露天礦分期開采及內部排土探究

李俊勇

（中鐵十九局集團礦業投資有限公司，北京 100161）

被剝離巖土的運輸與處理成本對露天礦的開采效益有決定性影響，而內部排土不僅可以大幅降低運輸與土地征用成本，還能夠在礦體采掘過程中及時回填采空區，有利于保障生產安全和降低對地下巖土結構、地表生態系統的干擾。因而在技術與自然條件允許的前提下，應優先采用采用分期開采與內部排土方式進行露天礦的開采。

1 分期開采與內部排土的技術原理和特點

1.1 露天礦分期開采概述

分期進行礦床空間分布范圍大、走勢與品位復雜的露天礦開采有助于控制生產成本，基于對全境界地質構造、礦體賦存等自然條件以及開采技術條件的深入分析，明確不同時期的開采計劃與具體的工藝方案。通常情況下，可以從空間或時間維度區分露天礦的分期開采類型，前者根據礦體分布、品位變化以及表面覆蓋巖土厚度等特征，在作業空間上沿縱向或礦體走向將采場劃分為若干區域，進而根據采掘和排土條件、剝離量等確定開采順序；后者則根據開采年限將分期開采區分為長期與短期，但原則上一期開采境界的確定都是以控制基建投資規模、縮短成本回收周期為目標，選擇可至少開采十年的高品位、儲量大且剝離量小的區域。

1.2 內部排土的技術原理及特點

露天礦開采過程中剝離的礦體周邊巖土需要及時清運和處理，通常情況下可以選擇將其運至礦場開采邊界外堆放，或者回填到前期的采空區，后者即被稱為內部排土，是近年來大型露天礦開采活動中優先使用的排土方式。內部排土可以依據礦床走勢、地質構造特征選擇擴充式或分區式內排，前者可以實現采掘與內排土臺階同步推進，即直接將被剝離的土石方回填至采空區域；后者則需要率先將采場選定區域開采至設計標高，并且使其容積、作業空間滿足內部排土條件，再正式開始邊采掘邊回填模式，所以需要事先規劃出短期的外部排土場。

2 開采技術方案的設計原則

2.1 分期方式的選擇

根據礦體走勢、分布以及覆蓋巖土厚度特征進行分區并確定開采次序，原則上在剝離量小、最易形成滿足設備運行需求的內部排土場的區域開展一期開采，并且保證其開采時間可以持續十年以上[1]。當礦床為緩傾或水平且分布范圍偏大時，可以按照其走勢在空間上進行分期，率先開采礦體厚度大且剝離量相對較小的區域。而對于傾角偏大、向地下深處延伸的礦床，則在縱深方向實施分期開采，原則上在初期基建投資回報率最高、可以快速形成內部排土場的區域進行一期開采。

2.2 內部排土技術方案的設計

露天礦的內部排土技術方案設計應以總體運輸功最小化為指標進行優化，在初步確定分期方案之后，基于對不同階段剝離量、采空區容積變化的分析和計算，進行內部排土開采技術方案的優化。從而明確內部排土場的位置、運輸道路設計參數，論證和比較擴充式與階段式內排采掘和排土工藝方案的經濟性，確定最終的分期開采計劃。

3 露天礦開采技術方案的設計及優化

3.1 分期與內部排土方式的選擇

在確定分期開采和內部排土方案的過程中，首先需要搜集具體露天礦的全境界環境條件、礦藏分布等方面的資料，通過現場勘查核實儲量、開采邊界并估算剝離總量。其次，根據已有地質勘查資料與技術條件明確一期開采內部排土場底盤的位置，通過估算和分析剝離量、采掘作業強度論證內部排土方案的可行性。并且根據外部排土條件分析分區內排所需的作業空間、外運土石方量的大小，進而確定排土場的結構參數并優化巖土流向，比對并選擇運輸功最小的排土技術方案。

3.2 各分期的開采與回填范圍劃定

在依據前文所述原則確定露天礦的一期開采目標區域之后，應結合已有技術條件劃定開采邊界并明確采掘方式。首先一期開采范圍的界定不僅要確保內排底盤作業空間滿足采掘設備作業要求，而且應考量一期采掘和內排臺階與二期開采工藝的銜接，以最合理的方式完成覆蓋巖土的剝離和回填，以達到運輸功最小化的目標[2]。其次，依據地質勘察獲得的數據構建分析模型，模擬分期開采和內部排土過程，分析礦體采掘外運量與剝離量的變化過程，論證內部排土場的形成和演變能否滿足采掘和運輸要求。

3.3 運輸道路規劃以及采掘、運輸方案設計

在實施露天礦的分期開采和內部排土作業時，當一期開采深度達到內部排土場底盤設計標高時，需要根據開采境界的環境條件特征設計采掘、內排臺階以及采場的空間構建模式。其次，運輸路線的規劃設計以運距最小且總體運輸功最小為原則，根據內排技術條件可以靈活選擇運輸設備組合，以保障采掘進度與排土效率。而在深凹的露天礦開采區域內，為了保障生產安全并控制運距，可以使用皮帶式運輸設備或絞車提升配合車輛完成排土和礦產外運。

3.4 主要工藝參數的設計及優化

鑒于大型露天礦的每一個開采周期都需要延續相當長的時間，通過構建模型并模擬整個工藝流程來明確各項技術參數，能夠讓開采過程更加順利并保障生產安全。首先，根據對一期開采小境界剝離量、開采邊界和礦體儲量的計算數據，結合采掘設備、技術條件確定開采進度、內部排土場形成時間。當采用分區內排方案時，明確臨時性外部排土場的位置、大小以及運輸方案。其次，確定采場的空間位置參數，優化采掘推進速度和內部排土臺階的寬度等參數以及巖土流向，原則上臺階高度應小于20m。而二期開采所剝離的巖土總量須小于一期采空區的容量，并且在回填后的礦坑底部道路設計中，需要根據所用設備的運轉需要確定道路寬度。

4 結語

雖然內部排土與分期開采相關技術的應用時間相對較短，但已經在煤炭、金屬等多種類型的露天礦藏開采中得以成功運用，相比傳統的外部排土模式顯著降低了開采成本，而且有助于于精確控制開采區域內圍巖的穩定性，也解決了因棄土堆置造成的生態環境污染與環境安全問題。而在信息技術日益成熟的背景下，可以運用計算機技術高效、精確的完成露天礦分期開采與內部排土技術方案的模擬和優化。所以在未來的大型露天礦開采工程中，這一模式必將得到更多的應用。