組合臺階陡幫開采在山西某露天鐵礦的應用研究

孫明亮 郭 章

（銅源國際工程設計研究有限公司）

結合礦山近2 a 的生產實踐以及相關理論知識和研究成果，重新論述了組合臺階開采的應用范圍，并提出組合臺階開采中關于生產剝采比的均衡方法和思路，為礦山設計工作者和管理人員提供參考。

1 礦山概況

1.1 地質概況

礦區位于五臺山西段的北麓，馬鬃山南坡。區內群山起伏，山高坡陡。區內地形最高點位于礦區的西北部，最高海拔標高為2 221.5 m，最低點位于礦區的西南邊緣，海拔標高為1 826 m，相對高差為395.5 m，屬中山區。

礦區內有Fe2 和Fe3 共2 條鐵礦體，目前礦山只對Fe3礦體進行露天開采。Fe3礦體主要賦存于馬鬃山向斜南翼，地表出露長度為1 200 m，平均出露寬度為54.13 m，深部具分枝復合現象，厚度逐漸變薄。礦體賦存標高為1 941～2 153 m，礦體埋深為0～232 m。礦體頂底板巖性均為綠泥角閃片巖。礦體傾向北東，傾角為8°～42°，呈層狀、似層狀、厚板狀產出。

1.2 開采現狀

礦山現已形成一個沿走向長850 m、寬340 m 的山坡露天采場，采場呈東低西高狀，最低開采臺階標高為2 060 m，最高剝巖臺階為2 170 m 水平臺階，現狀邊坡角為35°～46°。最低開采標高為2 060 m，底部平臺尺寸為385 m×170 m，該平臺南部已到界，北部距最終開采境界65 m，東部距最終開采境界90 m，西部距最終開采境界660 m；采場2 150，2 120，2 100 m平臺寬度為22～36 m，這3處平臺具備開采作業條件。

礦山開采工藝為穿孔—爆破—采裝—運輸—排土間斷式開采，穿孔設備選用孔徑為165 mm 的露天潛孔鉆機，采裝設備選用1.6 m3單斗挖掘機，運輸設備選用20 t級礦用自卸汽車。

礦山現有開拓運輸方式為公路+溜槽。在采場南幫2 055和2 065 m標高布置1#、2#共2個礦石溜槽，采場內采出的礦石經挖掘機裝入自卸汽車運至溜槽上部平臺卸礦，溜槽下部的礦石由挖掘機裝入汽車，二次倒運至粗碎站。

礦山現形成東、西及北3 個排土場，東、西排土場均位于采場南側，排土平臺標高分別為2 100 和2 085 m，北排土場位于采場北側，現已經關閉。

1.3 露天開采境界

利用3Dmine礦業工程軟件對露天開采境界進行優化，露天采場共分18個臺階，最低開采標高為1 990 m，最高開采標高為2 190 m，封閉圈標高為2 060 m。采場呈東西展布，采場長度為1 205 m，寬度為260 m，最大邊坡高度為170 m。采場南部最終邊坡角為13°～38°，采場北部及東西端部最終邊坡角為49°，境界內共圈定礦石量1 394.97 萬t，巖石量2 765.99 萬t，平均剝采比為1.98。露天開采最終境界平面圖見圖1。

2 采剝工藝選擇

礦山現有采剝工藝為自上而下分臺階緩幫開采，臺階工作線大致垂直礦體走向布置，由東向西推進。從礦山現狀來看，采場西端幫（4 線以西）剝巖相對滯后（2 090 m 以上欠剝離巖量約為1 260 萬t），不僅積壓了大量礦石資源，還對采場東部2 060 m 向下開采造成影響，嚴重制約著礦山未來發展。若礦山仍采用緩幫開采，需從采場西部2 190 m 向下逐層剝離，這樣剝離工程量較大，增加工程投資。需要2 a時間才能形成合理的采剝關系，而且集中剝巖過程中也會降低礦石年產量，不利于礦山穩定發展，極大地降低了開采經濟效益。因此，需研究制定出合理的采剝工藝，調整礦山工程發展程序，以保證礦山的可持續發展。

首先，考慮采用分期開采。露天開采境界內資源量約1 400 萬t，生產規模為200 萬t/a，露天采場屬于長條形，若采用分期開采，只能沿礦體走向實施，那么各分期開采年限比較短，而且生產能力不穩定，無法從根本上解決因剝巖滯后而導致生產能力下降的問題。因此，排除了分期開采。

