露天矿开采境界优化与动态管理

露天矿开采境界优化与动态管理

收稿日期:2003-09-08

作者简介:罗映南(1957-),男,福建漳平人,地质高级工程师,总经理,主要从事矿山技术及企业管理工作;福建省上杭县紫金路紫金大厦,

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罗映南

(福建紫金矿业股份有限公司)

摘要:随着科学的发展和技术的进步,国内外大中型露天矿已将边坡与开采境界由过去的“相

对固定”变为动态优化管理。随着采矿工程实际揭露的矿床地质、边坡工程地质与水文地质条件的变化,及时改变边坡位置、边坡形状、边坡角度,挖掘边坡潜力,调整开采境界,达到多采矿、少剥岩,以提高经济效益。本文介绍了紫金山金矿边坡挖潜、开采境界优化、5年编制5个境界的动态管理情况;论证了开采境界优化的目标和考虑的主要因素;分析了境界优化、动态管理的效果与效益;在此基础上提出了保证边坡稳定的技术措施。

关键词:露天矿;边坡挖潜;开采境界优化;动态管理

中图分类号:T D854 文献标识码:B 文章编号:1001-1277(2004)01-0023-04

1　引　言

到目前为止,尚未发现一座露天矿在开采全过程

中,矿床地质条件、边坡岩土工程条件与最初设计时一模一样的先例。换言之,矿床开采过程中,矿体与上下盘围岩的相对空间位置、原境界内矿岩量、边坡工程地质条件、水文地质条件的变化或多或少都要发生。因而,作为露天矿的开采境界也不能“一次定终身”,要及时调整优化,以适应变化了的情况,提高开采的经济效益。

紫金山金矿1998年开始由地下开采转为露天开采,2002年实际矿石产量为1153万t ,采剥总量1181万m 3;5年累计采出矿石量4000万t ,采剥总量1亿t 。露采的5年中,将露天采场的边坡与开采境界纳入动态优化管理,先后组织了4次开采境界调整、修改、优化,产生了5个开采境界,分别是1998年设计院境界,2000年、2001年、2002年和2003年3月公司编制的境界。5年中依据实际情况对边坡挖潜、开采境界优化,平均每年一个境界,对公司经济效益的提升发挥了重要作用。

2　开采境界优化与动态管理的必要性

露采5年来的实践,以下4个方面决定了边坡挖

潜与开采境界优化的必要性、重要性、紧迫性。2.1　适应矿床地质条件的变化紫金山金矿露采以来的5年中矿床生产地质工作不断加强,自行研制的I DS 矿床地质计算机模型适合紫金矿床大透镜状矿体、全岩矿化、自主矿体中央

向外呈渐变关系的矿床地质特征,并在实践中逐步修正完善;生产中全面实施与国际技术接轨的潜孔钻炮孔取样、化验等多种生产地质方法,上盘发现有新矿体,矿岩界线有较大变化。因而,需要依据变化了的情况,重新考虑边坡位置,调整开采境界,将原境界外的矿体圈入境界内,将不必要剥离的岩石划入境界外,达到多采矿、少剥岩,努力提高资源的可采量。2.2　适应工程地质、水文地质条件的变化

经过5年的露采,已开辟出748～1048m 总计25个台阶。构成边坡岩体的岩性、构造、结构面、风化程度、赋水性等工程地质、水文地质、岩土力学特性得到实际揭露。总的情况是采场北部———包括NE 帮、N 帮、NW 帮地段岩体风化程度较弱,强度较高,边坡未见失稳、破坏征兆,可以适当提高边坡角。采场南部———包括S 帮、SW 帮、SE 帮,岩体风化程度高,呈散体、碎裂结构,黏土矿物含量多;SW 帮F 5断层是该帮呈复合型平面剪切破坏的决定性因素,南帮边坡需慎重对待。上述情况,要求对边坡进行适当调整,挖掘北帮潜力,保证南帮稳定、安全。2.3　适应井下采空区的发展与变化

