铁矿露天开采工艺设计

铁矿露天开采工艺设计

铁矿矿区内只有一条矿体，矿山原为井下开采，矿山原井下开采设计生产规模年产铁精粉(TFe品位66%)22.4万t，采矿方法为浅孔留矿法。矿区原有4条井筒（主井、南山井、东井和风井），4条井筒变形严重，已不可利用。井下回采完毕，矿山地表已形成露天采坑，采坑底标高为968m。矿山已对937m以上和887m至937m的采空区做了处理，消除了采空区。现矿区矿体剩余矿量221.55万t。为合理开发利用矿产资源，增加矿山经济效益，开采方式转为露天开采，生产规模为30万t/a，开采方法为分台阶自上而下开采。

1 经济合理剥采比

露天矿开采是把覆盖在矿体上部及其周围的浮土和围岩剥去，把废石运到排土场，从敞露的矿体上直接采出矿石量的比例称为剥采比。剥采比是露天开采的重要技术经济指标【1】。采用境界剥采比不大于经济合理剥采比的原则，进行露天开采境界的圈定，同时核算境界内的平均剥采比，使其满足平均剥采比不大于经济合理剥采比。利用“露天矿优化设计软件包”和CAD技术，依据勘探线剖面图等资料绘制的14张水平分层平面图，（垂直间距即开采阶段高12m，最高标高1028m，最低标高860m），用计算机先后对不同的剥采比进行比对，最后经济合理剥采比确定为16m3/m3。

2 露天采场特征

铁矿上部覆盖30～40m厚的第四系，为尽早投产、达产，并尽可能减少基建剥岩量，均衡生产剥采比，设计把3-4勘探线间的地段做为首采区进行开采。872m标高以上矿体采用露天开采，由于开采872m标高以下矿体剥采比较大，不适宜露天开采，872m标高以下矿体暂做为储备矿源，待露天开采后期并补充勘查后安排地下开采。

2.1 边坡构成要素

露天采场的阶段高度为12m，采场工作水平阶段标高为1016m、1004m 、992m、980m、968m、956m 、944m、932m、920m、908m、896m 、884m 和872m铁矿地表北部山势陡峭，992m开采台阶的标高即为封闭圈。最终阶段坡面角：第四系地层为55°，基岩为65°。

2.2 最终境界特征

露天采场最终边坡根据矿体和围岩的力学性质、开采深度、矿山服务年限等因素确定，采用类比法并结合设计规范确定露天采场的最终边坡角。第四系地层总体边坡角为43°，基岩部分总体边坡角为50°。最终边坡两个台阶并段，高度为24m，布置8m宽的清扫平台，3m宽的安全平台。按行驶30t左右自卸汽车考虑运输平台宽度：单车道为9m。最终境界特征见表1。

表1 最终境界主要特征表

指标名称

开采最高台阶标高

封闭圈标高

露天底标高

地表最大尺寸（长×宽）

底部最大尺寸（长×宽）

最终边坡角 上盘 下盘

东北端

西南端 单位 m m m m m 度 度 度 度 指标 1028 992 872 576×270 137×20 47.55 45.23 41.65 48.69

境界内矿石量

境界内岩土量

境界内矿、岩土合计

平均剥采比 万t 万t 万t t/t 130.79 1256.70 1387.49 9.61

3 开采工艺

矿区内矿体赋存于黑云母花岗岩与大理岩的接触带中，属于隐伏矿体，矿体从南西向北东顶底板埋深逐渐加大，在3勘探线、1勘探线埋深均大于30m。矿体在平面上呈向北西弧形产出，弧顶位于3勘探线附近，即沿走向矿体产状变化较大，3线以南矿体呈北东40°走向，倾向北西，倾角45～60°，呈透镜状产出；3线以东转为近东西走向，倾向北，倾角40～60°，呈似层状产出。矿体控制总长大于770m，矿体厚度较大，最厚32.58m，最薄为3.66m，平均16.29m。矿石品位也有由中部（3线附近）向两侧变低的趋势，特别是东部更加显著。矿体平均品位32.48%，品位变化系数10.60%。

