大新錳礦西北重疊礦體礦石運(yùn)搬工藝系統(tǒng)優(yōu)化

唐秀偉 李建文 韋志興 吳賢圖 陳青林 陳慶發(fā)

(1.廣西大學(xué)資源與冶金學(xué)院，廣西 南寧530004;2.中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司大新錳礦分公司，廣西 大新532315)

1 礦石運(yùn)搬工藝系統(tǒng)現(xiàn)狀

大新錳礦為中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司直屬礦山，是我國(guó)最大的錳礦企業(yè)，位于廣西壯族自治區(qū)大新縣下雷鎮(zhèn)境內(nèi)。礦區(qū)內(nèi)地下開采部分分為東中采場(chǎng)、西南采場(chǎng)和西北采場(chǎng)。西北采場(chǎng)+280 m 標(biāo)高以上碳酸錳礦石儲(chǔ)量61.6 萬t，為緩傾斜薄礦體，傾角30°左右，分3 層，自下而上分布有Ⅰ礦、Ⅱ礦和Ⅲ礦，厚度分別為1.77、2.49 和1.77 m，礦石品位分別為17%、13%和12%。Ⅰ礦與Ⅱ礦之間為夾一廢石，厚度為10 m，Ⅱ礦與Ⅲ礦之間為夾二廢石，厚度為0.5 m。Ⅰ礦、夾一、Ⅱ礦、夾二和Ⅲ礦，巖石物理性質(zhì)良好，巖層穩(wěn)定;Ⅲ礦直接頂板為硅質(zhì)巖，巖石物理性質(zhì)較差，巖層不穩(wěn)定。

目前，礦山采用傳統(tǒng)房柱法回采［1］，礦塊沿走向布置，礦房斜長(zhǎng)60 m，跨度10 m，礦柱尺寸3 m ×3 m?；夭身樞?yàn)橄炔散?、Ⅲ礦、后采Ⅰ礦。Ⅱ、Ⅲ礦又采用分層回采，先回采Ⅱ礦和夾二，后采Ⅲ礦，Ⅱ礦和夾二超前Ⅲ礦一個(gè)礦房回采。Ⅱ、Ⅲ礦采用二級(jí)電耙出礦形式，電耙絞車布置在拉底巷道和底柱的電耙硐室內(nèi)，電耙布置在拉底巷道和上山中;礦房中崩落的礦石由第一級(jí)電耙沿上山耙至拉底巷道中，再通過布置在拉底巷道中的第二級(jí)電耙將礦石耙到短溜井中。Ⅰ礦采用三級(jí)電耙出礦形式，電耙絞車布置在拉底巷道、底柱電耙硐室和脈內(nèi)巷道另一側(cè)硐室內(nèi)，電耙布置在拉底巷道、上山和平底漏斗中;各礦房崩落的礦石均先通過上山中的第一級(jí)電耙，耙入拉底巷道;再通過布置在拉底巷道中的第二級(jí)電耙耙至拉底巷道端部;在拉底端部與脈內(nèi)巷道間布置平底漏斗，并用第三級(jí)電耙將礦石沿平底漏斗耙至脈內(nèi)巷道的礦車中。Ⅰ礦和Ⅱ、Ⅲ礦采用的電耙絞車型號(hào)為ZDPJ －30 型，電耙型號(hào)為2JP －15，容積為0.4 m3。3 層重疊礦體現(xiàn)有出礦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)有出礦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剖面Fig.1 Structural profile of current ore drawing system

2 現(xiàn)有運(yùn)搬工藝系統(tǒng)存在的問題

(1)在采場(chǎng)礦石運(yùn)搬過程中，Ⅰ礦采用三級(jí)電耙，Ⅱ、Ⅲ礦采用二級(jí)電耙，Ⅰ礦與Ⅱ、Ⅲ礦礦石運(yùn)搬工藝系統(tǒng)各自獨(dú)立。Ⅰ礦第三級(jí)電耙耙礦距離短，電耙使用效率低。Ⅰ礦與Ⅱ、Ⅲ礦采場(chǎng)礦石運(yùn)搬總體上存在出礦效率低、工藝不順暢、能耗損失大、生產(chǎn)組織困難、生產(chǎn)成本高等問題。

