特大型露天矿多区段开采方式研究

常 剑 凌道兵 刘贞表

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.安徽九华金峰矿业股份有限公司)

新水平准备是露天矿延深和持续生产必须进行的开拓准备工作[1-4]。新水平准备的目的是形成新的采剥工作面，矿山建设初期，评价新水平准备强度高低的标准为基建期长短，高强度新水平准备要求尽快形成与矿山投入设备数量相匹配的工作面，减少设备闲置，实现早日投产、达产[5]；矿山生产期，要求新水平准备工作保障矿山生产连续与产量稳定，并与矿山开拓系统合理衔接。对于特大型露天矿，矿区平面范围大，在新水平通过掘进单条长段沟或短段沟时，存在的不足为：①掘进出入沟时，受作业空间限制，无法投入多台设备作业，设备闲置较多；②长段沟工程量大，沿走向布置工作线，横向推进，对于急倾斜矿体的开采，不利于实现采剥均衡；③短段沟布置单台设备，形成多个工作面还需开辟下一水平，导致基建工程量大，基建期长。因此，对于特大型露天矿，为将矿产资源的储量规模优势转变为生产规模优势，提高新水平的准备强度及开采强度，本研究采用分区段开展新水平准备工作，探索多区段开采方式。

1 多区段开采方式

目前，露天矿采剥方法按采剥工程在空间和时间上的演化特征，可分为全境界开采、分期开采、分区开采[6]，这3种开采方式均由最初的首采区通过台阶水平推进和垂直延深达到最终境界，矿山在生产过程中，各个时期的开采境界始终只有1个[7]。从时间上是否分期、空间上是否分区的角度，现有采剥方法的分类方式见表1及图1。

表1 露天矿采剥方法分类

图1 露天矿采剥方法示意

由表1、图1可知：现有采剥方法分类未考虑采剥工程空间分区、时间同步的情况，即采场内分区同时作业，鉴于此，本研究提出露天矿多区段开采方式。

多区段开采是将露天矿划分为若干区段，各区段独立进行新水平准备工作，在新水平延深过程中，形成各区段独立的开拓运输系统，在露天开采境界中，存在多条独立的开拓运输道路，服务于采场不同的区域。在矿山生产后期，由于工作帮的推进，逐渐形成了最终露天开采境界。

多区段开采方式与传统分期开采、分区开采方式的区别如下：

(1)从时间上看，多区段开采方式强调的是多个小露天开采境界同时作业，分期开采、分区开采则具有时序性，即首先形成分期(分区)境界后，然后扩帮形成最终露天开采境界。

(2)从空间上看，前者将露天矿划分区段，实现多区段作业，形成多个小露天境界，后者在矿山服务年限内始终仅有1个露天坑，通过工作线延展达到终了境界。

2 多区段开采方式特点

2.1 生产规模分析

本研究采用矿山工程年下降速度分析露天矿多区段开采方式的生产规模[8-9]，计算公式为

(1)

式中，A为露天矿可能达到的生产能力，t/a；P为所选用的有代表性的分层矿量，t；V为采矿工程延深速度，m/a；h为台阶高度，m；η为矿石回收率，%；e为废石混入率，%。

由式(1)可知，对于1个已圈定最终开采境界的露天矿山，采用分期开采或分区开采方式时，分期或分区境界的分层矿量较全境界少，在其他参数相同的情况下，分期或分区开采所能达到的生产规模较全境界开采小，对于采用多区段开采方式的露天矿山，各区段虽有各自的小露天境界，但该作业方式强调各区段同时作业，因此多区段开采方式的生产规模与全境界开采基本一致。

2.2 设备作业效率分析

铲装作业是露天矿生产工艺的核心环节，铲装设备效率直接关系到露天矿山生产规模能否实现，台班生产能力按下式计算[10]

(2)

式中，E为挖掘机斗容，m3；Kh为满斗系数；T为每班工作时间，h；η′为时间利用系数；t为作业循环时间，s；Kp为松散系数。

采用全境界开采以及分区、分期开采方式的矿山，所有设备均在同一露天采场内作业，设备之间存在干扰。为保障生产安全，在采场实施爆破前后一段时间内，采场内设备停止作业，降低了设备的有效作业时间。以6 m3挖掘机为例，参照《采矿设计手册》给定的各项参数取值范围，式(2)各项参数取值见表2。经计算，6 m3挖掘机生产能力为2 592 m3/台班，按年工作300 d、每天3班计算，其生产能力为233.3万m3/a，矿岩平均密度按3.0～3.5 t/m3计算，6 m3挖掘机的综合生产效率为699.9～816.6万t/a。