该铁矿为矽卡岩型矿床，磁铁矿体赋存于阳起石、透辉石、石榴石矽卡岩中，矿体直接围岩为石榴石矽卡岩、透辉石矽卡岩。矿石的自然类型为磁铁矿石，工业类型为需选磁铁矿矿石。开采工艺流程见图1。

3.1 穿孔爆破工作

3.1.1 穿孔工作

根据开采规模、矿岩性质和矿山生产实践，深孔作业选用T-160型高风压潜孔钻机，孔径160mm。 Wd=(25~45)d

a=m Wd

b=(0.9~0.95) Wd

h′=(0.05~0.30) Wd

其中Wd为底盘抵抗线（m）；d为孔径，160mm；a为孔距（m）；m为调节系数，1.0；b为排距（m）；h′为钻孔超深（m）。根据以上公式计算得出：Wd=4.8m、a=5m、b=4.5m、h′=2m。

设计确定深孔的孔网参数为5m×4.5m，深孔布置为倾斜深孔，延米爆破量矿石为74.64t/m，岩石为51.30t/m，孔深14m（其中炮孔超深2m）。经计算矿山共需T-160型高风压潜孔钻机2台。采场临近最终边坡时采用T-160型高风压潜孔钻机打预裂孔，以防爆破破坏边坡的稳定性。

图1 开采工艺流程图

3.1.2 爆破危险区界线

按《爆破安全规程》要求，采用深孔爆破，二次破碎用碎石锤对大块矿岩进行破碎。爆破只在白班进行，配备了足够的压气设备。设计确定爆破危险区界线为200m（对建筑进行保护，人员采取避炮措施），工业场地布置在爆破危险区之外，在采场内适当地点设置避炮棚。

矿山爆破采用定时爆破制度，爆破前发出警戒信号，人员及设备撤到安全地点及警戒界线以外，各水平均设避炮棚，确保采场工作人员安全。

3.1.3 爆破方式

采用多排孔微差挤压爆破方法进行深孔爆破，炮孔呈三角型布置[2]。靠近采场最终境界线时，采用预裂爆破，以减少爆破对最终边坡的破坏和边坡清理工作。深孔爆破采用导爆管非电起爆，2#岩石炸药爆破。水孔用乳化油炸药，组合雷管起爆。爆破工作均在白班进行。爆破材料消耗见表2

表2 爆破材料消耗表

材料名称

乳化炸药

2#岩石炸药

组合雷管

导爆管 单位 t t 发 m 万t消耗 2.5 0.058 30.12 353 年 耗 475 12 5723 67070

3.2 装载工作

矿山年生产矿石规模为30万t；矿山实行连续工作制度，年工作330天，每天3班，每班8小时。露天采场台阶高度为12m，考虑汽车运输平台宽度（单车道）为9m。矿山年均采剥总量190万t，基建期剥岩量较大，基建剥离量为702.54万t，其中第四系678.59万t，岩石23.95万t。每台PC450—7挖掘机效率为140～160万t/a，每个水平可布置挖掘机1-2台，采场同时工作台阶为1-2个。依据上述因素结合矿山实际。共需斗容为2.1 m3的PC450—7挖掘机3台，作为工作面的主要采装设备。为方便生产配矿和进行场地平整等辅助工作，采场配XG953Ⅱ型前装机2台、TY220B型推土机2台。

3.2.1 挖掘机台班能力

Qc=3600EKhTη/tKp

式中，E为挖掘机斗容，2.1 m3；Kh为满斗系数，0.85；T为班工作时间，8h；η为时间利用系数，0.8；t为装一斗的循环时间，40s，Kp为松散系数，1.5。

由以上公式计算得出Qc=685 m3/（台班）

3.2.2 挖掘机数量

N=10000A/(QcWC)

式中，A 为年采剥总量，190万t/a；W为年工作天数，330d；C为日工作班数，3班。

由以上公式计算得出N =2.8台，故共需斗容为2.1 m3的PC450—7挖掘机3台。

3.3 运输作业

露天采场的平面尺寸不大，长×宽＝576m×270m。采场封闭圈以上山坡露天高度为36m；深凹露天深度为120m。根据采场条件，设计采用汽车开拓运输方案。汽车运输工艺简单、机动灵活、安全可靠、矿山建设速度快、可以早投产、早达产、而且占地少、基建工程量小。