经采场地压科用多种手段测量、调查,近两年来

采场中央原地下采空区、古采硐及16～24线采空区状况基本查明,与原来掌握的资料有较大的发展和变化。边坡挖潜中对采场中央原地下开采11个中段和16～24线5个中段的采空区,按上下盘岩移角和陷落角分别取65°和70°、60°和65°,分别圈出了采场中央和16～24线的岩移圈、陷落圈,岩移圈面积分别为760m ×760m 、740m ×340m 。地下采空区的发展变化

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决定了开采境界要有大的改动,所有固定帮边坡要移至岩移圈之外,保证边坡稳定、生产安全。

2.4　适应选矿技术的进步和资源高效利用对矿石的

需求

经过十余年的实践,突破了低品位氧化金矿石大规模堆浸工业利用的一系列关键技术,工艺流程日臻完善,回收率逐年提高。按国家批准的矿石工业指标,≥1g/t表内矿、0.5～1g/t表外矿、0.3～0.5g/t含金废石都达到较高的利用、回收水平。特别是建成了固体含金废弃物利用的选矿厂,年处理0.4～0.5g/t 含金废石的能力可达660万t,对原矿需求量加大,对露采境界优化、修改提出了新的要求。

综上所述,露采境界优化与动态管理,为适应上述4个方面的变化和要求,其必要性、重要性和紧迫性是显而易见的。

3　开采境界优化与动态管理的目标

露天矿开采境界的优化决策与动态管理,属多目标、多因素决策。通常要同时达到以下4个目标。3.1　边坡稳定与生产安全

露天矿边坡与开采境界的决策,首先要保证在开采期间内整体边坡基本稳定,不允许出现大的滑坡;但局部小台阶的变形甚至破坏,则是允许的,是经济边坡;当开采结束则整体边坡破坏了,则视为最经济的边坡;开采结束几十年边坡还保持稳定与安全,则是安全储备过大,经济上浪费了。紫金山金矿边坡稳定与安全,要考虑地下采空区对边坡稳定的影响,所有边坡要设置在地下采空区引起的地表岩移圈之外,并留有10～20m的安全距离,确保在开采服务年限内整体边坡稳定。

3.2　经济

要达到经济边坡的技术要求,依据不同边坡区段的工程地质与水文地质条件、边坡高度、边坡存在年限,设计不同构成要素的边坡。边坡位置、边坡形状、边坡角度、平台宽度依工程地质条件变化而变化,是经济边坡的标志和要求,可以达到多采矿、少剥岩,经济效果最佳。

3.3　最大限度地利用国家资源

资源是国家宝贵的财富,一经开采,不能再生,特别是金矿这样的贵重金属矿床。边坡挖潜与开采境界优化,要保证能露天开采的不用地下开采,以保证较高的回采率;能回收的边角矿体尽可能回收;尽可能减少挂帮矿石,资源损失降到最低。

3.4　满足开采工艺要求

露天边坡工程要顺应开采工艺,在当前工业技术条件下,结合紫金山开采设备作业参数,满足穿爆、采

装、运输、排土、防洪排水工艺要求。

4　边坡挖潜考虑的主要因素

露天采场开采境界由固定边帮、地表开挖界线、露天底平面3部分构成。固定帮边坡挖潜是开采境界优化的基础,是依据变化了的矿床地质、边坡工程地质、水文地质条件,改变和调整边坡位置,边坡形状,提高边坡角度,达到多采矿、少剥岩或者既多采矿又少剥岩。

开采境界优化与动态管理,是生产矿山在原设计基础上,依据变化的条件,挖掘边坡潜力,优化境界,使之经济上更合理、效益最大化。因而,与一般意义上一个新矿山的边坡工程设计和开采境界圈定有其个性差异。挖潜是在选厂已建成,排土场、采场外部开拓运输系统已定位、建成基础上进行的,只能因势利导,在局部修正,不可能再增加大量投资进行大的变革;挖潜主要是边坡位置、边坡形状、边坡角度等结构参数的优化,因而考虑的主要因素也体现其个性差异。

