白云鄂博东矿境界外资源的开采方案研究

张 丽，贾瑞敏，田 琦

(包钢(集团)公司白云鄂博铁矿，内蒙古 包头 014080)

随着时间的推移，大部分露天矿山正过渡到后期露天或已闭坑，由于开采技术条件的限制，设计露天境界外尚存有部分矿石未被回收，少则几十万吨，多则上百万吨甚至上千万吨，如何回收这部分矿石资源，延长矿山服务年限越来越被露天矿山所重视[1]。白云鄂博东矿经过数十年的露天开采，已进入矿山生命周期的末期。东矿境界内目前保有铁矿石资源储量不足600万t，剩余服务年限3 a，东矿面临着闭坑停产的压力。如果可以合理开发利用境界外资源，将延续东矿矿山生命周期，对保障包钢集团公司铁矿石原料供给有重要意义。

1 矿山概况

目前，白云鄂博东矿采场+1 362 m水平以上台阶靠帮到界，生产台阶有+1 348 m水平、+1 334 m水平，主要出矿台阶+1 334 m水平。现采剥总量407万t，为了充分利用破碎站生产能力，采用矿石、岩石交替生产，矿石、岩石均采用公路-破碎站-胶带机联合运输，现有岩石破碎站位于+1 502 m水平。

2 境界外资源分区开采

露天境界外资源可划分两部分：一部分是采矿证范围内+1 230 m以上境界外的挂帮矿资源，地质储量约为0.42亿t；另一部分是采矿证范围外即+1 230 m以下资源，地质储量约为1.70亿t。

2.1 露天转地下的必要性

对于境界外资源的利用，从露天开采的角度有两种方案：一种是利用现有边坡进行扩帮，对挂帮矿进行利用；另一种方案对原境界底部进行延深，开发利用原境界底部的资源。通过对露天扩帮开采和境界底部延深的可行性研究分析表明，这两种方案均不可行。第一，为保持生产规模的稳定，扩帮工程下降速度为采剥作业下降速度的3.3倍，结合矿山清理部分C区滑体耗时分析，实施难度极大，而且扩帮作业存在难以回避的安全问题，扩帮工程技术上不可行；同时，与原境界相比，扩帮境界导致成本急剧上升，经济效益大幅下降，经济上也不合理，因此扩帮工程不可行。第二，底部延深境界对+1 260 m下部不留设安全平台，+1 185～+1 260 m段边坡角达55°，该方案的实施虽能创造一定的经济效益，但方案的实施需要采取一系列技术及管理措施，以保证边坡安全稳定，且方案实质上并不能缓解地下开采准备工作的紧迫性，综合考虑该方案不可行。因此，境界外资源开采采用地下开采是唯一选择。

转入地下开采，应优先考虑如何尽早实现地下采矿投产。针对东矿，最有可能尽早实现投产的是境界外挂帮矿体，采用基建时间最短的平硐开拓方式，平硐以外继续利用露天开拓运输系统，选择安全高效的采矿方法，地下采矿成本不会太高，同时可为大规模地下开采的产量接续衔接提供缓冲时间。

2.2 地下开采分区

根据露天境界外矿体的形态、资源分布情况以及与露天采场的相对位置，将地下开采分为北东境界外挂帮矿采区、南部境界外挂帮矿采区和露天坑底境界外采区。其中，北东境界外挂帮矿采区和南部境界外挂帮矿采区位于现有采矿证+1 230 m以内，露天坑底境界外深部采区位于现有采矿证外。

1) 北东境界外挂帮矿采区。北东境界外挂帮矿采区位于17线下盘以东，为东矿露天采场下盘矿体，可以分为西北和东北两区域，矿体主要赋存于+1 230～+1 460 m之间，总资源储量约为1 360万t。但有部分矿体位于C区滑坡体下，采用露天平硐开拓难度大，而且地表有部分露天开采的建构筑物及矿区公路，地表环境地质较为复杂。

2) 南部境界外挂帮矿采区。南部境界外挂帮矿采区位于东矿露天采场上盘，主要分西南与东南两个区域，矿体主要赋存于+1 230～+1 488 m之间，总储量约2 839万t。该区域工程地质条件较好，露天开采运输公路主要集中在南部上盘。地表有部分露天开采的建构筑物、矿区公路、露天开采运输公路及外运铁路线，环境地质亦比较复杂。

3) 露天坑底深部采区。该区域位于采矿证外(+1 230 m以下)，通过矿体模型计算+1 230 m以下保有资源储量17 041.9万t，各采区平面分布图见图1。

图1 挂帮矿分区开采平面图Fig.1 Plane map of zonal mining in hanging-wall mine

2.3 地下开采分区规划

1) 北东境界外挂帮矿采区。北东境界外挂帮矿部分矿体位于C区滑体下，工程地质条件较差，该采区投产时间应等露天采场闭坑后，否则可能严重影响露天开采采场生产的安全。若采用露天采场内开拓需要从东南上盘或西北下盘掘进平硐，井巷工程量大、运输距离长，安全性较差，与露天坑底深部开采的开拓相结合较为合理。