采场总出入沟口位于采场东端，标高为992m。在采场西面现已堆存部分废石，影响了1004m水平废石的运出，因此山坡露天部分在采场西部只设一个出口，标高为1016m。为减少废石运距，此出口同时作为深凹露天剥离废石的临时出口。980m水平以上的206.01万t废石由此运出，废石运输距离可减少约1km。深凹露天采场的运输道路从总出入沟口沿采场边缘以螺旋线型方式下至采场底。根据矿山年运输量、运输距离及装载机规格，设计采用ND3250SB自卸汽车（载重30t）可满足生产要求。

3.3.1 运输设备选择及数量计算

（1）运输设备选择

据甲方介绍，该矿现有载重30t的自卸汽车50辆。该车车厢平装容积为19.3m3。

（2）运输设备数量计算

计算参数：

汽车载重利用系数：矿石：0.98；土和岩石：1；铲斗装满系数：0.9；

汽车装载斗数：矿石：6；岩石：9；土：10；

工作时间利用系数：0.8；运输不均衡系数：1.15；挖掘机作业循环时间：40″；入换时间：10″；

汽车平均运行速度：13km/h；汽车卸载时间：1′；调、停时间：3′；汽车出车率：75％。

经计算，运输计算年（第二年）需在用生产汽车13辆，运输计算年（第二年）需在用生产汽车13辆，在籍生产汽车17辆。在籍汽车综合效率为23.23万t/台a。

3.3.2 矿山道路确定

以小时单向交通量确定生产道路级别；道路小时单向交通量小于25辆，矿山道路为三级道路。因矿山服务年限较短、运量较小，道路技术指标均取较低值，道路路面采用中级路面。

确定矿山道路等级为三级，道路主要技术标准如下：最小平曲线半径为15m；道路最大纵坡为8％；缓和坡段长度为40m。

该矿为即有矿山，本次设计所增道路仅1.2km，服务年限为6年（山坡露天道路仅用1年），设计不再配备辅助运输及养路设备。

3.4 排土工作

3.4.1 排土场堆排方式

废石运输采用汽车，排土场采用汽车-推土机排土方式。矿山早期（前两年）废石量大，排土场道路布线采用前进式。

3.4.2 排土场容量及设计参数

采场中采出的废弃物按两个品种堆存以利于将来复土造田和废石场稳定。废弃物总量见表3。 表3 废弃物总量表

废弃物种类

重量

体积（实方）

单位 万t 万m3 3土 678.59 339.3 废石 578.11 217.33 合计 1256.70 556.63 排土场设计参数见表4

表4 排土场设计参数

土体重

t/m3

废石体重 t/m3 表土堆置后的松散系数 废石堆置后的松散系数 排土场容积富裕系数 安全平台宽度m 排土场安息角 度 3.4.3 场址选择

矿区地处沟谷之中，地势南北高中间低、西高东低。废石向东排比较好。但东面建筑物较多，还有其它铁矿。因此，本矿废石只能向西排弃。

本矿废石中土的量比较大，堆置高度受到限制。设计采用双水平低台阶方式，标高分别为1028m和1055m。1028m排土场最大堆置高度约24m，1028m水平堆置第一年排出的大部分土，V效＝222.8万m3；1055排土场堆置高度为27m，1055m水平堆置第二年排出废石（含部分土），V效＝379.0万m3。该水平有少部分土，与废石分堆。

矿山生产至第五年，920m水平靠帮。在采场东面、920m水平以上留有一条长约240m的沟，其上标高为992m。该沟可用于内排，其容量约46.5万m3。920m水平以下废石量34.9万m3，V效＝45.0万m3。920m水平以下废石可全部内排。

