三友凹陷露天石灰石矿陡帮开采实践

三友凹陷露天石灰石矿陡帮开采实践

刘铁亮＊，王连海

（唐山三友矿山有限公司，河北唐山０６３１０１）

摘　要：对三友矿山东采区凹陷露天石灰石矿的矿岩赋存情况分析，根据凹陷露天矿加陡深部边坡角原理，通过调整开采工艺参数，安全高效地多采出矿石，取得较好的经济与资源效益。

关键词：凹陷露天矿；陡帮开采；开采参数

中图分类号：Ｐ６１９．２６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—５７１６（２０１３）０１—０１７０—０２

１　概述

唐山三友矿山有限公司（原名唐山碱厂巍山石矿）是国家七五期间重点建设工程之一的唐山碱厂下属全资子公司，是全国重点化工矿山企业。大型露天石灰石矿山，矿床赋存于奥陶系中统马家沟组地层中，为大型浅海相沉积矿床。矿体在东采区呈北东东方向延展，矿体最大延深至－１００ｍ标高以下。矿体产状与围岩一致，倾角陡，东南倾８０°～９０°，各矿体层位稳定。矿体呈层状，形态规则。矿山产品有碱石、水泥石、熔剂灰石、建材石、装饰用石材、石雕刻等六大类几十个品种。现生产规模已达采剥总量１２００×１０４ｔ／ａ。矿山采区按照设计分四个采区分期开采，东采区１９９１年投产，为首采区；二期２００３年投产；三期２００５年投产；四期２０１０年开始基建剥离。二期和三期现为主采区。东采区早在２００５年就进入了凹陷开采，按照设计其开采到＋４ｍ就闭坑，但是在凹陷采坑底部和边帮还留有矿石，如何在安全情况下，加大边坡角实行陡帮开采，减少废石剥离，最大限度地回收矿石，从而获得最大资源效益是急需解决的问题。

２　凹陷露天矿加陡边帮的原理

露天矿在保持边坡稳定安全的情况下，尽量减小剥离量多采出矿石可获较大经济和资源效益。传统边坡角的选取通常参照类似矿山，其矿山开采中实际形成的边坡角，大多数呈上缓下陡。武汉大学张世雄教授先后提出了“凹陷露天矿边坡少剥离技术的时空原理”［１］和“金城堆凹陷露天矿加陡深部边坡角的空间原理研究”［２］。

凹陷露天矿加陡边坡理论依据：

（１）地质依据：地表浅层岩体受亿万年的风化与人类活动的破坏，强度削弱较严重，稳定型差；随着开采深度的增加，岩体的整体性明显好于地表，因自然因素破坏而产生的裂隙少于地表，稳定性较好。

（２）边坡安全使用期限不同：边坡随开采深度的不断增加而逐渐暴露出，因此不同海拔的边坡受生产爆破影响时间不同，上部边坡通常需维持数十年，下部边坡可能只需工作几年。往往是采区还未闭坑上部边坡已出现局部的塌方、片落等问题，而下部边坡受生产爆破和开挖后风化时间作用明显少于上部，其稳定性削弱的程度明显低于上部，其稳定性好于上部边坡。

（３）圆锥台体半径原理：无论是长条形还是椭圆形的凹陷露天采坑其形状均恰如铁锅，口大底小；采区从上到下可近似看成倒圆锥台体，随着开采深度的不断增加，其圆锥台体半径逐渐减小；在相同条件下，曲率半径较小的圆拱具有较好的稳定性，下部边坡的稳定性高于上部。

（４）厚壁锥筒原理：凹陷露天坑由上至下每一层台阶可看似厚壁圆筒，其外径无限大，露天坑由若干层厚壁圆筒叠加而成，随开采深度的不断增加，厚壁圆筒内径逐渐减小，而外径可近似无变化依然为无限大，在相同条件下，下部筒壁受力状况好于上部，稳定性上升。

（５）端部作用原理：露天坑底可近似看作深凹露天矿边坡的端部，类似自然崩落的岩洞成拱形的顶部，此端部对矿坑下部边坡的应力具有转移承受作用，并对下部边坡的位移具有牵制阻碍作用，有利于提高边坡的稳定性。

