庙沟铁矿露天转地下安全开采技术研究

杨洪宝 温 超 姜赫名

(河北钢铁集团矿业有限公司庙沟铁矿，河北 秦皇岛 066501)

0 引言

对于露天转地下开采矿山，如何实现协同开采保障过渡期产能，以及消除露天边坡对井下采场威胁，一直是矿企关注的重点问题[1-3]。在露天转地下开采过程中，矿山的稳产过渡方法、覆盖层形成方法及井下采场合理的结构参数都是影响矿山安全高效开采的主要因素[4-6]。本文针对庙沟铁矿露天转井下安全开采需要，从覆盖层形成、露天边帮削坡及采场结构参数优化等方面进行了系统的分析，以实现该矿山安全高效开采。

1 工程概况

庙沟铁矿露天开采于1986年开工建设，经过三十多年开采，目前已经基本开采完毕，形成一个面积约6.8×105 m2，距封闭圈深约152 m的露天采坑，坑底最低标高为372 m，随后转入井下开采，属于典型的露天转地下开采矿山。庙沟铁矿井下设计采用无底柱分段崩落法开采，分段高度为20 m，进路间距20 m，崩矿步距1.8 m，厚大矿体在矿体中间增设联络巷，联络巷间距为50～70 m。回采进路联络巷布置在矿体的下盘，距矿体15 m(最小距离不小于一个铲运机车身+一个拐弯半径)，矿石溜井的间距90～126 m(5～7进路间距)，回采进路断面尺寸为：宽×高=4.5 m×3.8 m。

目前庙沟铁矿已进行露天转地下开采现场试验阶段，开采中主要存在的问题包括：①露天边坡较陡，最大高度约320 m，突然大范围垮塌将对地下采场的顶板产生较大的冲击，易导致冲击波灾害，需要采取措施重点防范，保障井下开采安全进行；②井下无底柱分段崩落法采区，采场结构参数设计不合理，目前试验采区回采率约为69.4%，贫化率约为23.2%，损失贫化较大，需要对主要的采场结构参数进行分析优化，以降低矿石损失贫化率，提高回采率。为此，对于露天转井下开采矿山而言，需综合分析露天边坡的安全性、覆盖层的合理性以井下采场的高效性，特开展庙沟铁矿露天转地下安全开采技术研究。

2 露天边坡冲击灾害防范措施分析

对于庙沟铁矿露天边坡可能垮塌存在的冲击灾害，对井下采场造成威胁，主要从形成覆盖层与边坡削帮两个方面进行措施分析。

2.1 露天坑底覆盖层形成方法

为保障庙沟铁矿露天转地下开采的安全进行，避免边坡垮塌对井下采场造成冲击灾害，需在井下首采工作面顶板上方预留一定厚度的散体覆盖层，其作用主要包括两个方面，一是消波吸能，减缓边坡垮落岩块对顶板的冲击作用；二是为井下首采分段崩落的矿石提供正常覆盖层下安全回采条件。

2.1.1 覆盖层合理厚度的确定

庙沟铁矿无底柱分段崩落法采场，对于覆盖层厚度的设置，应满足地下无底柱分段崩落法出矿要求，保证较好的矿石回收指标，当覆盖层厚度不能满足要求时，应进行强制放顶处理，并进行适量废石补充，以保证井下采场作业安全。

根据杏山铁矿[7]、眼前山铁矿[8]、大冶铁矿[9]、诺尔湖铁矿[10]等实践经验，合理覆盖层厚度范围35～45 m，为此本文选取覆盖层厚度为40 m。充分考虑覆盖层的安全要求，防止窜风及泥石流对井下生产构成威胁，对于覆盖层的布设分两部分，A1层采用较大矿石粒度，A2层采用较小矿石粒度，两者共同构成覆盖层的总体厚度，即总体厚度为40 m。布设方式见图1。

图1 覆盖层布设方法

2.1.2 覆盖层合理块度的确定

露天坑底形成的覆盖层，其块度大小对于井下崩落法采场矿石贫化具有重要影响。根据庙沟铁矿废石主要来源于露天采场剥离废石与井下采场崩落采出废石，通过现场调研矿石及废石块度构成，其块度分布主要分为3种，粒度级配见表1。

