酒钢西沟矿分期开采方案设计研究

许守信 陈 诚 颜威山 沈珍鹏(酒钢集团甘肃西沟矿业有限公司，甘肃 嘉峪关 735100)

酒钢西沟石灰石矿位于嘉峪关市西南约43 km处的祁连山北麓，矿区平均海拔2 800 m，占地面积25 km2，是一座中型现代化山坡露天矿。矿山始建于1959年，是酒钢唯一的熔剂石灰石生产基地。原有B系统的最大生产能力为年产石灰石成品矿225万t，已不能满足公司对石灰石原料的需求，因而于2011年9月启动了矿山技术改造项目，新建A系统于2015年正式投用，2016年具备年产石灰石成品矿500万t的生产能力。为了扩大采场开采境界，中冶北方工程技术有限公司在《西沟石灰石矿技术改造项目初步设计》中将东山头圈入采场最终开采境界内，并确定采场的开采顺序继续沿用以往自上而下分层全境界开采顺序。然而，在全境界开采顺序下，东山头开采过程中会对下部3 100 m工业场地设备及人员造成严重的安全隐患，同时，全境界开采使3 100 m工业场地的废弃时间延迟到20 a以后，存在一定的经济性问题，因此，很有必要研究采用分期开采技术以解决两难问题[1]。

1 采场分期开采的必要性

采场东山头地势险峻，山头垂直高度达到200 m以上，山体外露部分矿岩风化严重，裂隙十分发育，坡面悬浮大量难以处理的特大石块。山头东北边正下方为3 100 m工业场地，东南边的下方为3 180 m卷扬机工业场地以及上山公路群。

在“技术改造项目”启动前，西沟矿为了扩大境界和回采矿石曾尝试过几次阶段性的小规模处理，但每一次的尝试均因开采安全风险太大而被迫停止。

2011年4月至2013年5月，矿山按照“西沟矿技术改造项目采场境界设计”的要求对东山头3 308 m水平以上部分实施了处理，处理期间曾发生过数次滚石砸坏3 100 m工业场地设备设施的事故。在 3 320～3 308 m台阶推进到最东边、行将结束时，由于山坡悬浮的特大石块存在随时下落风险而被迫停止处理。在很长一段时间内，该公司相关部门及西沟矿尚不能提出有效解决方案。

因此，东山头作为露天开采境界的一部分，只要随着采场同时下降，则位于采场下部的工业场地、上山道路等就失去了天然的保护屏障。东山头边缘的爆破和铲装作业势必会引起超大石块滚落，将会严重威胁到3 100 m工业场地等作业场所的安全。只有在工业场地上部保留东山头，在工业场地停止使用后，再对东山头进行开采，才能彻底解决这一安全风险。为此，提出分期开采这一生产安全措施。

2 分期开采设计主要依据

(1)中国建筑材料工业地质勘查中心甘肃总队2003年2月提交的《甘肃省肃南裕固族自治县西沟矿区石灰岩矿补充勘探地质报告》。

(2)《扩能改造项目设计(初步设计和施工图设计)技术要求》与矿山生产现状资料。

(3)中冶北方工程技术有限公司完成的《技术改造项目初步设计》相关资料。

(4)西沟矿2015年末开采现状图。

3 分期开采方案

3.1 分期开采境界圈定

3.1.1 分期开采境界圈定原则

(1)以保证公司对工业石灰石500万t/a的长期需求为前提，以分期开采期内剥采比均衡、设备效率不降低、产能输出不降低、综合生产成本不增加为原则，合理布置一、二期采场境界。

(2)分期开采保持初步设计总体开采境界及现有开拓运输系统不变，分期开采后二期最终边帮境界与技术改造项目初步设计的开采境界相吻合。

(3)分期开采方案既能保证3 100 m工业场地的生产系统在报废前的安全，又能保证一期开采、二期开采均满足500万t/a的产能。

(4)现有系统和新系统的设备更新周期在10 a左右，因此，将东山头预留边帮台阶数量控制在7个以内，1#、2#溜井报废期拟定为2024年之前，报废后再实施二期开采，过渡期控制在5 a以内[2]。

(5)从东山头已经处理形成的3 308 m水平最高作业平台开始自上而下按12 m段高分期。

(6)圈定的一期露天开采境界的边坡角及边坡构成要素，不大于岩石力学计算推荐值，以确保露天采场的生产安全。

3.1.2 临时边帮边坡构成要素

(1)台阶高度。考虑到矿山现有的装备水平，结合岩石稳定性，确定本次设计的台阶高度为12 m。 3 284 m水平上部2个台阶按照单台阶预留，以下采用24 m并段的方式。

