昆陽磷礦二次內排設計與應用研究

涂 旺，陳鵬能，李志國*

1.武漢工程大學興發礦業學院，湖北 武漢 430074；2.云南磷化集團有限公司，云南 昆明 650600

運輸成本高和排土空間受限是許多露天礦山所面臨的難題。隨著采礦技術的快速發展，大量露天礦山采用內排土減少運輸成本和提高土地利用率。為解決生產排土問題，在露天礦山采用內部排土場，減少了征地并節約成本，且方便采場和排土場統一管理［1-2］。露天采場內排方案的實施，不僅可以縮短運輸距離，而且能降低運輸成本［3-5］。露天礦山內排運輸系統的建立，可以提高設備效率，降低生產成本，提高經濟效益水平［6-8］。實施內排土方案，不僅可以降低排土費用，而且可以保護生態環境［9-12］。一些礦山將傳統內排方案進行優化，使內排運距最短，達到運輸成本最優的目的［13-15］。研究表明內排土是露天礦山提高土地利用率和降低運輸成本的一種有效方式，在昆陽磷礦也得到了有效應用。而隨著采區外擴、采剝工作線增大，使用傳統內排土的費用逐年提高，且部分區域排土空間不能滿足傳統內排空間需求。本文根據昆陽磷礦生產現狀，以運輸能耗最小為出發點，在礦山四采區西部進行現場實驗分段作業、二次內排方案，以期提高土地利用率、緩解排土空間不足的窘境，實現快速出礦及降低剝離成本的目的。

1 二次內排方案設計

1.1 礦區現狀

昆陽磷礦是國有大型露天礦山，距今已開采50多年，礦體屬海相沉積的大型磷塊巖礦床，上覆巖層主要為白云質粉砂巖、泥質粉砂巖和頁巖。隨著開采境界持續向南推進，剝采比逐年增大，大量的廢石需要排放。目前昆陽磷礦四采區計劃采礦用地333 333 m2，確定先購買100 000 m2土地。根據采剝計劃的安排情況，四采區西部計劃下降4～6個水平，涉及面積約52 986 m2，排土面積需要106 666 m2，排土面積不足。另一方面，由于采剝工作線增大及出礦點多，運輸量大，運輸成本居高不下。

1.2 采剝計劃安排

計劃在四采區50#-55#勘探線之間剝離巖石量為80.00×104m3，50#-52#勘探線之間計劃剝離70.00×104m3，52#-55#勘探線之間計劃剝離10.00×104m3。采剝順序為先剝離50#-52#勘探線之間巖石，在50#-52#勘探線之間礦石全部采完后，再進行52#-55#勘探線之間礦巖的采剝。

1.3 四采區西部原有內排土安排

西部采場排土運往四采區頂部采空區2 280 m水平進行排放，運距2.80 km，需要占用土地空間106 666 m2。

1.4 二次內排工藝設計

傳統排土方式可分為3種：單臺階全段高排土法，多臺階壓坡腳式排土法，多臺階覆蓋式排土法［16］。單臺階全段高排土工藝簡單，但不利于排土場穩定；壓坡腳式排土工藝早期穩定性差；覆蓋式排土穩定性好，在合理的排土結構參數下，排土場不易坍塌、滑坡［17］。

實驗設計二次內排工藝如下：先將四采區西部50#-52#勘探線剝離的土方石就近堆放至53#-54#勘探線之間，在采出50#-52#勘探線礦石后，再把53#-54#勘探線之間堆放的廢石及覆蓋巖土倒運至50#-52#勘探線采空區，運距控制在1.0 km以內，不占用額外土地空間。方案設計見圖1。