影响边坡稳定的主要因素可归纳为3大类。

4.1　决定性因素

露天矿高陡岩质边坡稳定性的基础理论,国际上公认“构造控制论”,即边坡稳定与否的决定性因素是构成边坡岩体内的结构面产状、与边坡的空间组合关系及其结构面的摩擦、剪切强度指标。通常,顺坡向的断层、软弱夹层、顺坡向贯通性好的节理,构成边坡破坏的潜在滑动面。金矿下盘即SW帮F5断层就是这样的结构面。

4.2　滑坡的诱发因素

边坡岩体内的地下水和露天采场频繁的爆破,是边坡失稳破坏的诱发因素,许多滑坡出现在暴雨后或爆破后即为例证。地下水静水压力作用于边坡潜在滑动面上;地下水降低了边坡岩体尤其是结构面的强度指标,其软化系数高达0.4～0.6,对边坡稳定性系数影响10%～30%;爆破震动以应力波形式作用于边坡岩体,并且在边坡表面岩体形成一个爆破松动带,对边坡稳定性系数影响7%～20%;

4.3　人为因素

引起滑坡的主观人为因素是边坡位置、结构参数设计不合理;边坡管理尤其是爆破与防排水不当引起滑坡。开采境界优化,综合考虑上述3大类因素,在满足开采工艺要求的前提下,达到安全、经济、资源最大限度地利用。由于紫金山金矿是地下转露天开采,地下采空区对露天边坡影响是一个特殊因素。境界优化应精心安排边坡位置设计,并力求对地下采空区“因势利导,变害为利”,利用采空区对矿床疏干、边坡

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疏水、超前探矿、露天防洪排水等,达到变害为利。

5　开采境界优化方法、效果与效益

按上述边坡挖潜与开采境界优化的目标、考虑的主要因素等,在对矿床地质、工程地质分区情况等深入研究的基础上,实施边坡与境界优化。所采用方法是,以系统论和边坡稳定“构造控制论”为理论基础,开发一系列软件系统,打造数字化露天,快速完成边坡结构和境界构成。

具体操作过程是,利用公司I DS矿模和C AD软件系统,采取对采场模拟与优化相结合的方法,以计算机为工具进行;应用公司强大的软件、硬件系统,地质、采矿、测量、计算机多专业联合作战完成。

5.1　固定帮边坡挖潜

固定帮边坡是开采境界最主要的要素,是经济效益潜在力所在。在深入研究紫金山金矿固定边坡4个工程地质分区的基础上,边坡挖潜情况如下。

边坡结构要素为:①采用双台阶并段一次预裂爆破,采场两组双并段台阶可节省剥岩量28万m3、336万元;②按4个工程地质分区,分别设计边坡要素构成参数。北东帮(上盘)、西端帮、北帮,岩石质量较好,岩石力学强度较高,风化较弱,取小台阶坡面角70°,平台宽8～10m不等,地表第一个台阶坡面角45°;单段最大边坡角51°～52.5°,整体边坡角42°～49°。下盘及东端帮,属强风化带,力学强度变低,呈碎裂、散体结构,第一个台阶坡面角45°,其余65°;可变的平台宽8～12m,单段最大边坡角46°～50°,整体边坡角40°～45°,边坡形状有直线型、凸形、凹形边坡。总之,边坡要素、边坡形状按多采矿、少剥岩、稳定安全,达到经济边坡的要求。可见,边坡挖潜是开采境界优化最基本、最主要的部分。

