大孤山铁矿露天转地下过渡期开采境界细部优化

范晓明 任凤玉 肖 冬 丁航行 毛亚纯

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819；2.鞍钢集团鞍千矿业有限责任公司，鞍山 114043）

目前国内约九成的露天矿均已进入深部开采，其中许多深凹露天矿正陆续转入地下开采。在露天转地下开采的过渡期，露天生产与地下生产往往相互干扰，经常导致安全生产条件差和产量衔接困难［1-8］。露天转地下过渡期为露天地下同时开采期，露天一般开采深部矿体，地下一般开采挂帮矿体。对于露天转地下开采的金属矿山，过渡期优化露天境界是为了能够合理利用露天开采与地下开采各自工艺的特长，便于实现露天转地下平稳而高效地过渡，并使露天开采和地下开采的总效益最大化。因此，合理地确定露天转地下的开采境界，使露天生产效率和地下生产效率达到最优，对矿山企业的运营与发展意义重大［9-14］。

本研究结合大孤山铁矿，从露天地下协同开采的原则与过渡期产量平稳衔接要求出发，采用SURPAC三维采矿设计软件，通过调整露天开采工艺，减小明显不合理的境界剥采比，由此实现露天开采境界的细部优化。优化后的境界，有利于露天开拓优势的发挥，并可充分利用矿山的露采工程。

1 大孤山铁矿露天境界适应性分析

大孤山铁矿床位于千山山脉西北缘，地貌属丘陵地形，包括大孤山采区与小孤山采区，其中小孤山采区地层位于大孤山采区矿体上盘绿泥石英片岩中，与大孤山矿体最近距离仅100 m。目前大孤山采区与小孤山采区利用同一露天采场开采。露天开采区域的增大，为应用露天地下协同开采方法提供了方便。

将大孤山铁矿2015年底露天开采境界与原设计露天最终境界绘制在同一SURPAC模型中，可直观看出待采剥矿岩体的空间形态（图1）。

通过对大孤山三维地质模型及典型剖面进行研究，可以看出，大孤山铁矿原露天境界主要存在以下两点不足：

（1）大孤山露天转地下过渡期地下产能主要由东帮挂帮矿提供，按原设计境界，露天开采最低水平为-486 m，坑底东西向宽度95 m。以典型VI线剖面为例，东帮挂帮矿上窄下宽，高度仅84 m（图2）。挂帮矿量少、高度低，应用诱导冒落法开采的条件差，将导致地下开采的产量低、产能增长慢，致使过渡期产量衔接困难。

（2）按照大孤山原露天境界设计，需要将大孤山采区与小孤山采区贯通，大孤山采区与小孤山采区之间的衔接岩体需要剥离。该部分岩体体积巨大（图3），造成剥岩量大，但采出矿石量小。这样会增大露天矿后期的剥采比，不符合协同开采中的露天陡帮开采原则。

2 大孤山铁矿露天境界优化

按露天地下协同开采要求，露天陡帮开采下盘侧矿体，留下上盘侧挂帮矿应用诱导冒落法开采。为提高开采效率，需要按露天地下开采的便利条件与回采指标，比选择优确定露天与地下开采的细部境界，以实现境界矿体开采效益的最大化。针对原设计露天开采境界存在的上述不足，采取如下2种技术改进措施来改善过渡期协同开采条件，并使露天开采境界得到细部优化。

2.1 小孤山采区露天独立延深开采

针对大孤山采区与小孤山采区衔接部位剥离岩量过大的问题，提出大孤山采区和小孤山采区不贯通，在保证大孤山采区和小孤山采区矿石产量稳定的前提下，尽量少剥离衔接部位的岩石，以此减少剥采比（图4）。根据矿体形态，设计小孤山采区开挖独立的露天坑，在与大孤山采区衔接部位留下岩柱。在小孤山采区西部，露天坑北帮留设运输平台，经该平台小孤山采区公路与大孤山采区公路相连，构成完整的运输系统。通过比选，将运输平台留设于-222 m水平的露天坑的北帮、小孤山采区西部，将-222 m水平设为单独开挖小孤山露天坑水平（图5）。

