某露天转地下矿山采矿方法选择及工艺研究

许洪亮 张明峰 马二辉 樊 洁

（1.中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司；2.河北省绿色智能矿山工程设计技术创新中心）

露天矿山随着开采深度的加大，露天边帮残留矿体和深部矿体转为地下开采势在必行［1-2］。露天边坡稳定性、露天采场汇水、境界矿柱留设等因素都是影响露天转地下采矿方法选择的限制条件。因此，从矿山实际出发，对技术、经济、安全可靠性、相关的产业政策进行全面比较，选择合理的采矿方法对于露天转地下开采矿山至关重要，进而确保矿山安全、高效、绿色、可持续开采。

1 矿山概况

1.1 矿体赋存特征

内蒙古某铁矿山矿区共圈定铁矿体1条，根据矿体的走向和产状不同，矿区范围内的铁矿体又分为西段、中段、东段3 部分。西段矿体倾角为70°左右，控制矿体长度为750 m，最大斜深为450 m，厚度为27～206 m，平均为94.16 m。中段矿体倾角为50°左右，控制矿体长度为250 m，最大斜深为440 m，厚度为40～142 m，平均为59.20 m。东段矿体倾角为40°～64°，控制矿体长度为250 m，最大斜深为220 m，厚度为20～100 m，平均为68.5 m。

1.2 开采技术条件

矿区位于内蒙古高原，属中山区，地形相对高差为80 m 左右，地貌类型单一，除表层有较薄的第四系覆盖外，大都由下太古界角闪岩组成。

矿坑涌水主要来自于大气降水和由第四系孔隙潜水间接补给于基岩裂隙，再由基岩裂隙潜水直接补给采坑内的水，矿山水文地质类型为以大气降水为主、水文地质条件简单的基岩裂隙潜水充水的矿床。

矿区地表30 m 以上风化带岩体质量较差，矿体顶板为角闪石英岩，依据力学实验结果，饱水状态下单轴抗压强度在23.24～49.39 MPa，平均为37.35 MPa，属半坚硬岩类，力学强度较高，稳固性较好。矿体为角闪石英型及石英型磁铁矿石，依据力学实验结果，饱水状态下单轴抗压强度为34.01～75.53 MPa，平均为46.95 MPa，属半坚硬岩类，力学强度较高，稳固性较好。矿体底板围岩为角闪岩，岩体完整性较好，依据力学实验结果，饱水状态下单轴抗压强度在29.05～55.20 MPa，平均为35.2 MPa，属半坚硬岩类，力学强度较高，稳固性较好。矿床工程地质勘探类型为以块状岩类为主的工程地质条件中等类型。

本矿区无污染源，地下水质量等级为Ⅲ级，适用于饮用水和工业用水，矿区地质环境条件属中等类型。

1.3 开采现状

目前正在进行露天开采，形成了露天采矿场、排土场、选矿车间、破碎车间以及与露天采矿场和选矿生产相配套的公辅设施。

矿山采用单一公路汽车开拓运输方式，露天采场位于矿区南部，分为西采坑与中东采坑。排土场分由南、北排土场，其中南排土场为目前矿山生产使用的主要排土场，位于露天采场以南，为多台阶排土场，最大排土段高位于南排土场南侧，台阶高度为45 m，现状排土标高为1 728 m；在露天采场的北侧零星分布了若干个废石堆场及表土堆场。

1.4 露天转地下开采的限制条件

根据设计确定的最终境界，露天开采最低开采标高至1 500 m 水平，预计5 a 开采结束，选择的工艺方案在技术可行、经济合理的前提下，应能保证露天转地下开采在时间上有序衔接、产能上平稳过渡。

露天开采结束后采矿权范围内尚保有铁矿石资源量2 425万t，采矿方法选择应充分考虑开采矿体平面范围南侧紧邻采矿权边界的限制条件，尽可能少地留设保护矿柱，确保矿石回收率，同时应重点防范露天边坡垮塌和露天采场内汇水突然涌入井下等因素造成的安全生产事故［3］。

