露天矿实施内排的可行性分析及实践

后勤部长 · 发表于 2011-2-14 14:42

摘要：露天矿山一般都有专用的废弃物排放场地称为外部排土场，但外部排土场在采用汽车运输工艺排弃过程中有运距远、运输效率低的特点。因此，如果露天矿在满足条件的情况下实施内排，不但可以节约土地资源，恢复生态环境，还缩短了运距，降低运输成本，提高经济效益。通过对实施内排的可行性分析，阐述海口磷矿内排实践情况及取得的效果。

关键词：露天矿；内排；可行性分析；实践

1 引言

露天矿在采出有用矿物的同时要剥离大量的废弃物，其剥离量一般要比采出的有用矿物量大数倍，大型露天矿的年剥离量达几百万立方米以上，这些废弃的剥离物需要一定的存放场地，而在采掘场外部排弃不仅占用大量宝贵的土地资源，还会造成外部排土场周围环境的污染，所以内排土场在露天矿的生产中具有举足轻重的作用，露天矿要尽早实现内排。

2 实施内排可行性分析

2.1 矿体赋存条件

露天矿实现内部排土的前提条件是矿层呈水平或缓倾斜赋存，埋藏较浅，覆盖层不厚的水平或近似水平(倾角5～15°)矿层，底板允许建立内部排土场的露天矿采空区，或者利用露天矿分区开采所形成的采空区均可用作内排空间。

2.2 内排要满足的空间关系

在露天矿开采过程中，随着采掘工作面的深入，被开采矿体的最下一个矿层的底板逐渐暴露出来，当工作帮推进一定距离后，非工作帮一侧便形成一定的空间，在满足空间关系的条件下，非工作帮一侧便可实施内排，以山坡露天矿为例说明，如图1：

图中ABCD所包括的范围为形成的采空区，其上部边界为AD，底部边界为BC，所谓的空间条件就是底部边界长度L应满足下式要求：

L≥L1十L2十L3

式中：L1——内排土场坡底堆积线长度，(m)；

L2——安全距离(m)，其值通常等于排土段高；

L3——最小工作平盘宽度(m)；

H——排土段高(m)；

a一废石堆自然安息角（°）；

2.3 排土顺序与开采顺序相适应

露天矿实现内部排土要充分考虑采场时空量关系，对于缓倾斜矿体、剥采比小的矿山，有条件实施废弃物的全部内排，外排土场可以进行运输系统简化，甚至废除。内排的利用最关键的问题是解决排土顺序与开采顺序的适应性。通过超前剥离、强化开采、分区开采来满足采场的整体平衡，达到内排土场的综合利用。

2.4 内排稳定性要求

2.4.1
内排土场帮坡角

剥离废弃物是由松散物料或软岩组成，雨季、易积水而又排水不畅，基地软化，排弃高度较高、边坡角较大，基底压力增大的情况下，排土场易产生塌陷或滑坡现象，根据不同边坡角对稳定系数的影响，确定内排土场稳定的边坡角。

2.4.2
物料排弃程序

排土工程是一个动态加载的过程，排土场的稳定状况随排弃时间而不断变化，其边坡应力也随时间不断变化，同时破坏区也随时在变化。因此，物料排弃过程中，应合理调整内排形成的时空关系，控制排弃速度来保持排土场的稳定。

2.4.3
内排稳定性研究

内排土场需要较长时间才能沉降稳定，因此，必须对稳定性分析满足要求才能实施内排。主要有内排土场沉降位移观测研究；内排废石散体基本力学指标测定；模拟试验寻求滑弧模式计算机数据处理分析；综合分析研究。根据研究内容，确保内排土场的稳定性。

3 海口磷矿内排实践

3.1 地质概况

矿床位于香条冲背斜北翼的中段次一级平缓背斜之两翼，轴部位于5号勘探线附近。一、二采区为西北翼，倾角4°-7°；三采区为东南翼，倾向120°-150°，倾角4°-7°，构成了略向北东35°倾没的一对称背斜；四采区为此背斜的倾没端，两翼均有平缓的波状褶曲，东南翼较为明显，轴部和两翼的地层均有筇竹寺组、渔户村组及灯影组构成。

3.2 排土场概况

海口磷矿建矿40余年，开采磷矿石1400多万吨，剥离废弃物3000多万立方米，近年来随着采剥量的增大，海口磷矿外部排土场小黑沟排土场容量急剧减少，2008年对小黑沟排土场进行优化设计，设计结果是尚有容量1460万立方米。2008年采剥重点转移到了三采区，从海口磷矿矿区各采场位置示意图2可以看出，三采区的剥离物运到小黑沟排土场要经过一、二采区，经测算已超过4km，而且剥采比逐年增大，采场剥离运输量占采剥运输总量的90%以上。因此，在采空区实施内排是当务之急，也是降低生产成本提高经济效益最有效的途径。

