露天转井下开采挂帮矿石处理及覆盖层形成方案研究

郁 平

(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

庙沟铁矿露天采场马上闭坑，正在准备回填覆盖层，转井下工程首采分段采切工程即将完工，待通风排水等辅助设施具备后，可进行首采分段回采。对于特殊位置的西边帮400 m、380 m首采分段，临近露天采场边帮，利用崩落挂帮矿作为覆盖层，既可降低矿石贫化率，在施工过程中可对部分矿石进行回收，剩余部分作为覆盖层，回收的部分矿石，弥补过渡期资源缺口。

1 开采现状

该矿已开采至372 m水平，按设计已是最后一个开采水平，将近闭坑。露天转井下工程已施工5年，部分工程已完成，待露天采场开采完毕，进行覆盖层回填工程。露天采场部分边帮仍覆存部分挂帮矿石，在露天转井下开采过渡期，合理回收挂帮矿石，弥补矿石资源缺口，在保证生产连续性的同时也要确保井下的开采安全。

2 露天采场挂帮矿石的储量及赋存状态

露天开采最低水平372 m，通过对实测回来的现状图，利用CAD、南方Cass等软件工具圈定采场覆存挂帮矿量共约422.0万t，其中所有矿石量、高程点、等高线等数据均以现场实测为准。

1) 北端帮隔离矿柱矿量100万t。为确保小斜坡道试验矿块开采和露天同时开采的安全性，留设了的隔离矿柱。上水平标高492 m，下水平标高372 m。顶宽约20 m，底宽约280 m。

2) 西边帮挂帮矿量：250万t。分布范围从1线到8线连续分布，走向长度约600 m。矿体覆存状态几乎呈直立，夹角80多度，各断面形状近似直角三角形。北部和南部的矿石量较少，中部矿石量较多。各剖面的形态如下：

0E：底标高372 m，台阶边界到矿体距离约50 m，顶标高420 m，高48 m。

8W：底标高396 m，台阶边界到矿体距离宽28 m，顶标高420 m，高24 m。

2E：底标高372 m，台阶边界到矿体距离90 m，顶标高462 m，高90 m。

3)南部边帮矿量：30万t。南端帮440～636 m标高之间，厚度约20～30 m之间的一层矿体，矿体倾角56°。

4) 东部边帮矿量：42万t。为少数零星的小矿体，品位低，为Fe2品位矿石。

3 覆盖层厚度

《金属非金属矿山安全规程》中规定：无底柱分段崩落法工作面的上方应有大于分段高度的覆盖层，本矿山分段高度20 m，按照无底柱分段崩落法开采技术要求至少是分段高度的2倍，因此覆盖层厚度大于40 m，随着地下开采落矿的需要，人工回填补充覆盖层厚度。

4 挂帮矿处理及覆盖层形成方案比较

4.1 方案简介

此次设计对挂帮矿处理及覆盖层形成提出了两个可行性方案：

方案一：露天开采期间提前进行挂帮矿处理工程的施工，露天开采结束之后立即进行挂帮矿的崩落形成矿石覆盖层，在矿区西侧形成首采矿块。

方案二：露天开采结束之后，利用汽车运输方式将排土场废石人工回填至露天坑形成覆盖层，然后在覆盖层的保护下进行挂帮矿回采，继而进行正常分段的回采。

4.2 崩落挂帮矿形成覆盖层(方案一)

1)西边帮采用中深孔爆破以露天采场为爆破自由面，一次爆破约40 m，不必专门开凿补偿空间。其挂帮矿量处理的工程如下：

露天采场采用潜孔钻将372～396 m平台爆破。在西边帮400 m分段、380 m分段掘进凿岩巷道，分段凿岩巷通过采区斜坡道联通，并均与小斜坡道和辅助斜坡道贯通。扇形孔穿孔设备采用Simba H1354凿岩台车，炮孔直径Ф80 mm，炮孔最大深度控制小于28 m。(注：所有设备型号、及技术指标均以初步设计为依据。)

崩落挂帮矿的工程量为：分段凿岩巷3 870 m，斜坡道及联巷680 m，中深孔16.9万m，潜孔钻钻孔6 000 m。爆破矿石量217.1万t,夹层岩石量49.6万t。

2)北端帮留有为确保小斜坡道地下开采与露天采场同时进行且安全可靠的保安矿柱。在回采保安矿柱时，崩矿、落矿过程中不可避免地会有矿石滚落到露天采坑，这部分崩落矿体可补充覆盖层厚度。

3)采场南部挂帮矿采用硐室爆破，布置爆破硐室12个，硐室工程量：12×9 m3=108 m3；硐室联巷300 m。西边帮挂帮矿首次爆破后，立即进行南边帮挂帮矿量的爆破，爆破矿石量48.6万t。在有倾角56°的边帮进行爆破，肯定会有大量的崩落矿石可滚落露天坑底，此部分滚落矿体可补充覆盖层厚度，见图1。