其次，考慮采用陡幫開采。通過合理選擇陡幫作業形式和礦山工程發展程序，可以有效降低開采前期剝巖量，推遲剝巖高峰，實現剝采比均衡，提高開采經濟效益。

陡幫開采按工作面作業方式分為組合臺階開采和傾斜條帶式開采。傾斜條帶式開采是將剝巖臺階劃分若干條帶，條帶內各臺階自上而下尾隨開采，各臺階需要有較長的工作線才能滿足挖掘機的作業要求；組合臺階開采是將工作幫上的臺階劃分為若干組，每組2～5 個臺階，每組臺階由一臺挖掘機在組內從上而下逐個臺階進行開采，除組內正在作業的臺階外，其余臺階均處于暫不作業狀態，所留平臺寬度較小，或直接并段。

結合本礦山礦體賦存條件、開采現狀、開采境界和裝備水平等因素，若考慮采用傾斜條帶式開采，條帶內各臺階需要有較長的工作線才能滿足挖掘機的作業要求，而本礦山西端幫各臺階工作線較短，很難實現條帶式開采。若考慮采用組合臺階開采，將采場西端幫組合臺階開采工作線斜交礦體走向布置，由東向西推進，組內各臺階既采礦又剝巖，這樣既達到了陡幫開采效果，又保證礦山生產能力。

3 組合臺階開采方案

采場西端幫（4 線以西）采用自上而下多組臺階同時作業的陡幫開采工藝，東端幫（4 線以東）仍采用緩幫開采。

3.1 組合臺階參數

根據本礦山裝備水平、采剝工作面技術參數、組合臺階工作線長度、生產規模和均衡生產剝采比要求，最終確定組合臺階的結構參數如下［1-5］。

將3～4 個臺階劃分為1 組，單臺階高度為10 m，并段后為20 m，工作臺階坡面角為65°～75°，最小工作平盤寬度為40 m，最小工作線長度為150 m。每組臺階自上而下開采，其中，只有一個臺階作業，保留40～60 m工作平盤寬度，其余臺階只保留10 m安全平臺寬度。每組臺階推進到預定位置后，即完成一個采剝循環，每組臺階長度為250～350 m，礦巖總量為60萬m3，安排2臺挖掘機作業。

組合臺階開采的工作線推進方向一般垂直礦體走向，而本礦山礦體厚度不大，呈東西走向且走向較長，所形成的開采境界東西長、南北短。為保證每組臺階的礦巖量滿足一個開采循環，將組合臺階開采工作線采用沿礦體走向呈一定角度（30°～45°）布置，由東向西推進直至開采結束。

3.2 新水平準備

山坡露天開采時，利用境界外固定道路與采場內移動道路進行開拓延伸；深凹露天開采時，沿礦體下盤掘出入溝和開段溝，按固定坑線開拓新水平。

3.3 生產剝采比均衡

本礦山應用組合臺階開采，均衡生產剝采比工作較一般露天礦山復雜，既要考慮單臺階礦巖量和推進速度，又要考慮組合臺階的礦巖量和推進速度。設計利用3Dmine 礦業工程軟件中排產功能，反復調整組合臺階內的臺階數量和工作線推進方向來編制生產進度計劃，均衡生產剝采比［6-7］。

通過編制生產計劃圖表，礦山總體服務年限為7 a，各年采出礦巖量及剝采比見圖2，第1～6 年生產進度計劃圖見圖3～圖8。

4 開采效果

西端幫采用陡幫開采，較傳統的緩幫開采工藝工作幫坡角由小于10°提高到15°～25°，降低了開采前期剝巖量，均衡生產剝采比，提高礦山經濟效益，減少最終邊坡暴露時間。

礦山根據本設計方案，對采場西端幫（4 線以西）實施組合臺階開采，沒有出現減產，順利完成了預期的采剝任務，實現了穩產過渡及生產剝采比的均衡。

經過2 a 的生產實踐，可以看出設計確定的組合臺階參數比較合理，符合礦山實際情況，降低了礦山基建期剝巖量約1 260 萬t，節約建設投資約4 410 萬元，提高了礦山開采經濟效益。

5 結論

（1）組合臺階開采作為陡幫開采的一種作業方式，通常應用到擴幫剝巖工程，但根據本次設計及實際生產經驗，可以得出，對于露天開采境界內礦體走向大于800 m、開采深度大于150 m 的露天礦山，組合臺階開采不僅可以應用到剝巖工程，還可以應用到采礦工程，將組合臺階開采工作線正交或斜交礦體走向布置，既擴幫又采礦，能夠取得較好的技術經濟效益。

（2）當組合臺階既剝離又采礦時，通過調整組合臺階內的臺階數量和組合臺階工作線推進方向來編制采剝計劃和均衡生產剝采比。

（3）利用Surpac、3Dmine 和Datemine 等礦業工程軟件不僅能夠建立礦床地質模型和優化露天境界，而且能夠快捷、準確地編制礦山長短期生產進度計劃。尤其對于實施陡幫開采、分期開采的露天礦山，利用軟件中的排產功能，能夠很好地研究露天礦開采程序，從而合理地確定陡幫開采結構參數、分期開采境界及過渡方式等問題。