石人沟铁矿露天转地下过渡技术的研究与实践

石人沟铁矿露天转地下过渡技术的研究与实践

1井下一体化工程推进石人沟采石场于20世纪70年代开始，并于1975年完成。设计生产能力为150万吨a，最终实际生产能力为50万至60万吨a。经过30年的露天开采,至2004年,露天大生产已全部结束,目前正在进行局部的残矿回收工作。为充分开发深部矿石资源,经秦皇岛冶金设计研究院设计,分别于2001年7月和2003年10月开始了井下一、二期工程建设。2005年6月井下一期(南区)工程已基本结束,陆续转入了采切及生产出矿阶段,2005年底井下二期(北区)工程全部竣工。石人沟铁矿自2001年起至今,恰处于露天转井下开采的过渡期,在此期间,无论在技术上、安全上,还是在生产上,都遇到了方方面面的技术问题,经及时的研究论证,并采取有效的措施,使各种问题均得到了较好的解决。2研究与实践2.1地层岩性分析方法石人沟铁矿露天底标高为设计井下开采第一个中段使用空场法。则在露天底以下应该保留厚度为多少的境界矿柱,使矿量损失最少,又能保证井下及露天的安全生产,便成为石人沟铁矿遇到的第一难题。对此,石人沟铁矿与秦皇岛设计院和东北大学共同研究,通过现场勘察、分析及岩石力学参数测试,建立了矿体力学模型,应用二维、三维数值模拟法、工程类比法、极限平衡解析法,进行了采空区围岩稳定性评价和敏感性分析。最后确定,要维持井下采空区的稳定及露天后期的安全生产,使矿柱矿量降到最低,合理的境界矿柱厚度应为16～25m。相应确定了井下一期工程第一中段回风巷标高设置在0m,二期工程设置在-16m,露天后期生产(全部为北区),必须保证底部标高在0m以上。从“过渡期”的生产及基建情况看,达到了安全技术要求。2.2排水疏干水泵与井下排水泵站联合排水方案石人沟铁矿露天采场总长度为至井下工程开工前,采场南部(17～28勘探线)已作为排岩场进行了岩石内排。采场北部尚进行露天生产。北部采场总汇水面积为96.5万m2,该区域既要接受大气降雨,又要汇集采场边帮及地下涌水,经计算(按10年一遇暴雨频率),雨季昼夜最大汇水量为8.52万m3,非雨季节平均汇水量为0.7万m3/d。若该部分水量不采取措施予以疏干,将通过断层、节理和裂隙逐步渗透到井下,既影响井下施工安全,又加剧井下排水费用,同时,对露天采场在汛期亦极易被淹,影响当期的生产。鉴此,石人沟铁矿与设计院结合,经研究论证,采取了“同时设置露天采场排水疏干泵站与井下排水泵站”的联合排水方案。在露天采场内根据开采标高、汇水区域及汇水量,设置固定泵站2座,浮船泵站1座,实现接力排水,共安装200D43×3排水泵13台。在井下南、北区-60m水平,据地下涌水量各设排水泵站1座,每座泵站各安装200D43×5多级排水泵5台。实践证明,采取上述联合疏、排水方案,较好地满足了石人沟铁矿“过渡期”露天生产及井下施工的需要,达到了预期效果。2.3外来爆破影响在露天转井下过渡期间,既要维持露天后期生产,又要进行井下工程建设。由于露天底部距井下第一中段回风巷高差较小,一般仅约16～30m,露天底部爆破对井下工程影响非常突出,如果控制不好,极易发生安全事故,同时毁坏井下工程。对此,我矿对露天及井下爆破均采取了严格的技术控制措施。2.3.1巷道钻孔、起爆方式及装药量控制首先,钻机设备全部取消了露天大生产时期的KY-250牙轮钻机,推行使用了3台D-80潜孔钻机,穿凿(80～100)mm炮孔,以减少爆破对底板的冲击;其次,在穿孔深度方面,要严格控制孔底距下部回风巷顶板的高度必须达到16m以上,满足境界矿柱安全厚度的要求;同时根据露天排水泵站位置,设计并控制好露天底板标高,使之形成自然流水坡度;第三,在起爆方式及装药量上,全部采用了多段毫秒微差爆破,一次总装药量不许超过3.0t,分段起爆药量不得超过0.5t,段数的选择视具体情况而定;第四,在警戒方面,除执行露天警戒规定外,要求每次起爆前必须通知井下施工人员确认相关作业人员撤至安全区域后,方可进行露天起爆。