铁矿山由露天转入地下开采的技术问题

铁矿山由露天转入地下开采的技术问题

目前，中国大部分黑砂岩露天矿正在从外部向地下采矿。由露天开采转入地下开采会遇到许多新的技术问题,而如何实现转折期间的平稳过渡是企业最关心的主要问题。平稳过渡的主要问题是产量的衔接,还包括采矿工艺技术衔接、安全管理技术的转变以及矿山生产管理方式的转变等项内容。唐钢石人沟铁矿是我国露天转地下开采较早的铁矿山,从2000年着手进行由露天转入地下开采的建设,经过了转地下一期建设、二期建设及当前的三期扩大规模建设。该矿的转地下开采建设过渡期间基本上实现了平稳过渡,产量保持了基本稳定,达到此效果的主要手段就是该矿在建设前及建设过程中采取了一系列科学合理的措施方案。1露天开采矿区地质概况唐钢石人沟铁矿是1975年建成投产的露天铁矿山,建设规模为150万t/a,该矿在建设之前即规划了按露天与地下分2期开采,前期采用露天开采,后期转入地下开采。露天开采至1999年,境界内的矿石储量已基本采完,急需转入地下开采,因当时铁矿石的市场价格过低,延误了转入地下开采的最佳时期,使矿山面临产量失衡的被动局面。1999年露天境界内的矿石量仅剩200余万t,而转地下工程建设还未开始,地下工程建设的建设期一般为4~5年时间,可见矿山维持100万t/a左右的产量规模很难实现。当时该矿露天开采南区18线至28线范围已经结束,18线以北至5线的北区露天开采仍在进行。矿山全区从南向北2.8km,露天开采时划分为3个采区,28线至18线为南区,18线至8线为中区,8线以北为北区。矿区内主要有4层矿体,南北呈狭长条带状分布,其中的M2矿体为主矿体。矿山地质储量为23340万t,其中工业储量为9405万t,远景储量为13934万t,地下部分储量还很丰富,但尚未进行地下工程建设。矿内矿石主要为磁铁矿,平均品位为TFe31.13%,矿石易磨易选,铁精粉品位为68%,硫磷含量低。矿区为单斜构造,矿体向西倾,倾角为50°~70°。矿区内断裂构造发育对矿体影响较大,主要断裂带有F18、F19、F8等3条,给转地下开采带来很大困难。矿区内M2主矿体的厚度为3~40m,南区矿体较薄,北区矿体较厚大。矿体沿走向及倾向形态变化较大,分支复复合及突然尖灭现象较多,赋存状况复杂。2产量均衡措施石人沟铁矿在生产形势非常被动的形势下,研究制定出了一系列有利于生产衔接、产量均衡、平稳过渡的措施方案,实现了产量均衡,露天与地下开采已初步衔接和平稳过渡。2.1开发区域及采矿方法确定在露天开采即将结束地下开采刚刚开始启动的被动形势下,按全矿区一次转入地下开采已经不能实现生产均衡及产量衔接,因此,必须研究制定可行的转地下建设方案。研究认为,转地下开采的建设应从南区首先进行,分期转入地下开采,这样有利于避免露天转地下开采的相互影响,有利于缩短地下开采初期出矿时间。开拓方式为下盘中央竖井单翼通风布置方式。建设规模定为60万t/a。南区露天开采的露天底结束于17~24m,确定地下开采的第1个中段-60m为首采中段,0m为回风水平,首采中段内的矿石储量为587万t。采矿方法采用空场法,采用此方法主要是为了留设露天与地下开采之间的隔离层,即境界矿柱,也是地下开采的安全顶柱,这样有利于避免露天与转地下的相互影响,使地下建设及开采更加安全。因为南区的矿体较薄,不适宜采用大型机械开采,且当时的矿石市场价格很低,投资要尽量控制,所以选用了投资少,见效快,成本较低的浅孔留矿法,工程投资为7200万元。一期转地下工程建设从2000年7月份至2004年8月,经过4年的建设,达到了投产出矿条件。在建设期间,采用了脉内中段运输巷,尽量多出副产矿石,并且在具备条件的部分首先进行采准。以上措施方案的制定和实施,实现了露天生产与地下建设同时进行,缩短了建设工期,达到了地下开采提前出矿的目的。2.2研究区矿深资源开发及生产评价为了使地下采矿尽快增加生产能力,较快地实现露天与地下开采产量的衔接,该矿在一期地下工程建设期间研究制定了增加措施井的建设方案。在北端邦的46m水平上掘进了一条措施井。该措施井为竖井,开采范围为北区6线以北及边坡内的矿体,设计开采-60m水平以上矿体,矿石储量为73万t。该措施工程于2003年10月开始施工,至2004年4月即开始出副产矿石,至8月份已正式生产出矿,达到了工期短,见效快的目的。该措施井工程投资480万元,年出矿能力达到15万t以上,有效地补充了过渡期的矿石产量。2.3开发生物上盘斜井,开采生物利用条件石人沟铁矿北区的露天开采至2003年,具备了北区转地下建设的条件,因此,研究制定了北区转地下的开拓方案。为缩短建设工期,尽量利用有利地形及条件,进行北区转地下建设。在露天采区内形成的上盘台阶上,选择合适位置施工斜井,采用坑内上盘斜井开拓方案,开采北区16线至6线之间-16~-60m的矿体,北区范围矿石储量为600万t。北区矿体的特点是比较厚大,水文地质条件简单,涌水量小,断层影响小。