4、结束语

（1）进行采矿工艺设计之前，利用软件技术，参考其他矿山经验，通过比对得出了矿体开采的经济合理剥采比。

（2）分析了露天采场的边坡构成要素和最终境界的特征。

（3）矿体穿孔爆破、采装、运输和排土开采工艺满足生产实际需要，不仅提高了矿石的回收率和利用率，同时增加了矿山的经济效益。

铁矿露天开采工艺设计

铁矿矿区内只有一条矿体，矿山原为井下开采，矿山原井下开采设计生产规模年产铁精粉(TFe品位66%)22.4万t，采矿方法为浅孔留矿法。矿区原有4条井筒（主井、南山井、东井和风井），4条井筒变形严重，已不可利用。井下回采完毕，矿山地表已形成露天采坑，采坑底标高为968m。矿山已对937m以上和887m至937m的采空区做了处理，消除了采空区。现矿区矿体剩余矿量221.55万t。为合理开发利用矿产资源，增加矿山经济效益，开采方式转为露天开采，生产规模为30万t/a，开采方法为分台阶自上而下开采。

1 经济合理剥采比

露天矿开采是把覆盖在矿体上部及其周围的浮土和围岩剥去，把废石运到排土场，从敞露的矿体上直接采出矿石量的比例称为剥采比。剥采比是露天开采的重要技术经济指标【1】。采用境界剥采比不大于经济合理剥采比的原则，进行露天开采境界的圈定，同时核算境界内的平均剥采比，使其满足平均剥采比不大于经济合理剥采比。利用“露天矿优化设计软件包”和CAD技术，依据勘探线剖面图等资料绘制的14张水平分层平面图，（垂直间距即开采阶段高12m，最高标高1028m，最低标高860m），用计算机先后对不同的剥采比进行比对，最后经济合理剥采比确定为16m3/m3。

2 露天采场特征

铁矿上部覆盖30～40m厚的第四系，为尽早投产、达产，并尽可能减少基建剥岩量，均衡生产剥采比，设计把3-4勘探线间的地段做为首采区进行开采。872m标高以上矿体采用露天开采，由于开采872m标高以下矿体剥采比较大，不适宜露天开采，872m标高以下矿体暂做为储备矿源，待露天开采后期并补充勘查后安排地下开采。

2.1 边坡构成要素

露天采场的阶段高度为12m，采场工作水平阶段标高为1016m、1004m 、992m、980m、968m、956m 、944m、932m、920m、908m、896m 、884m 和872m铁矿地表北部山势陡峭，992m开采台阶的标高即为封闭圈。最终阶段坡面角：第四系地层为55°，基岩为65°。

2.2 最终境界特征

露天采场最终边坡根据矿体和围岩的力学性质、开采深度、矿山服务年限等因素确定，采用类比法并结合设计规范确定露天采场的最终边坡角。第四系地层总体边坡角为43°，基岩部分总体边坡角为50°。最终边坡两个台阶并段，高度为24m，布置8m宽的清扫平台，3m宽的安全平台。按行驶30t左右自卸汽车考虑运输平台宽度：单车道为9m。最终境界特征见表1。

表1 最终境界主要特征表

指标名称

开采最高台阶标高

封闭圈标高

露天底标高

地表最大尺寸（长×宽）

底部最大尺寸（长×宽）

最终边坡角 上盘 下盘

东北端

西南端 单位 m m m m m 度 度 度 度 指标 1028 992 872 576×270 137×20 47.55 45.23 41.65 48.69

境界内矿石量

境界内岩土量

境界内矿、岩土合计

平均剥采比 万t 万t 万t t/t 130.79 1256.70 1387.49 9.61

3 开采工艺

矿区内矿体赋存于黑云母花岗岩与大理岩的接触带中，属于隐伏矿体，矿体从南西向北东顶底板埋深逐渐加大，在3勘探线、1勘探线埋深均大于30m。矿体在平面上呈向北西弧形产出，弧顶位于3勘探线附近，即沿走向矿体产状变化较大，3线以南矿体呈北东40°走向，倾向北西，倾角45～60°，呈透镜状产出；3线以东转为近东西走向，倾向北，倾角40～60°，呈似层状产出。矿体控制总长大于770m，矿体厚度较大，最厚32.58m，最薄为3.66m，平均16.29m。矿石品位也有由中部（3线附近）向两侧变低的趋势，特别是东部更加显著。矿体平均品位32.48%，品位变化系数10.60%。