(2)在放礦工藝實(shí)施過程中，Ⅰ礦采用平底漏斗結(jié)構(gòu)，Ⅱ、Ⅲ礦采用短溜井漏斗結(jié)構(gòu)。Ⅰ礦的平底漏斗無儲(chǔ)存礦石能力，極易產(chǎn)生生產(chǎn)組織失衡。Ⅰ礦與Ⅱ、Ⅲ礦未從系統(tǒng)角度出發(fā)考慮溜井布置問題，掘進(jìn)工程量大。

3 礦石運(yùn)搬工藝系統(tǒng)優(yōu)化研究

3.1 技術(shù)路線

礦石運(yùn)搬工藝系統(tǒng)優(yōu)化的總體研究思路為，先結(jié)合工程現(xiàn)狀，初步研究出若干運(yùn)搬系統(tǒng)優(yōu)化方案，再結(jié)合方案的適用性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化方案優(yōu)選。對(duì)優(yōu)選的各方案從技術(shù)經(jīng)濟(jì)和合理性2 方面進(jìn)行分析比較，選擇出礦石運(yùn)搬工藝系統(tǒng)的最終優(yōu)化方案。

具體研究技術(shù)路線如圖2 所示。

3.2 方案初選

圖2 運(yùn)搬系統(tǒng)優(yōu)化研究技術(shù)路線Fig.2 The technical route of optimization of hauling system

結(jié)合現(xiàn)有工程現(xiàn)狀，對(duì)礦石運(yùn)搬工藝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，初選了包括設(shè)置膠帶運(yùn)輸機(jī)方案、設(shè)置溜槽方案、改變Ⅰ礦底柱結(jié)構(gòu)方案、采用無軌運(yùn)輸設(shè)備方案、掘進(jìn)短穿脈巷道方案、Ⅰ礦每個(gè)上山均布置放礦結(jié)構(gòu)方案、從脈內(nèi)巷道掘進(jìn)弧形巷道方案、下盤脈外運(yùn)輸巷道a 方案(Ⅰ礦與Ⅱ、Ⅲ礦分用溜井)、下盤脈外運(yùn)輸巷道b 方案(Ⅰ礦與Ⅱ、Ⅲ礦采用瀑布式共用溜井)等9 種優(yōu)化方案。

3.3 方案優(yōu)選

設(shè)置膠帶運(yùn)輸機(jī)和設(shè)置溜槽方案均未在電耙級(jí)數(shù)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化;改變Ⅰ礦底柱結(jié)構(gòu)和掘進(jìn)短穿脈巷道兩方案掘進(jìn)工程量大、回采率低;采用無軌運(yùn)輸設(shè)備方案在礦上現(xiàn)有的采礦技術(shù)上不可行，因此這5 種方案均在優(yōu)選中淘汰，故選取其余4 種方案作為優(yōu)選方案進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析。

(1)Ⅰ礦每個(gè)上山均布置放礦結(jié)構(gòu)方案。在Ⅰ礦每個(gè)上山下方均布置1 個(gè)放礦結(jié)構(gòu)，并相應(yīng)地增加底柱寬度到6 m，以保證底柱對(duì)巷道的保護(hù)作用，鑿穿底柱，將電耙硐室布置于脈內(nèi)巷道另一側(cè)，通過上山中的電耙將礦房崩落的礦石耙至脈內(nèi)巷道的底部放礦結(jié)構(gòu)中，最后經(jīng)放礦結(jié)構(gòu)將礦石裝入礦車中。該方案的Ⅰ礦電耙出礦結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 Ⅰ礦電耙出礦結(jié)構(gòu)剖面Fig.3 Structural profile of scraper ore drawing of orebodyⅠ

