金属矿床露天转地下过渡方式现状及关键技术讨论
发布时间:2024-01-25
国内外露天转地下的矿山普遍存在生产衔接的技术难题，造成减产或停产过渡。通过总结目前露天转地下常用的过渡模式和采矿方法，分析各自的优缺点和适用条件，列举了众多矿山应用实例，探讨制约露天转地下产能衔接关键技术问题以及管理问题，并提出了相应的应对策略，对露天转地下矿山产能衔接和安全高效开采具有重要的参考价值。
张子祥1， 何荣兴2， 许雁超3， 白桂秋1
1.河北钢铁集团矿业有限公司；2.东北大学资源与土木工程学院；3.河北钢铁集团矿业有限公司庙沟铁矿张子祥, 何荣兴, 许雁超，等. 金属矿床露天转地下过渡方式现状及关键技术讨论[J]. 现代矿业, 2023(9):125-129.露天开采具有建设与投产快、生产能力强、劳动效率高、开采成本和矿石损失贫化低、劳动条件好、作业安全等优点。因此，地表浅部的矿体，通常选用露天方式进行开采。统计数据显示，中国约90%的铁矿石、近50%的有色金属矿石都采用露天采矿。但随着露天开采深度的增加，生产剥采比逐渐增加，矿石开采成本、运输成本及高陡边坡滑坡风险不断加大，而且矿石产能也逐渐减小，对于露天境界以之外的挂帮矿或深部矿体资源，应计划转为地下进行开采，在未来的10～15 a内，90%以上露天开采的矿山都将转入地下开采。由于生产方式和开拓系统的转变，在露天开采过程中进行挂帮矿或地下开拓、采准等基建工程建设，露天地下生产上相互干扰，安全条件差，管理复杂等问题，造成露天转地下矿山产量衔接困难，大部分露天转地下开采都是减产甚至停产过渡，严重影响了矿山企业经济效益。例如智利Chuquicamata 铜矿低产过渡12 a，产能降低50%～97%，国内某铁矿低产过渡8 a，产能降低40%～90%。因此，研究露天转地下生产衔接中存在问题和关键技术措施，对保证矿山稳产过渡具有重要意义。本文首先对国内外露天转地下过渡方式和地下采矿方法各自存在问题和特点进行总结和分析，剖析目前露天转地下过渡期的关键技术问题，并提出针对性的建议和措施，以期为国内露天矿山转入地下开采提供借鉴及过渡期内的战略布局提供理论支撑。
露天转地下开采过渡期，是露天转地下成功与否的关键期。露天、地下开采在不同程度上相互干扰，各自的生产能力都受限制，安全性也要低于单一开采模式，不同的开采模式具有不同的特点和局限性，每个矿山应该根据矿山的具体条件进行选择和设计。目前主要的过渡方式有境界矿柱过渡方式、境界矿柱和覆盖层的过渡方式、楔形过渡方式。
境界顶柱过渡方式是在露天开采最终境界留设一定厚度的矿体或人工构筑一定厚度的钢筋混凝土作为隔离顶柱（即境界顶柱），把露天开采与地下开采的空间隔离，以便消除二者间的相互干扰，其过渡方式如图1 所示。该过渡方式的关键点是合理确定境界顶柱厚度，留设厚度大，矿柱矿量回收难度大，造成矿量永久损失；厚度小，那么顶柱稳定性就差，不仅会造成部分矿量损失，而且起不到隔离的作用，还会存在顶柱突然坍塌冒顶的安全威胁。境界顶柱的理想厚度与采矿方法及矿岩力学性质密切相关，一般常采用理论计算、数值模拟和工程类比的方法来综合确定。如石人沟铁矿采用工程类比法和极限平衡解析方法，确定矿山的境界矿柱厚度为20 m；山东黄金集团归来庄金矿，基于理论计算、类比法和数值模拟联合分析，最终确定其境界矿柱厚度最优值为10 m。
采用隔离顶柱把露天采场与地下采场隔离，挂帮矿作业空间小，开采强度低，地下采矿法受保护矿柱限制效率低，虽然隔离顶柱回采困难，但是现场操作简单，适用各类条件矿体，一般多用于井下选用空场法、充填法开采的矿山。
大型金属矿山露天转地下经常将无底柱分段崩落法作为转入地下开采的采矿方法，结合地下采矿方法的特点，部分矿山将露天境界外的挂帮矿体与露天开采同时进行，在开采挂帮矿上部留设倾斜的境界矿柱，露天坑底部不留境界矿柱，当露天开采达到坑底境界后，采用废石回填、崩落边坡围岩或者在露天坑底部打深孔崩落矿石形成覆盖层的方法进行过渡，即境界矿柱和覆盖层过渡方式，如图2所示。
