大型露天金属矿山深部开采技术研究.pdf

垒 砥 砖 山 MET AL MI NE 总 第3 4 9期 2 0 0 5 年 第 7期 大型露天金属矿 山深部 开采技术研 究 王进学 王家臣 董卫军 吉兆宁 1 ． 中国矿业大学 北京校 区 ； 2 ． 北京矿冶研 究总院 摘要通过 系统研究 ， 提 出了眼前山铁矿深部矿体的合理开采方式 ， 并对露天转地下开采过程中生产能力 的衔接 ， 开采方式的平稳过渡 ， 地下开采首采 区的选择 ， 矿 山生产规模 的确定 ， 采矿方法 的选择以及边坡 下压帮矿 量的回采进行了论证， 得到了眼前山铁矿深部矿体开采的系统优化方案。 关键词露天开采地下开采过渡期 S t ud y o f De e p M i n i n g Te c h n o l o g y o f La r g e - s c a l e Op e n c a s t M e t a l M i n e Wa n g J i n x u e Wa n g J i a c h e n D o n g We i j u n J i Z h a o n i n g 1 ． C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ifi n g ； 2 ． B e i j i n g G e n e r a l I n s t i t u t e ofMi n i n g a n d Me t a l l u r g y Ab s t r a c t Th r o u g h t h e a y s t e mi c r e s e a r c h，a r a t i o n a l mi n i n g mo d e f o r t h e d e e p o r e b o d y i n Ya n q i a n s h a n I r o n Mi n e w a s b r o u g h t u p ． T h e f o l l o wi n g s we r e s u ffi c i e n t l y d e mo n s t r a t e dp r o d u c t i v e c a p a c i t y，s l i n k i n g wh e n t h e o p e n c a s t mi n i n g c h a n g e s t o t h e u n d e r g r o u n d mi n i n g，s mo o t h t r a n s i t i o n o f t h e mi n i n g mo d e ，s e l e c t i o n o f t h e f i r s t u n d e r g r o u n d mi n i n g s e e t i o n，d e t e r mi n a t i o n o f mi n e p r o d u c t i o n s c a l e，s e l e c t i o n o f mi n i n g me t h o d s a n d s t o p i n g o f s i d e o r e b o d y u n d e r t h e h i g h w a l l s l o p e ．S o t h e s y s t e ma t i c i mp r o v i n g s c h e me o f t h e d e e p o r e b o d y mi n i n g i n Ya n q i a n s h a n I r o n Mi n e wa s g a i n e d ． Ke y wo r d s Op e n c a s t mi n i n g ，Un d e r gro u n d mi n i n g ，T r a n s i t i o n p e r i o d 露天开采是我国金属矿山资源的主要 回采方 式 ， 露天采出资源量 占总回采量的 9 0 ％左右。