(2)從脈內(nèi)巷道掘進(jìn)弧形巷道方案。從脈內(nèi)運(yùn)輸巷道一側(cè)掘進(jìn)1 條20 m 長(zhǎng)的弧形巷道，使其經(jīng)過拉底巷道底部?；⌒蜗锏擂D(zhuǎn)彎半徑15 m，在弧形巷道對(duì)應(yīng)拉底巷道底部處設(shè)置漏斗，從而使礦石能夠自然的從放礦漏斗中放出，如圖4 所示。礦房崩落的礦石通過布置在上山中的電耙耙至拉底巷道，再通過拉底巷道中的電耙耙至放礦漏斗中，從放礦漏斗將礦石裝入半環(huán)形巷道內(nèi)的礦車，以此達(dá)到Ⅰ礦運(yùn)搬工藝系統(tǒng)優(yōu)化的目的。

圖4 Ⅰ礦二級(jí)電耙結(jié)構(gòu)Fig.4 Structural diagram of secondary scraper of ore-bodyⅠ

(3)下盤脈外運(yùn)輸巷道a 方案。布置下盤脈外運(yùn)輸巷道代替現(xiàn)有脈內(nèi)運(yùn)輸巷道，并將現(xiàn)有Ⅰ礦布置的頂柱4 m、底柱5 m 優(yōu)化為Ⅰ礦頂?shù)字? m。Ⅰ礦聯(lián)絡(luò)上山通過Ⅱ、Ⅲ礦聯(lián)絡(luò)上山后再通過Ⅰ礦頂?shù)字竭_(dá)Ⅰ礦采場(chǎng)。由于脈內(nèi)運(yùn)輸巷道下移，使得拉底巷道與下盤脈外運(yùn)輸巷道之間能夠布置短溜井，從而達(dá)到Ⅰ礦運(yùn)搬工藝系統(tǒng)優(yōu)化的目的。Ⅱ、Ⅲ礦結(jié)構(gòu)保持不變，其出礦結(jié)構(gòu)也不作改變。Ⅰ礦礦房?jī)?nèi)崩落的礦石，通過布置在上山中的電耙耙至拉底巷道，再由拉底巷道中的電耙耙至短溜井，從放礦漏斗將礦石裝入0.75 m3的礦車中，下盤運(yùn)輸巷道優(yōu)化方案工程布置如圖5 所示。

圖5 下盤運(yùn)輸巷道優(yōu)化方案工程布置Fig.5 Engineering arrangement of optimization scheme of footwall haulage

(4)下盤脈外運(yùn)輸巷道b 方案。該方案與下盤脈外運(yùn)輸巷道a 方案類似，布置下盤脈外運(yùn)輸巷道代替現(xiàn)有脈內(nèi)運(yùn)輸巷道，將原有Ⅰ礦布置的頂柱4 m、底柱5 m 優(yōu)化為Ⅰ礦頂?shù)字? m。將脈內(nèi)運(yùn)輸巷道下移至距礦體5 m 處，參考相關(guān)文獻(xiàn)［2-6］，將Ⅱ、Ⅲ礦與Ⅰ礦放礦系統(tǒng)設(shè)計(jì)為改進(jìn)的瀑布式溜井結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到Ⅰ礦運(yùn)搬工藝系統(tǒng)和Ⅰ礦與Ⅱ、Ⅲ礦放礦工藝系統(tǒng)優(yōu)化的目的。Ⅰ礦礦房?jī)?nèi)崩落的礦石，通過布置在上山中的電耙耙至拉底巷道，再由拉底巷道中的電耙耙至瀑布式溜井中，并從共用放礦漏斗中將礦石裝入0.75 m3礦車。該方案瀑布式溜井結(jié)構(gòu)布置如圖6所示。

圖6 瀑布式溜井結(jié)構(gòu)布置Fig.6 Structural arrangement of waterfall-style ore pass

4 優(yōu)化方案比較及終選

4.1 各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析

Ⅰ礦三級(jí)電耙的耙礦效率為150 斗/工班，Ⅱ、Ⅲ礦兩級(jí)電耙的耙礦效率為375 斗/工班。對(duì)Ⅰ礦現(xiàn)有工程量和對(duì)終選的4 種方案做具體工程量計(jì)算，工程量統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 各方案工程量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of each scheme＇s engineering quantity