表1 矿岩块体粒度级配

针对不同块度分布情况，进行了物理放矿模拟实验，针对废石块度组成情况，共进行3组实验，分别将矿石与废石破碎成表1所示的比例。分段高度20 cm，进路采取菱形布置方式，划分为3个分段，在首分段顶部设置40 cm厚废石覆盖层，采用截止品位放矿方式，及放出口废石矿石体积比达1:1后停止放矿。实验统计结果见图2。

图2 放矿实验结果

通过图2可以看出，不同的覆盖层废石块度组成，对于矿石的回收率影响较大，条件1矿石回收率为91.5%，条件3矿石回收率为80.28%，废石大块度占比较大时，矿石回收率最高，废石混入率最低。3组实验废石混入率变化较小，分别为5.47%、6.75%与6.21%，即随着废石大块占比的增加，矿石回收率的降低速度远大于废石混入率减小的速度。综合分析，现场对于A1覆盖层进行铺设时，选取条件1中的粒度分布指导现场充填作业。

2.1.3 覆盖层形成方法

覆盖层所需废石，主要利用露天开采结束后边坡处理产生及井下采出的废石，不足部分从现有东排土场自上而下取废石回填，主要采取人工回填方式形成覆盖层，先回填A1层，再回填A2层，露天最终境界底部标高372 m，走向长度400 m，最小底部宽度40～50 m，设计采用汽车运输，将露天坑底及边帮沿矿体倾向采取阶梯式充填，形成覆盖层厚度约为40 m，见图3。对于废石粒度，由于现场已有废石散体大部分在这个粒度范围内，可保证废石散体得充填用量。

图3 覆盖层布设方式

2.2 露天边帮削坡方法

露天采场东北边帮0勘探线至7勘探线位于地下开采围岩错动范围之内，为避免边坡滑移风险与节约回填成本，设计在露天开采结束后自上向下对东北边帮进行削坡处理，处理产生的废石量约为320×104t，全部回填至露天采场作为覆盖层，消除边坡滑移危害。

2.2.1 现有北东边帮边坡参数

本次边帮削坡拟处理的边坡在露天采场的北东部，0勘探线和7勘探线之间，边帮削坡处理标高自554.75～417 m(见图4)。北东边帮0勘探线和7勘探线的现有边坡，最高标高为554.75 m，单台阶最大高度为34.3 m，台阶坡面角53°～70°，最终边坡角40°～43°，安全平台宽度4～11 m，运输平台宽度8～16 m。

图4 削帮前露天边帮情况

2.2.2 削坡后北东边帮边坡参数

削坡范围位于庙沟铁矿地下开采的错动范围，对错动范围的部分采场边坡进行削坡处理，削坡产生的废石回填至露天采场，可以增加地下的开采的安全性，同时露天采场削坡以后，边坡角变缓，也增加了露天采场边坡的安全性(见图5)。削坡以后北东边帮的边坡参数见表2。

图5 削帮后露天边帮情况

表2 削坡后边坡参数

2.2.3 削坡工艺

北东边帮削坡研究采用牙轮钻机穿孔，液压挖掘机铲装，25 t自卸汽车运输,矿山现有一台KY250型牙轮钻和一台KY310型牙轮钻，月穿孔能力为4 000 m/台。边坡终了时或局部穿孔平台较小时采用DR55潜孔钻机穿孔。工作面参数见表3。

表3 工作面参数

根据穿孔设备的使用性能及矿山对爆破工作的要求，矿山爆破工作主要为柱状散装药深孔爆破。采用乳化炸药、起爆弹导爆管起爆。矿岩不合格大块选用液压挖掘机配破碎锤进行二次破碎，北东边帮削坡作业采用起爆弹、非电导爆管进行起爆。矿山现有采装设备为8台液压挖掘机，1.8～2.1 m3液压挖掘机6台，1.5 m3液压挖掘机两台。北东边帮削坡平均运距1.5 km，自卸汽车上坡25 km/h，重车下坡15 km/h，故车辆运输时间10 min。装车需要3.5 min，汽车调头翻卸需要1.5 min，因此一次运输作业循环需要15 min，按每车装载量24.5 t计算，台效98 t/台·h，按日工作18 h计算，则每月台效为5.3×104 t/台·月。矿山现有25 t自卸汽车14辆，考虑13辆生产，一辆备用，运输能力为68.9×104 t/月，可以满足削坡工程运输的要求。