2 采矿方法

2.1 采矿方法初选

该矿山以大于20 m 的厚—极厚矿体为主，矿体和围岩较稳固，从矿岩的工程地质条件考虑，适宜该矿山的采矿方法有分段充填采矿法［4］和无底柱分段崩落采矿法。

2.1.1 分段充填采矿法

极厚矿体和厚矿体采用垂直矿体走向布置矿块，矿块长度为矿体厚度，矿块宽度为20 m；中厚矿体采用沿走向布置，矿块长度为40 m，宽度为矿体厚度。矿房分两步骤回采，出矿及凿岩分段高度为24 m，采用自下而上的开采顺序，井下回采凿岩采用中深孔凿岩台车，采用4 m3铲运机出矿，矿块生产能力为7 ～14万t/a。

2.1.2 无底柱分段崩落采矿法

极厚矿体和厚矿体采用垂直矿体走向布置进路，矿块长度为矿体厚度，矿块宽度为75 m，分段高度为12 m，进路间距为15 m，1台铲运机服务5条进路；中厚矿体采用沿矿体走向布置进路，矿块长度为50 m，矿块宽度为矿体厚度，分段高度为12 m，1台铲运机服务4个矿块。采用自上而下的开采顺序，井下回采凿岩采用中深孔凿岩台车，出矿采用4 m3铲运机，铲运机台效为 40 万 t/a。

2.2 采矿方法比较

从矿山生产能力、采出矿石量、排水费用和投资与收益几个方面对上述2种采矿方法进行对比。

（1）矿山生产能力。通过编制采矿进度计划，从增加稳产比例、延长矿山服务年限角度考虑，充填法和崩落法的生产能力都可以达到150万t/a。

（2）矿柱矿石量。为使岩体移动监测界线不出采矿权平面范围，分段充填采矿法按照上、下盘70°，端部75°，由地表矿权界线向下圈定保安矿柱，保护矿柱量为329.26万t；无底柱分段崩落采矿法按照上、下盘65°，端部70°，由地表矿权界线向下圈定保安矿柱，保护矿柱量为630.32万t，崩落法比充填法多301.06万t。

（3）充填采矿方法设计利用矿量为1 993.15 万t，按照矿石回收率84.58%、废石混入率9.58%计算，采出矿石量为1 864.42万t。崩落采矿方法设计利用矿量为1 696.31 万t，按照矿石回收率82%、废石混入率18%计算，采出矿石量为1 696.31 万t，比充填采矿方法少168.11万t。

（4）排水费用。采用分段充填采矿法不会产生大面积塌陷，地表水不会大量汇入井下，井下涌水较小，排水设备投资和排水费用均较小。采用无底柱分段崩落采矿法，地表会产生塌陷，地表水将汇入井下，井下涌水较大，排水设备投资和排水费用均较大。

（5）投资与收益。综合考虑采切成本和充填成本，充填采矿法年综合成本比崩落采矿法多1 764 万元；2种采矿方法年采出矿石量相同，因废石混入率不同，充填采矿方法的采出矿石品位要高于崩落采矿方法，因此充填采矿法的铁精粉产量高于崩落采矿法，由此计算年销售收入，充填采矿法比崩落采矿法多2 184 万元。扣除成本的影响，采用充填采矿法年销售收入多420万元。

（6）政策符合性分析。无底柱分段崩落法采用覆盖岩下放矿，随着开采的进行，地表会出现塌落，建设及生产期间产生的废石及选别后的尾矿不能综合利用，废石场和尾矿库占地面积增大，矿山后期面临的环保政策压力较大。采用分段充填采矿方法能避免地表塌陷，有效保护地表环境，符合国家产业发展技术要求。

2.3 采矿方法确定

综上所述，采用分段充填采矿法保安矿柱压矿量少，设计利用矿量多，矿石回采率高，废石混入率低，排土场、尾矿库占地面积小，能避免地表塌陷，有效保护地表环境，符合国家产业发展要求。因此，推荐矿山采用充填采矿方法进行地下开采。

3 采矿工艺设计

3.1 采场结构参数

类比国内采用分段充填采矿法的相似矿山，厚度小于20 m 的矿体沿矿体走向布置矿房，厚度20～50 m 的矿体垂直矿体走向布置矿房，厚度大于50 m的矿体采用盘区布置形式，根据采矿方法布置形式的需要，按照矿体的不同厚度区间统计了矿体的平均倾角和厚度：小于20 m 的中厚矿体平均倾角为42°，平均厚度9.1 m，占7.07%；20～50 m 的厚矿体平均倾角为51°，平均厚度为30.8 m，占46.35%；大于50 m 的极厚矿体平均倾角为57°，平均厚度为126.2 m，占46.58%。

