急倾斜大型矿体露天开采扩帮延深和剥岩内排的探讨

范立军，张 军，曾朋毅

(本钢矿业公司，辽宁 本溪 117000)

0 引言

在倾斜急倾斜大型矿体露天开采单一采坑开采过程中，因缺少岩石内排方案指导，没有实施开采剥岩与内排岩石同步进行，最终留下一个采矿“大坑”。因此在露天矿山开采周期内存在这样一个潜在的效益增长点，即将采矿“大坑”作为资源升级利用[1]，探讨利用“大坑”内排当期剥离岩石发挥其价值，成为创造经济效益和社会效益的新增长点。

1 矿山现状

实践矿山的矿体属“鞍山式”沉积变质型铁矿床，矿床由Fe8、Fe7、Fe6三条铁矿体组成，其中Fe8、Fe7矿体规模较大，是主要开采矿体，平面上呈“r”字型分布(见图1)，矿体走向近南北，走向长度700～1 300 m，倾向近西，倾角60°～80°，属急倾斜矿体，延深控制标高-650 m，绝对高差850 m。Fe7号矿体水平厚度10.60～68.84 m，平均厚度36.51 m，Fe8号矿体水平厚度25～135 m，平均厚度52 m，其中Fe8号矿体北部厚大，最大水平厚度153 m，延深方向形态稳定，该部位分台阶矿石量136万t，是该矿床矿体最厚大部位。全矿床铁矿石资源量1.56亿t，平均品位25%～28%，矿体开采规划0 m以上露天开采，公路开拓系统，台阶高度12 m，开采矿石量4 370万t，封闭圈标高108 m，产能400万t/a[2]；0 m以下地下开采，地质矿量1.03亿t，竖井+斜坡道联合开拓，无底柱分段崩落法采矿，设计产能400万t/a[3]。当前，Fe7号矿体露天开采已闭坑(采至0 m露天境界底)，Fe8号矿体南端部已延深至0 m露天境界底，中部台阶24 m，北部扩帮区现有两个台阶60 m和48 m，掘沟为48～36 m台阶，境界内剩余可矿石量350万t，矿山露天开采设有三座排土场，均已排满停用，其中3号排土场位于采矿场上盘西侧，排土标高为229 m。矿山正在开展露天转地下开采过渡工作以及过渡期矿石量的准备工作。

图1 Fe7号矿(右侧)和Fe8号(左侧)位置

2 矿山开采面临的问题

矿山开采包括露天开采和地下开采两部分，当前露天开采已到末期，境界内剩余矿石量不足1年，地下开采设计基建期4年，露天开采转地下开采平稳过渡面临问题如下：

1)露天开采转地下开采过渡期矿石量不足。露天开采境界内0 m露天底以上剩余矿石量350万t；矿山外排土场内矿石资源回收产能50万t/a。对照400万t/a计划产量，采场矿石量加上外排土场回收矿石产量，年总矿石产量仅能满足1年生产需要。地下开采基建工程刚开始，设计建设期4年，基建期第3年带矿10万t，第四年带矿30万t。对照矿山需求矿石量计算，矿石量有3年缺口，缺少矿石量1 010万t。

2)露天开采扩帮延深剥岩无排土场。矿山Fe8号矿体北部扩帮延深面临的问题是，矿山的原外排土场已排满，新征地设外排土场，受土地政策限制无法实现，矿山扩帮延深剥岩没有土场容纳，制约矿山排岩。

3)露天转地下开采无实施岩石覆盖层的经济方案。矿山开采是上部矿体采用露天开采、下部矿体采用地下开采，将由现在的露天开采转为地下开采，采用无底柱分段崩落法采矿，安全采矿和均衡放矿等技术均要求在覆盖层下进行放矿，首个进路回采放矿前需要在露天底形成不小于40 m厚度的岩石覆盖层(见图2)，并且在生产过程中，矿山应控制覆盖层厚度不小于36 m[3]。当前，从外排土场取岩石内排露天采坑不经济，没有实施岩石覆盖层的经济方案。

