基于时空优化的某露天矿深部开采综合技术研究 *

李锡斌，田世同，田大明

(1.云南磷化集团有限公司,云南 昆明650600;2.四川大学,四川 成都 610207 )

0 引言

2010年某磷矿六号坑完成了深部接续开采设计[1]。至2016年，开采水平与设计境界高差为40 m，形成南北长1 920 m，东西底宽125 m的倒梯形凹陷深坑。自2013年以来，外排土增加了租地费用，运输成本也居高不下，给企业带来了很大压力。因此，该矿决定开展排土规划研究[2]，最终确定用六号坑东采区排土，从南130线开始，往北至112线(120线为地质断层分界线)，实行分段开采分段内排，排土场顶面经济水平标高为2 310 m(2019年经昆明冶金研究院验证后采用此值作为该矿250万t/a采矿工程[3]项目中排土场设计标高)，设计总库容5 000万m3，可满足各采坑排土要求。至2017年底，在往北推进时，内排空间上部有2个滑坡体，分别位于116线-119线和122线-125线，高差平均210 m，滑坡总面积33万m2。内排区域内有两个集水坑，分别是东一采集水坑和东二采集水坑。雨季最高洪峰集水约40万m3。受滑体和集水影响，西帮有部分挂帮矿和深部矿无法开采，也制约了内排推进，东采区深部终采进度严重受阻。

面对滑坡和积水的影响，生产将有更多的不确定性，安全风险突出。如何采出挂帮矿和深部矿，以及合理处理水患，是当前东采区深部终采急需解决的问题。基于此，需要开展4个方面的研究：内排工艺、高边坡治理、深部矿开采、非传统水源利用，以解决生产实际困难，满足矿石生产和排土任务，确保生产安全。

1 研究路线

时空，是时间和空间组合的简称。时空优化，即使时间和空间利用率或利用效率最大化。它在生产与生活中无处不在，简言之，就是在时间和空间的维度上，用推理的方法解决问题，优化实施技术方案和生产要素配置。露天磷矿开采中，涉及采剥、运输、排土等，在保持现有人、财、物、机等资源均衡，并确保安全和技术可行的前提下，寻求最佳的时间与最合适的空间进行“对接”，再经过科学组织，使开采管理工作提质增效。因此，结合矿山目前生产情况和采区现状(见图1)，具体开采方案有如下选项：

a.A方案。以六号坑为主,其他坑为辅。优点是能较早提供排土空间，排土组织灵活,减少高边坡对下部生产作业安全风险的压力；缺点是受滑坡体和水患影响，排土和深部开采不能全面展开。

b.B方案。以十号、九号坑为主，六号、七号坑为辅，主要困难是十号坑大破碎站需要搬迁，九号坑高边坡需要治理，前期剥离量大，现东一采排土空间明显不能满足正常生产，需要优化排土、治理滑坡以及处理水患。

c.C方案。放弃东一采挂帮矿及深部矿开采，即实施东一采全面排土。

图1 采区现状平面图

经综合分析得出，要保证持续生产，最佳选项为B方案。保证内排生产安全是首要任务，因此维持高边坡稳定尤为重要。如果研究路线可行，则开始实施方案设计，反之则重新进行东采区内排进度规划。方案设计时，要对十号坑实施分段优化开采(调整前期剥采比，均衡各年剥采成本，缓解内排压力)，同步进行七号坑扩帮，并研究九号坑边坡治理，推进深部开采。对于现有水患，考虑将其作为“非传统水源[4]”加以利用。两滑坡体则分期限时段治理，西部挂帮矿及深部矿限时段开采。另外，应重视各坑采剥进度计划优化[5]。技术研究路线见图2。

图2 技术研究路线

2 终采技术研究

2.1 高边坡稳定性分析

目前东采区平均高差255 m，深部开采后最大高差为：东一采270 m，东二采290 m。西帮底板高边坡最终整体平均坡度为21°。南部上方为南扩排土场，与现有排土面的高差为75 m，整体坡度16.3°。相关研究[6-8]表明：对于顺层向边坡，最终边坡角为20°～26°时，边坡整体上是安全的。目前的边坡均小于22°。近3年的东采区监测结果表明，除局部浅层表面有小滑移外，未见深层大的滑移。浅层滑移主要出现在雨季，少部分出现在气候干湿交替期。东帮高边坡是反倾向岩层，最终帮坡角在38°左右，最大高差为125 m，比较稳固，无滑移情况。内排期间，往南的西帮边坡由于排土压帮，会更加稳定；往北的西帮边坡由于边坡治理、挂帮矿及深部矿开采，对其会存在一定的扰动，但在开采结束后如及时作压帮处理，边坡失稳风险较小。常规风险控制方法有规避、转移、减轻、自留等4种[9]，该矿使用最多的是后两种。建议采取的风险控制措施有：增大治理后滑坡体覆土植被面积，完善运输道路及其上部边坡排水系统，加强边坡日常维护和管理，增加人工巡查频率。