露天 开采尽管具有生产条件好 、 安全高效 、 资源回收率高 等优点 ， 但随着服务年限的延伸， 采深逐渐增大 ， 我 国很多早期的露天矿面临深部开采的技术安全和经 济效益的问题 ， 是矿山亟待解决 的可持续发展的关 键问题。 1 矿 山开采现状 眼前山矿区矿石主要为磁铁石英岩 ， 2 0 0 3年底 保有地质储量 3 ． 6 5亿 t 一 6 1 7 m以上标高 ， 其 中 B C级储量 2 ． 2亿 t ， D级储量 1 ． 4 5亿 t ， 平均地质 品位为 2 9 ． 7 6 ％， 是典型的低品位大储量矿 山。采 区内出露 3 层矿层 ， 划分为 1 、 2 、 3号矿体 ， 3个矿体 间平行展开， 均呈单斜构造。走 向 2 7 0 。 ～3 0 0 。 ， 倾 向北东， 倾角一般 7 0 。一 9 0 。 。矿体 以厚大层状产 出， 产状稳定 ， 水文地质条件简单 ， 开采条件较好。1 号矿体全长 1 7 4 7 m， 厚度 2 3～ 1 9 7 m， 工业矿体平 均厚度 1 0 6 m。2号矿体全长 3 6 4 m， 厚 度 5～ l 4 m， 工业矿体平均厚度 9 m。3号矿体全长 1 0 2 0 i n ， 厚度4 ． 5～2 1 in， 工业矿体平均厚度 1 0 ． 6 in。 眼前山露天矿封闭圈标高为 8 1 in， 回采最终 ．1 4 ． 境界为 一1 8 3 in 原设计为 一1 9 5 in ， 边坡垂直高度 2 6 4 in。矿山现回采标高 为 一l l l in， 年采剥 总量为 6 0 0万 t ， 其中 矿石 2 0 0万 t／ a ， 岩石4 0 0万 t ／ a ， 至回 采最终境界标高可采 7年左右。 2 回采方式研究 根据矿体的赋存条件 ， 深部矿体可能的回采方 式有露天开采和地下开采。 2 ． 1 露天开采 依据矿体条件、 地质地形条件 、 年开采强度、 生 产服务年限等条件 ， 圈定露天开采境界， 见表 1 。 经计算 ， 该开采方式总投资 4 ． 0 6亿元 ， 露天开 采服务年限 3 2年 ， 由于扩帮生产前 l 4年没有采 出 矿石 ， 几乎全部为剥岩， 矿山累计亏损 1 1 ． 6 4亿元 ， 平均每年亏损 8 3 1 1万元， 在全生产期内， 矿山利润 为负值。另外 ， 随着开采深度的增加， 露天边坡不断 向矿坑内收敛 ， 造成巨大的压帮矿量 ， 降低露天开采 的矿石回收率 ， 也为进一步的压帮矿量 回采增加了 难度。开采到最终境界 ， 露天边坡垂直高度将超过 王进学 1 9 6 8 一 ， 男 ， 中国矿业大学 北 京校区 资源与安全工程学 院， 博士生 ， 1 0 0 0 8 3北京市海淀区学院路丁 1 1 号。 维普资讯 王进学等 大型露天金属矿 山深部开采技术研究 2 0 0 5年第 7期 4 0 0 m， 露天边坡的稳定难 以保障， 为保障生产的安 全进行 ， 生产期间必然会大大增加边坡 的安全维护 费用。故该开采方式不可行。 表 1 露天开采境界 指 标 参数 境界最高标高／ m 露天底标高／ m 边坡垂高 按封闭圈计 ／ m 境界尺寸上口 按封闭圈计 ／ m m 境界尺寸下口 露天底 ／ m m 封闭圈标高／ m 境界内矿岩量 矿石／ 万 t 岩石／ 万 t 总量／ 万 t 平均剥采比／ t - t 2 ． 2 地下开采 论证分析表明， 眼前山铁矿深部矿体继续采用 露天开采方式 ， 需要进行大量的扩帮剥岩工作 ， 经济 上不可行 ， 而采用地下开采 ， 可 以减少开拓工作量 ， 是深层地下资源回收的主要开采方式。露天转地下 开采 ， 开采界限的划分应本着充分发挥露天开采优 越性的原则， 并确定合理的露天转地下开采过渡方 式 ， 合理调节过渡期间复杂的时空关系， 保证生产过 渡期间开采方式和产量的衔接。 将眼前山铁矿 一1 8 3 m～ 一 6 1 7 m矿体分为两 期地下开采 ， 本方案研究 一 3 0 5 m以上部分作为前 期开采 内容， 开采范围内地质储量 1 ． 3 9亿 t ， 生产服 务年限 3 5年 其中 基建期 4年 ， 开拓系统采用竖 井箕斗提升方案， 建设投资 5 ． 