境界矿柱和覆盖层的露天转地下过渡方式，取消回采难度较大的露天坑底部境界矿柱，在覆盖层下面采用崩落法回采露天坑底部矿石，有利于快速增加地下产能。但在挂帮矿开采期间，境界矿柱随挂帮矿回采，边坡稳定性降低，威胁露天采场的生产安全。此外，露天开采到境界时，在安全形成覆盖层后，才能用无底柱分段崩落法开采露天坑底下部矿体，因此，露天开采和地下开采不能完全接续，需要布置安全防护措施降低对露天生产安全的威胁。由此可见，采用境界矿柱和覆盖层过渡方式，露天与地下在时间上和空间上相互影响问题依然存在。
为解决传统过渡模式露天、地下生产相互干扰影响产能的问题，东北大学任凤玉教授把露天陡帮开采技术与地下诱导冒落开采技术紧密结合，提出了取消人工覆盖层和隔离矿柱的楔形转接过渡方式（图3）。露天、地下采场规模随开采深度的增加，分别呈楔形增大与缩小，该过渡模式利用这一特点，形成露采在下、地采在上，且两者在水平投影面上空间位置相互错开，沿斜切矿体的方向形成露天、地下分界线。采用诱导冒落法开采挂帮矿，运用不扩帮延深法回采露天底部矿石，延长露天开采期接续产量。在露天开采和地下开采间留设一定的安全距离，并砌筑防护坝，避免挂帮矿采动诱发边坡岩层移动形成滚石对露天采场造成安全威胁，同时利用边坡岩体临界冒落跨度合理调控回采顺序和位置，在边坡形成塌陷坑接纳上部边坡冒落岩体，该法最大限度上提高了露天开采和地下开采的连续性以及地下开采强度，能够有效保障过渡期内产能衔接。但该法有一定的局限性，仅适应采用崩落法开采的矿山，尤其是矿体厚大，或者多条矿体，有一定的挂帮矿量，而且对挂帮矿回采顺序比较严格，对矿山生产技术及管理水平要求较高，一般需要在科研单位指导设计下完成。
金属矿床露天转地下过渡期产能衔接问题，与过渡期运用的采矿方法密切相关，在很大程度上影响着过渡方式，主要有空场法、崩落法、充填法及联合采矿法，以下将分别论述各方法的特点。
露天转地下选择空场法回采地下矿体，在露天坑底部留设一定厚度的矿体作为矿柱，将露天开采与地下开采隔离，同时在采场中留满矿石，以确保边坡稳定及露天安全生产。凤凰山铁矿选用留矿法进行地下开采，如图4 所示，境界矿柱将露天开采与地下开采隔离，地下开采矿房内随着采高采场内滞留大量矿石，在露天开采结束后，将矿石全部放出，并回采境界矿柱。该方法有助于露天开采结束时产能衔接调节，但地下开采形成空场条件，导致和隔离矿柱回收条件恶化、回收难度大，矿石贫损指标较高。如果在过渡期内，能够将露天和地下生产在平面上错开，可以不留境界矿柱。金岭铁矿采用空场法回采，矿石回采率较高，贫化率较低，但导致露天降雨直接涌入地下，增加井下泥石流威胁，增加地下矿石贫化。在多雨的南方尤其含泥多的地区，高陡边坡稳定性较差的露天矿山，采用此方法回采易造成空区冒落或露天边坡滑落等安全事故。分段崩落法在露天转地下矿山开采中得到广泛应用，如庙沟铁矿、铜官山铜矿、尖山铁矿、司家营铁矿、杏山铁矿、小汪沟铁矿等。该方法是在覆盖岩下出矿，不用预留矿柱，能够适应矿体的不断变化，且开采强度大、成本低、生产安全，可以弥补或克服过渡期内的露天、地下生产过程中的众多限制，转接过渡方式比较灵活，可取消境界顶柱的留设，有助于加快产能衔接。由于前期露天开采对地表的破坏已经形成，后期地下开采对地表的破坏范围增加不大，对于允许崩落地段的矿山，无底柱分段崩落法是露天转地下首选采矿方法。随着绿色开采的提倡和矿山环境保护政策出台，新建尾矿库审批政策的调整，充填采矿法逐渐取代无底柱分段崩落法，成为露天转地下采矿方法的首选。充填法将尾矿、废石等废弃物作为充填料充填至地下采场，维护采场的稳固性，可提高矿石回收率和井下作业区的稳定性和安全性，最重要的是降低了矿山企业的尾矿库库容压力，甚至可取消尾矿库建设和扩建，减少或避免对土地和地面设施的破坏，保护生态环境，节省占地成本；但由于充填采矿方法需要建立充填系统，增加了过渡期投资和工程量，同时增加了地下采矿工艺流程和复杂性，限制过渡期产能衔接。露天转地下选择充填法开采，一般都会选择境界顶柱的过渡方式，如姑山铁矿露天开采至-170 m 转入井下开采，井下采用上向水平进路法开采，经过理论分析和论证，在坑底留设22 m 厚的境界顶柱，向地下过渡。归来庄金矿利用下向进路充填法进行地下开采，从露天坑底直接向下进行回采三层，然后利用钢筋混凝土构筑10 m 厚人工境界矿柱。露天转地下过渡方式和采矿方法是相对应的，国内部分露天矿转地下过渡期的地下采矿方法见表1。露天转地下开采是一项较为复杂的系统工程，随着研究的深入，国内对露天转地下的理论、技术都已有一定了解，可以将露天转地下的难点概括为技术和管理两方面。