某露天矿排土场下覆矿石采场扩帮设计

姜秀雷

（潞安化工集团有限公司安培中心）

为延长矿山服务年限，许多矿山加强了矿石资源的补充勘探计划［1-2］，而新探明的资源往往伴随复杂的工程技术条件，其开采设计往往是矿山面临的难题。目前，许多学者对赋存于复杂工程地质条件下的矿体开采开展了较多研究，李鼎权［3］在实际工程案例中，提出了露天矿扩帮延深工程的设计步骤。史良贵［4］打破了传统露天境界固定帮由安全平台、清扫平台和台阶坡面构成的结构形式，对某矿山东部8～13 线扩界区域的露天坑底设计成非平面型的露天开采境界，取得了良好的经济效果。李涛等［5］在分析平朔东露天煤矿端帮压煤开采可行性的基础上，对端帮压煤开采参数进行了优化，提高了端帮压煤回采率。

本研究以某露天矿7#采场为研究对象，针对采场南帮上覆排土场、下压矿石的特殊工程条件，先对上覆排土场削坡参数进行设计，再以经济合理剥采比为界限，确定了采场南扩露采境界，实现了开采压覆矿石的扩帮设计。

1 工程概况

某露天矿7#采场现状最低开采标高为+2 250 m，最高开采标高为+2 388 m，台阶高度为10 m，安全平台宽度为3 m，现状露天采坑南北长800 m，东西宽500 m。采场北部和西部已开采至矿体底板，其开采工作即将进入尾声，底板坡度在15°～28°，底板岩性为白云岩。

7#采场南帮覆压西采场的内排土场，已经堆排完毕多年，上覆排土场南北向长约1.2 km，东西向宽约0.55 km，占地面积为45.23 万 m2，堆存标高为+2 390～+2 480 m，堆排台阶高度为20～30 m，最大约50 m。

为延长矿山服务年限，矿山曾组织多次资源勘探工作，并于7#采场南端110#～116#线间勘探资源储量约2 043.15 kt，即西采场的内排土场下方，此排土场成为了7#采场南扩设计面临的主要难点。

2 开采设计规划

为有效解决矿山7#采场南扩设计面临的问题，矿山根据工程地质条件，计划先对西采场上方覆压多年且已经复垦完毕的排土场进行削坡处理，以便为下部矿石开采清理出采矿作业空间，再进行下覆矿石的开采。参考文献［6］可知，堆放多年的磷矿排土场由于废石颗粒级配较好，在长时间的自重作用下，排土场内废石堆放密实，故可将上覆排土场考虑作为物理力学性质稍差的矿体上盘围岩，先对排土场进行削坡，进而对采场南扩进行设计。

3 排土场削坡设计

3.1 排土场物理力学性质

上覆排土场的削坡事关下覆矿石能否安全开采，而排土场内物理力学性质参数是排土场削坡设计的重点要素［7］。参考矿山工程地质资料，将上覆排土场物理力学性质进行折减，得到排土场堆积体物理力学参数：重度为21.0 kN/m3，饱和重度为21.5 kN/m3，黏聚力为12.0 kPa，内摩擦角为25.0°。

3.2 排土场削坡参数

根据排土场堆积体物理力学参数，参考工程地质手册和类似矿山生产经验，确定削坡坡面角为38°或原始坡面坡度（24°～32°）；台阶高度为10 m；安全和清扫平台宽度为15 m；削坡最终边坡角为20°；平台排水沟（矩形）尺寸为0.4 m×0.4 m；平台水沟设置：先期采用毛沟+铺设土工膜的方式设置，待平台变形稳定后采用混凝土浇筑。

3.3 排土场削坡工程量

西采场内排土场北帮削坡范围为+2 330～+2 470 m，自上而下分台阶削坡，作业台阶高度为10 m，削坡台阶坡面角为38°，平台宽度为15 m。根据削坡参数和排土场设计范围标高，计算削坡工程量为508.63万m3。

4 下覆采场扩帮设计

4.1 采场物理力学参数

根据矿山地质资料，矿层顶板梅树村组第四段（ϵ1m4）为含泥白云岩、泥质白云岩或含锰白云质泥岩，下部夹灰黑色燧石或灰白、灰黑色硅质薄层及条带。燧石单层厚2～30 cm。