2) 南部境界外挂帮矿采区。南部境界外采区挂帮矿工程地质条件良好，不良地质因素少，可以采用露天采场内开拓。而露天采场内开拓因其基建时间短，可为东矿露天开采的产量衔接和深部开采形成规模赢得缓冲时间。因此，尽快通过露天采场内开拓进行南部境界外挂帮矿开采，实现露转地的有序衔接。

3) 露天坑底境界外采区。露天坑底境界外开采采用自下而上的回采顺序，且采用露天采场外开拓，与露天开采无交叉，地下开采影响对露天开采和挂帮矿开采影响不大。因此露天坑底深部采区开采可以马上立项，获准后可及时基建，预计矿山井巷建设及安装基建时间4～5 a。

目前东矿露天采场生产服务年限仅剩余3 a，而根据国内类似露天转地下矿山的经验，从立项到基建结束再到实现生产，需要7～8 a。如果全部采用露天采场外开拓，由于基建时间长，东矿矿石产量将会有2～3 a的空白。而挂帮矿采用露天采场内开拓基建时间短，且与坑底深部开采相互影响不大，可为东矿露天开采的产量接续和坑底深部开采形成规模赢得缓冲时间，应尽快实行露天采场内开拓即南部境界外挂帮矿开采，实现露转地的产量衔接。

为实现白云鄂博东矿露天转地下实现不停产衔接，东矿应选择南部境界外挂帮矿采用露天采场内开拓并率先实施，尽早实现地下投产；北东境界外挂帮矿开采随后实施；露天坑底境界外开采最后实施。

3 境界外资源开采方案

3.1 南部境界外挂帮矿开采

白云鄂博东矿南部境界外挂帮矿开采时，露天开采的边坡和公路需要保护，参考相关矿山经验，靠近露天边帮矿体留设垂直距离不小于20 m的保安矿柱。从资源垂直分布看，扣除预留保安矿柱，挂帮矿境界外资源量主要分布在+1 230～+1 404 m。

3.1.1 采矿方法选择

南部境界外挂帮矿是该矿露天开采境界内矿体的外延部分，矿体一般比较厚，由于上部和侧帮有露天开采和地表的建构筑物，开采环境比较复杂。只有采用适合该地段开采技术条件的采矿方法，才能保证挂帮矿的开采强度和规模，同时减少基建时间，实现挂帮矿与深部开采时间的有序衔接[2-3]。经过对初选的3种采矿方法，即：上向水平分层充填法、上向水平进路充填法和盘区点柱式上向分层充填法，进行技术比较、经济比较、综合定性比较，以及采用后带来的社会效益比较后，认为南部境界挂帮矿开采适宜的采矿方案是点柱式上向分层充填法(图2)。点柱式上向分层充填法的采场沿走向划分开采盘区，盘区长60 m，盘区宽度为矿体的厚度，盘区间留盘区矿柱6 m，分段高度15 m，采高3 m，分层控顶高度为4.5 m左右。采场内点柱尺寸为4 m×4 m，点柱均匀布置，最大暴露面积不应超过600 m2。

图2 点柱式上向分层充填法Fig.2 Point-column upward slicing filling method

3.1.2 开拓方案

对于可以进行露天转地下开采的矿山，露天边坡挂帮矿的开拓系统有以下两种方式：一种是采用平硐溜井加斜坡道的方式进行开拓，这种方式是在原来露天开采系统的基础之上单独进行[4]；另一种是将深部开采和露天边坡挂帮矿的开采统筹兼顾，露天边坡挂帮矿回采时的矿石提升可以利用深部开采时的开拓系统[5-6]。白云鄂博东矿坑底深部开采目前还处于论证阶段，其开拓系统基建工程最快也需要七八年时间，所以，露天边坡挂帮矿的回采迫在眉睫，对深部开采与露天开采之间的产量衔接意义重大，可保证东矿矿石产量的延续。

综合基建项目投资和服务年限内的经营费，平硐方案最优，竖井方案次之，斜坡道方案较差。从基建工期考虑，竖井方案基建工期最长，主斜坡道方案次之，平硐方案基建时间最短，见效时间最快。综合上述因素，推荐南部境界外挂帮矿开拓采用平硐方案。开拓方案系统如图3所示。

图3 南部境界外挂帮矿开拓系统示意图Fig.3 Schematic diagram of development system of hanging-wall mine in southern boundary

3.2 北东境界外挂帮矿开采

北东境界外挂帮矿开采也采用点柱式上向分层充填法，矿山生产规模为40万t/a，后期减产至20万t/a，服务年限约为17 a，采用坑底深部的斜坡道和东风井进行开拓，充分利用深部开拓系统。

