露天轉地下開采礦山開拓系統銜接方案的確定原則

路增祥，蔡美峰

(1.北京科技大學土木與環境工程學院， 北京 100083；2.教育部金屬礦山安全高效開采重點實驗室，北京 100083)

當前，隨著對礦產資源需求的增加和開采強度的不斷加大，淺部資源日益減少，露天開采礦山不斷向深部及地下開采轉移，國內外多座礦山相繼進入或即將進入露天與地下聯合開采的狀態。露天礦山在向地下開采轉移前，充分考慮露天開采與地下開采的特點，優化開拓工程布置，對降低地下開采系統的建設投資和降低生產成本具有積極的作用。國內外露天轉地下開采礦山的經驗表明，當礦山充分利用了露天與地下開采的有利工藝特點時，統籌規劃露天與地下開采的工程布置，可以使礦山的基建投資減少25%～50%，生產成本降低25%左右[1]。

露天轉地下開采是集露天和地下兩種工藝優點為一體的綜合性開采技術，地下開拓系統與露天開拓系統的銜接，是實現兩種工藝優點為一體的關鍵所在。目前，我國已經實施露天轉地下的礦山，由于缺乏統籌規劃和必要的技術支撐，轉地下開采礦山的開拓系統、排水系統、礦石的溜破運輸系統往往與露天脫節，造成露天與地下開采系統的不配套、不協調。不僅造成資金的浪費，而且導致生產系統很難實現大規模、高效率強化開采。因此，本文基于露天轉地下相互協調安全高效開采關鍵技術的研究，提出了露天轉地下開采礦山開拓系統銜接方案的確定原則，并對實現原則的途徑進行了分析，以期對我國即將實施露天轉地下開采的礦山有所指導[1]。

1 開拓系統銜接方案

露天轉地下開采的礦山，實質上是對同一個礦床采用露天與地下兩種開采工藝進行開采，因而存在著兩種開采工藝系統相互結合與利用的可能。在對露天轉地下開采的礦山進行設計時，根據礦床的賦存特征，充分利用露天與地下開采工藝系統的特點，發揮各自工藝的優勢，實現兩大開采系統的有機結合，有利于提高礦山企業的經濟效益。依據礦山地下和露天開采系統在開拓與采礦工藝上的聯系程度不同，露天轉地下開采礦山的開拓系統銜接方式，可歸納為露天轉地下開采獨立開拓系統、局部聯合開拓系統以及聯合開拓系統三種[1-4]。文獻[1]對三種方式的特點、適用性、使用案例及應用前景，進行了較為詳盡的描述。

根據目的和用途的不同，按主要開拓工程的類型，露天轉地下開采礦山的開拓系統銜接，可分為豎井、斜井、斜坡道、溜井和平硐(平巷)銜接方案五種類型[4-5]。對于這些方案的優缺點及滿足條件，很容易從相關的文獻資料中找到。

應該指出，露天轉地下開采的礦山，在其地下開拓方案選擇時，并不一定是單一選用上述五種方案的某一種方式，而是結合深部礦床的賦存特征及開采技術條件、露天坑的開采現狀與邊坡穩定性狀況、露天轉地下開采的生產規模規劃、地下礦山建設投入的工程量與資金總額、基本建設的周期與投達產期限和投資回收期、礦產資源的利用程度與礦石回收率、企業對勞動生產率的高低和將來生產成本與利潤總額的期望、開采方案對安全、環保和土地保護方面要求的滿足程度[6-8]，以及地下開采系統與已有露天生產系統的結合程度等因素，綜合選取一種或多種方案，共同完成對擬開采資源的開拓方案。

根據主體工程與露天坑的相互位置關系，上述五種方案可分為露天開采境界內開拓方案、境界外開拓方案和混合開拓方案三大類。

1)露天開采境界內開拓方案

該方案是將用于深部資源開拓的各種功能的主體工程，布置于露天坑境界內的適當位置，以實現對深部資源的開拓。該方案的實質，是露天開采的礦石全部或部分利用地下開拓系統出礦，或是地下開拓系統局部利用露天開拓工程，達到露天與地下開采工藝系統的相互利用和完美結合，實現露天與地下共用的一體化開拓系統。方案的優點，在于充分利用了已有露天開拓系統對礦床的開拓深度、露天生產運輸系統和設備設施的殘余功能，因而能夠減少地下開拓的工程量，達到縮短地下礦山建設工期和節省工程投資的目的。但是，考慮到露天礦邊坡特別是地下開拓主體工程周圍邊坡，以及需要長期保留和使用的露天運輸臺階的長期穩定問題，地下開拓主體工程的位置選擇較為困難，并且增加了露天邊坡的維護工作量與維護費用。若礦山的露天邊坡穩定性高，境界內開拓方案則具有明顯的優勢。

