杏山铁矿露天转地下覆盖层形成方法

卢宏建 甘德清 陈 超

(1.河北联合大学矿业工程学院，唐山 河北 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，唐山 河北 063009)

杏山铁矿露天转地下覆盖层形成方法

卢宏建1,2甘德清1,2陈 超1,2

(1.河北联合大学矿业工程学院，唐山 河北 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，唐山 河北 063009)

以杏山铁矿为研究背景，结合矿山实际情况，基于随机介质放矿理论的覆盖层结构优化理论与露天转地下覆盖层回填自然分级理论，确定了杏山铁矿能满足防损失贫化、防冲击地压、阻滞水作用、减少漏风防寒保暖，可形成挤压爆破和端部放矿条件等安全功能的覆盖层厚度为45 m，形成方法为高台阶一次翻卸，并制定了详细的方案与技术保障措施。取得以下主要结论:①杏山铁矿覆盖层分整体下移层和流动层2层铺设，流动层回填废石粒度不小于20 mm，100 mm以上的粒度含量不小于40%，厚度不小于20 m。②整体下移层回填废石小于5 mm与大于5 mm的粗颗粒比例为3∶7，厚度不小于25 m。杏山铁矿实施覆盖层后的井下漏风率、矿石贫化率、井下泥石流和渗漏时间等指标评价数据良好，对类似矿山有指导借鉴意义。

露天转地下 覆盖层 高台阶翻卸 自然分级

露天开采是金属矿开采的重要手段，特别是我国80%的铁矿石产量来自于露天开采，经过多年的开采，众多露天矿山已经或者将要转为地下开采[1]。随着开采技术的发展和高效设备的研发及应用，多数露天转地下矿山能力呈增大趋势，而能够满足地下大产能的采矿法首选无底柱分段崩落法。该采矿方法特点是要求有一定厚度的覆盖岩层，以满足安全生产的需要。国内外学者就露天转地下开采覆盖层的结构与形成方式问题已经进行了一些研究工作[2-5]，但尚处于完善阶段。本研究以首钢杏山铁矿为背景，结合矿山实际情况，应用基于随机介质放矿理论的覆盖层结构优化理论与露天转地下覆盖层回填自然分级理论[6-7]，提出了适合首钢杏山铁矿的覆盖层形成方法，并对其方案进行了详细设计，应用效果显著，对类似矿山有指导借鉴意义。

1 覆盖层功能与结构分析

覆盖层是介于露天矿和地下矿之间的散体隔离层，其需要具有防损失贫化、防冲击地压、阻滞水作用、减少漏风防寒保暖以及可形成挤压爆破和端部放矿条件6大功能。

甘德清通过物理相似实验发现了在进路均匀出矿条件下，椭球体发育均匀，覆盖层具有分层移动的规律。在此基础上提出了能满足覆盖层6大功能的覆盖层安全结构与厚度，见图1所示。

图1 覆盖层安全结构与厚度确定原理Fig.1 Determination principle of security architecture and thickness of covering layer

依据覆盖层的分层规律，将其宏观结构分为2部分：流动层和整体下移层。整体下移层位于放矿松动椭球体上部，不参与放矿椭球体内颗粒流动，在覆盖层移动过程中保持结构和厚度基本不变，故将其作为实现覆盖层防渗透、防漏风的渗漏平衡层。流动层参与放矿椭球体颗粒流动，容易侵入放出椭球体造成矿石贫化和覆盖层损失变薄，故将其作为控制矿石过早贫化和覆盖层厚度的贫化控制层。

整体下移层作为渗漏平衡层，其结构和厚度取决于防渗透、防泥石流和防漏风要求。根据建立的分层控制的结构优化模型，优化整体下移层的孔隙率和厚度，使覆盖层结构满足迟滞水渗透时间和防漏风要求，并控制覆盖层渗透压力，降低诱发井下泥石流发生概率。

流动层和矿石层接触，为避免放矿过程中过早贫化和因块度过大造成悬拱，其粒度结构和地下开采崩落矿石粒度结构相近。流动层厚度取决于放矿椭球体发育程度，与分段高度存在1～2倍的关系。