工程建设从2003年10月份开始至2005年8月已建成投产,实现了北区尽快地下出矿。2.4边坡岩体回收利用方案为了在转地下开采建设期间,尽可能对矿石产量进行补充,该矿研究制定了边坡残矿回收方案。露天境界外的边坡内尚存有一定的残留矿体,在过渡期内,可回收利用该部分矿体。该矿研究制定了边坡矿体回收方案。北区边坡内残留的矿石量达100万t,这部分矿石量的安全采出,有效地补充了露天转地下过流期的产量不足。2.5优化工程建设方案根据唐钢发展对铁原料的需求,石人沟铁矿从2005年开始进行三期扩大采矿能力建设。扩大采矿能力建设规模为年产200万t铁矿石,工程计划2010年建成投产。因工程地质条件变化,三期扩大采矿能力工程施工难度加大,致使工程滞后。为按期完成建设,矿山对建设施工进行了优化,即优先建设影响三期形成系统能力的主要工程项目,如主副井提升系统,井下供变电、排水、通风、主运输系统等重点工程,使三期工程建设按期达到系统能力,实现提前投产出矿。此外,还研究制定了施工措施井方案,该方案在-60m水平,南北两区靠近-180m水平井底车场的位置增加施工了2条措施井,利用这2条措施井,可加快-180m井底车场及各种硐室的施工,并可提前使-180m水平与-60m水平贯通形成通风条件。该2条措施井是加快三期建设的主要施工措施。三期扩大工程建设在采取了措施井施工和整体优化施工方案后,可按预定目标建成投产,并按计划于2012年达到200万t规模。2.6问题的提出及工作方向石人沟铁矿的一期、二期地下工程均按一个中段开拓建设,即从露天底部的0~-60m水平(南区)和-16~-60m水平(北区),开采-60m水平以上的矿体,一、二期合计采矿范围内的矿石储量为1200万t,采矿方法全部采用浅孔留矿法,均留设了安全顶柱,也即境界顶柱。境界顶柱的留设主要是为了避免露天与地下开采的相互干扰,使露天与地下同时施工作业,有效地防止露天积水大量涌入地下。一、二期合计生产能力为130万t,服务年限为6a,即到2011年开采结束。三期扩大地下采矿规模工程开拓按2个大中段建设,开拓-180m水平及-300m水平2个大中段,按120m大段高设计,其开拓范围内工业储量为4500万t,服务年限为20a。三期建设选择了先进的采矿方法,完全改变了一、二期工程建设的小型化、人工化的模式。采矿方法采用的是无底柱崩落法,该方法要求必须有上覆岩层的形成。一、二期采矿的矿柱回收与空区处理问题,要与三期崩落法覆岩的形成统一考虑,从时间上、空间上统一按排,要研究制定统一的解决处理方案。目前,以石人沟铁矿露天转地下为依托的国家“十一五”科技支撑攻关项目,即露天转地下开采平稳过渡关键技术研究已经启动,其攻关研究的主要内容就是解决石人沟铁矿的矿柱回收、空区处理与覆岩形成问题。制定出切实可行的方案,使该矿的一、二期地下开采与三期扩大采矿规模开采实现顺利的衔接,实现安全高效的采矿。石人沟铁矿的一期、二期与三期开采顺利转换及衔接后,才可认为实现了露天与地下的平稳过渡,因露天与地下有标志意义的隔离层即境界顶柱还未处理,只有处理了该过渡层,才能称为真正意义上的露天转地下开采的平稳过渡。所以,后期还需做大量的工作,其技术工作将更加复杂和困难。因此,本研究目前已经研究制定的方案措施只是平稳过渡的前期研究,后期要通过“十一五”科技支撑项目继续进行研究,以期使平稳过渡问题最终解决。3矿产资源量分析石人沟铁矿平稳过渡的前期即一期、二期转地下采矿,从2004年至2007年的4年时间,通过实施上述的措施方案,有效地补充了转折期的矿石产量,避免了矿石产量大幅下降,使矿山的生产经营平稳地进行,前期实现了平稳过渡(见表1)。通过对表1进行分析,从2004年至2007年一期、二期地下工程采矿合计占4年总出矿量的43.96%,如果仅靠此来维持矿山生产,是远远不够的,会造成矿山产量的大幅下滑,而采取了措施井采矿,边坡残采及露天残采后,使矿山每年的矿石产量均维持在85万t以上,铁精粉产量维持在30万t以上,措施井及边坡采矿显然发挥了很好的补充供矿作用。从另一方面来分析,一期、二期地下采矿到2007年尚未达到设计的年产130万t能力,实际出矿刚达到71.08万t,而未达产的根本原因是装备水平低,作业效率低,另外地下矿体的变簿变少也是主要原因,为了使地下出矿能力提高,矿山于2008年采取了加大出矿的几项重要措施,使2008年及以后几年的矿石产量逐步提高,2008年预计达到20万t,2009年达到140万t,2010年达到160万t,按照矿山新制定的5年规划,将在2012年后矿山达到200万t的采矿规模。实现这一目标,矿山还要做大量的工作,主要是要研究解决一期、二期采矿的矿柱回收问题,空区处理问题,过渡层如何开采和处理,以及覆盖层如何形成等。国家“十一五”科技支撑攻关研究计划项目已开始启动,该课题的研究将有助于解决石人沟铁矿的后期平稳过渡及200万t采矿规模达产问题。4充填材料措施(1)石人沟铁矿在露天转地下开采的前期经研究制定一系