图2 地下开采岩石覆盖层

4)矿山上盘外排土场压覆扩帮境界。矿山Fe8号矿体北部扩帮延深需要外扩，矿山的上盘土场压入扩帮界线内60 m，同时土场底脚线与露天开采境界的间距需满足冶金矿山排土场设计规范要求留40 m以上的宽平台。这样，上盘土场压覆扩帮一部分区域，原外排土场部分岩石需要搬迁。

3 扩帮延深和岩石内排的可行性

扩帮延深境界的范围考虑多个因素，其中包括经济合理剥采比[3]，矿山过渡期需求矿石量、剥岩量和土场搬迁岩石量之和不大于最大内排空间容量及覆盖层需求岩石量等。通过方案比较后分析确定扩帮延深境界。

3.1 扩帮延深和内排部位的选择

1)Fe8号矿体北部矿体厚大，厚度85～135 m，走向长350 m，分层矿量较大，选为扩帮延深区域，能最大限度满足矿山开采规模的要求。

2)Fe8号矿体北部当前最低生产作业水平是36 m，端部生产标高108 m，没有形成高陡边坡，有利扩帮连帮，有利实现平均生产剥采比低于经济合理剥采比。

3)上盘土场紧邻Fe8号矿体北部区域的堆排岩量较少，土场边坡较缓，土场边界与扩帮延深境界重叠部位的二次倒运方量可控。

4)在Fe7号矿体800 m长的露天矿坑和Fe8号矿体中南部600 m长的露天矿坑设内排土场，最低排岩标高0 m，最高排岩标高160 m，内排土场与扩帮延深开采作业互不干扰。

3.2 露天开采扩帮延深的原则

1)以扩帮延深区范围内工业矿量为基础，以矿山开采有盈利为目的，满足扩帮延深境界剥采比小于等于经济合理剥采比6.0 t/t要求。

2)发挥露天开采的优点，尽可能把较多的矿石圈定在露天开采的境界内。

3)露天采场的最终边坡角不大于边坡稳定性分析所允许的边坡角度，保证露天采场生产期间边坡处于稳定可控状态。

4)考虑上盘土场的影响和下盘生态红线的限制，采场扩帮延深范围不能进限制区域。

5)利用露天开采剥岩为地下开采设置岩石覆盖层，露天开采剥岩与内排空间容量实现剥岩与内排量的统一[4]。

4 扩帮延深方案

根据矿体赋存条件、边坡稳定性研究成果、边坡出露岩体稳定状况、采坑空间形状、矿区已有设施的分布，编制Fe8矿体北部扩帮延深方案设计，尽可能稳产400万t/a的矿石规模，延长露天开采服务年限，为露天转地下开采过渡期提供较充足可采矿石量。

4.1 扩帮延深方案的选择

确定露天开采扩帮延深境界的目标是实现露天开采采矿量最大。采用2个方案进行比较，方案一是扩帮延深至-60 m境界方案，方案二是扩帮延深至-72 m境界方案，2个方案分层矿石量、岩石量对比见表1。采用自上而下的逐台阶开采方法，土场压占区域局部采用陡帮开采，分两个条带延深，靠采场原边坡处布置首个采掘工作线，作业方向为由南端和北端两个方向向中部推进。

表1 方案一和方案二各台阶矿岩量对比

露天底-60 m时，平均剥采比2.85 t/t。露天底-72 m时，平均剥采比2.76 t/t。露天底由-60 m降至-72 m，平均剥采比2.76 t/t，多采矿石148.78万t，多剥岩石295.08万t，境界剥采比1.98 t/t。延深开采剥采比变化不大，反映出经济上没有趋向于不利，而开采矿石量的增加有利矿山延续露天开采，继续延深受上盘土场二次倒方岩石量增大、内排土场容量限制以及下盘生态红线制约不能再外扩境界，只能最大限度保证露天开采转地下开采过渡期内矿石满足需要。因此，选用方案二即-72 m露天底作为扩帮延深方案。图3为原境界开采终了图，图4为扩帮延深开采终了图。