在露天坑邊坡穩定條件下，當深部資源量不大，或是對掛幫礦及露天礦殘留的邊坡礦進行回收時，可采用境界內開拓方案。如首鋼礦業公司的杏山鐵礦，對露天掛幫礦的開采，采用了露天坑內的平硐斜坡道開拓方案。而加拿大波古平公司的某金礦和前蘇聯的某鐵礦，從露天坑底的非工作幫開掘平硐，分別采用平硐斜井和平硐斜坡道開拓方案進行深部資源的開采。

2)露天開采境界外開拓方案

該方案是將地下生產系統的主體開拓工程布置于露天坑開采境界以外，露天與地下開采系統在開拓和開采工藝上沒有直接的聯系，形成各自使用相互獨立的開拓運輸系統。該方案的實質，是在不同的空間位置上，對同一礦床采用了兩種相對獨立的露天與地下開采工藝系統進行開采，礦床的開拓方式與回采工藝之間沒有聯系或聯系甚微。其優點在于地下開采系統的建設與露天坑的生產相對獨立，因而地下開采系統建設與生產期間，不會對露天坑的生產產生影響或影響極小。但由于露天與地下開拓系統相互獨立，沒能充分考慮兩種系統的結合與相互利用，因而地下開采系統建設投入的基建工程量大、投資高、基建工期長；同時，露天深部生產的剝離量大、運輸和排水的費用高。

國內外的實踐經驗表明，特殊的礦床賦存條件、礦床深部勘探程度不足、受露天礦開采現狀與邊坡穩定性的影響，以及露天開采系統設計考慮不周或其他方面的因素，是露天轉地下開采礦礦山采用露天境界外開拓方案的主要原因。如我國白銀折腰山銅礦，在實施露天轉地下開采之初，采用了境界外上盤主、副井開拓方案，為了減少井巷工程和基建資金投入，將入風井(北風井)設于礦體下盤的露天邊坡邊緣處，回風井設于露天坑內。經過施工后，兩條回風井因露天生產干擾嚴重而移位于露天境界之外，入風井因露天邊坡的穩定性影響，也移位于露天坑口封閉圈外約200m處，最終使該礦形成了露天轉地下開采的境界外開拓方案布局[6]。而瑞典的基魯納瓦拉礦在自1952年開始的露天轉地下開采中，先后施工了10條豎井和一條斜坡道進行地下開采，到1974年，地下開采的系統的生產能力達到了2430萬t/a。

在一定的地形地質條件和礦床的賦存條件下，這種開拓方案，可以在進行礦床露天開采設計的同時，對深部和側翼礦體進行地下開采設計，以便于露天與地下開采基建工作同時進行，使礦山順利轉入地下開采。如前蘇聯的阿巴崗斯基鐵礦在露天與地下聯合開采中，1957年開始采用露天開采，到1969年開采結束，1960年開始地下開采，地下開采系統的建設，就采用了露天境界外下盤豎井開拓方案。

3)露天開采境界內外混合開拓方案

該方案是地下開拓系統的部分主體工程布置露天坑開采境界內，而另一部分主體工程布置于露天坑開采境界以外的情形。如本溪罕王礦業有限公司，在其露天轉地下開采設計中，采用了露天境界外主、風井和境界內輔助斜坡道聯合開采其深部資源的開拓方案。金川公司露天轉地下開采工程的主斜坡道，探礦措施井均設在露天采坑內[8]。

混合開拓方案的優點，在于不僅充分利用了已有露天開拓系統的開拓深度、露天生產運輸系統和設備設施的殘余功能，更重要的是能夠有效地加快地下開采系統建設的施工速度和降低工程投資。對于露天轉地下開采的礦山，在充分研究露天礦邊坡穩定性的條件下，結合露天開采現狀，盡可能考慮采用境界內外混合開拓方案，以加快地下開采系統的建設速度和降低投資。