露天转地下开采涉及的技术问题包括覆盖层的安全结构与合理厚度、联合开拓运输系统最佳衔接技术、边坡岩移、塌陷控制技术、露天地下相互协调安全高效采矿工艺技术、生态恢复环境技术、通风排水等技术问题。露天转地下过程中的生产管理难度增加，管理是否合理影响着技术问题解决的难易程度，根据国内露天转地下的现状，列举一些需要注意的问题和措施：（1）科学确定露天转地下开采平稳过渡期，以保证矿山持续稳定生产。首先，从时间上来讲，对露采10～20 a 的中小型铁矿山，露天开采设计和地下开采设计需同时进行；对露采20～30 a 以上的大型铁矿山，在露采设计时应进行矿床开采整体规划，露天矿闭坑前8 a 左右（特大型矿山15 a 左右）时间，矿山应编制过渡规划和地下开采设计。其次，建立露天矿山企业盈利动态核算系统，露天开采进入深部时，生产成本逐渐增加，从空间上确定合理露天开釆境界，同时根据露天采剥计划，科学确定露天减产期及地下开拓、采准、切割的工程量和时间节点。再次，考虑矿山的盈利受矿产品和主要耗材市场价格影响，如铁精矿价格受国际市场影响，会产生周期性的波动，如果精矿价格进入低谷期，此时的露天转地下条件基本成熟时，可以提前在矿产品低谷期内启动转地下开采，保障矿山整体的经济效益；该部分对于目前正在生产的露天矿山是非常重要的，因为一些审批手续、流程是非常繁琐的，到露天开采末期再筹划转地下事宜，没有时间保障，任何技术是不能弥补的，最终只能减产过渡甚至停产过渡，最终损害企业总体经济效益。（2）在露天转地下开采过渡期，应充分考虑矿山生产现状和开采特点，把两者有机地结合起来。在进行开采可研和设计时，应全面系统规划过渡期内的工程利用，露天开采后期既要考虑过渡期内开拓、运输生产上的相互干扰，同时地下开采也应尽可能利用露天开采的相关工程和设施等。过渡期的地下釆矿作业应不影响露天作业的生产安全，地下采矿方法的优化选择，应尽量避免露天开釆与地下开釆的不协调，并考虑到持续再生产，使露天开采科学合理地过渡至地下开采，降低矿山基建投资成本；如海南铁矿选用无底柱分段崩落法回采挂帮矿和地下矿体，采用楔形过渡方式，形成露天地下协同开采，通过平硐斜坡道和露天道路系统，快速进行采准回采，另一方面通过不断优化露天境界，延伸最终境界开采，露天地下同时开采36个月，有效增大了过渡期的矿石产能，实现了海南铁矿露天转地下的增产过渡（图5）。（3）露天最终开采境界与地下开拓、采准及回采工程必须保持一定的安全距离，近露天坑底部的穿爆作业必须控制同次爆破药量，应尽量避免露天爆破对地下采场稳定性的破坏；必须在露天坑内部实施防护工程，防止边坡滚石冲击露天生产区域，造成安全危害。（4）在转地下过渡期，必须防止地下巷道、釆空区与露天坑相互贯通，造成井下通风系统漏风和地表水下灌至采场。在地下开采移动界线以外设置防洪堤、截水沟等截留防洪工程以减少地表径流由露天涌入地下采场，及时封闭露天连通地下井巷和空区的通道，保持垫层密实，科学设置地下防水闸门，以确保地下水泵房正常运转和防止泥沙溃入地下。必要时应设置井下应急水仓，其体积应能够存储8 h以上的灾害透水量。（5）建立边坡岩移监测系统和定期数据评估制度。依据矿山实际情况采取科学的观测方法与手段，如采用无人机测量、GPS、CNSS、微震监测等技术，同时要进行定期检测和维修，保证系统正常运行，如果矿山不具备这方面技术人员，可以和科研院所进行合作，利用监测数据对边坡、空区顶板位移进行评估，随时掌控地下采空区上覆岩体的移动规律，以保障过渡期露天和地下安全生产。露天转地下开采是一种客观必然趋势，露天转地下不是露天开采技术和地下开采技术的简单结合，而是一项科学复杂的系统工程，关系到企业的经济效益和矿产资源的开发利用。因此，矿山企业提前规划露天转地下相关事宜，抓住露天转地下合理时机，根据选择的地下采矿方法选择合理的过渡模式，并根据挂帮矿赋存条件、采矿方法、地下开拓系统，在充分利用露天系统且尽量避免相互影响、能够快速衔接的原则上，建立合理的开拓系统和安全技术措施，在短时间内完成露天转地下过渡，避免形成减产或停产过渡的不利局面，影响矿山企业的经济效益和良性发展。
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