鐵礦山由露天轉(zhuǎn)入地下開采的技術(shù)問題

鐵礦山由露天轉(zhuǎn)入地下開采的技術(shù)問題

目前，中國大部分黑砂巖露天礦正在從外部向地下采礦。由露天開采轉(zhuǎn)入地下開采會遇到許多新的技術(shù)問題,而如何實現(xiàn)轉(zhuǎn)折期間的平穩(wěn)過渡是企業(yè)最關(guān)心的主要問題。平穩(wěn)過渡的主要問題是產(chǎn)量的銜接,還包括采礦工藝技術(shù)銜接、安全管理技術(shù)的轉(zhuǎn)變以及礦山生產(chǎn)管理方式的轉(zhuǎn)變等項內(nèi)容。唐鋼石人溝鐵礦是我國露天轉(zhuǎn)地下開采較早的鐵礦山,從2000年著手進(jìn)行由露天轉(zhuǎn)入地下開采的建設(shè),經(jīng)過了轉(zhuǎn)地下一期建設(shè)、二期建設(shè)及當(dāng)前的三期擴(kuò)大規(guī)模建設(shè)。該礦的轉(zhuǎn)地下開采建設(shè)過渡期間基本上實現(xiàn)了平穩(wěn)過渡,產(chǎn)量保持了基本穩(wěn)定,達(dá)到此效果的主要手段就是該礦在建設(shè)前及建設(shè)過程中采取了一系列科學(xué)合理的措施方案。1露天開采礦區(qū)地質(zhì)概況唐鋼石人溝鐵礦是1975年建成投產(chǎn)的露天鐵礦山,建設(shè)規(guī)模為150萬t/a,該礦在建設(shè)之前即規(guī)劃了按露天與地下分2期開采,前期采用露天開采,后期轉(zhuǎn)入地下開采。露天開采至1999年,境界內(nèi)的礦石儲量已基本采完,急需轉(zhuǎn)入地下開采,因當(dāng)時鐵礦石的市場價格過低,延誤了轉(zhuǎn)入地下開采的最佳時期,使礦山面臨產(chǎn)量失衡的被動局面。1999年露天境界內(nèi)的礦石量僅剩200余萬t,而轉(zhuǎn)地下工程建設(shè)還未開始,地下工程建設(shè)的建設(shè)期一般為4~5年時間,可見礦山維持100萬t/a左右的產(chǎn)量規(guī)模很難實現(xiàn)。當(dāng)時該礦露天開采南區(qū)18線至28線范圍已經(jīng)結(jié)束,18線以北至5線的北區(qū)露天開采仍在進(jìn)行。礦山全區(qū)從南向北2.8km,露天開采時劃分為3個采區(qū),28線至18線為南區(qū),18線至8線為中區(qū),8線以北為北區(qū)。礦區(qū)內(nèi)主要有4層礦體,南北呈狹長條帶狀分布,其中的M2礦體為主礦體。礦山地質(zhì)儲量為23340萬t,其中工業(yè)儲量為9405萬t,遠(yuǎn)景儲量為13934萬t,地下部分儲量還很豐富,但尚未進(jìn)行地下工程建設(shè)。礦內(nèi)礦石主要為磁鐵礦,平均品位為TFe31.13%,礦石易磨易選,鐵精粉品位為68%,硫磷含量低。礦區(qū)為單斜構(gòu)造,礦體向西傾,傾角為50°~70°。礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育對礦體影響較大,主要斷裂帶有F18、F19、F8等3條,給轉(zhuǎn)地下開采帶來很大困難。礦區(qū)內(nèi)M2主礦體的厚度為3~40m,南區(qū)礦體較薄,北區(qū)礦體較厚大。礦體沿走向及傾向形態(tài)變化較大,分支復(fù)復(fù)合及突然尖滅現(xiàn)象較多,賦存狀況復(fù)雜。