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:TD854 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m3;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IDS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F5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

2004年第1期/第25卷黄　金GOLD采矿工程23

© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.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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采矿工程黄　金

© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.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IDS矿模和CAD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