图3 原境界开采终了图(0 m露天底)

图4 扩帮延深开采终了图(-72 m露天底)

4.2 剥岩内排土场

内排土场采用自卸卡车配合推土机进行排土作业，排土过程中先形成地下开采覆盖层再进行正常岩石排土作业，Fe8号矿体北部扩帮延深部位覆盖层，由内排岩石倒方形成。按规范要求原上盘排土场底脚与扩帮地表周界之间留40 m平台的安全距离，第四系土严禁在内排土场排弃，要求作为矿山复垦土使用另行堆存。

内排土场总体布置为中部低，南、北部高。单段排土高度为24 m，分为144、120、96、72、48、24 m共6个排土台阶，总堆置高度为144 m，各排土台阶之间留有不少于30 m的安全平台，台阶坡面角为岩石自然安息角，总体边坡角不大于22°，满足土场边坡稳定性分析要求[5]。内排土场容积为1 902万m3(折合岩石3 800万t)，满足扩帮延深开采全部剥岩量内排的要求。图5为内排土场终了模型。

图5 内排土场终了模型

4.3 开拓运输系统布置

扩帮延深的总出入沟设在Fe8号矿体北端部108 m，向东与7号矿坑北端连通，用于近距运输并内排岩石；向下与回返+螺旋式布置的固定公路连接并延深至露天底；向南与过渡帮上临时公路连接到达0 m露天底。三个方向的公路保证分区开采剥岩满足“高标高排、低标低标”的排岩总原则；Fe8号矿体北端帮采出矿石经总出入沟直接运往选矿厂，生产开采与岩石内排互不影响。

4.4 排采验证

采用专用软件进行采剥进度计划的模拟，依据结果，第1年采剥总量为1 650万t，其中矿石量350万t，岩石量1 300万t，生产剥采比3.71 t/t；第2年采剥总量为1 550万t，其中矿石量350万t，岩石量1 200万t，生产剥采比3.43 t/t；第3年采剥总量为1 050万t，其中矿石量350万t，岩石量700万t，生产剥采比2.0 t/t；第4年采剥总量为820万t，其中矿石量300万t，岩石量520万t，生产剥采比1.73 t/t。露天开采服务年限4年，稳产年限3年。

4.5 效益分析

1)经济效益。经济效益主要体现在矿山内排剥岩运距比矿山剥岩外排运距缩短明显，剥岩内排就是将剥岩从采场的一端搬运到另一端，汽车运输中平坡短而且爬升高差小，运距就近；对照剥岩外排就是将剥岩从采场内搬运到采场外，汽车运输中平坡长而且爬升高差大、运距远。实施内排的两个案例矿山内排土场运距比外排土场运距缩短2.23 km，内排剥岩6 840万t，运输单价0.76元/吨千米，总经济效益11 600万元。

2)社会效益。社会效益主要体现在矿山内排剥岩减少碳排放量、减少压占绿地面积，同时内排土场稳定性好于外排土场，避免社会长期追加维护费用。实施内排的两个案例矿山，运距缩短和内排剥岩同上，汽车柴油单耗0.960公斤/万吨公里，柴油汽车排放CO2单位3.1863 t(CO2)/t(柴油)，内排剥岩减少碳排放量4.67万吨CO2，减少压占绿地面积49.74万平方米。

5 结语

在急倾斜大型矿体露天开采中，结合矿体赋存、采坑形状、矿山装备水平等特点，在露天采场终了境界内探讨技术经济上可行的开采与剥岩内排生产之间协调统一的方法，用于长期指导矿山生产，从源头上既能降低矿山运营成本、降低碳排放量，又能减少外排剥岩实现减少压占绿地面积，降低矿山开采对周边环境的影响，助力矿山绿色高效发展。