该铁矿为矽卡岩型矿床，磁铁矿体赋存于阳起石、透辉石、石榴石矽卡岩中，矿体直接围岩为石榴石矽卡岩、透辉石矽卡岩。矿石的自然类型为磁铁矿石，工业类型为需选磁铁矿矿石。开采工艺流程见图1。

3.1 穿孔爆破工作

3.1.1 穿孔工作

根据开采规模、矿岩性质和矿山生产实践，深孔作业选用T-160型高风压潜孔钻机，孔径160mm。 Wd=(25~45)d

a=m Wd

b=(0.9~0.95) Wd

h′=(0.05~0.30) Wd

其中Wd为底盘抵抗线（m）；d为孔径，160mm；a为孔距（m）；m为调节系数，1.0；b为排距（m）；h′为钻孔超深（m）。根据以上公式计算得出：Wd=4.8m、a=5m、b=4.5m、h′=2m。

设计确定深孔的孔网参数为5m×4.5m，深孔布置为倾斜深孔，延米爆破量矿石为74.64t/m，岩石为51.30t/m，孔深14m（其中炮孔超深2m）。经计算矿山共需T-160型高风压潜孔钻机2台。采场临近最终边坡时采用T-160型高风压潜孔钻机打预裂孔，以防爆破破坏边坡的稳定性。

图1 开采工艺流程图

3.1.2 爆破危险区界线

按《爆破安全规程》要求，采用深孔爆破，二次破碎用碎石锤对大块矿岩进行破碎。爆破只在白班进行，配备了足够的压气设备。设计确定爆破危险区界线为200m（对建筑进行保护，人员采取避炮措施），工业场地布置在爆破危险区之外，在采场内适当地点设置避炮棚。

矿山爆破采用定时爆破制度，爆破前发出警戒信号，人员及设备撤到安全地点及警戒界线以外，各水平均设避炮棚，确保采场工作人员安全。

3.1.3 爆破方式

采用多排孔微差挤压爆破方法进行深孔爆破，炮孔呈三角型布置[2]。靠近采场最终境界线时，采用预裂爆破，以减少爆破对最终边坡的破坏和边坡清理工作。深孔爆破采用导爆管非电起爆，2#岩石炸药爆破。水孔用乳化油炸药，组合雷管起爆。爆破工作均在白班进行。爆破材料消耗见表2

表2 爆破材料消耗表

材料名称

乳化炸药

2#岩石炸药

组合雷管

导爆管 单位 t t 发 m 万t消耗 2.5 0.058 30.12 353 年 耗 475 12 5723 67070

3.2 装载工作

矿山年生产矿石规模为30万t；矿山实行连续工作制度，年工作330天，每天3班，每班8小时。露天采场台阶高度为12m，考虑汽车运输平台宽度（单车道）为9m。矿山年均采剥总量190万t，基建期剥岩量较大，基建剥离量为702.54万t，其中第四系678.59万t，岩石23.95万t。每台PC450—7挖掘机效率为140～160万t/a，每个水平可布置挖掘机1-2台，采场同时工作台阶为1-2个。依据上述因素结合矿山实际。共需斗容为2.1 m3的PC450—7挖掘机3台，作为工作面的主要采装设备。为方便生产配矿和进行场地平整等辅助工作，采场配XG953Ⅱ型前装机2台、TY220B型推土机2台。

3.2.1 挖掘机台班能力

Qc=3600EKhTη/tKp

式中，E为挖掘机斗容，2.1 m3；Kh为满斗系数，0.85；T为班工作时间，8h；η为时间利用系数，0.8；t为装一斗的循环时间，40s，Kp为松散系数，1.5。

由以上公式计算得出Qc=685 m3/（台班）

3.2.2 挖掘机数量

N=10000A/(QcWC)

式中，A 为年采剥总量，190万t/a；W为年工作天数，330d；C为日工作班数，3班。

由以上公式计算得出N =2.8台，故共需斗容为2.1 m3的PC450—7挖掘机3台。

3.3 运输作业

露天采场的平面尺寸不大，长×宽＝576m×270m。采场封闭圈以上山坡露天高度为36m；深凹露天深度为120m。根据采场条件，设计采用汽车开拓运输方案。汽车运输工艺简单、机动灵活、安全可靠、矿山建设速度快、可以早投产、早达产、而且占地少、基建工程量小。