具体地说，小孤山采区按目前方法由上向下分台阶开采，当采至-222 m水平时，在大露天坑的北帮，小孤山采区的西部，留设运输平台。由该平台继续向下开采小孤山矿体，下面台阶不再与大孤山采区直接联通，留下衔接部位的岩体。小孤山采区由-222 m水平开始独立延深开采，由于周围岩体种类较多，有花岗岩和绿泥石英片岩等，岩体稳定性差别大，最终边坡角可依岩体稳定性取40°～60°，依据小汪沟铁矿的生产经验，采用挖掘机进行装载作业，坑底最小工作面宽度可取为20 m，由此确定的坑底水平为-282 m。小孤山独立露天坑由-222 m至-282 m，坑深60 m，台阶高度12 m，共设5个台阶，其中-222 m水平至-246 m水平2个台阶并帮，-246 m水平设置清理平台，宽度8 m，-246 m水平至-282 m水平的3个台阶并帮。由-222 m水平运输平台向东开掘进入小孤山矿体的出入沟，公路宽度16 m，转弯半径20 m，坡度为11°。-222 m水平设置独立露天坑入口，坑底标高-282 m，公路由-222 m水平顺时针盘旋至-270 m水平，在-270 m水平进行折返；由-270 m水平逆时针盘旋至-282 m水平。

2.2 大孤山采区东帮境界西移

根据I、VI、VII线剖面图分析，如果保持原设计的露天坑底标高不变，而将露天东帮最终境界向西移动，将留下的东部挂帮矿应用诱导冒落法开采，则可大幅度减少剥岩量，降低剥采比。同时东部挂帮矿利用诱导冒落法开采，可以减小凿岩与爆破费用，因此可有效降低地采成本。通过设计合理的东帮界限，使露天坑深部露采成本较高的挂帮矿转入地下用成本较低的诱导冒落法开采，可实现总体成本的最低化。根据边坡调查报告，由岩体稳定性确定大孤山露天坑东帮最终坡度角为40°～50°。经过初步分析，可将东帮最终境界向西移动50 m，将坑底由-486 m水平提高到-474 m水平，西移后的露天最终境界如图6所示，可显著减小剥岩量。

3 露天境界优化结果分析

利用SURPAC软件，对优化前后的采剥矿岩形态进行建模，采用布尔运算，可算出优化后的大、小孤山采区的少剥岩模型（图7）。

由图7计算得出，境界优化前后大孤山采区的采剥立方量，按矿石容重3.4 t/m3，废石容重2.7 t/m3计算，可得出优化前后采剥总量（表1）。

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由表1可知，采用优化后新境界，大孤山采区虽然少采708万t矿石，但可以少剥离废石2 389万t，这些矿量露天开采的剥采比为3.37∶1。转为地下开采后，这些矿量的绝大部分可作为诱导冒落矿量开采，只需要花费地下出矿与运输的费用即可采出，由此可大幅度降低采出成本。

此外，由图7计算得出，境界优化后小孤山采区剥离岩石量减少730万t，采出矿石量减少54万t。

采用大小孤山独立采坑和大孤山东帮边坡西移这两项措施后，大孤山铁矿露天开采境界见图8。

优化后境界对比原设计境界（图8），大小孤山共少采矿石762万t，少剥离岩石3 119万t。这部分矿石露天开采的平均剥采比为4∶1，由于剥采比过大经济不合理，如果转入地下开采，则可作为诱导冒落矿量回采，大幅度降低生产成本。

4 结论

（1）大孤山铁矿处于露天开采末期，按原设计境界，露天最终剥采比过高，且所留大孤山采区东端帮挂帮矿过小，将造成过渡期产量衔接困难。

（2）小孤山采区可从-222 m水平独立延深开采至-282 m水平，由此可显著降低境界剥采比。

（3）大孤山采区东端帮境界可比原设计向西平移50 m，由此减小境界剥采比且增大挂帮矿量，可为过渡期露天地下协同开采与产量平稳衔接创造条件。