2產(chǎn)量均衡措施石人溝鐵礦在生產(chǎn)形勢非常被動的形勢下,研究制定出了一系列有利于生產(chǎn)銜接、產(chǎn)量均衡、平穩(wěn)過渡的措施方案,實現(xiàn)了產(chǎn)量均衡,露天與地下開采已初步銜接和平穩(wěn)過渡。2.1開發(fā)區(qū)域及采礦方法確定在露天開采即將結(jié)束地下開采剛剛開始啟動的被動形勢下,按全礦區(qū)一次轉(zhuǎn)入地下開采已經(jīng)不能實現(xiàn)生產(chǎn)均衡及產(chǎn)量銜接,因此,必須研究制定可行的轉(zhuǎn)地下建設(shè)方案。研究認(rèn)為,轉(zhuǎn)地下開采的建設(shè)應(yīng)從南區(qū)首先進(jìn)行,分期轉(zhuǎn)入地下開采,這樣有利于避免露天轉(zhuǎn)地下開采的相互影響,有利于縮短地下開采初期出礦時間。開拓方式為下盤中央豎井單翼通風(fēng)布置方式。建設(shè)規(guī)模定為60萬t/a。南區(qū)露天開采的露天底結(jié)束于17~24m,確定地下開采的第1個中段-60m為首采中段,0m為回風(fēng)水平,首采中段內(nèi)的礦石儲量為587萬t。采礦方法采用空場法,采用此方法主要是為了留設(shè)露天與地下開采之間的隔離層,即境界礦柱,也是地下開采的安全頂柱,這樣有利于避免露天與轉(zhuǎn)地下的相互影響,使地下建設(shè)及開采更加安全。因為南區(qū)的礦體較薄,不適宜采用大型機(jī)械開采,且當(dāng)時的礦石市場價格很低,投資要盡量控制,所以選用了投資少,見效快,成本較低的淺孔留礦法,工程投資為7200萬元。一期轉(zhuǎn)地下工程建設(shè)從2000年7月份至2004年8月,經(jīng)過4年的建設(shè),達(dá)到了投產(chǎn)出礦條件。在建設(shè)期間,采用了脈內(nèi)中段運輸巷,盡量多出副產(chǎn)礦石,并且在具備條件的部分首先進(jìn)行采準(zhǔn)。以上措施方案的制定和實施,實現(xiàn)了露天生產(chǎn)與地下建設(shè)同時進(jìn)行,縮短了建設(shè)工期,達(dá)到了地下開采提前出礦的目的。2.2研究區(qū)礦深資源開發(fā)及生產(chǎn)評價為了使地下采礦盡快增加生產(chǎn)能力,較快地實現(xiàn)露天與地下開采產(chǎn)量的銜接,該礦在一期地下工程建設(shè)期間研究制定了增加措施井的建設(shè)方案。在北端邦的46m水平上掘進(jìn)了一條措施井。該措施井為豎井,開采范圍為北區(qū)6線以北及邊坡內(nèi)的礦體,設(shè)計開采-60m水平以上礦體,礦石儲量為73萬t。該措施工程于2003年10月開始施工,至2004年4月即開始出副產(chǎn)礦石,至8月份已正式生產(chǎn)出礦,達(dá)到了工期短,見效快的目的。該措施井工程投資480萬元,年出礦能力達(dá)到15萬t以上,有效地補(bǔ)充了過渡期的礦石產(chǎn)量。2.3開發(fā)生物上盤斜井,開采生物利用條件石人溝鐵礦北區(qū)的露天開采至2003年,具備了北區(qū)轉(zhuǎn)地下建設(shè)的條件,因此,研究制定了北區(qū)轉(zhuǎn)地下的開拓方案。為縮短建設(shè)工期,盡量利用有利地形及條件,進(jìn)行北區(qū)轉(zhuǎn)地下建設(shè)。在露天采區(qū)內(nèi)形成的上盤臺階上,選擇合適位置施工斜井,采用坑內(nèi)上盤斜井開拓方案,開采北區(qū)16線至6線之間-16~-60m的礦體,北區(qū)范圍礦石儲量為600萬t。