图1 西帮400 m分段边坡实际图

4)由于东边帮倾角较小，爆破后崩落矿石无法自溜到露天坑底，因此东边帮挂帮矿暂不处理。

5)露天采场除东帮以外的3个方向的边坡挂帮矿都以崩落的方式处理后，在不考虑边坡经诱导的冒落围岩量，露天坑底西侧会形成40～50 m之间厚度的矿石覆盖层(2～4线最厚)，东侧可形成约大于30 m矿石覆盖层(0～1线最薄)。除0～1线东侧以外，基本可满足地下开采覆盖层的要求。

井下首采分段的覆盖层是处理挂帮矿过程中形成的矿石覆盖层，部分覆盖层厚度可能会存在30 m以下，未达到40 m的情况，此问题可在回采前利用采矿进路及切割巷道崩落顶、底板围岩，继续补充覆盖层厚度，最终保证大于40 m的覆盖层要求。

6)工程量与投资。西边帮：分段凿岩巷3 870 m，简易斜坡道及联巷680 m，断面均为17.27 m2，巷道掘进工程量78 578.5 m3。中深孔16.9万m，露天多功能潜孔钻钻孔6 000 m。爆破矿石量217.1万t,夹层岩石量49.6万t。

南边帮挂帮矿量采用硐室爆破，布置爆破硐室12个，硐室工程量：12×9 m3=108 m3；硐室联巷300 m，断面均为9 m2，巷道掘进工程量2 680 m3。爆破矿石量48.6万t。

合计掘进工程量81 386.8 m3，按300元/m3，投资2 441.6万元。

中深孔爆破矿、岩量266.7万t，按12元/t，投资3 200.4万元。

硐室爆破矿石量48.6万t，总装药量145.8 t，炸药费用按6 248元/t，投资91.1万元。

总投资5 733.1万元。(注：所有工程量均以设计图纸断面尺寸计算得来，投资以现施工单价预算得来。)

工期：挂帮矿处理的掘进工程量4 850 m/81 386.8 m3，设计在基建期(主提升系统投产前)完成处理挂帮矿的分段凿岩巷1 000 m以及简易斜坡道及联巷680 m。其他工程约3 170 m在主提升系统投产后进行，分二个掘进队，月进尺120 m/队，约9个月完成。包括中深孔凿岩工作，全部工程在露天闭坑前完成。

4.3 汽车运输废石形成废石覆盖层方案(方案二)

1)覆盖层的结构。因露天转井下的提前下采用无底柱分段崩落法进行回采井下矿石，必然存在覆盖层与露天开采最低水平覆存的矿体的空间位置、地下放矿过程中松动体和放出体的空间关系，在充分考虑覆盖层的一些安全要求，如防窜风、防渗流、防寒、防泥石流等一定防护作用，分别为H2层和H1层，见图2。

图2 覆盖层的结构

第一步先在坑底部采用汽车将排土场岩石人工回填的方式形成覆盖层的下层，即H2层。按照放矿理论，下层与首采分段的矿石分层存在松动体合放出体的关系，防止细小颗粒形成泥石流通道，H2层理想的粒度结构应接近首采分段落矿矿石层粒度结构。H2层粒度结构和厚度的要求为：

(1)该层回填物料粒度不小于20 mm即可(筛掉细粒结构)。

(2)回填物料中100 mm或更大颗粒比例不小于40%。

(3)该层厚度不小于20 m。

第二步，在H2层上继续人工回填补充覆盖层厚度，即H1层。因为该层直接与露天相接，为防止井下空气串槽，露天雨水下渗等情况，所以H1层的物料粒级组成、结构要求主要考虑孔隙度、密实度。根据排土场废石的粒度构成情况，该层的主要粒度成份要求为：

(1)粒径不大于5 mm的细颗粒与大于5 mm的粗颗粒在该层中的比例为3:7。

(2)该层厚度不大于25 m。

2)覆盖层的厚度

覆盖层由下层H2和上层H1两层构成，覆盖层的整体厚度等于H1和H2两层之和，覆盖层的整体不小于45 m，考虑覆盖层的形成方式，设计取覆盖层厚度48 m。

3)汽车运输工程量

露天最低开采水平372 m，尺寸400 m×50 m。

西挂帮矿从1E到8E呈连续分布形态，走向长度将近600 m。产状为矿体倾角接近垂直，各断面形状近似直角三角形。北部和南部矿石量较少，中部矿石量较多。

汽车运输形成的覆盖层沿矿体倾向呈阶梯状，将露天坑底及西侧边帮挂帮矿全部覆盖，垂直厚度48 m。西侧覆盖层最高标高510 m，中部覆盖层最高标高468 m，东侧覆盖层最高标高420 m。覆盖层的走向长度400 m(底部)～600 m(顶部)；水平投影宽度100～150 m。平均按走向长度500 m，宽度125 m，垂直厚度48 m计算，覆盖层最终体积300万m3，考虑1.2的沉降系数，实际需要填方废石360万m3，按1.8 t/m3的容重计，约合648万t。