2 覆盖层形成方法与评价

覆盖层形成方法有硐室崩落边帮围岩、分层废石回填、高台阶废石回填形成覆盖层方法、联合法4种方法。

(1)硐室崩落露天边帮围岩。硐室崩落露天边帮围岩形成覆盖层方法是通过硐室抛掷爆破技术，将露天采场边帮围岩崩落后抛掷道露天采场坑底形成覆盖层。此方法形成质量难控制，厚薄不均匀；边帮多次扰动破坏，施工风险大；爆破块度结构难控制，粗细互层；爆破震动危害大，破坏地下井巷工程。

(2)分层废石回填。分层废石回填形成覆盖层方法是通过分层排卸废石形成覆盖层。此方法按设计结构施工难度大、工期长、每个翻卸高度均为互层。

(3)高台阶废石回填形成覆盖层方法。甘德清[7]运用散体自溜分级理论、相似实验和现场工业试验，提出了高台阶一次回填形成覆盖层的方法。此方法可利用废石自然分级的规律，实现覆盖层从顶部到底部粒度渐进式过渡分布，能满足覆盖层分层结构与粒度控制的需要。

(4)联合法。联合法即以上3种方法的结合。

3 杏山铁矿露天转地下覆盖层形成方案

首钢杏山铁矿露天生产规模150万t/a，采场最高标高为305 m，露天境界最低标高为 -33 m，封闭圈标高为 117 m，2004 年底，露天开采已近尾声，-33 m以下进行了露天转地下开采。地下采用无底柱分段崩落法开采，生产规模320万t/a。针对杏山铁矿露天转地下的过程中面临的排土场倒运和挂帮矿开采引起上盘边坡滑塌覆盖露天采场的现状，适合采用倒排排土场废石，人工回填形成露天转地下覆盖层。

3.1 覆盖层的结构与厚度

根据前面“覆盖层功能与结构分析”一节的理论分析，杏山铁矿露天转地下覆盖层分2层铺设，即整体下移层H1和流动层H2。

3.1.1 流动层

(1)该层回填物料粒度不小于20 mm(筛掉细粒结构)。

(2)回填物料中100 mm以上的粒度含量不小于40%。

(3)该层厚度不小于20 m。

3.1.2 整体下移层

(1)粒径小于5 mm的细颗粒与大于5 mm的粗颗粒在该层中的比例为3∶7。

(2)该层厚度不小于25 m。

(3)覆盖层的整体厚度不小于45 m。

3.2 回填物料的性质与回填方式

排土场的位置位于杏山露天采场西北侧，距离露天坑总出入沟口平均运距2 km，到露天坑回填点平均运距3.5 km。

45 m厚度覆盖层需要回填95万m3废岩，考虑1.1的沉降系数，实际需要松方废岩105万m3，排土场堆积量能够满足回填要求。排土场废石主要由石榴黑云斜长片麻岩和混合花岗岩组成，粒径主要分布在5～200 mm。

汽车运输回填。采用8 m3挖掘机装30 t汽车运至再选回收场地，通过格筛300 mm以下物料经胶带进入磁滑轮干选，废料经筛分20 mm以上由汽车运至露天坑铺设流动层，或直接将废料运至露天坑内铺设整体下移层。

3.3 首钢杏山铁矿露天转地下覆盖层回填方案

按照安全生产要求，覆盖层需在2011年5月底之前完成。结合露天公路及掘进带矿倒运场的使用情况，可利用北排土场干选废料及生产掘进岩石分期形成覆盖层。在+10 m水平公路回头曲线以45 m台阶高度一次倒排回填形成覆盖层。

(1)道路通过能力。道路通过能力取决于单位时间内通过线路一定地点的最大汽车数量，它与行车线数量、路面质量与状态、汽车运行速度以及安全行车间距有关：

N=1 000vnK2/S，

(1)

式中，N为道路通过能力，辆/h；v为汽车行车速度，km/h；n为线路数目(单车道时n=0.5，双行道时n=1)；K2为车辆行驶的不均衡系数，一般取0.5～0.7；S为同一方向上汽车之间安全距离，即停车视距。

杏山铁矿露天公路多为单行道，n取0.5，汽车行驶速度取10 km/h，车辆行驶不均衡系数取0.6，由于冬季施工，停车视距按照现场条件取100 m，故杏山露天道路通过能力