表2 采装设备台班能力参数取值

对于采用多区段开采方式的矿山，各区段共用1套设备，穿爆、装运作业在不同的区段同时进行，即在1个区段进行穿孔作业时，另1个区段可进行铲装作业，穿孔与采装作业在不同的区段交替连续进行，使本区段的装运作业不受另1个区段爆破作业影响，并提高区段的爆破规模，增加铲装设备在区段内的连续作业时长，减少铲装设备在多区段之间反复调度的次数，从而提高了设备的时间利用系数。如澳大利亚bluehill铁矿，分为东、西2个露天采场，2个露天采场同时作业，设备共用，矿山采用1台6 m3挖掘机，2台钻机(1用1备)，矿山生产规模达250万t/a，剥采比为3 t/t，矿山年采剥总量达千万吨，究其原因，主要为矿山作业方式不同，致使设备的有效作业时间不同。

2.3 基建期分析

露天矿山基建工作的主要任务是揭露矿体，形成采矿作业面，以满足设备正常作业要求[11]。对于地势平坦的露天矿山，矿山基建期需形成若干采剥工作面，工作面的形成方案有：方案一，在单个水平上形成较长的工作线，根据采装设备的工作线长度，分配采装设备(图2)；方案二，多水平布置工作面(图3)；方案三，将露天矿划分为多区段，分别布置工作面(图4)。

图2 挖掘机工作线布置(方案一)

图3 挖掘机工作线布置(方案二)

图4挖掘机工作线布置(方案三)

形成以上3种挖掘机工作线布置方式所需的工程量包括出入沟、开段沟工程量，以及完成新水平准备所需的扩帮工程量，随着扩帮工作的进行，开段沟逐渐消失于工作平台。本研究分别对各方案工程量进行如下计算。

方案一工程量的计算公式为

V=BkLNh+V1+NV2，

(3)

式中，Bk为完成新水平准备所需的扩帮宽度，m，应满足下一水平能够正常掘进出入沟、开段沟和扩帮水平能够正常进行采剥工作的最小宽度要求，按下式计算：

Bk=W+b1+b2+Bmin，

(4)

式中，W为运输平台宽度，m；b1为出入沟沟底宽度，m；b2为开段沟沟底宽度，m；Bmin为最小工作平台宽度，m；L为挖掘机工作线长度，m；N为基建完成时所需工作面的数量；h为台阶高度，m；V1为出入沟工程量，m3，按下式计算：

(5)

式中，i为出入沟坡度，%；α为沟帮坡面角，(°)；V2为开段沟工程量，m3，按下式计算：

V2=(b2+hcotα)hL.

(6)

方案二工程量可用下式计算：

(7)

方案三工程量的计算公式为：

V=BkLNh+NV1+NV2.

(8)

以形成3处挖掘机工作线为例，各参数取值为h=15 m，i=10%，W=10 m，b1=20 m，b2=20 m，α=65°，Bmin=40 m，L=200 m，计算得各方案出入沟、开段沟、扩帮工程量见表3。

表3 3种方案的工程量 万m3

根据表1可知：方案二工程量最大，主要原因为采场开辟新水平，上部水平扩帮工程量大；方案三较方案一工程量略大，是由于单水平上多掘进了2条出入沟。不能简单的将采装设备效率累加作为采装环节的能力，以此计算各方案基建期，而应考虑各项工程中设备的作业条件，即进行各项工程时的设备数量及工作效率。如在基建期投入3台采装设备，设备工作效率为50万m3/a，掘沟时工作效率则会降低20%。方案一掘进1条出入沟，受作业空间限制，只能布置1台设备进行作业，开段沟长度为3台挖掘机工作线总长，布置2台设备进行作业，扩帮工程布置3台设备作业；方案二在3个水平各布置1条出入沟，共掘进3条出入沟，受作业空间限制，初期第一水平的出入沟、开段沟作业仅能布置1台设备，扩帮工程可布置2台设备作业，在上水平扩帮工程使下水平具备掘沟条件时，可进行下一水平作业，达到设备全部作业无闲置的状态；方案三在单水平上多区段作业，初期即可达到设备全勤的状态。各方案的设备作业状况及各项工程耗时见表4～表6。

表4 方案一设备作业情况

各方案完成基建工程的时间及工程量见表7。由表7可知：方案三工期最短，单位时间内完成的工程量最多，因此，对于新建矿山，为快速完成基建工作，实现投产，提高设备利用率，可将新水平划分为多个区段，分别进行掘沟、扩帮作业，最终形成多区段开采方式。

3 结 语

根据露天矿空间演变的时序关系，提出了多区段开采方式，是对现有采剥方法的补充。对于特大型露天矿，多区段开采方式的特点为：①与分期开采、分区开采方式相比，多区段开采方式的生产规模大，可将矿产资源的储量规模优势转变为生产规模优势，避免了采用分期开采、分区开采方式时由于分层矿量减少导致开采规模减小的不足；②增加了设备在区段内的连续作业时长，减少了设备在多区段之间的反复调度次数，提高了设备的时间利用系数，进而提高了设备的作业效率；③改变了矿山基建期部分设备闲置的状况，缩短了矿山基建期。

表5 方案二设备作业情况

注：第一水平扩帮工程达到27万m3(0.27 a)时具备下一水平的掘沟条件；第二水平扩帮工程达到27万m3(0.34 a)时具备下一水平的掘沟条件。

表6 方案三设备作业情况

表7 各方案基建工程量及工期