2 開拓系統銜接方案的確定原則

2.1 確定原則

一般情況下，露天轉地下開采的礦山，根據地下開采生產規模的大小、開拓系統布置的復雜難易程度和各類工程所處的工程地質與水文地質條件等，地下開采系統建設需要花費3～6年的時間，所投入的基建工程量幾乎相當于一個新建的同規模地下礦山所需的工程量。因此，地下開采系統的設計與建設，不僅要考慮地下礦山工程設計與建設的一般性特點，還要考慮原有露天開采系統對地下開拓系統設計與建設的不利影響，同時還要兼顧地下開拓系統對原有露天開拓系統的利用程度，以及地下系統建設對原的露天生產設備的利用情況等。

因此，露天礦開拓系統與地下礦山開拓系統的銜接，應著重考慮以下幾個方面的原則：

1)地下開采系統工程量最小原則

某種意義上講，在滿足各種工程使用功能的前提下，最大限度地減少地下開采系統的基建工程量，對加快開采系統的建設速度，減少工程的建設資金投入和降低將來的工程維護費用，都具有重要的意義。如在確保工程不受邊坡穩定性影響的前提下，盡可能利用露天開拓深度，將風井、斜坡道等工程布置于露天采坑內等。

2)地下開采系統建設工期最短原則

加快地下開采系統的建設速度，對于礦山生產能力的平穩過渡有著重要的作用。露天礦生產后期，隨著露天坑的開采深度不斷加大，邊坡的穩定性問題也越來越大，礦山的生產能力也不斷下降。為維持礦山生產的均衡持續發展，礦山開采由露天轉為地下的迫切性加劇。因此，提高各類工程的施工速度，和盡可能減少工程建設工期關鍵線路上的開拓工程量，是對縮短地下開采系統建設工期的關鍵問題。

3)礦床開采成本最小原則

從某種意義上講，企業生產經營的宗旨，是以最小的投入，通過物的活化勞動獲取最大的利潤。礦山企業對于礦產資源的開采，當礦產品和原材料價格不受市場波動影響時，企業利潤的大小與開采成本的高低成反比，即開采成本越高，所獲得的利潤就越低，反之則相反。

就我國鐵礦石開采而言，近80%的鐵礦石來源于露天開采。隨著露天開采深度不斷加大，礦山的開采技術條件不斷惡化，生產成本越來越高。露天開采末期，由于邊坡穩定性問題、運輸距離不斷增加、排巖量增加、排土場占地面積不斷擴大等，導致噸礦開采成本不斷增長，企業利潤率下降。

影響礦床開采成本高低的因素較多，其中運輸成本的高低與礦床開拓系統方案有關。因此，為實現礦床開采的成本最小化，在開拓系統銜接方面，對于礦石的運輸，當露天礦的運輸成本較高而井下運輸提升成本較低時，可以采用溜井銜接方案將露天礦采下的礦石下放到井下，利用地下井巷進行運輸提升，可以大大地減少運距，從而達到降低生產成本的目的[5]。為降低礦石的提升運輸成本，主豎井位置的選擇，宜優先考慮選礦廠的位置，使其距破碎站原礦倉的距離最近，并采用皮帶運輸方式，以減少地表礦石二次運輸的距離和運輸費用。

4)露天礦生產系統及設備利用程度最高原則

露天轉地下開采的礦山，充分利用礦山已有的運輸設備及其配套設施，最大限度的發揮露天生產設備設施的潛能，提高其利用率，在不同的時期起到不同的作用。在地下系統建設期間，有利于加快工程的建設速度和減少基建投資；在生產過渡期，對生產的調節具有積極的作用，而在地下開采系統投產后，則有利于降低生產成本和提高勞動生產率。