4)工期及投资

(1)按设备台效计算。目前考虑岩石覆盖层主要来自排土场翻选，平均运距4.5 km，采用42 t矿用汽车，时速空车上坡时25 km/h，重车下坡15 km/h，来回一趟折返时间大约30 min。装车需要6 min，汽车调头翻卸需要5 min，总的计算完成一次运输作业循环需要41 min，按每车装载土方量30 t计算，台效43.3 t/台·h，按日工作15 h计算，则每月台效为2万t/台·月。挖掘机每小时可装车7.5车，台效225 t/台·h。

(2)废石回填方案经济概算。矿用汽车矿山前期已经投入，为已有设备，不需增加投入，此方案新投入主要为废石铲装和运输费用，总费用为3.956元/m3，覆盖层采用废石回填方案经济总投资为2 563.5万元。

5)对首采阶段采矿工艺和放矿制度的要求

在与坑底垂直距离最近的首采分段开采时，需要调整爆破参数，炸药单耗，具体优化方案和参数可以在实际崩矿、放矿过程中再定。在回采过程中为避免出现过早的贫化，降低矿石质量的问题，可以考虑优化回采矿石的块度大小，尽量做到与H2层的粒度相接近，避免出现粒度级别差距过大情况。

随着井下放矿过程，覆盖层侵入矿石中，造成覆盖层损失变薄，应崩落上、下盘围岩予以补充。

4.4 方案对比与结论

方案一崩落挂帮矿形成覆盖层方案总费用为5 733.1万元，方案二废石回填方案总投资为2 563.5万元，方案一比方案二增加投资3 169.6万元。

但方案一的优势在于：

1)尽管方案一比方案二增加投资3 169.6万元，但崩落挂帮矿需要的费用无法避免，并且方案二形成覆盖层后回采挂帮矿时所需要的采切工程将要比崩落挂帮矿形成覆盖层工程量大，同时还需要增加溜井系统和通风系统等工程。因此，若以全部回采过程的采矿费用计算，方案二要比方案一投资更高。

2)方案一可在露天开采结束之后能尽快的在矿体的西侧首采矿块上部形成覆盖层，相比方案二达产时间可提前约8个月，过渡期间可多生产矿石约80万t。按每t矿石利润93.3元计算，可增加收益7 464万元。

3)方案一是以崩落矿石作覆盖层，生产初期采用无贫化放矿，矿石的贫化指标会大幅度优于方案二。矿山回采期间可逐渐诱导露天边帮垮塌，覆盖在矿石覆盖层之上，并逐渐将矿石覆盖层回收，因此，回收率指标也不会低于方案二。

4)采用无贫化放矿，放矿管理为定量管理：爆破多少矿石回采多少矿石，避免了截止品位放矿制度需要随时控制放矿截止品位，管理相对简单。

但方案一的缺点是需要在露天开采结束之后进行多次露天边帮挂帮矿大爆破，并且伴有形成的覆盖层的厚度不均匀的现象，靠近西帮的覆盖层厚度较大而靠近东帮的覆盖层厚度较小。可采用与方案二相结合，在西侧首采矿块回采期间，采用汽车运输方式从东部边坡向东侧矿石覆盖层上部补充废石至覆盖层厚度满足设计要求。

通过以上比较，此次设计推荐采用方案一与方案二相结合的方式形成覆盖层：主要以崩落挂帮矿为主形成覆盖层、配合汽车运输废石对东侧覆盖层补充至厚度满足设计要求。

庙沟铁矿5线以南340～380 m水平的平均开采面积约为7.0万m2，如考虑形成40 m厚的覆盖层约需要280万m3，考虑 1.1的厚度不均匀系数后约需要308万m3。设计安排露天开采结束后挂帮矿的爆破量为矿岩84.1万m3，考虑1.5的松散系数后，可形成的126.2万m3的矿石覆盖层。因此本次设计废石回填量为181.8万m3。

5 结语

对于无底柱分段崩落法开采的露天转井下矿山在特殊的过渡衔接期间，挂帮矿的回收处理与覆盖层形成存在着密切的联系，崩落边坡挂帮矿当覆盖层，既能达到回收部分矿石的目的，又能满足转地下工程的安全回采的要求，实现特殊时期的生产需要，实现矿山发展连续性。