矿层底板梅树村组第一段（ϵ1m1）为含磷白云岩、白云岩、泥质白云岩夹燧石条带段。含磷量较高，厚度为2.01～31.49 m。

夹石主要分布于梅树村组第二段（ϵ1m2）矿层中，为低品位矿石、含磷泥质白云岩、含磷粉砂岩及白云质粉砂岩。

采场物理力学参数是采场扩帮设计的重要来源，决定扩帮边坡设计的合理性。根据矿山相关地质资料，确定白云岩及砂岩物理力学参数如表1 所示。

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4.2 采场边坡参数

结合矿山岩土体的赋存特点和矿山现有生产设备条件，并考虑附近矿山生产设计参数，确定露天采场边坡参数：终了台阶高度为10 m；终了台阶坡面角下盘为矿体倾角或者是60°，上盘为60°，第四系表土层台阶坡面角为50°；安全平台宽度为5 m，清扫平台宽度为7 m，每隔2 个安全平台设置1 个清扫平台；双线运输道路宽度为12 m；运输道路最大坡度为8%；运输道路最小弯道半径为15 m；反倾一侧边坡最终边坡角控制在41°～43°。

露天采场最小底部宽度bmin根据运输方式和采掘运输设备的规格确定，设计采用汽车运输，按折返式调车方式，则计算公式为

式中，lc为汽车长度，m；bc为汽车宽度，m；e3为汽车距边坡的安全距离，m；Rcmin为汽车最小转弯半径，m。

经计算，采场最小底部宽度bmin=18.36 m。参考生产实际，确定露天开采最小底宽为20 m。

4.3 经济合理剥采比

经济合理剥采比是确定露天矿山开采境界的重要参数，对矿产资源的合理开发起着决定性的作用［8］，因此，在确定此露天矿山扩帮境界参数中，需首先确定经济合理剥采比Nj。根据矿山以往生产经验和此次设计的矿体赋存条件，采用盈利法确定经济合理剥采比，其计算方法为

其中，

式中，n′1为露天开采视在回采率；n′d为地下开采视在回采率；B1为露天开采每吨原矿的销售价格，元/t；Bd为地下开采每吨原矿的销售价格，元/t；n1为露天开采实际回采率；nd为地下开采实际回采率；ρ1为露天开采废石混入率；ρd为地下开采废石混入率；c为为地下开采每吨矿石成本，元；ɑ 为露天开采每吨矿石采矿费用（不包含剥离费），元；b 为露天开采剥离每吨岩石费用，元。

根据矿山前期露天、地下开采经济指标统计以及相关采矿指标，确定n′1取1.0，nd′取 0.8，B1取 200元/t，Bd取163.0元/t，n1取0.97，nd取0.76，ρ1取0.03，ρd取 0.05，c 取 130.0 元，ɑ 取 20.0 元，b 取 8.96 元，带入公式（2）计算得经济合理剥采比为17.14。

4.4 露天境界参数

根据矿山现状地形，按照前文所述排土场边坡参数及露天采场边坡参数，以及露天境界圈定原则，对7#采场南向扩帮工程设计，设计的露天开采终了境界如图1所示。

设计7#采场南扩露天采场内采剥总量为693.18万m3，露天采场内剥离废石量为637.60 万m3，设计境界内资源储量为138.39 万t，资源类别全部为331 类别。露天开采境界主要指标如表2所示，开采终了采矿指标如表3所示。

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根据表3，开采终了的采矿损失率和贫化率与矿山往期相当，剥采比为11.98，小于设计经济合理剥采比，有效实现了排土场下覆矿石资源的回收。

5 结 论

以某露天7#采场南扩矿山为研究对象，针对该矿山上覆排土场、下压矿石的复杂工程地质条件，基于矿山岩石物理力学参数，先对上覆排土场削坡参数进行设计，后采用盈利法确定经济合理剥采比，并以此为指标，对下压南扩采场扩帮参数进行露天开采设计，取得了较好的资源回收效果。