其中，四采區西部50#-52#勘探線剝離的土方石堆放至53#-54#勘探線之間，排土采用覆蓋式排土方式，見圖2（a）。

53#-54#勘探線之間堆放的廢石及覆蓋巖土倒運至50#-52#勘探線采空區，排土方式采用多臺階壓坡腳式排土法，見圖2（b）。

圖1 方案設計圖Fig.1 Scheme design drawing

圖1 排土方式：（a）覆蓋式，（b）壓坡腳式Fig.2 Dumping mode：（a）overlay ，（b）pressing toe of slope

1.5 排土場安全監測

根據《金屬非金屬礦山安全規程》對排土場安全的要求，排土場設專人負責觀測和巡查，定點定期對排土場邊坡進行監測，排土初期每星期1次，變化劇烈時每天1次，穩定后每月1次。在53#-54#勘探線之間進行排土堆置，為保證50#-52#勘探線之間能夠安全生產，采用的監測方式主要是地表變形監測，具體包括被觀測點的位移值和沉降值的監測，按照工程公司提交的《排土場邊坡穩定變形監測表》，及時對相關數據進行對比和分析，發現問題，積極采取措施。此外，要求在進行排土作業時保持排土場平臺平整，排土線整體均衡推進，坡頂線呈直線形或弧形，排土工作面向坡頂線方向有2%～5%的反坡，排土卸載平臺邊緣設安全車擋，其高度不小于輪胎直徑的1/2，車擋頂寬和底寬分別不小于輪胎直徑的1/4和3/4；卸土時，汽車垂直于排土工作線，倒車速度小于5 km/h，禁止沖撞安全車擋；在排土場邊緣，推土機嚴禁沿平行坡頂線方向推土；排土安全車擋或反坡不符合規定、坡頂線內側30 m范圍內有大面積裂縫（縫寬0.1 m～0.25 m）或不正常下沉（0.1 m～0.2 m）時，汽車不準進入該危險作業區，應查明原因及時處理，方可恢復排土作業；汽車進入排土場內應限速行駛，距排土工作面50 m～200 m時速度低于16 km/h，50 m范圍內低于8 km/h；排土作業區照明系數必須完好，燈塔與排土車擋距離大于等于車輛視覺盲區的10 m以上，照明角度必須符合要求，夜間無照明時禁止排土；排土作業區設置一定數量的限速牌等安全標志牌。同時根據公司要求，實施內排作業前，需通過公司驗收采空區后才能進行。

1.6 開拓運輸系統

昆陽磷礦采區地形比較復雜，屬中山地貌，沿走向方向上有許多深溝切割，采用公路汽車開拓運輸系統，四采區西部運輸設備采用小松HD325。

2 結果與討論

2.1 空間利用分析

兩種排土方式空間利用分析如表1所示，原有內排土方式不影響其它工作面安全，但是占用大量土地面積；二次內排土方式會對相鄰區域生產工作產生威脅，但是節約土地空間106 666 m2，可以解決該礦區用地困難的問題。

表1 排土空間分析Tab.1 Dumping space analysis

2.2 線路運輸能耗計算

在其它因素相對確定的情況下，將傳統內排與二次內排進行對比。線路消耗能量η由現場工作時測出，運輸總量為70×104t。

線路運輸能耗W計算公式可表示為：

W=4.181 6 × 103× 7 000 × L·v·ρ·η/10

其中：W為某條運輸線路對應設備運輸能耗，J；L為運輸路線長度，km；v為運輸總量，104m3；ρ為剝離巖土密度，t/m3，取3；η為路線能源消耗，kg/（100 t·km）。

由表2可知：在該礦區采用二次內排的運輸能耗（5.274×1012J）比原有排土方式（2.28×1013J）節約能耗23.13%，節能效果顯著，運輸費用明顯下降。

表2 能耗比較Tab.2 Comparison of energy consumption

該礦區采用二次內排優點在于不額外占用排土空間，縮短運輸距離，節約了生產成本；缺點在于53#-54#勘探線之間進行排土堆置，排土場邊坡穩定性會威脅50#-52#勘探線之間采礦工作面安全；50#-52#勘探線之間爆破等生產工作會影響相鄰排土場穩定性。排土場與相鄰工作區間會相互干擾，在應用過程中應合理安排采掘順序，加強排土場監測。

3 結 語

1）研究表明，昆陽磷礦四采區西部采用二次內排土方式，比原有內排土方式縮短運輸距離，節約能耗23.13%，大幅度降低運輸費用。

2）二次內排土方式的實施，可以節約土地空間106 666 m2，能緩解該礦區土地空間受限的問題，對保護生態環境也有一定的作用，適合在昆陽磷礦進行全面推廣使用。