3 井下采场结构参数优化方法

为实现庙沟铁矿露天转地下安全高效开采目标，消除露天边坡威胁后，在合理覆盖层铺设方式的前提下，还需要综合分析井下无底柱分段崩落法采场结构参数的合理性。目前该方法于2019年在井下试验采场应用中，矿石回采率约为69.4%，贫化率约为23.2%，矿石损失率与贫化率较大，为了获得较好的回收指标，在分段高度确定的前提下，需要对进路间距与崩矿步距进行合理优化确定。

3.1 进路间距优化

目前，庙沟铁矿采用无底柱分段崩落法时，分段高度为20 m，进路间距为20 m，崩矿步距为1.8 m。对于矿体厚度较大或者接近于厚矿体条件的急倾斜矿体，一般在每个分段需布置多条回采进路，合理回采进路间距值可利用以下经验公式进行确定[11]：

(1)

式中：B—进路间距；H—分段高度；b—进路宽度；e—自然数；ω=(α+α1)/2；α，α1，β1—散体流动参数。

庙沟铁矿分段高度为20 m，进路宽度为4.5 m，散体流动参数α=1.573，α1=1.712，β1=0.132，将上述参数带入公式(1)，得到进路间距值为17.38 m，为此取合理进路间距为18 m。

3.2 崩矿步距优化

崩矿步距是影响矿石损失贫化的重要参数之一，崩矿步距过小或者过大都会对回收指标造成影响，增加矿石损失贫化值。采用崩落法放矿时，沿进路方向的放出体方程表达式为[12]：

y2=(1+α1)β1zα1ln(h/z)

(2)

式中：α1，β1—沿进路方向散体流动参数；y、z—放出体坐标变量；h—放出体高度(约为两倍分段高度)。

假定放出体最宽部位ymax所在高度为hmax，则在z=hmax处有dy/dz=0，此时有hmax=h/(e1/α1)，放出体最大宽度表达式为：

(3)

由此得到最优崩矿步距计算表达式为：

(4)

式中：θ—放出体流轴与端壁夹角；k—矿石松散系数；e—自然数。

根据该矿散体流动参数实验结果，沿进路方向α1=1.712，β1=0.132；放出体高度h=40 m，夹角=75°，松散系数k=1.3。根据式(4)计算得到崩矿步距L=2.19 m，最终优化后崩矿步距取2.2 m。

4 现场应用效果分析

通过现场实际应用，削帮后露天边帮稳定性良好，该矿于2020年2月采用优化后的采场结构参数，矿石回收率与贫化率统计结果与改进前对比情况见图6。可以看出，采场结构参数优化后，回收率平均为76.5%，贫化率平均为18.3%，回收率较优化前提高了10.2%，贫化率降低了26.7%，现场应用取得了良好的效果。

(a)回收率

5 结语

1)针对庙沟铁矿露天转地下安全开采需要，研究给出了合理覆盖层厚度及废石粒度确定方法，其中厚度不小于40 m，粒度按照条件1进行匹配，给出了覆盖层分两层形成方法。

2)为避免边坡垮塌对井下采场造成冲击威胁，研究给出了北东边帮削坡方法，削坡产生的废石可同步用于充填露天坑，有效缓解覆盖层废石来源问题，保障了井下采场作业安全。

3)针对庙沟铁矿井下无底柱分段崩落法开采，研究提出了采场结构参数优化方法，经计算分析，进路间距由20 m改为18 m，崩矿步距由2 m改为2.2 m，可实现庙沟铁矿露天转地下安全高效开采目标。

4)通过现场应用，露天边帮稳定性良好，采用优化后的采场结构参数，回收率提高了10.2%，贫化率降低了26.7%，经济效益显著。