劉文勝 高義軍 洪振川 朱末琳 寧澤功 郭奇峰 張 英

（1.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團有限公司；2.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責任公司；3.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團南山礦業(yè)有限公司；4.北京科技大學土木與資源工程學院）

礦山開采具有工序復雜、設備多樣、資源有限、生產任務重等特點，給礦山生產的管理調度帶來巨大困難。很多研究者通過礦山采場和排土場的時空關系建立數學模型，對礦山的生產進行優(yōu)化［1-4］，另外一些研究者從生產進度［5］、運輸道路［6］、物流調度［7］、地質風險［8］等角度對生產方案進行研究。王東等［9］以元寶山露天礦內排土場為工程背景提出一種內排土場壓腳掛幫并行建設方案。栗嘉彬［10］提出了采—排—復一體化技術適應性評價體系；李國清等［11］運用改進遺傳算法獲得礦山生產接續(xù)和設備調度最佳方案；馬龍等［12］設計雙層可行域搜索策略，用改進的量子粒子群優(yōu)化算法進行成本最小化研究；胡國斌［13］運用計算機人工智能求解獲得最優(yōu)生產計劃。

和尚橋鐵礦生產至今，未設置專門排土場，僅在開采范圍內設置了臨時排土場，目前，礦山已進入生產中后期，需對臨時排土場壓覆資源進行利用，為此，需提前對臨時排土場堆置廢石進行處置，由于外部受土空間有限，結合采場生產現(xiàn)狀，擬利用采剝作業(yè)形成的空間堆置臨時排土場廢石，以保障資源的充分利用，為論證其可行性，需開展基于空間轉換的精準采礦關鍵技術研究。

1 資源分布狀況研究

本次研究所依據的礦體三維地質模型根據地質報告構建，并結合生產探礦數據，對該模型進行動態(tài)更新，開發(fā)地質預判系統(tǒng)，用于指導礦山日常生產。礦山塊體模型如圖1所示。

1.1 查明資源分布狀況分析

1.1.1 資源量分布

（1）平面分布。根據全礦地質模型中礦巖屬性分類，利用軟件自西向東每100 m 計算資源量，其變化趨勢如圖2 所示，平面分布上，資源量自西向東逐漸增加，達2 000 萬t 后再次降低，之后躍升至2 000萬t 以上。資源量平面分布的變化與生產執(zhí)行境界平面橫向尺寸的變化吻合。

（2）空間分布。資源量垂直分布趨勢如圖3 所示。距離在垂直方向上，由淺部到深部，資源量呈現(xiàn)快速增加，然后緩慢降低的趨勢。

1.1.2 資源品位分布

（1）平面分布。資源品位自西向東變化趨勢如圖4 所示。在平面分布上，東部資源品位高于西部，東部資源平均品位在20%以上，西部資源平均品位低于20%。

（2）空間分布。資源品位沿深度變化趨勢如圖5所示，資源平均品位沿深度逐漸降低，上部平均品位24.66%，深部平均品位20.36%。說明隨著采場降深，采出原礦品位將不可避免呈下降趨勢。

1.2 采剝進度計劃

根據礦山開采現(xiàn)狀，采場需沿用現(xiàn)有采剝工藝，采用多臺階同時進行。2020 年末采場臨時境界內保有礦量3 136.78 萬t，巖土量6 124.60 萬t，平均剝采比1.95，為達到礦山要求每年700 萬t 生產能力，年需剝離巖土約1 500萬t。逐年排產結果如圖6所示。

2 采場空間轉換方案

對于大型露天礦山，利用已開采或未開采區(qū)域，對剝離廢石進行處置，可有效降低露天開采對周邊環(huán)境的影響，減少外部排土場建設、運行及邊坡維護成本，但不能影響資源利用。因此，利用采場空間轉換實現(xiàn)內排作業(yè)的可行性受采場空間尺寸、剝離量的影響。根據剝離廢棄物流向，將采場空間轉換分為3個階段。

2.1 初 期

圖7 為露天開采境界縱剖面簡圖，ABCDEF為露天開采境界。采場空間轉換初期為礦山開始生產至采場具備內部排土條件的時間段。在礦山生產初期，未形成采場內排空間前，利用開采范圍內尚未開發(fā)利用區(qū)域臨時堆置剝離廢石，這涉及到首采區(qū)和臨時排土場位置的選擇，以快速形成內排空間為原則，選擇開采深度較小的區(qū)域為首采區(qū)，露天開采境界走向另一側為臨時排土場區(qū)域。

為減少初期剝離量，可采用陡幫開采方式，增加開采強度，使首采區(qū)快速到底，在采場內具備內排條件后（圖8），即可進行內排作業(yè)。在初期利用尚未開采區(qū)域（圖8 中HF段）堆置廢石時，必須保證采場采剝作業(yè)與臨時排土場的間距（圖8 中HI段）大于安全距離。

2.2 中 期

在采場內具備內排空間后，即可開展內排作業(yè)，此時，內排工作線隨采剝工作線推進，根據生產剝采比，判斷采剝作業(yè)形成的采場空間是否能容納剝離的全部廢石，分以下3種情況（圖9）。