5.2　开采境界优化

露天采场开采境界的另两个要素,一是地表开挖界线(露天固定边帮与地表相贯线的总称),依据地形等高线与台阶标高,规范连接;二是露天底,紫金山金矿矿体呈大透镜状、大脉状。经济合理的露天底平面,不可能是单一的底平面,而是多平面露天底。在优化中分别设计了592m、640m、664m、700m、688m、832m、856m等多平面露天底。

开采境界总出入沟在664m,664～592m水平,固定帮布置螺旋线公路,并设计安排了深凹露天排水系统,满足开采全期开采工艺要求。

5.3　开采境界动态管理

露天开采的对象是自然埋藏的矿体和为安全采矿而剥离的岩体。矿(岩)体是三相介质、各向异性的地质体,其复杂性和多变化决定了开采境界的圈定、优化、修改是动态变化的。2002年优化产生的第4个开采境界,由于南东矿段的划入(增加开采长度600m、宽400m)和上盘及外围正在进行的生产勘探,又增加新矿体,于2003年3月又一次局部修改,产生了第5个境界。待上盘及东南矿段的补充勘探报告明年完成后(投入勘探巷道4100m),新的第6个开采境界必将诞生。可见,开采境界动态管理已成为一个客观规律。

紫金山金矿采取在生产过程中强化生产地质工作,依据实际对采场上盘、周边、外围进行找矿、探矿,扩大可采储量,延长矿山服务年限,充分利用国家资源。由于靠帮预裂爆破是保证边坡稳定的最有效的工艺技术方法而被普遍应用,但预裂“切割”坡面面积的费用约20元/m2。在开采境界动态管理上,我们采取对上盘和可能扩大境界的部位,暂不进行靠帮处理,保持10m宽平台的暂不作业空间,待后进行预裂爆破靠帮。

5.4　技术经济效果

紫金山金矿开采境界优化与动态管理,取得一系列工程效果和巨大经济效益。坚持并继续进行开采境界优化动态管理,还将取得更大的效益,表现在以下4个方面。

(1)优化后的开采境界保证了边坡稳定与生产安全。首先,边坡脚避开原地下采空区对边坡稳定性影响,保证所有边坡座落在采空区15m以外的安全地带;按工程地质条件的不同取不同的边坡参数,挖掘出边坡潜力又保证了边坡稳定。因采空区影响,露天底需外移,这样一是可将矿石大部分采出,增加了可采储量;二是边坡高度大大降低,由原设计490m降到360m,更有利于边坡稳定。南帮边坡降低,避开了F5顺坡向断层对边坡稳定性影响,节省预应力钢锚索加固边坡工程费1000万元。其次,总出入沟高度降到664m,深凹露天固定帮边坡没有放缓,公路缩短;同时副产含金废石和表外矿增多,有利于北口三选厂有充裕矿源。

(2)资源得到最大限度利用。挖潜、优化结果≥0.5g/t矿石量比设计院设计多62t(金属量),延长矿山服务年限6a。同时,为采表内矿而需“顺便”采出的表外矿和含金废石达金属量35.5t,使资源在选厂的配置合理。

(3)满足开采工艺要求。C AD优化境界全面优化布置矿石运输系统,排土场及排土运输系统,深凹露天运输与排水系统,具有生产上的适用性和可操作性,全面满足生产工艺要求。

(4)经济效益达到最大化。优化后的开采境界,比原设计增加境界内可采工业矿量62t(金属量);含

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金废石含金属量35.5t,按利用60%,增加24t,初步计算总经济效益17.5亿元;减少剥岩147.2万m3和边坡加固工程费1000余万元。

6　保证边坡稳定的技术措施

紫金山金矿经过边坡挖潜提高了边坡角,对保证边坡稳定的要求提高,采取严格有效的边坡稳定措施显得更加重要。

6.1　严格有效的控制爆破技术

露天矿生产全过程中爆破频繁,是导致边坡失稳的诱发因素。当爆破动力以地震波应力作用于岩体,震动速度达到30cm/s时,使岩体较完整的边坡坡顶附近出现拉应力,岩体屈服破坏;爆破产生的坡体表面的爆破松动带大大降低岩体强度。露天矿稳坡措施最主要的是控制爆破。