3.3 露天坑底境界外开采

白云鄂博东矿属于深井开采范畴，应重视深井开采的高应力、高温等特定的开采环境和由此诱发的岩爆、热害、开采方法、开采顺序等，因此有别于普通的矿山开采方法。另外，白云鄂博东矿上下盘均赋存有稀土及铌矿等稀有矿产资源，开采夹心铁矿的同时需要保护好上下盘的稀有矿产，亦使得开采方法更有局限性。

3.3.1 采矿方法选择

基于白云鄂博铁矿的实际情况，初步考虑以下两类可行的采矿方法：一是无底柱分段崩落法；二是充填法。从目前所掌握的资料及现场情况看，白云鄂博东矿地下开采较合适的采矿方法为充填法。选择大直径深孔凿岩阶段出矿嗣后胶结充填法为主要采矿方法，针对东矿铁矿资源的赋存特点从采矿工艺上对其进行优化，使之更适合本矿特点。

每个采矿阶段高度50 m，采场底部为出矿水平，顶部为凿岩水平，顶部凿岩水平同时也是上个采矿阶段的出矿水平，在距下盘脉外约30 m布置凿岩水平下盘沿脉巷道，在距离上盘第一个凿岩硐室边缘30 m左右布置凿岩水平上盘沿脉巷道。在凿岩水平以下5 m布置凿岩硐室，硐室高度4 m，其顶板与凿岩水平保持同一标高，回采、充填完毕后作为上一采矿阶段开采工程的底板。凿岩硐室通过同标高凿岩穿脉、联络巷，经斜坡道与上下盘沿脉巷相通。采矿方法图如图4所示。

图4 大直径深孔凿岩阶段出矿嗣后胶结充填法工艺优化Fig.4 Process optimization of post-cemented filling in large diameter deep hole drilling stage

3.3.2 开拓方案

开拓方案布置2条主井、1条副井、1条进风井和2条回风井共6条井筒。两条主井分期建成，由于露天采坑服务年限已经较长，下盘东北部及中部发生过数次滑坡，采用露天坑底斜坡道开口不安全，因此斜坡道只能从地表上考虑。开拓系统见图5。

图5 开拓系统图Fig.5 Development system diagram

在北下盘20线～21线之间岩石错动界线以外布置一条斜坡道，主要承担大型采掘设备的下放，同时兼顾西北及东北区域挂帮矿开采。在西南上盘16勘探线附近岩石错动界线以外，布置1条副井，主要承担人员、材料及部分废石提升任务。

4 露天转地下开采安全技术措施

1) 为避免露天爆破对地下井巷工程的破坏，在地下工程与露天底或者边帮之间应保持足够的距离，邻近露天边帮或露天底的穿爆作业不能超深，控制露天爆破装药量，并采用分段微差爆破、减少每段爆破孔数、打预裂孔等减震措施，以保证地下开拓井巷的安全。并防止露天与地下爆破的相互影响[7]。

2) 在露天采场边坡开挖截水沟并设置排水泵站，拦截地表水经露天采场涌入井下。

3) 建立必要的岩石移动观测队伍，随时掌握地下采空区上覆岩层的移动规律，确保边坡和生产作业安全。

4) 统筹考虑露天开采与坑内开采的时空关系，以及坑采多中段同时开采的因素，避免相互干扰造成安全隐患，严格控制充填工序质量[8]。同时在露天生产排产计划安排时，在靠近坑采的区域，保留境界矿柱，以加大露采和坑采作业的距离。

5) 地下工程作业应不影响露天作业的正常进行和安全生产，注意与露天采场作业的密切配合，研究合理的回采顺序。露天矿边坡下的回采，采用由里端向边坡推进的回采顺序。

5 结 论

1) 通过对扩帮开采和境界底部延深方案的分析比较后，最终确定地下开采是境界外资源开采的是唯一选择。白云鄂博东矿境界外资源地下开采可以分为三大区域：露天坑底境界外资源开采、南部境界外挂帮矿开采、北东境界外挂帮矿开采。为实现白云鄂博东矿露天转地下实现不停产衔接，白云鄂博东矿应选择南部境界外挂帮矿采用露天采场内开拓并率先实施，尽早实现地下投产；北东境界外挂帮矿开采随后实施；露天坑底境界外开采最后实施。

2) 南部境界外挂帮矿采用露天采场内平硐开拓，采用坑内汽车运输，充分利用露天开采现有道路和设施，并能最快投产，在露天开采闭坑前形成开采规模。露天坑底境界外和北东境界外挂帮矿开拓采用露天采场外开拓，其中坑底境界外采用竖井+斜坡道联合开拓，北东境界外挂帮矿利用坑底境界外的开拓工程斜坡道和东风井进行开采并可先实施。

3) 通过多方案类比，充分考虑保护上下盘稀土的前提下：挂帮矿采矿方法选择上向点柱充填法。露天坑底深部采矿方法为大直径深孔凿岩阶段出矿嗣后胶结充填法。