(2)一期境界边坡角。所确定的一期境界边坡角为34.4°。基于目前岩石力学资料的可靠程度，考虑生产爆破(或地震)和地下水对边坡稳定性的影响，安全系数限值Fs取为1.20，临时帮边坡高度相对较低，计算剖面边坡高度为84 m，总体边坡角度在34.4°～38.0°，安全系数大于1.471，边坡整体稳定性较好[3]。

(3)阶段坡面角。开采终了时阶段坡面角为65°，生产时阶段坡面角为70°。

(4)安全平台、清扫平台、运输平台宽度。3 284～3 236 m水平间的边帮采取24 m并段，在3 296 m、3 284 m、3 260 m水平留有宽度为15 m的安全、清扫平台。

临时帮上预留的运输道路为双车道，将3 296～ 3 236 m水平运输平台宽度设计为13 m，在道路间留有60 m以上的缓坡段。由于3 320～3 308 m台阶预留矿岩总量约1.5万t，汽车运输量较小，故将 3 308～3 296 m运输道路宽度设计为10 m的单车道。运输道路纵坡坡度为8%[4]。

3.1.3 境界圈定结果

到2015年年末，露天开采最终境界内122b+333级石灰石资源储量27 699.81万t，其中熔剂灰岩 24 464.94万t，水泥灰岩3 234.87万t；岩石 6 959.64万t。

根据酒钢“十三五”钢铁产量规划和周边市场石灰石需求预测， 测算2016—2028年分期开采13 a间石灰石总产量计划为6 100万t，其中，2016—2020年石灰石产量计划420万t/a；2021—2028年矿石产量计划500万t/a。

境界内3 320～3 212 m水平的矿石储量合计 7 874.67万t，岩石量合计3 206万t，按照92.5%的回采率，满足分期开采期间的6 525万t的地质矿量消耗需求，因此，将分期开采台阶确定在3 212 m水平以上。

根据前述圈定境界原则及边坡要素，本次设计对一期露天境界进行了圈定[5]。

圈定的一期露天境界见图1，露天开采一期境界圈定结果见表1。

图1 一期露天境界(单位：m)Fig.1 First stage of open-pit mining

表1 露天开采一期境界圈定结果Table 1 Results of the first stage of open-pit mining boundary

露天开采一期境界内122b+333级石灰石资源储量3 850.26万t，其中熔剂灰岩3 592.76万t，水泥灰岩257.5万t；岩石2 114.99万t。露天开采一次境界可利用各分层矿岩量见表2。

表2 露天开采一期境界可利用分层矿岩量Table 2 Amount of ore and rock of per valuable layer in the first stage of open-pit mining

东山头预留的122b+333级石灰石资源总储量704.97万t，其中熔剂灰岩513.23万t，水泥灰岩191.74万t；岩石88.42万t。东山头预留的可利用各分层矿岩量见表3。

表3 东山头预留的可利用分层矿岩量Table 3 Amount of ore and rock reserved of per valuable layer in the eastern hilltop

3.2 分期开采的服务年限

经编制采剥进度计划确定：

一期开采服务年限为8 a(2016—2023年)；

二期开采从2024年开始一直到露天开采结束，近45 a时间。其中东山头在二期开始5 a后，即2028年，东山头处理结束，矿山进入全境界开采阶段。

3.3 采剥进度计划的编制

3.3.1 编制采剥工作进度计划的依据

(1)西沟石灰石矿2015年底开采状态图。

(2)矿山规模为500万t/a。

(3)设计确定的露天开采境界内矿岩量表。

(4)设计确定的开拓运输系统、采矿方法及穿孔、铲装、运输设备选型，设备效率，4 m3电铲台年综合效率为100～120万t。

(5)最小工作平台宽度35 m。

(6)矿石回收率为92.5%。

3.3.2 采剥工作进度计划编制说明

(1)一期开采。一期境界的服务时间为2016—2023年。

2016—2020年计划：每年采矿420万t，合计采出矿量2 100万t(消耗地质矿量2 246万t)，排岩量1 575万t(含矿石损失排岩量)。2020年年末，主采场内3 260 m水平以上台阶矿石量1 821万t、岩石量1 384万t全部采剥完毕，采出矿石1 703万t，排岩 1 466万t。同时，3 260～3 248 m台阶采出矿石346万t(消耗地质矿量370万t)、排岩93万t，3 248～ 3 236 m台阶采出矿石51万t(消耗地质矿量55万t)、排岩16万t。

2021—2023年计划：每年采矿500万t，采矿量 1 500万t(消耗地质矿量1 604万t)，剥岩量790万t(含矿石损失)。2023年年末，主采场内3 260～ 3 248 m台阶矿岩全部采剥完毕，采出矿石724万t(消耗地质矿量774万t)，排岩390万t。同时，3 248～3 236 m台阶采出矿石722万t(消耗地质矿量772万t)、排岩396万t。3 236～3 224 m台阶采出矿石54万t(消耗地质矿量58万t)、排岩4万t。