（1）全部容納有盈余，即在剝采比較小的情況下，采剝作業(yè)形成的采場空間大于內排剝離廢石所需要的空間。

（2）能全部容納，即采剝作業(yè)形成的采場空間等于內排剝離廢石所需要的空間。

（3）不能全部容納，即采剝作業(yè)形成的采場空間小于內排剝離廢石所需要的空間，此時需要利用初期臨時排土場堆置部分剝離廢石。

2.3 后 期

采場空間轉換后期需要對開采范圍內臨時排土場進行處置，以釋放被臨時排土場壓覆資源，對臨時排土場的處置，分為以下2種情況。

（1）在剝采比較小，采場內排空間有盈余的條件下，可將臨時排土場內廢石堆置在內排土內。

（2）在內排空間有限，可將臨時排土場內廢石堆置于內排土場上方（即加高內排土場高度），或設置外部排土場堆置臨時排土場廢石。

露天開采結束，完成采場空間轉換，見圖10。

3 和尚橋內部受土可行性研究

3.1 概述

采場西北側已經開采至-72 m 水平（到界），且空間面積較大，具備內排土條件。內排土場采取分期堆排，主要堆存臨時排土場的物料。后期隨著采礦的東擴南進，內排土場不斷擴大，最終堆至+12 m。

3.2 臨時排土場現(xiàn)狀

臨時排土場已于2014 年末堆排至約+84 m，并停止了臨時排土。目前臨時排土場有1 722.74 萬t（折合861.37 萬m3），其中境界內880.1 萬t（折合440.05 萬m3），排土標高+24～+84 m。臨時排土場分層巖土量見表1。

3.3 內排土堆置要素

3.3.1 所需排土場總容積

根據和尚橋鐵礦采場排產并結合采場生產實際，前期臨時排土場及采場剝離巖土總量525.0 萬m3，通過汽車運往內排土場堆排。計算前期需要的排土場容積：

式中，V為排土場設計的總容積，萬m3；K1為富余系數，取1.02；Vy為排土場設計的有效容積，萬m3；Vs為剝離巖土的實方數，萬m3；Ks為剝離巖土的松散系數，取1.20；Kc為剝離巖土的下沉系數，取0.17。

經計算，前期需要的排土場總容積為549.2 萬m3。

3.3.2 本次設計內排土場容積

設計排土場堆置高度為84 m，排土堆至+12 m，臺階高度為24 m，底層高度-72 m，最頂層臺階高度為12 m。排土場各分層容積見表2。

將內排土場布置在靠近大尾山一側，確定內排土相關參數見表3。

根據和尚橋鐵礦采場排產并結合采場生產實際，臨時排土場及采場剝離巖土總量525.0 萬m3，通過汽車運往內排土場堆排。排土場有效容積為843.1萬m3，可以滿足礦山臨時排土場剝離廢石土的堆排要求。

3.4 堆排工藝

排土場堆排時采用覆蓋式多臺階分層堆排工藝，整個排土過程由下而上，逐層排棄。該工藝工序簡單，適應性廣，機動性大。

排土作業(yè)采用50 t 自卸汽車與164 kW 推土機聯(lián)合堆排，為保護汽車卸載時安全，卸載平臺邊緣必須設置安全車擋，車擋就地推置而成，高度不小于0.8 m，頂部和底部寬度分別不應小于0.6 m 和2.3 m，排土臺階頂面留3%左右的反向坡。夜間作業(yè)時，設置照明設施。排土場總堆置高度為84 m，共分4層堆置，第一層排土場標高為-48 m，第二層排土-24 m，第三層排土標高為0 m，第四層排土標高為+12 m。排土場固定運輸道路沿和尚橋采場北面采場內布置。

3.5 內排進度計劃

根據和尚橋鐵礦臨時排土場采剝進度計劃及排產計劃，結合排土場的現(xiàn)狀，具體安排排土場排棄進度計劃如下：

（1）第一層-72～-48 m 臺階的容積為244.9萬m3，沿-48m 標高向東、南2 個方向修筑排土道路，本層可利用采場內的巖土由南向北修筑路堤，盡快使南北路堤貫通，滿足排土要求。-72 m 底部堆排3 m 厚的大塊巖石，排土場東部-96 m 礦坑利用采場或者臨時排土場剝離的大塊巖石和物料堆平壓實。本層堆滿需16個月。

（2）第二層-48～-24 m 臺階的容積為202.8萬m3，利用采場內-24 m 寬臺階沿著排土場北面向西，再向南修筑路堤排土。根據臨時排土場及采場采剝計劃，為滿足排土要求，-24 m 臺階北面保證安全的前提下提前修路堤。本臺階排滿需14個月。

（3）第三層-24～0 m 臺階的容積為272.4 萬m3，排土道路從內排土場-24 m 臺階修筑路堤至0 m 標高。截至第三年底本臺階排土量約為148.8 萬m3，第四年主要在排土場東南面位置排土。

（4）第四層0～+12 m臺階的容積為123.0萬m3，排土道路從排土場內部修筑路堤向+12 m 標高，由北向南排土。

4 內排土邊坡穩(wěn)定性分析

和尚橋內排土場的工程地質條件較為簡單，排土高度較大，地表基巖較穩(wěn)定，最可能出現(xiàn)的破壞方式為排土場本體坡面滑動。隨堆排時間的延長，和尚橋內排土場會持續(xù)發(fā)生沉降，通過采用極限平衡法以1個月時間為計算目標，計算得出和尚橋內排土場沉降以豎向沉降為主導。自然條件下排土場邊坡安全系數在1.282～1.676，地震條件下邊坡安全系數在1.226～1.664。自然條件、降雨及地下水條件下排土場邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結論

通過對礦區(qū)資源分布狀況進行調查，依據開采計劃建立了采場空間轉換三階段理論，從可行性和穩(wěn)定性角度對方案進行研究，通過剝離物料采場內循環(huán)，解決了無排土場條件下露天采場資源開發(fā)的困境，實現(xiàn)了近城區(qū)礦山資源的綠色開發(fā)利用。