作為露采轉地采的主要開拓工程——井筒位置的選擇，既要考慮已有選礦廠的位置，以縮短地面運輸距離；也要考慮充分利用露采已經形成的采礦工業場地，可降低工程建設投資；還要考慮露天已形成采坑，將井筒布置在采坑內可縮短井筒長度，將井下廢石堆存于露采坑內，可減少建設用地。如甘肅某鎳礦露采轉地采時，將主斜坡道布置在露天坑內，大大縮短了斜坡道長度；山東某鐵礦、安徽某銅礦露采轉坑采時，將副井布置在露天坑附近，井下掘進的廢石提出地表后，直接排往露天坑內；江西某銅礦露采轉地采設計時，將主、副井布置在露采已有工業場地附近，采場辦公樓、材料堆場、道路等各種設施均可利用。

在露天礦生產設備的利用方面，江西某銅礦在其露天轉地下開采的運輸方式及其設備選擇時，利用露天礦開采時期的大型卡車轉載運輸，節省建設投資達千萬元以上。而貴州某金礦利用斜坡道開拓，坑內汽車運輸方案，將原礦直接運往選礦廠原有的粗碎站破碎，避免了井下粗碎站的重復建設，也大大節省了工程的建設投資[9-10]。

2.2 實現上述原則的主要途徑

露天轉地下開采的礦山，要真正達到提高工程建設速度、降低工程投入和節省成本的目的，就應將上述原則的實現作為工程項目建設各個階段的主要工作。實現上述原則的主要途徑有：

1)加大露天轉地下可行性研究和初步設計階段的研究深度，從項目的總體方案上把握研究成果技術經濟的可行性與合理性，使項目總體方案達到最優化。

2)廣泛調查與了解條件相似、規模相近的礦山，以及其他地下開采礦山在礦山設計與建設方面的先進技術與先進經驗，特別是要關注其他礦山在工程子項設計中的設計優化成果，或是在施工中的有利于加快工程施工進度的好的施工方法，進而在施工圖設計與工程施工中盡可能采用。

3)加強設計優化研究，在保證工程使用功能的前提下，不斷進行施工過程中的設計優化工作，能夠使設計、施工方案趨于更為合理[11]。

4)以礦山生產的運輸成本為例。露天生產的運輸成本，主要體現在礦石的運輸和廢石的運輸兩個方面。隨著露天開采的不斷延深，運輸距離也不斷加大，在運輸單位成本不變的情況下，導致運輸總成本增加。

5)選擇優良的施工隊伍，是實現工程“安全、優質、高效”的關鍵之一。優良的施工隊伍，不僅表現在該隊伍具有良好的管理水平，更重要的是要具有能夠應對和處理工程施工過程中可能遇到的一些復雜性問題，這對于加快工程施工速度、縮短建設工期十分有利。

6)強化工程管理，優化工程施工順序，實施工程建設工期的動態目標管理。如根據工程施工的特點，投入必要的措施工程，盡可能地展開平行作業等，以加快工程的施工速度，并根據施工進展，隨時調整施工計劃目標。

3 結語

露天轉地下開采礦山開拓系統銜接方案的合理與否，對于礦山地下開采系統建設投資的大小，和礦山生產轉入地下開采方式后，能否順利按期達產和企業的盈利空間大小有著重要的影響。開拓系統銜接方案的確定原則及其實現途徑的提出，無論是對實施露天轉地下開采的礦山企業，還是對工程設計單位，都具有實際性的指導意義。

[1] 徐長佑.露天轉地下開采[M].武漢：武漢工業大學出版社，1990.

[2] 龔清田.淺析露天轉地下開采的幾個問題[J].有色冶金設計與研究，2005，26(4)：1-3.

[3] 楊福海，李富平.露天轉地下開采的若干特殊技術問題[J].河北冶金，1994，81(3)：1-4.

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[6] 柳自強,沈鋼.白銀折腰山銅礦露天轉地下開采地壓研究[J].礦業研究與開發,1990,10(1):21-28.

[7] 田澤軍,南世卿,宋愛東.露天轉地下開采前期關鍵技術措施研究[J].金屬礦山，2008，385(7)：27-29，159.

[8] 趙世民.金川露天轉地下開采建設實踐[J].有色礦山，1992(6)：1-5.

[9] 李鼎權.論露天轉地下開采的若干特點[J].金屬礦山，1994，212(2)：9-12，23.

[10] 龔清田.淺析露天轉地下開采的幾個問題[J].有色冶金設計與研究，2005，26(4)：1-3.

[11] 路增祥.皮帶道的設計及優化[J].黃金，2001,22(7):20-23.