北區(qū)礦體的特點是比較厚大,水文地質(zhì)條件簡單,涌水量小,斷層影響小。工程建設(shè)從2003年10月份開始至2005年8月已建成投產(chǎn),實現(xiàn)了北區(qū)盡快地下出礦。2.4邊坡巖體回收利用方案為了在轉(zhuǎn)地下開采建設(shè)期間,盡可能對礦石產(chǎn)量進(jìn)行補(bǔ)充,該礦研究制定了邊坡殘礦回收方案。露天境界外的邊坡內(nèi)尚存有一定的殘留礦體,在過渡期內(nèi),可回收利用該部分礦體。該礦研究制定了邊坡礦體回收方案。北區(qū)邊坡內(nèi)殘留的礦石量達(dá)100萬t,這部分礦石量的安全采出,有效地補(bǔ)充了露天轉(zhuǎn)地下過流期的產(chǎn)量不足。2.5優(yōu)化工程建設(shè)方案根據(jù)唐鋼發(fā)展對鐵原料的需求,石人溝鐵礦從2005年開始進(jìn)行三期擴(kuò)大采礦能力建設(shè)。擴(kuò)大采礦能力建設(shè)規(guī)模為年產(chǎn)200萬t鐵礦石,工程計劃2010年建成投產(chǎn)。因工程地質(zhì)條件變化,三期擴(kuò)大采礦能力工程施工難度加大,致使工程滯后。為按期完成建設(shè),礦山對建設(shè)施工進(jìn)行了優(yōu)化,即優(yōu)先建設(shè)影響三期形成系統(tǒng)能力的主要工程項目,如主副井提升系統(tǒng),井下供變電、排水、通風(fēng)、主運輸系統(tǒng)等重點工程,使三期工程建設(shè)按期達(dá)到系統(tǒng)能力,實現(xiàn)提前投產(chǎn)出礦。此外,還研究制定了施工措施井方案,該方案在-60m水平,南北兩區(qū)靠近-180m水平井底車場的位置增加施工了2條措施井,利用這2條措施井,可加快-180m井底車場及各種硐室的施工,并可提前使-180m水平與-60m水平貫通形成通風(fēng)條件。該2條措施井是加快三期建設(shè)的主要施工措施。三期擴(kuò)大工程建設(shè)在采取了措施井施工和整體優(yōu)化施工方案后,可按預(yù)定目標(biāo)建成投產(chǎn),并按計劃于2012年達(dá)到200萬t規(guī)模。2.6問題的提出及工作方向石人溝鐵礦的一期、二期地下工程均按一個中段開拓建設(shè),即從露天底部的0~-60m水平(南區(qū))和-16~-60m水平(北區(qū)),開采-60m水平以上的礦體,一、二期合計采礦范圍內(nèi)的礦石儲量為1200萬t,采礦方法全部采用淺孔留礦法,均留設(shè)了安全頂柱,也即境界頂柱。境界頂柱的留設(shè)主要是為了避免露天與地下開采的相互干擾,使露天與地下同時施工作業(yè),有效地防止露天積水大量涌入地下。一、二期合計生產(chǎn)能力為130萬t,服務(wù)年限為6a,即到2011年開采結(jié)束。三期擴(kuò)大地下采礦規(guī)模工程開拓按2個大中段建設(shè),開拓-180m水平及-300m水平2個大中段,按120m大段高設(shè)計,其開拓范圍內(nèi)工業(yè)儲量為4500萬t,服務(wù)年限為20a。三期建設(shè)選擇了先進(jìn)的采礦方法,完全改變了一、二期工程建設(shè)的小型化、人工化的模式。采礦方法采用的是無底柱崩落法,該方法要求必須有上覆巖層的形成。一、二期采礦的礦柱回收與空區(qū)處理問題,要與三期崩落法覆巖的形成統(tǒng)一考慮,從時間上、空間上統(tǒng)一按排,要研究制定統(tǒng)一的解決處理方案。