组合台阶陡帮开采在山西某露天铁矿的应用研究

孙明亮 郭 章

（铜源国际工程设计研究有限公司）

结合矿山近2 a 的生产实践以及相关理论知识和研究成果，重新论述了组合台阶开采的应用范围，并提出组合台阶开采中关于生产剥采比的均衡方法和思路，为矿山设计工作者和管理人员提供参考。

1 矿山概况

1.1 地质概况

矿区位于五台山西段的北麓，马鬃山南坡。区内群山起伏，山高坡陡。区内地形最高点位于矿区的西北部，最高海拔标高为2 221.5 m，最低点位于矿区的西南边缘，海拔标高为1 826 m，相对高差为395.5 m，属中山区。

矿区内有Fe2 和Fe3 共2 条铁矿体，目前矿山只对Fe3矿体进行露天开采。Fe3矿体主要赋存于马鬃山向斜南翼，地表出露长度为1 200 m，平均出露宽度为54.13 m，深部具分枝复合现象，厚度逐渐变薄。矿体赋存标高为1 941～2 153 m，矿体埋深为0～232 m。矿体顶底板岩性均为绿泥角闪片岩。矿体倾向北东，倾角为8°～42°，呈层状、似层状、厚板状产出。

1.2 开采现状

矿山现已形成一个沿走向长850 m、宽340 m 的山坡露天采场，采场呈东低西高状，最低开采台阶标高为2 060 m，最高剥岩台阶为2 170 m 水平台阶，现状边坡角为35°～46°。最低开采标高为2 060 m，底部平台尺寸为385 m×170 m，该平台南部已到界，北部距最终开采境界65 m，东部距最终开采境界90 m，西部距最终开采境界660 m；采场2 150，2 120，2 100 m平台宽度为22～36 m，这3处平台具备开采作业条件。

矿山开采工艺为穿孔—爆破—采装—运输—排土间断式开采，穿孔设备选用孔径为165 mm 的露天潜孔钻机，采装设备选用1.6 m3单斗挖掘机，运输设备选用20 t级矿用自卸汽车。

矿山现有开拓运输方式为公路+溜槽。在采场南帮2 055和2 065 m标高布置1#、2#共2个矿石溜槽，采场内采出的矿石经挖掘机装入自卸汽车运至溜槽上部平台卸矿，溜槽下部的矿石由挖掘机装入汽车，二次倒运至粗碎站。

矿山现形成东、西及北3 个排土场，东、西排土场均位于采场南侧，排土平台标高分别为2 100 和2 085 m，北排土场位于采场北侧，现已经关闭。

1.3 露天开采境界

利用3Dmine矿业工程软件对露天开采境界进行优化，露天采场共分18个台阶，最低开采标高为1 990 m，最高开采标高为2 190 m，封闭圈标高为2 060 m。采场呈东西展布，采场长度为1 205 m，宽度为260 m，最大边坡高度为170 m。采场南部最终边坡角为13°～38°，采场北部及东西端部最终边坡角为49°，境界内共圈定矿石量1 394.97 万t，岩石量2 765.99 万t，平均剥采比为1.98。露天开采最终境界平面图见图1。

2 采剥工艺选择

矿山现有采剥工艺为自上而下分台阶缓帮开采，台阶工作线大致垂直矿体走向布置，由东向西推进。从矿山现状来看，采场西端帮（4 线以西）剥岩相对滞后（2 090 m 以上欠剥离岩量约为1 260 万t），不仅积压了大量矿石资源，还对采场东部2 060 m 向下开采造成影响，严重制约着矿山未来发展。若矿山仍采用缓帮开采，需从采场西部2 190 m 向下逐层剥离，这样剥离工程量较大，增加工程投资。需要2 a时间才能形成合理的采剥关系，而且集中剥岩过程中也会降低矿石年产量，不利于矿山稳定发展，极大地降低了开采经济效益。因此，需研究制定出合理的采剥工艺，调整矿山工程发展程序，以保证矿山的可持续发展。

首先，考虑采用分期开采。露天开采境界内资源量约1 400 万t，生产规模为200 万t/a，露天采场属于长条形，若采用分期开采，只能沿矿体走向实施，那么各分期开采年限比较短，而且生产能力不稳定，无法从根本上解决因剥岩滞后而导致生产能力下降的问题。因此，排除了分期开采。

