容积为843.1万m3，可以满足矿山临时排土场剥离废石土的堆排要求。

3.4 堆排工艺

排土场堆排时采用覆盖式多台阶分层堆排工艺，整个排土过程由下而上，逐层排弃。该工艺工序简单，适应性广，机动性大。

排土作业采用50 t 自卸汽车与164 kW 推土机联合堆排，为保护汽车卸载时安全，卸载平台边缘必须设置安全车挡，车挡就地推置而成，高度不小于0.8 m，顶部和底部宽度分别不应小于0.6 m 和2.3 m，排土台阶顶面留3%左右的反向坡。夜间作业时，设置照明设施。排土场总堆置高度为84 m，共分4层堆置，第一层排土场标高为-48 m，第二层排土-24 m，第三层排土标高为0 m，第四层排土标高为+12 m。排土场固定运输道路沿和尚桥采场北面采场内布置。

3.5 内排进度计划

根据和尚桥铁矿临时排土场采剥进度计划及排产计划，结合排土场的现状，具体安排排土场排弃进度计划如下：

（1）第一层-72～-48 m 台阶的容积为244.9万m3，沿-48m 标高向东、南2 个方向修筑排土道路，本层可利用采场内的岩土由南向北修筑路堤，尽快使南北路堤贯通，满足排土要求。-72 m 底部堆排3 m 厚的大块岩石，排土场东部-96 m 矿坑利用采场或者临时排土场剥离的大块岩石和物料堆平压实。本层堆满需16个月。

（2）第二层-48～-24 m 台阶的容积为202.8万m3，利用采场内-24 m 宽台阶沿着排土场北面向西，再向南修筑路堤排土。根据临时排土场及采场采剥计划，为满足排土要求，-24 m 台阶北面保证安全的前提下提前修路堤。本台阶排满需14个月。

（3）第三层-24～0 m 台阶的容积为272.4 万m3，排土道路从内排土场-24 m 台阶修筑路堤至0 m 标高。截至第三年底本台阶排土量约为148.8 万m3，第四年主要在排土场东南面位置排土。

（4）第四层0～+12 m台阶的容积为123.0万m3，排土道路从排土场内部修筑路堤向+12 m 标高，由北向南排土。

4 内排土边坡稳定性分析

和尚桥内排土场的工程地质条件较为简单，排土高度较大，地表基岩较稳定，最可能出现的破坏方式为排土场本体坡面滑动。随堆排时间的延长，和尚桥内排土场会持续发生沉降，通过采用极限平衡法以1个月时间为计算目标，计算得出和尚桥内排土场沉降以竖向沉降为主导。自然条件下排土场边坡安全系数在1.282～1.676，地震条件下边坡安全系数在1.226～1.664。自然条件、降雨及地下水条件下排土场边坡处于基本稳定状态。