(2)二期开采。2023年年末，当一期开采结束时,1#、2#溜井及3 100 m平硐电机车运输、中粗破碎及B2以上胶带运输系统不能再使用，矿石生产将全部由新建A系统及B3以下胶带运输系统承担。由于A系统的粗破碎生产能力按500万t/a处理量设计(3#溜井及3#破碎机硐室按300万t/a处理量设计，4#溜井及4#破碎机硐室按不小于200万t/a处理量设计)，A系统的中破碎系统先按300万t/a处理量选择中破碎设备，因此，当B系统中破碎系统停止后，届时只需将A系统φ2 200 mm圆锥破碎机更换为HP800破碎机并采用短皮带将破碎后的部分矿石分流到B3胶带，其他设备不用任何改变，便可保持500万t/a的生产规模。因此，3 100 m生产系统的报废不会影响矿山500万t/a的生产规模。

一期境界开采结束后，东山头与主采场开采同步进行，以满足500万t/a产能为原则，分别编制东山头和主采场采剥计划。

(3)东山头采剥计划。到2024年二期开采时，东山头从3 320 m水平至3 236 m水平共预留7个台阶，矿岩总量793.38万t，其中矿石704.97万t(可回收659万t)、岩石88.41万t(实际排岩量135万t)，平均生产剥采比0.21t/t。汽车运输作业量为608 万t·km(其中矿石573万t·km、岩石25万t·km)。按照单台大车额定运输能力31.2万t·km、电铲100～120万t的年生产能力以及各台阶工作线长度，编制东山头逐年采剥计划。

2024年初，由于工作场地所限，只能允许1台电铲作业，配备2台大车进行矿岩运输；随着采剥工作的开展，工作场地逐步扩大，安排2台电铲作业，配备4台大车进行矿岩运输。

由于所有矿岩均需重车下行，因此，在施工过程中，道路必须严格按照设计要求施工，坡度不能大于8%，在适当的位置留设缓坡段，在所有道路外侧必须留设挡土堆，在必要的位置(例如弯道位置)留设挡土墙，保证矿岩安全运输。

2028年年末，东山头处理结束。

(4)主采场开采计划。2024—2028年，主采场3 212 m水平以上计划采矿量1 841万t(消耗原矿 1 970 万t)，剥岩740万t。

二期开采第5年年末(东山头处理结束)，采场状态见图2。

3.3.3 采剥工作进度计划编制结果

依据上述原则，编制采剥进度计划，一期开采服务8 a，二期开采服务5 a后，东部山头处理结束，矿山进入全境界开采阶段。

详细采剥进度计划如表4所示。

4 技术经济

4.1 安全效益

(1)采用分期开采方案能够从根本上消除东山头作业带给3 100 m工业场地的安全隐患，避免发生因东山头开采引起大石块滚落砸毁坏设备设施、长时间停产的严重事故，因此，分期开采具有难以估算的巨大安全效益。

(2)山北公路通行的车辆、人员，3 200 m卷扬系统设施设备、日常采场及3 100 m生产岗位相关人员通勤免遭采场东山头滚石带来的危害。

图2 二期开采第5年年末图(单位：m)Fig.2 Advancing chart at the end of the fifth year of the second stage mining

表4 采剥进度计划Table 4 Progress schedule for mining and stripping

4.2 成本效益

二期开采前5 a(东山头开采期间)，能够使西沟矿综合成本降低1 307万元。

5 结 论

分期开采较全境界开采能为矿山带来巨大的安全效益和可观的经济效益。《西沟矿分期开采方案设计研究》成果已被中冶北方工程技术有限公司采纳，为设计院进行分期开采正规设计提供技术支撑。通过分期开采方案设计研究，既节省了设计费用，又提高了采矿技术人员露天开采设计水平和编制采剥计划的能力。

[1] 查克兵.露天矿分期开采问题探讨[J].中国矿山工程，2005(3):20-22.

Cha Kebing.Some issues discussion on open-pit mine development in pase[J].China Mine Engineering，2005(3):20-22.

[2] 刘廷吉.露天矿分期开采的技术特征[J].中国矿业，1994(4):18-22.

Liu Tingji.Features of mining by stages in open-pits[J].China Mining Magazine,1994(4):18-22.

[3] 王运敏.现代采矿手册:中册[M].北京：冶金工业出版社，2011.

Wang Yunmin.Modern Mining Handbook:Middle Manual[M].Beijing:Metallurgical Industry Press，2011.

[4] 《采矿手册》编委会.采矿手册:第3卷[M].北京：冶金工业出版社，1990.

“Mining Handbook” Editorial Board.Mining Handbook：Vol.3[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,1990.

[5] 陈福元.露天矿分期开采的设计与研究[J].科学时代，2012(1):52-53.

Chen Fuyuan.Design and research of open-pit mine staging[J].Science Times,2012(1):18-22.