2.3.2回风巷围岩爆破技术要严格做到:第一,加强井下测量工作,严格控制炮孔方位,保证巷道顶、底板标高及顶部安全矿柱厚度;第二、第一中段回风巷掘进须采用周边光面爆破技术,以减轻爆破对围岩的破坏;第三,在露天水泵坑下部或断层及破碎带中掘进,要实行减震爆破,且视围岩稳固性情况,局部采取支护措施。2.4采空交通通道按照井下设计,石人沟铁矿二期工程斜井布置在露天采场边帮上盘30m水平12勘探线处,北措施井布置在采场内部北端帮46m水平6勘探线部位,而且各井口区域均布置了工业场地。在露天设计时,仅考虑了露天生产需要,沿采场固定边帮上盘设置并保留了一条永久运输公路。井建工作开始后,该公路既要承担露天后期东、西小采及平硐开采的矿岩运输任务,又要满足斜井及措施井基建和生产期的矿岩运输需要。而现实情况斜井口工业场地已将该公路中断,沿采场往北,该公路只抵达30m水平,不能到达措施井。对此,结合现场条件,对原有的矿岩运输系统进行了统一规划、设计和改造。一方面对采场11～14线已形成的露天采空坑按照设计标高及坡度进行了岩石回填(回填量40万t),顶面铺垫石碴及山皮土,形成永久路面和斜井矿岩倒装场地,将原有的局部公路东移,上部及底部均与原有的永久干线相接,这样既满足了露天后期生产需要,又形成了斜井工业场地,满足了施工和生产的要求。另一方面,为实现对措施井矿岩的运输,设计对602线以南30～46m台阶的岩石进行了穿爆,在岩石爆堆上,修垫一条永久斜坡道,联通措施井与原有永久运输公路,在靠公路南侧,将岩石排出,经砌筑和修垫,形成措施井矿岩倒装场,较好地满足了措施井基建及生产期矿岩运输的需求。此外,对露天生产后期的东、西小采及平硐开采,采用分支式半固定或临时公路与永久干线相接,较好地满足了现行生产要求。2.5采动期间出矿能力衰减石人沟铁矿井下基建于2001年7月开始,一期工程于2005年6月结束,二期工程2005年底结束。在此期间,露天生产因受矿石储量减少,采掘作业面变窄的影响,出矿能力大幅度衰减,而井下又处在大量基建和局部采切阶段所出副产矿石远远不能弥补露天消失的生产能力。为均衡和稳定“过渡期”生产,石人沟铁矿结合现场实际,进行了多方面技术研究,积极采取了一系列技术措施。2.5.1采矿量和用量的确定按照设计,石人沟铁矿露天底标高为0m水平,由于局部矿体及作业面变窄,大型设备难以正常运转,迫使露天大生产结束于16m水平。而在0～16m水平间,尚结存矿量近150万t,为充分回收露天底部矿石资源,弥补“过渡期”矿石产量的不足,经研究论证,对该部分矿石采取了“使用D-80钻机、1m3挖掘机和5t自卸矿车等小型设备”进行局部区域小露天开采的方案。自2001年起,在合理圈定各小露天境界,确定开拓运输方案及排水方案的基础上,先后启动了“南坑、东坑和西坑”3个区域的小露天开采,近5年来,已累计采出矿石145.65万t,为均衡和稳定“过渡期”的生产,起到了关键作用。2.5.2采场充填采矿石人沟铁矿露天采场中、北区境界外,尚残存部分M1、M2和M4矿体,总储量约130万t。随着“过渡期”矿石产量的减少,经研究设计,确定了对该部分矿石实施“平硐开采”的方案,即:根据矿体赋存区域及高度,在采场最终边帮不同水平开掘平硐,保留15m安全矿柱后,沿矿体走向掘进拉底运输巷,在矿体尽头开掘通风天井,形成正常通风及排水系统后,用7655凿岩机进行上向及扩帮后退式回采,装矿设备可视矿体厚度情况选用ZL-15或ZL-30装载机,运输设备配套使用5t～20t自卸矿车。按照上述方法,石人沟铁矿先后组织了不同水平的3#硐、5#硐、6#硐和7#硐开采,目前3#～6#硐的开采已全部结束,7#硐的开采正在进行。