采场总出入沟口位于采场东端，标高为992m。在采场西面现已堆存部分废石，影响了1004m水平废石的运出，因此山坡露天部分在采场西部只设一个出口，标高为1016m。为减少废石运距，此出口同时作为深凹露天剥离废石的临时出口。980m水平以上的206.01万t废石由此运出，废石运输距离可减少约1km。深凹露天采场的运输道路从总出入沟口沿采场边缘以螺旋线型方式下至采场底。根据矿山年运输量、运输距离及装载机规格，设计采用ND3250SB自卸汽车（载重30t）可满足生产要求。

3.3.1 运输设备选择及数量计算

（1）运输设备选择

据甲方介绍，该矿现有载重30t的自卸汽车50辆。该车车厢平装容积为19.3m3。

（2）运输设备数量计算

计算参数：

汽车载重利用系数：矿石：0.98；土和岩石：1；铲斗装满系数：0.9；

汽车装载斗数：矿石：6；岩石：9；土：10；

工作时间利用系数：0.8；运输不均衡系数：1.15；挖掘机作业循环时间：40″；入换时间：10″；

汽车平均运行速度：13km/h；汽车卸载时间：1′；调、停时间：3′；汽车出车率：75％。

经计算，运输计算年（第二年）需在用生产汽车13辆，运输计算年（第二年）需在用生产汽车13辆，在籍生产汽车17辆。在籍汽车综合效率为23.23万t/台a。

3.3.2 矿山道路确定

以小时单向交通量确定生产道路级别；道路小时单向交通量小于25辆，矿山道路为三级道路。因矿山服务年限较短、运量较小，道路技术指标均取较低值，道路路面采用中级路面。

确定矿山道路等级为三级，道路主要技术标准如下：最小平曲线半径为15m；道路最大纵坡为8％；缓和坡段长度为40m。

该矿为即有矿山，本次设计所增道路仅1.2km，服务年限为6年（山坡露天道路仅用1年），设计不再配备辅助运输及养路设备。

3.4 排土工作

3.4.1 排土场堆排方式

废石运输采用汽车，排土场采用汽车-推土机排土方式。矿山早期（前两年）废石量大，排土场道路布线采用前进式。

3.4.2 排土场容量及设计参数

采场中采出的废弃物按两个品种堆存以利于将来复土造田和废石场稳定。废弃物总量见表3。 表3 废弃物总量表

废弃物种类

重量

体积（实方）

单位 万t 万m3 3土 678.59 339.3 废石 578.11 217.33 合计 1256.70 556.63 排土场设计参数见表4

表4 排土场设计参数

土体重

t/m3

废石体重 t/m3 表土堆置后的松散系数 废石堆置后的松散系数 排土场容积富裕系数 安全平台宽度m 排土场安息角 度 3.4.3 场址选择

矿区地处沟谷之中，地势南北高中间低、西高东低。废石向东排比较好。但东面建筑物较多，还有其它铁矿。因此，本矿废石只能向西排弃。

本矿废石中土的量比较大，堆置高度受到限制。设计采用双水平低台阶方式，标高分别为1028m和1055m。1028m排土场最大堆置高度约24m，1028m水平堆置第一年排出的大部分土，V效＝222.8万m3；1055排土场堆置高度为27m，1055m水平堆置第二年排出废石（含部分土），V效＝379.0万m3。该水平有少部分土，与废石分堆。

矿山生产至第五年，920m水平靠帮。在采场东面、920m水平以上留有一条长约240m的沟，其上标高为992m。该沟可用于内排，其容量约46.5万m3。920m水平以下废石量34.9万m3，V效＝45.0万m3。920m水平以下废石可全部内排。

4、结束语

（1）进行采矿工艺设计之前，利用软件技术，参考其他矿山经验，通过比对得出了矿体开采的经济合理剥采比。

（2）分析了露天采场的边坡构成要素和最终境界的特征。

（3）矿体穿孔爆破、采装、运输和排土开采工艺满足生产实际需要，不仅提高了矿石的回收率和利用率，同时增加了矿山的经济效益。