7 5亿元 ， 投资回收期 8 ． 2 4 年， 内部收益率 1 5 ． 7 2 ％ ， 税后利润率 2 1 ． 7 2 ％， 税前利润率 3 4 ． 3 1 ％ ， 具有较好的经济效益。 3 地下开采方案研究 3 ． 1 生产规模 眼前山矿地质储量巨大 ， 适合于大规模开采方 式 。根据美国“ 采矿工程手册” 1 9 9 2年推荐的公式 ， 计算眼前山铁矿最佳生产能力为 T4 ． 8 8 4 ． 8 8 2 2 0 0 0 x 1 ． 1 0 2 3 8 6 0 ． 3 2 X 1 0 t／ a ， 式 中， 为矿山最优生产能力 ， t／ d； T r 为证实的和可 能的两级地质储量t ， 此处采用眼前 山矿床的实 际控制储量。 考虑我 国矿 山企业的经济实力、 技术装备水平 和企业管理水平 ， 眼前 山地下开采能力确定为 4 0 0 万 t／ a ， 保证矿山高产高效 ， 有合理的生产服务年限 ， 同时可以使露天转地下开采能够顺利地衔接。 3 ． 2 首采区及回采顺序 露天矿闭坑转入地下开采后 ， 应尽快 回收露天 坑底境界以上的边坡下压帮矿量 ， 同时应满足过渡 期间矿山的生产能力要求 ， 因此选择合理的首采 区 段是露采转地采的关键。本矿以露天采场东端帮矿 段 Ⅶ 一 Ⅸ线附近 为首采 区。开采 一1 0 0 m至 一 2 0 0 m中段之间的矿体 ， 总矿量 1 1 2 8万 t ， 可采储量 9 0 0万 t ， 回采期 4年。该矿段与露天上下盘压帮矿 量同时回采 ， 总产量满足过渡期间产量要求。整体 回采顺序为由西向东推进 。 3 3 露天闭坑前的产量衔接 露天开采闭坑前 ， 需保证矿山的生产能力不低 于现有产量， 而闭坑前由于坑底境界缩小 ， 使得工作 面产量减小 ， 因此需要 由其它可采储量的同步开采 进行补偿 。 目前矿山是按 1 9 9 9年鞍钢矿业公 司设计 院编 制的 眼前山铁矿采场西南帮分期开采及规模调整 方案设计 组织生产， 该设计 一期西端帮境界是在 原设计基础上缩小的， 西端 帮境界并非终了境 界。 二期开采境界内共圈定矿石 6 5 8 万 t ， 赤铁矿 2 3 1 万 t ， 岩石 2 3 0 6万 t 。平均剥采 比 3 ． 8 6 t ／ t ， 可使矿 山 延长服务年限 3年以上。恢复二期露天开采具有以 下优点 第一 、 可延长矿山露天开采服务年限； 第二、 二期开采与一期开采 同步进行 ， 保证露天开采生产 能力持续稳定 ， 当一期 一1 8 3 m水平开采完毕， 结束 整个露天开采 。第三 、 二期剥离的岩石可以内排， 作 为露天坑底的垫层 。考虑到眼前 山铁矿床品位较 低， 为确保露天开采的经济效益 ， 扩帮剥采比控制在 2 ． 0 t／ t 以下 ， 采出矿石 1 0 0万 t ， 岩石 2 0 0万 t 。 3 ． 4 露天坑底垫层的形成 由于露 天闭坑后坑底部矿石的回采采用崩落 法， 为防止回采时与露天坑通透而产生漏风 、 漏水等 事故 ， 应事先在露天坑底铺设不小于 1 5 m的岩石垫 层。该垫层 由露天矿尾期生产中产生的岩石内排形 成。 3 ． 5 首采区生产能力和采矿方法 该首采区段位于东端帮以东至Ⅸ线 一1 0 0 m一 一 2 0 0 m 中段之 间， 一1 0 0 m水平矿体平 面尺寸为 1 9 0 m1 8 0 m， 一 2 0 0 n l 水平矿体平面尺寸为4 7 0 m X 1 9 0 m， 地质储量为 1 1 2 8万 t 。 采用无底柱分段崩落法进行矿体回采 ， 进路垂 直矿体走向布置 ， 从矿体上 、 下盘后退式 回采， 分段 1 5 l 9 耀7 1 “讲吣一 叭 一 一 ～ ～ 引 6 弭 饥 维普资讯 总第3 4 9期 金 属 矿 山 2 0 0 5年第 7期 高度 1 5 m， 进路间距 2 0 m。1 0条进路就可实现年 产矿石 1 5 0万 t ， 而该首采区 一1 0 0 m水平面积为最 小 ， 可布置进路 3 6条 ， 完全满足生产能力的要求。 3 ． 6 过渡期产量衔接 露天闭坑停产后， 立即转入地下开采。