3.3 生产概况

海口磷矿生产工艺为：穿孔爆破（对部分页岩及原生矿）→采装→运输→擦洗加工→分级→运输。

开拓方式为：采用由上往下单壁沟开拓，沿走向水平分层剥离运输（汽车运输），首先由上开拓台阶形成开段沟后扩帮、推进剥离，上一水平完成扩帮任务后，依次往下开拓，剥离下一水平台阶，最小工作平台宽度保持20m。在实际采剥过程中采用陡帮开采方法，即采用组合台阶平衡生产剥采比。

开采参数为：按高程水平划分台阶，台阶设计高度10m，采幅宽8～10m，最小工作平盘宽度20m，采场靠帮时每个台阶留5m宽的安全平台，每隔2～3个台阶留6m宽的清扫平台，休止台阶坡面角65°。

设备现状：现有挖掘设备五台，其中4m3挖掘机三台，1.8m3挖掘机2台；推土机五台，VOLVO铰接式卡车20辆；外委挖掘机4台。

2008年剥离量668.51万m3，原矿生产量280.00万t，产品矿销售达188.04万t。

3.4 内排条件分析

3.4.1 矿体赋存条件

海口磷矿2008年计划开采地段为一采区3-5勘探线下层矿、一采区8-12勘探线上、下层矿、三采区3-23勘探线东部边缘的上、下层矿。在开采范围内，磷矿层分为上层矿和下层矿，上层矿厚度一般在6-8米，下层矿厚度一般在3-6米，从上到下分为生物碎屑磷块岩、砂质磷块岩、条带状磷块岩、假鲕状磷块岩，底板为震旦系灯影组灰色、灰黑色白云质灰岩，该地段的下层矿形态稳定,倾角4-7°，满足内排土场矿层倾角要求。

3.4.2
空间条件

海口磷矿采区面积6.5平方公里，最高山顶为2482米，最低2100米，相对高差380余米，其中三采区2.45平方公里，矿层出露地段多为荒山秃岭，为内排提供了良好的条件。根据使用的采掘运输设备确定采场工作面参数，2008年，主要使用的是4m3液压铲，经设计剥离段高10米，采幅宽8—12米，最小工作平盘宽20米，工作帮坡角25°，安全平盘宽度5米，工作台阶坡面角70°，休止台阶坡面角65°，最终帮坡角45°，内排工作平盘宽度超过60米，工作线推进长度超过50米。

3.4.3
采排顺序

海口磷矿共有四个采区，2008年计划在一、三采区采剥作业，小黑沟为外排土场，依据采剥作业顺序，内、外排土作业环境，开采初期把一采区下层矿块段采完的采空区作为内排土场，在三采区上、下层矿块段开采完形成的采空区后可实施内排作业，在考虑到内排运距最短的情况下，还要考虑各点矿石的综合利用，内排容量大小等，综合平衡后就会不断的有采空空间，就可顺利实施连续性内排计划，采排顺序优化最主要的目的是有效缩短运距，提高设备运输效率。

3.4.4
稳定性分析

3.4.4.1 排土场类型

内排土所在地形坡比＜1:2.5，为缓坡型排土场。

3.4.4.2 潜存滑移面的几种可能性分析

a 沿原始地形坡面以下某一软弱土层或岩石强风化层大规模或整体滑动；

b 以现有排土场废石为荷载，以原始地形坡面为潜在滑移面滑动；

c 沿排土场眉线以内某一位置呈局部小型滑动或坍塌。

3.4.4.3 排土场稳定性验算

以原始地形坡面“ABCF”为假设潜在滑移面进行验算，并考虑地下水的浸蚀，采用非均质岩土混合料边坡、同倾向但不同倾角的折线型计算公式计算，即：

式中：
Ri——第i条块潜在滑移面上的抗滑力；
Rn——最末条块潜在滑移面上的抗滑力；
Qi——潜在滑移体第i条块的重力（kN）；
Ni——第i条块重力平行于潜在滑移面上的切向分力（kN）；
Фi——第i条块潜在滑移面上的内摩擦角（°）；
Li——第i条块潜在滑移面的长度（m）；
ψi——第i条块剩余下滑力传递到i+1条块时的传递系数（j=i）；
Фi——第i条块潜在滑移面与水平面的夹角（°）。
如“ABCF”滑动移面稳定性验算图3，把假设滑移面分成7条块计算，具体
验算过程不再一一列出，经计算，假设潜在滑移面的稳定系数FS2=1.82＞[FS]=1.15～1.30，说明该假设潜在滑移面不存在，是稳定的。