其次，考虑采用陡帮开采。通过合理选择陡帮作业形式和矿山工程发展程序，可以有效降低开采前期剥岩量，推迟剥岩高峰，实现剥采比均衡，提高开采经济效益。

陡帮开采按工作面作业方式分为组合台阶开采和倾斜条带式开采。倾斜条带式开采是将剥岩台阶划分若干条带，条带内各台阶自上而下尾随开采，各台阶需要有较长的工作线才能满足挖掘机的作业要求；组合台阶开采是将工作帮上的台阶划分为若干组，每组2～5 个台阶，每组台阶由一台挖掘机在组内从上而下逐个台阶进行开采，除组内正在作业的台阶外，其余台阶均处于暂不作业状态，所留平台宽度较小，或直接并段。

结合本矿山矿体赋存条件、开采现状、开采境界和装备水平等因素，若考虑采用倾斜条带式开采，条带内各台阶需要有较长的工作线才能满足挖掘机的作业要求，而本矿山西端帮各台阶工作线较短，很难实现条带式开采。若考虑采用组合台阶开采，将采场西端帮组合台阶开采工作线斜交矿体走向布置，由东向西推进，组内各台阶既采矿又剥岩，这样既达到了陡帮开采效果，又保证矿山生产能力。

3 组合台阶开采方案

采场西端帮（4 线以西）采用自上而下多组台阶同时作业的陡帮开采工艺，东端帮（4 线以东）仍采用缓帮开采。

3.1 组合台阶参数

根据本矿山装备水平、采剥工作面技术参数、组合台阶工作线长度、生产规模和均衡生产剥采比要求，最终确定组合台阶的结构参数如下［1-5］。

将3～4 个台阶划分为1 组，单台阶高度为10 m，并段后为20 m，工作台阶坡面角为65°～75°，最小工作平盘宽度为40 m，最小工作线长度为150 m。每组台阶自上而下开采，其中，只有一个台阶作业，保留40～60 m工作平盘宽度，其余台阶只保留10 m安全平台宽度。每组台阶推进到预定位置后，即完成一个采剥循环，每组台阶长度为250～350 m，矿岩总量为60万m3，安排2台挖掘机作业。

组合台阶开采的工作线推进方向一般垂直矿体走向，而本矿山矿体厚度不大，呈东西走向且走向较长，所形成的开采境界东西长、南北短。为保证每组台阶的矿岩量满足一个开采循环，将组合台阶开采工作线采用沿矿体走向呈一定角度（30°～45°）布置，由东向西推进直至开采结束。

3.2 新水平准备

山坡露天开采时，利用境界外固定道路与采场内移动道路进行开拓延伸；深凹露天开采时，沿矿体下盘掘出入沟和开段沟，按固定坑线开拓新水平。

3.3 生产剥采比均衡

本矿山应用组合台阶开采，均衡生产剥采比工作较一般露天矿山复杂，既要考虑单台阶矿岩量和推进速度，又要考虑组合台阶的矿岩量和推进速度。设计利用3Dmine 矿业工程软件中排产功能，反复调整组合台阶内的台阶数量和工作线推进方向来编制生产进度计划，均衡生产剥采比［6-7］。

通过编制生产计划图表，矿山总体服务年限为7 a，各年采出矿岩量及剥采比见图2，第1～6 年生产进度计划图见图3～图8。

4 开采效果

西端帮采用陡帮开采，较传统的缓帮开采工艺工作帮坡角由小于10°提高到15°～25°，降低了开采前期剥岩量，均衡生产剥采比，提高矿山经济效益，减少最终边坡暴露时间。

矿山根据本设计方案，对采场西端帮（4 线以西）实施组合台阶开采，没有出现减产，顺利完成了预期的采剥任务，实现了稳产过渡及生产剥采比的均衡。

经过2 a 的生产实践，可以看出设计确定的组合台阶参数比较合理，符合矿山实际情况，降低了矿山基建期剥岩量约1 260 万t，节约建设投资约4 410 万元，提高了矿山开采经济效益。

5 结论

（1）组合台阶开采作为陡帮开采的一种作业方式，通常应用到扩帮剥岩工程，但根据本次设计及实际生产经验，可以得出，对于露天开采境界内矿体走向大于800 m、开采深度大于150 m 的露天矿山，组合台阶开采不仅可以应用到剥岩工程，还可以应用到采矿工程，将组合台阶开采工作线正交或斜交矿体走向布置，既扩帮又采矿，能够取得较好的技术经济效益。

（2）当组合台阶既剥离又采矿时，通过调整组合台阶内的台阶数量和组合台阶工作线推进方向来编制采剥计划和均衡生产剥采比。

（3）利用Surpac、3Dmine 和Datemine 等矿业工程软件不仅能够建立矿床地质模型和优化露天境界，而且能够快捷、准确地编制矿山长短期生产进度计划。尤其对于实施陡帮开采、分期开采的露天矿山，利用软件中的排产功能，能够很好地研究露天矿开采程序，从而合理地确定陡帮开采结构参数、分期开采境界及过渡方式等问题。