过渡期 间地下开采由两个生产区域组成， 即北帮边坡下压 帮矿量开采和东端帮矿体开采， 其产量安排见表 2 。 表 2 过渡期产量安排 4 过渡期间边坡下矿体的回采 露天回采结束后 ， 应立即回采边坡下压帮矿量。 眼前山铁矿由于矿石品位较低 ， 生产过程中多次修 改露天境界 ， 形成了大量边坡下矿体需要用地下方 法采出， 南 、 北边帮及底板顶柱矿石储量为 1 1 4 5万 t ， 其中北边帮储量为 8 2 2万 t ， 矿体厚大， 为主要可 采储量。 露天矿闭坑后， 北帮与东端帮首采区同时开采 ， 北帮实行两分段同时作业 ， 可实现年产矿石 1 5 0万 t／ a 的生产能力 ， 连续开采 4年 ， 满足过渡开采期间 的产量要求。 5结论 针对眼前山铁矿的现状 、 矿体开采技术条件， 经 过系统研究和分析， 对眼前 山铁矿深部开采方式得 出以下几点结论 1 眼前山矿 目前露天开采深度已经较深 ， 生 产效率低 ， 经济效益差。设计露天矿最终境界 一 1 8 3 ／／ 1 ， 深部矿体若继续采用露天开采方式 ， 将导致资源 回收率低， 且矿山长期亏损 ， 经济上不可行 ， 采用地 采可 以获得较好的经济效益。 2 本研究从市场需求 、 技术可行性和经济合 理性等多方面对矿山生产规模进行论证和分析 ， 确 定矿山生产规模为 4 0 0万 t ／ a ， 前期开采 一 3 0 5 i n水 平以上矿石， 生 产服务年限 3 5年 其 中 基建期 4 年 。 3 眼前山矿矿石 品位低 ， 储量 巨大， 适宜采用 大规模高效率的地下开采技术方案。经综合论证， 提出了以东端帮为首采区的生产过渡方案 ， 在露天 矿闭坑后 ， 矿 山生产能力 只用 2年就 平稳过 渡到 4 0 0万 t ／ a 。研究推荐采用竖井箕斗提升开拓方式 ， 采矿方法选用大间距的无底柱分段崩落法 ， 主要采 掘设备采用大型高效的无轨设备 。 4 通过露天 、 边帮矿体 回采的优化方案研究， 解决了露天转地下开采期间矿山生产能力的平稳过 渡， 充分利用露天开采后期的剥岩量 ， 形成露天坑底 的有效垫层 。 5 通过设计方案的技术经济分析， 矿 山基建 投资约 5 ． 7 5亿元 ， 投资回收期 8 ． 2 4年， 内部收益率 1 5 ． 7 2 ％， 税 后 利 润 率 2 1 ． 7 2 ％ ， 税 前 利 润 率 3 4 ． 3 1 ％， 矿山投产后有较好的经济效益。 6 大型露天矿转入地下开采后， 仍然存在很 多技术上的难题。开采边帮压帮矿量时必须充分考 虑露天边坡的地压变化情况 ， 及时处理边坡。地下 开采时露天境界底部合理顶柱厚度的确定 ， 以及露 天矿整体边坡的永久处理等问题 ， 需要进一步的试 验和理论研究。 参考文献 1 宋卫东 ， 李勇， 匡忠祥 ， 等 ．大冶铁矿东露天转地下开采生产规 模优化研究 ．金属矿山， 2 0 0 4 1 2 91 1 收稿 日期2 0 0 5 - 0 5 - l 1 上接第 1 3页 参考文献 本着“ 查 、 探 、 隔、 放” 相结合 的治理原则 。即 做好 1采矿 手册 编写 组． 采 矿手册． 北京 冶金工 业出 版 社， 1 9 8 9 矿区水文地质调查工作； 用超前钻孔探水； 采用防水 2 吕 广 忠， 石银堂 东河湾铁矿井下涌水 治理研究 金属矿山， 墙 ． 、 水 酱 曼 华 3 ，李1 夕3 兵 1，4赵 国 彦 ． 大 水 矿 床 残 矿 开 采 技 术 研 究 ． 金 属 矿 干 ， 消除隐患。对注浆难度大或注浆没有效果的积 2 3 4 11～ 1 3 一 。 。 水区 、 含水层， 应先封堵避开 ， 等研究出新的可行方 4 姚志 强． 太湖地 域百米厚层表土 冻结法凿 井实践． 金属矿山， 案后再进行治理。 2 0 0 3 5 1 2 ～1 4 此外 ， 成立严密的灾害救援组织机构和过硬的 5 黄 志伟， 张 炳旭 全尾砂分级充填新工艺的研究 金属 矿山， 救灾队伍 ， 确保安全生产万无一失。 2 0 0 4 6 6 5 6 7 收稿 日期2 0 0 5 -06 -02 1 6 维普资讯