另外，我矿测量专业技术人员定期对内排土场进行沉降位移观测研究分析，实时掌握内排土场变化情况，确保内排土场的安全使用。
3.5 内排方案实施

3.5.1
强化开采一采区

2008年三采区剥离量占全年总剥离量的70%，由于运距远，我矿提出了“强化一采区开采，实现剥离土方内排”的技术改造方案，根据矿石质量及各点剥离量的情况，充分利用自产原矿配矿、联营原矿配矿等方式解决资源综合利用的基础上先强化一采区8-12勘探线2380-2280水平的开采，剥离废弃物可就近排到小黑沟排土场，形成的内排空间就可承担一采区3-5勘探线2315-2400水平开采的剥离量，实现第一期的内排，经计算，该采空区能容纳岩石约70万m3，然而大量的剥离量集中在三采区，通过对采场采排全面实施规划后，可在一采区3-5勘探线的采空区实施内排约50万m3，三采区3-23勘探线因在半坡狭长地带开采，实施内排条件要求高，事故隐患多，为确保安全，保守计算可实施内排约80万m3。

3.5.2
堆放暂不能利用的矿石

依据地质资料可以知道，一般情况下，下层矿的品质较上层矿差，在开采过程中，我们往往会遇到下层矿部分层段的品位低于浮选原料矿入选品位，处于暂时不能利用的境地，但为了保护资源，使在以后的配矿中能尽量使用，我矿采取的处理方式是采出后统一堆放，以及时的屯出空间实施内排。2008年我矿堆放一、三采区暂不能利用矿石约28万t，品位20.04%，及时屯出内排空间约80万m3。

3.5.3
提高标准化作业程度

实施内排必须要满足时空关系，确保安全的条件下才能实施，针对这种情况，我矿在开采过程中，结合公司、分公司三标、安标要求，依据现有设备工作参数设计台阶高度10米，安全平台5米，最小工作平盘宽度大于20米，运输道路宽度超过11米，排土场边坡角小于25°，设计台阶高度部高度10-15m，总堆置高度50-100m。标准化作业程度的提高，为采空区实施内排提供了良好的作业条件，保证了内排在空间上的基本要求，确保了内排的安全性。
3.5.4
内排废石堆放形式
根据我矿堆放物料的力学特性，矿山采矿方法、底板稳定性和植被要求及地质地形情况，主要采用复合台阶型和缓坡型两种堆放工艺。复合台阶型排土方式在工艺上与开采剥离工艺结合，表土铺设方便，有利于植被生长和植被管理，边坡稳定性较好，内排废石量较大。缓坡型排土方式要求采空区底板倾角小于10°，我矿采空区底板倾角4-7°，因此适用于我矿内排堆放方式。我矿采用VOLVO（A40D、A40E）铰接式自卸卡车运输剥离废弃物，并用山推TY220推土机或SD22推土机配合排土作业，按50cm厚度为层赶平和进行压实，要求压实度λc≥90%，台阶高度10-15米，内排台阶平盘宽度20米，在保证安全的前提下实现内排量的最大化，经实测计算采空区共实施内排203.45万m3，废弃物内排率大于30%。内排堆放形式见下图4、内排土场现状见图5：

3.6 效益分析

3.6.1
经济效益

2008年我矿在综合以上排土方案的基础上，实现了内排率的大幅提高，缩短了运距，使设备的效率得到充分发挥，如下表1所示，根据内排量及减少的运距，计算得出减少周转量919.89万t·km，节约直接资金即燃油费360万元多，取得了显著的经济效益。

3.6.2
社会效益

我矿通过实施采空区内排，达到了清洁生产、节能减排的目的，一定程度上保证了采场安全生产,有效地降低了远距离运输带来的粉尘扩散；另外，充分利用了内排空间，减少土地占用及其水土流失,保护了自然生态环境；采空区的及时回填，加快了我矿复垦植被的进度，促进矿山生态恢复。

4 结论

海口磷矿具备内排条件，并在2008年实施中得到了很好的体现，取得了很好的成绩，我矿将在2008年取得经验的基础上，进一步研究矿体构造及矿区地质特征，露天矿剥离物内排量的大小与矿体的倾角、生产剥采比之间的关系，工作线推进方向与内排条件的创造等出发，分析论证以争取实现废弃物的全部内排。

参考文献：
[1] 李宝祥.金属矿床露天开采[M]. 冶金工业出版社出版,1979.
[2] 倪钜明,姚占城.露天化工矿山内排土场[J].化工矿物与加工,1998,(4):29-30.
[3] 车义明.缓倾斜露天矿内排土场设计实践[J].化工矿山技术,1992,21(6):44-45.
[4] 李庆伟.露天矿剥离物内排条件分析[J]. 煤炭工程,2007,(10):19-21.
[5]高鹏.深凹露天矿实现内部排土提高经济效益[J].露天采矿技术，2007,(5):7-8.

　　　