N=1 000×10×0.5×0.6/100=30(辆/h)，

公路通过能力为40.5万t/月，满足覆盖层形成需求。

(2)设备台效计算。覆盖层形成利用北排土场干选岩石，平均运距4.5 km，42 t矿用运输空车上坡15 km/h，重车下坡10 km/h，故车辆运输时间44 min。装车需要6 min，汽车调头翻卸需要5 min，因此1次运输作业循环需要55 min，按每车装载土方量30 t计算，台效33 t/(台·h)，按日工作15 h计算，则每月台效为1.5万t/(台·月)。挖掘机每小时可装车7.5车，台效225 t/(台·h)。

3.4 技术保障措施

(1)对采矿工艺和放矿制度的要求。由于排土场废石粒级的客观条件，造成覆盖层最下部流动层散体块度小于采场设计平均块度。因此在开采露天底下部第一分段时，需要调整爆破参数，适当提高炸药单耗，改善爆破条件，通过降低回采矿石块度，尽量接近流动层的粒度，以防止由于粒级差别大而在放矿过程中过早发生贫化。

杏山铁矿-45～-30 m分段在B13勘探线到A3勘探线之间，包括部分大杏山和全部小杏山的露天坑底下的地下首采分段，采用松动放矿制度，只放出1/3的矿石，剩余矿石作为矿石垫层，以加大覆盖层厚度，提高地下开采的安全性，减小矿石的贫化率。

(2)泥石流预防措施。为预防泥石流的发生，对杏山铁矿露天坑内挂帮矿平硐口进行渗漏防淤处理，并在露天坑底设置泄水孔，作为覆盖层疏水通道。

(3)回填工艺要求。回填下部流动层的排土场废石要通过筛分剔除20 mm的细粒结构。在回填过程中，要尽量提高一次回填的高度，以加大物料自然分级的效果。

3.5 应用效果

露天转地下过渡期开采技术经济指标对比见表1所示。

表1 露天转地下过渡期开采技术经济指标对比Table 1 Comparison for technical and economic index during transition from open pit to underground mining

由表1可以看出杏山铁矿露天转地下过渡期在井下漏风率、矿石贫化率、井下泥石流和渗漏时间等指标上明显优于国内外其他露天转地下开采矿山，应用效果显著。

4 结 语

在总结分析露天转地下矿山覆盖层功能、安全结构与厚度确定、形成方法的基础上，结合杏山铁矿实际情况，提出了适合首钢杏山铁矿的覆盖层形成方法，对类似矿山有借鉴意义。

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[11] 徐长佑.露天转地下开采[M].武汉:武汉工业大学出版社，1989. Xu Changyou.Mining from Open Pit to Underground[M].Wuhan：Wuhan University of Technology Press，1989.

(责任编辑 徐志宏)

Covering Layer Forming Method during Transition from Open Pit to Underground in Xingshan Iron Mine

Lu Hongjian1,2Gan Deqing1,2Chen Chao1,2

(1.CollegeofMineEngineering，HebeiUnitedUniversity，Tangshan063009，China；2.HebeiProvinceKeyLaboratoryofMiningDevelopmentandSafetyTechnique，Tangshan063009，China)

Taking Xingshan Iron Mine as research background，combined with the actual situation of the mine，and based on the covering layer structure optimization theory of random media ore-drawing theory and natural grading theory of covering layer backfill from open pit to underground，the covering layer thickness of Xingshan Iron Mine is determined to be 45 m and the forming method is high step once dumping，which meet the safety functions of the anti-dilution losses，anti-rockburst，blocking water，reducing air leakage for cold proof，and forming the extrusion blasting and the end ore-drawing conditions.A detailed program and the technical guarantee measures are proposed.The main conclusions are as follows：①Xingshan Iron Mine overlay layer have overall downward layer and flowing layer.The waste rock backfill size at flowing layer is not less than 20 mm，rock content of 100 mm or above is not less than 40%，and the thickness is not less than 20 m.②The waste rock backfill size of overall downward layer is smaller than 5mm，and has a ratio of 3∶7 with that of greater than 5 mm.Its thickness is not less than 25 m.After the implementation of covering layer，Xingshan Iron Mine owned good evaluating index in the leakage rate，ore dilution rate，underground landslides and seepage time and other indicators.The research provides a guiding reference for similar mines.

Transition from open pit to underground，Covering layer，High bench tipping，Natural classification

2013-11-04

河北省自然科学基金项目(编号：E2013209328)。

卢宏建(1980—)，男，博士，副教授。

TD856.1

A

1001-1250(2014)-01-025-04