2.2 内排工艺

首先需明确各年的生产排土规划，并计算现有排土空间，以此制订年排土进度计划。

2.2.1 排土空间及进度计算

2018年1月开始，采区剥离全部使用自有设备完成，公司下达的年剥离目标为600万m3，而目前自有设备年最大剥离生产能力也仅为600万m3，这就要求生产管理的每一个环节必须精细，否则将无法确保目标的实现。

截至2017年底，按2016年排土规划剩余服务年限计算，还有3.345 a。由于锅盖山和四号坑受外部客观条件的影响而无法启动，需重新制订2018-2022年的采矿和剥离计划。原计划每年剥离893万m3，扣除锅盖山和四号坑后，每年需剥离678万m3，再扣除2017年的超额完成量，则每年为640万m3；另外每年采空区和排土场覆土植被工程用土约40万m3(外委实施)，因此每年需要内排的剥离物为600万m3，与年计划目标一致，如综合系数(松散系数与沉降系数的综合取值)为1.278，则所需内排空间为767万m3。

根据2017年年底的实测结果及设计，东一采剩余排土空间为：排至120线有2 216万m3，排至121线有1 865万m3。按调整后的规划排至121线，到2019年年底剩余空间为331万m3，旱季按每月60万m3剥离，所需排土空间为76万m3，耗时4.4个月，因此120线-121线深部矿开采必须在2020年5月以前完成，否则将无排土空间。2020年底前结束东一采120线-130线内排，即2021年必须考虑东二采部分区域排土。

根据东一采内排进度(见图3)，如在2018年1月-2020年5月期间统筹规划，合理搭接，东一采内排空间能满足未来生产排土需要。

图3 东一采排土进度

2.2.2 “3+2”模式内排工艺

为了充分利用有限的排土空间，决定采用“斜平面分区”法内排，即“3+2” 排土工艺模式。“斜平面分区”内排设计剖面见图4，东一采内排空间模拟见图5。

图4 “斜平面分区”内排设计剖面(以124线为例)

图5 东一采内排空间模拟

从图4的竖向剖面上看，分别是3个斜面区块和2个水平面区块；从图5的立体空间上看，是由内而外，由低到高，依次向北推进。其工作流程是先完成①区段2 240 m水平以下排土；然后是②区段2 240 m至2 310 m水平斜面区排土；接着是③区段2 240 m至2 270 m水平区排土；最后是④区和⑤区段，均为斜面区排土。作业流程为①→②→③→④→⑤。

“斜平面分区”内排工艺和传统的“整体平面推移”内排工艺的区别是：前者能使临空高边坡尽早进入全面压脚，增大压帮面积，大大提高边坡的抗侧滑力，减少上部滑移对排土作业和北侧下部掘进的影响，另一方面可为“高土高排，低土低排”创造条件[10]，其特点是对生产计划和管理的要求更加周密和严格；后者是由低到高、由南往北推进内排，逐层递增至2 310 m水平，其优点是排土作业面大，生产管理灵活,不足是需要更大内排空间，全面压帮进度滞后，对整体边坡稳固不利，内排作业和北端下部掘进受边坡滑移影响大。共同点是两者都要分段分层排土。

2.3 高边坡治理

近些年的滑坡体治理经验表明，一次性根治，投入成本很大，经济上难以承受。因此，较适宜的处理方法是削坡减载法[11]，通常选择在旱季小范围实施。从上往下分段分台阶削坡，采完余矿后，迅速排土压帮。由于本滑坡面积大，且存在滑移反复性，治理进度缓慢，故考虑在2个年度的旱季进行。经计算得出，至少需在2019年年底前完成120线以南的边坡治理，采出上部挂帮矿，2020年年初进入120线-121线深部矿开采，否则东一采现有空间将不能满足排土进度要求。

整体治理是自上往下延伸，分段分期治理，最终采出矿石。第一期治理122线-125线，时间是2018-2019年；第二期治理116线-119线，时间是2020-2021年。边坡治理技术参数和实施要求为：单段台阶高10 m，台阶坡面角25°～34°，安全平台宽3 m；治理与采矿同步进行，运输道路接现有道路，内侧设排水边沟，采用土工布铺底；边坡按设计要求扩帮到位。