目前,以石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下為依托的國家“十一五”科技支撐攻關(guān)項目,即露天轉(zhuǎn)地下開采平穩(wěn)過渡關(guān)鍵技術(shù)研究已經(jīng)啟動,其攻關(guān)研究的主要內(nèi)容就是解決石人溝鐵礦的礦柱回收、空區(qū)處理與覆巖形成問題。制定出切實可行的方案,使該礦的一、二期地下開采與三期擴(kuò)大采礦規(guī)模開采實現(xiàn)順利的銜接,實現(xiàn)安全高效的采礦。石人溝鐵礦的一期、二期與三期開采順利轉(zhuǎn)換及銜接后,才可認(rèn)為實現(xiàn)了露天與地下的平穩(wěn)過渡,因露天與地下有標(biāo)志意義的隔離層即境界頂柱還未處理,只有處理了該過渡層,才能稱為真正意義上的露天轉(zhuǎn)地下開采的平穩(wěn)過渡。所以,后期還需做大量的工作,其技術(shù)工作將更加復(fù)雜和困難。因此,本研究目前已經(jīng)研究制定的方案措施只是平穩(wěn)過渡的前期研究,后期要通過“十一五”科技支撐項目繼續(xù)進(jìn)行研究,以期使平穩(wěn)過渡問題最終解決。3礦產(chǎn)資源量分析石人溝鐵礦平穩(wěn)過渡的前期即一期、二期轉(zhuǎn)地下采礦,從2004年至2007年的4年時間,通過實施上述的措施方案,有效地補(bǔ)充了轉(zhuǎn)折期的礦石產(chǎn)量,避免了礦石產(chǎn)量大幅下降,使礦山的生產(chǎn)經(jīng)營平穩(wěn)地進(jìn)行,前期實現(xiàn)了平穩(wěn)過渡(見表1)。通過對表1進(jìn)行分析,從2004年至2007年一期、二期地下工程采礦合計占4年總出礦量的43.96%,如果僅靠此來維持礦山生產(chǎn),是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,會造成礦山產(chǎn)量的大幅下滑,而采取了措施井采礦,邊坡殘采及露天殘采后,使礦山每年的礦石產(chǎn)量均維持在85萬t以上,鐵精粉產(chǎn)量維持在30萬t以上,措施井及邊坡采礦顯然發(fā)揮了很好的補(bǔ)充供礦作用。從另一方面來分析,一期、二期地下采礦到2007年尚未達(dá)到設(shè)計的年產(chǎn)130萬t能力,實際出礦剛達(dá)到71.08萬t,而未達(dá)產(chǎn)的根本原因是裝備水平低,作業(yè)效率低,另外地下礦體的變簿變少也是主要原因,為了使地下出礦能力提高,礦山于2008年采取了加大出礦的幾項重要措施,使2008年及以后幾年的礦石產(chǎn)量逐步提高,2008年預(yù)計達(dá)到20萬t,2009年達(dá)到140萬t,2010年達(dá)到160萬t,按照礦山新制定的5年規(guī)劃,將在2012年后礦山達(dá)到200萬t的采礦規(guī)模。實現(xiàn)這一目標(biāo),礦山還要做大量的工作,主要是要研究解決一期、二期采礦的礦柱回收問題,空區(qū)處理問題,過渡層如何開采和處理,以及覆蓋層如何形成等。國家“十一五”科技支撐攻關(guān)研究計劃項目已開始啟動,該課題的研究將有助于解決石人溝鐵礦的后期平穩(wěn)過渡及200萬t采礦規(guī)模達(dá)產(chǎn)問題。4充填材料措施(1)石人溝鐵礦在露天轉(zhuǎn)地下開采的前期經(jīng)研究制定一系