３　三友矿山矿岩赋存状态

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１ 西部探矿工程 ２０１３年第１期

＊收稿日期：２０１２－０６－２８　修回日期：２０１２－０７－０５

第一作者简介：刘铁亮（１９６７－），男（汉族），河北乐亭人，唐山市党校在读硕士研究生，高级工程师，现从事矿山管理工作。

矿床赋存于奥陶系中统马家沟组地层中，为大型浅海相沉积矿床。矿体产状与围岩一致，倾角陡，东南倾８０°～９０°，各矿体层位稳定。矿体呈层状，形态规则。矿体在东采区呈北东东方向延展，矿体最大延深至－１００ｍ标高以下。依据制碱灰岩工业指标，本区共圈出８个矿体。根据矿体赋存地层层位，自下而上编号为Ⅰ－Ⅷ。Ⅴ号矿体为主矿体，资源储量占全区资源储量的６５％，其它矿体厚度均较小。矿层沿走向及倾斜厚度变化不大。工程地质，矿层顶底板岩石皆为中厚至厚层灰岩，岩石硬度中等。地表观察裂隙和岩溶不太发育，顶底板围岩及夹层少数为薄至中厚层，岩性软弱，地表破碎严重，如石炭系底部粘土矿（Ｇ层），Ⅴ与Ⅵ矿层之间的含泥灰质白云岩及其同生角砾岩等。水文地质，矿区内矿石与围岩皆为碳酸盐岩，属裂隙岩溶矿床，其石灰岩含水层含水较丰富，但由于开滦赵各庄煤矿长期大量排水，使石灰岩地下水位大幅度下降，最低水位标高可达－２２４ｍ（１９７２年８月），一般情况下水位均在０ｍ标高以下，使矿区石灰岩地下水位处于疏干—半疏干状态，因此使水文地质条件变得较简单。

因此，东采区露天矿具备实施凹陷陡帮开采的良好条件。

４　三友矿山东采区凹陷露天坑陡帮开采

４．１　开采技术参数的调整

三友矿山东采区封闭圈位于７３ｍ水平，北部半壁边帮高约１２０ｍ，边坡角为４８°。按常规设计，如果继续向下延伸加大开采深度，就必须实行扩帮增大废石剥离量。但我们根据凹陷露天矿加陡边帮原理并结合矿山具体地质条件，考虑到采场北部边帮未收到附近煤矿开采人为扰动，特别是经开采揭示后，确认下部围岩坚固性、整体性良好，不存在上部边帮局部含有的较多的破碎节理裂隙。具备了在允许范围内适度调整下部最终边坡角的客观条件。凹陷露天采场下部开采采用陡帮开采，调整采矿技术参数具体如下：

（１）自封闭圈７３ｍ水平以下，将阶段高度由原来的１２ｍ调整为１４ｍ；

（２）最终边坡角由原来的４８°调整为５０°；

（３）最低开采水平由原来设计的＋４ｍ，调整到－１８ｍ；

（４）自调整后的６２ｍ水平往下，３个阶段一并段开采。

阶段高度由原来的１２ｍ调整为１４ｍ，相应的同样下降一个台阶，增加２５ｍ长运输道路，穿孔、爆破、铲装工艺均不变的情况下，可比原来多采出１０％矿量。

自６２ｍ水平以下开始实施陡帮开采，最终边坡角由原来的４８°调整为５０°。对最终边坡采取控制爆破，减小对围岩的破坏，增加其稳固性；并加强散岩、危石的撬滑工作。每三个阶段一并段开采，原本设计留三个安全平台，现留两个；使原设计闭坑＋４ｍ水平作业宽度由设计的２５ｍ增加到调整后的３５ｍ左右，比设计宽１０ｍ，这样就保证了多开采一个水平，可以达到－１８ｍ。４．２　经济和资源效益

矿山公司在未增加投入的情况下，尤其是未增加剥离量，东采区在闭坑前多采出了２００×１０４ｔ矿石，延长了矿山服务年限（１年），保证了一、二期的顺利接替，有效地利用有限的资源，避免了资源的浪费，取得了较好的经济和资源效益。

参考文献：

［１］　张世雄．凹陷露天矿边坡少剥离技术的时空原理［Ｊ］．中国矿业，１９９８（７）．

［２］　朱乃龙，张世雄．深凹露天矿边坡稳定的空间受力状态分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００３，２２（５）．

［３］　岳树宇，张世雄．金堆城凹陷露天矿加陡深部边坡角的空间原理研究［Ｊ］．中国钼业，２００４，２８（６）．

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２０１３年第１期 西部探矿工程