控制爆破的完整内容有三:一是严格有效的预裂爆破。预裂孔超前主爆破孔起爆事前形成的预裂缝,将主爆破应力的80%反射回去,有效地保护了边坡岩体。同时,这一界面是挖掘机作业后自然形成的边坡表面,当半孔率达到90%以上时,坡面超、欠挖现象就不存在了。二是有效降低爆破松动带厚度,这一厚度等于药包半径的100～150倍。当预裂孔孔径76mm时,效果明显,采用小孔径预裂孔钻机是必要的。三是严格控制靠帮爆破最大段药量和总药量。按爆破测震试验给出的采场4个边帮爆破最大段药量和总药量允许值及允许最大震动速度,进行靠帮爆破施工。

6.2　边坡疏排水

边坡坡体内的地下水对稳定性的影响,一是静水压力作为外荷载施加于边坡岩体,使稳定性系数降低10%～30%;二是使岩体结构面强度降低,软化系数高达0.4～0.6。

紫金山露天采场地下水潜水面在670m以下,旱季时潜水面以上是无水边坡。但矿体处在氧化带中,岩体风化严重,节理裂隙发育,雨季时大气降水、地表迳流沿裂隙渗透至岩体内,实质上形成有水边坡,因而边坡疏排水仍然十分重要。

防排水措施,一是加强地表迳流截排,设地表排洪沟,引出洪水至境外;二是采场排水按既定排水系统实施;三是今后生产中如新发现下部有边坡岩体含水带,就进行疏干。

6.3　边坡监测技术

边坡靠帮控制爆破、边坡疏排水、边坡监测3大项内容,是当前国内外边坡技术管理最主要、最基本、最节省的措施,几乎每个大中型露天矿都在应用。

结合紫金露天采场实际,边坡监测采取宏观观察与微观监测相结合的方法。首先是宏观观察监控,对现有生产中的工作帮、将来形成的固定帮进行定期、不定期查看,看边帮背后有没有张裂隙和错落小台阶,有无失稳征兆,有无原地下采空区引起工作帮的台阶失稳、拉裂现象,以备采取措施,保证生产安全。进而,依据观察情况,设置监测点、监测线、监测网,以经纬仪、平板仪进行位移监测和沉降观测,监视边坡稳定性状况。

7　结　语

实践是检验真理的唯一标准。一切科研成果、设计成果都要接受生产实践的检验,并在实践中依据发展变化的新情况,不断修正、完善。紫金山金矿地采转露采5年的生产实践,已经证明边坡与境界动态管理有显著的技术经济效果,今后,我们还将坚持动态管理,还将取得更好的技术效果和更大的经济效益。

The optimization of mining boundary and dynamic management of open pit

Luo Y ingnan

(Fujian Zijin Mining Industry Co.,Ltd.)

Abstract:With the development and progress of science and technology,the slopes and mining boundary have been changed from“relative permanency”to dynamically optimized management.With the change of geologic conditions of ore de2 posit,slope project and hydrology in the course of mining operation,to change the site,shape,angle of slope timely and tap the latent power of slope along with adjust mining boundary are the effective measures to reach the target of“m ore ore2min2 ing,less rock2stripping”and“im provement of economic benefit”.In this paper,how to tap slope potential,how to optimize mining boundary and how to program dynamic management of5mining boundary within5years are introduced at all.In ad2 dition,the objective and main factors of the optimization of mining boundary are described and the result and benefit from that optimization are analysed.On this basis,the technical measures for guaranteeing slope stability are put forward1 K eyw ords:open pit;tapping slope potential;optimization of mining boundary;dynamic management(编辑:邢万芳) 26　采矿工程黄　金