自2001年起,各平硐开采已累计生产矿石123.56万t,为弥补露天矿石生产能力的不足,起到了重要作用。2.5.3矿坑开采方案在石人沟铁矿露天采场北端帮部位,-60～+46m水平尚结存矿石储量97万t,该区域储量只有少部分圈入二期井采范围,大部分划定为界外储量。为充分开发矿石资源,弥补“过渡期”出矿量的不足,石人沟铁矿积极与中钢设计院合作,研究设计了“措施井”开采方案,即在采场北端帮51～6线间46m水平处,开掘一直径4m、深118m的措施井,选用φ1.6m卷扬及2#双层单罐笼提升设备,在-16m及-60m水平开掘通风及运输平巷,南部与二期井下工程对应巷道贯通,形成统一的通风及排水系统,采用平底结构浅孔留矿法,对该区域-60m及-16m2个中段的矿石进行开采,设计能力为18万t/a。该工程于2004年元月正式开工,当年9月完成了全部基建工程,10月份转入了正常采切和出矿,现已达到了设计生产能力,每年可为“过度期”补充矿石18～20万t。到目前为止,已累计采出矿石19万t。2.5.4石人沟铜矿“年份”生产情况石人沟铁矿针对“过渡期”供矿不足的矛盾,一方面与冀东设计院结合,将部分脉外基建巷道改为脉内掘进,通过加强施工组织,增加了副产矿石出矿量;同时,结合现场施工进度,在具备条件(含通风、排水、运输、提升系统已形成)的局部区域(如:16～18线间的南、北分支矿体),通过采用临时供电、供水和压气等措施,首期进行采切和生产。通过采取上述措施,现已累计产出副产矿石39.23万t。此外,石人沟铁矿还进一步发挥了露天储矿场的调节功能,加大了出矿力度,在一定程度上弥补了“过渡期”出矿能力的不足。通过采取以上措施,较好地实现了石人沟铁矿“过渡期”生产的均衡和稳定。逐年矿石产量情况见表1。2.6自身安全管理措施石人沟铁矿露天采场在“过渡期”内,既有露天开采,又有二期斜井及北措施井的基建和生产,同时还要维持露天坑内的排水与疏干。通过30年露天开采所形成的最终边帮,高度已达100～170m,受长期爆破震动、雨水冲刷及自然风化的作用,许多区域形成了较大的滑体、裂隙和松动浮石,边帮留设的安全平台失去了拦截作用,直接威胁着“过渡期”露天底部生产及井建施工的安全进行。对此,经认真分析和研究,制订并采取了多项技术措施。第一,对边帮积存的浮石进行砌底清理对局部安全平台宽度不足的部位,进行爆破处理,以实现安全平台的功能。第二、设置滑体监控点,定期实施监测,雨季加密监测,以随时掌握滑体动态,及时进行预警。第三、对出现较大的滑体裂缝,用“三合土”或混凝土填塞灌注,以提高其整体性和稳定性;同时在地表开挖引水沟,及时将地表水引走,防止再次灌入。第四,对于重要区域(如:斜井口工业场地等),坡面采用锚网喷护,坡底砌筑混凝土挡墙。第五、对于濒临坍塌的滑体,施行人工强制爆破,提前予以处理。通过采取上述措施,较好地保证了我矿“过渡期”露天生产及井下施工的安全顺行。2.7水源采空工程石人沟铁矿露天坑排水量为200～300m3/h,一期工程结束后,井下排水量为500～600m3/h,按照原设计,该部分水量均直接排往附近的河道。而石人沟铁矿选厂用水则需由15km以外的水源井经2座加压泵站供给,新水补给量为300～400m3/h;对此,石人沟铁矿于2004年与冀东设计院结合,研究并实施了“将露天及井下排水共同作为选厂生产用水”的方案。即:将井下排水管路由地表直接引入选厂高位水池,沉淀后,供给选厂,将露天排水管路与原有的选厂供水主管路相接通过不同路径实现对选厂的供水。同时加装高位水池水位监测系统及泄水系统,通过合理调整露天及井下的排水量(多余水量泄入河道),较好地保证了选厂生产,与此同时,基本上停用了原有的生产供水系统,每年节约水电费100余万元。3露天开采