极厚矿体采用垂直矿体走向布置的分段充填采矿法，矿块长度不超过50 m，超过50 m 的矿体再划分成一步采和二步采矿块分别回采。在沿矿体走向方向上间隔布置一步采和二步采矿块。一步采和二步采的矿块尺寸相同，矿块宽20 m，矿块高24 m（分段高度），极厚矿体分段充填采矿法见图1。

厚矿体采用垂直矿体走向布置的分段充填采矿方法，在沿矿体走向方向上间隔布置一步采和二步采矿块。一步采和二步采的矿块尺寸相同，矿块宽20 m，高24 m（分段高度），厚矿体分段充填采矿方法见图2。

厚度小于20 m 的中厚矿体采用沿矿体走向布置的分段充填采矿方法，一步采和二步采矿块间隔布置。矿块高24 m（分段高度），矿块宽度为矿体厚度，矿块长40 m，中厚矿体分段充填采矿方法见图3。

3.2 采切工程

采切工程主要有通风天井、溜井、出矿巷道、出矿进路、沿脉运输巷、堑沟拉底巷道、切割井等。

溜井采用脉外直溜井，间距120 m；通风天井采用脉外斜井，间距150 m，出矿巷道间距40 m，出矿进路间距14.2～15.5 m。平巷掘进凿岩采用国产液压掘进凿岩台车，采用国产2 m3柴油铲运机出碴和12 t井下卡车运输。天、溜井掘进主要采用天井钻机施工。配备锚杆台车、撬毛台车和喷浆台车辅助作业。

3.3 回采工艺

采用中深孔分段凿岩，国产液压中深孔采矿台车凿上向扇形中深孔，炮孔直径为76 mm，炮孔排距为1.5～2 m，孔底距为3～3.5 m。每一循环钻2 排孔，每次爆破1～2 排炮孔。炮孔装药采用国产井下炸药混装车，采用乳化炸药、数码电子雷管起爆系统。

出矿设备采用国产4 m3电动铲运机，采场采出矿石块度控制在500 mm 以内，不合格大块在进路中用移动式碎石机进行二次破碎处理。

3.4 通 风

采场两侧各设置1 条通风天井，通风天井间距150 m，1条天井进风，另外1条天井回风，为确保独头工作面的通风质量，选择局扇辅助通风。

3.5 充填工艺

矿块回采结束，立即对采空区进行充填，降低围岩应力，达到新的应力平衡。

一步采矿房中部采用灰砂比1∶8 的尾砂胶结充填，二步采矿房中部采用1∶15低配比尾砂胶结充填，矿房底板6 m 及顶板1 m 采用1∶8 尾砂胶结充填，充填料浆浓度72%。

地表建设1座充填站，充填骨料为选厂排出的尾砂，胶凝材料为425号硅酸盐水泥。

4 主要技术经济指标

（1）设计采矿回收率84.58%，大于《冶金行业绿色矿山建设规范》中铁矿采矿回收率83%的最低指标要求。

（2）废石混入率9.58%，矿石贫化率5.29%，采出矿石TFe品位30.52%。

（3）根据矿山实际的矿体赋存条件选择了分段充填采矿方法，技术可行，经济合理，政策上鼓励，采矿单位制造成本为93.89元/t，矿山经济效益好。

（4）项目年产矿石150 万t，最终产品为铁精粉（TFe 品位66.5%），计算年产铁精粉34.88 万t，计算年营业收入31 534.88万元，计算年利润总额为7 917.89万元，净利润为6 730.21万元。项目投资税后内部收益率18.52%；项目税后投资回收期7.21 a（含建设期3 a）。

5 结 语

崩落法和充填法在技术上均适用于该露天转地下开采矿山，经对比分析，充填采矿方法虽然投资偏大，成本偏高，但矿石回收率高，废石混入率低，综合收益最高，对地表环境影响最小，也是目前国家鼓励采用的采矿方法，因此最终推荐采用充填法回采。