2.4 东一采挂帮矿和深部矿开采

121线挂帮矿主要分布在2 195～2 240 m水平。先治理2 240 m水平以上的滑坡体，治理时间段为2018年和2019年雨季过后，治理过程中须确保西帮运输道路畅通，限时分段分步实施，在治理边坡的同时，采出挂帮矿。

120线-121线深部矿开采。终采2 180 m最低水平(原设计)，通过优化后可降至2 170 m水平，深部掘进优化后的剖面见图6。实施的条件是上部边坡治理和挂帮矿开采均已完成，同时坑底水须排空。作业时间选择2019年雨季后。具体实施步骤为：将坑内水抽至东二采，取消东帮2 202 m水平运输道路，改为南端帮底绕S形路直接进排土场，北端帮沿矿石底板进出；剥离物往南运至排土场，矿石往北运至新大破碎站；坑底靠西设排水沟，北端最低处设集水井，用水泵抽往东二采；道路随分层剥离同步下降。

图6 120线-121线深部掘进优化后剖面(以120+50线为例)

2.5 非传统水源利用

采区传统水源是场外4 km处大柳树一级泵站抽取的地下水，只能满足生活区用水。采区用水现状是：矿山生态植被修复和生产、周边村民种地均缺水，而雨季深部作业区 “水患”严重。研究认为，通过采剥时空优化，将雨水收集系统与矿山生产有机结合，可使“非传统水源”得以有效利用。

生产用水量计算：正常洒水降尘用水量日均240 m3，年用水量约7万m3；植被区为南扩排土场和西采排土场，年用水量约9万m3；合计16万m3。如果采用传统水源，则只能从滇池取水。如从滇池铺管线至采区，管道敷设基建预算费用约780万元，另外每年需支付水电费264万元。

有关资料表明，常年降雨量大于800 mm的地区，可收集雨水作为非传统水源直接利用[12]。经查询，矿区年均降雨约900 mm，符合雨水收集条件。六号坑汇水面积314万m2，年集水量大于25万m3，满足生产用水要求，多余的水可外排给村民种地。采用集水坑动态蓄水，即采取以“时间换空间[13]”的方式蓄水，具体为：2017年，东一采为主要蓄水区，东二采分段开采分段蓄水；2018-2019年，东二采为主要蓄水区，东一采蓄水则随内排进程向北收缩；2020年下半年东一采实施全面排土，仅东二采坑蓄水，同时加大九号坑深部开采，采完后作为2021年后主要蓄水点。非传统水源利用进度如图7所示。

图7 非传统水源利用进度

3 终采技术应用

截至2020年底，内排实施已有4年，露采服务期年剥离量比较见表1，年擦洗原矿量比较见表2(表中规划量为2017年底调整后的量)。由表1、表2可知：2017-2020年每年的实际剥离量与规划剥离量之比的平均值为1.06，偏差6%；每年的实际擦洗原矿量与规划擦洗原矿量之比的平均值为1.07，偏差7%；实际剥采比为4.90，规划剥采比为4.95，二者之比为0.99，偏差1%。

表1 露采服务期年剥离量比较

表2 露采服务期年擦洗原矿量比较

2016年，该矿的排土规划研究项目开展比较及时，前瞻性好，形势判断基本准确，执行效率高，通过终采实施技术研究的补充，整体精度趋于5%，达到预期效果。服务年限进度为75%，剩余1.346 a，据目前应采及可采的保有矿石量推算，矿山露采可维持至2022年上半年，基本可以达到预期目标。

通过综合技术的应用，确保了年度生产目标，并控制了生产成本，效益明显：

a.解决了当前“用水”与“水患”的矛盾，消除了水外排“扰民”和村民种地用水产生“民扰”的现象[14]。“非传统水源”得到了有效利用，截至2020年底，为企业节约能耗成本1 226万元，同时还促进了企地和谐。

b.实现了东一采全面排土，缓解了排土压力。满足“应采尽采”原则,实现了磷资源保护性开采。121线2 195 m水平以上的挂帮矿中，采出低品位矿15.2万t、擦洗原矿9.8万t；120线-121线深部较原设计多采出擦洗原矿4.78万t。

4 结论

在原排土规划及其实施的基础上，开展了采剥时空、排土工艺及排土进度的优化研究，规避了生产“难点”，实现了安全高效协同开采。终采技术的应用，减少了盲目的“遗矿”或“弃采”，不但使矿产资源得到了充分利用和保护，还使“非传统水源”得到了有效利用。通过科学组织，实现了原矿生产目标，同时还降低了开采成本。