將各方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)與Ⅰ礦現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行比較，利用礦山開拓、采切各環(huán)節(jié)工程費(fèi)用單價(jià)計(jì)算各方案投資成本及盈虧情況。

(1)Ⅰ礦各上山均布置放礦結(jié)構(gòu)方案。Ⅰ礦各上山均布置放礦結(jié)構(gòu)方案是將Ⅰ礦每個(gè)上山都連通脈內(nèi)運(yùn)輸巷道，使其出礦結(jié)構(gòu)變?yōu)楝F(xiàn)有的平底漏斗式結(jié)構(gòu)。因此，優(yōu)化方案的Ⅰ礦出礦能力為現(xiàn)有Ⅰ礦出礦能力的第一級(jí)上山和平底漏斗出礦能力的綜合結(jié)果，經(jīng)計(jì)算得出礦能力約450 斗/工班。

該方案與Ⅰ礦工程量現(xiàn)狀相比，采切工程量增加103.4 m3，采切比增加1.98%，采出礦石量減少173.6 t，礦石回收率減少0.53%。電耙效率增加了300 斗/工班，每礦塊需增加投資費(fèi)用63 654 元。

該方案是終選方案電耙運(yùn)搬效率最高的，但是該方案底柱被鑿穿，導(dǎo)致底柱穩(wěn)定性降低;電耙工作時(shí)，鋼絲繩需跨過脈內(nèi)巷道，不利于脈內(nèi)巷道的人行和礦車運(yùn)行，因此該方案未達(dá)到優(yōu)化的目的，故而被淘汰。

(2)從脈內(nèi)巷道掘進(jìn)弧形巷道方案。弧形彎道優(yōu)化方案將Ⅰ礦出礦系統(tǒng)變?yōu)槎?jí)電耙形式，省去第三級(jí)電耙，使得弧形彎道出礦結(jié)構(gòu)與Ⅱ、Ⅲ礦出礦結(jié)構(gòu)一致，均為溜井放礦。Ⅱ、Ⅲ礦的出礦能力為375斗/工班，因此，該優(yōu)化方案電耙效率為375 斗/工班。使Ⅰ礦的出礦能力由原有的150 斗/工班變?yōu)榱?75斗/工班。

該方案與Ⅰ礦工程量現(xiàn)狀相比，采切工程量增加141.4 m3，采切比增加1.31%，采出礦石量和礦石回收率保持不變，電耙效率增加225 斗/工班，每礦塊需增加投資費(fèi)用33 997 元。雖然該方案提高了電耙運(yùn)搬效率，但采準(zhǔn)工程量大，使得投資成本加大，未達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化目的，因此淘汰該方案。

(3)下盤脈外運(yùn)輸巷道a 方案。下盤脈外巷道優(yōu)化方案將Ⅰ礦的出礦系統(tǒng)變?yōu)槎?jí)電耙形式，省去第三級(jí)電耙，使得下盤脈外運(yùn)輸巷道方案出礦結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有Ⅱ、Ⅲ礦出礦結(jié)構(gòu)一樣，均為溜井放礦，因此，該優(yōu)化方案電耙效率為375 斗/工班。使Ⅰ礦的出礦能力由原有的150 斗/工班變?yōu)榱?75 斗/工班。

該方案與Ⅰ礦工程量現(xiàn)狀相比，采切工程量增加12.16 m3，采切比減少1.0%，采出礦石量增加1 066.4 t，礦石回收率增加4.81%，同時(shí)電耙運(yùn)搬效率增加225 斗/工班，每礦塊可獲得盈利79 858 元。

(4)下盤脈外運(yùn)輸巷道b 方案。該方案在下盤脈外運(yùn)輸巷道a 方案的基礎(chǔ)上，將脈外運(yùn)輸巷道下移至距礦體5 m 處，并對(duì)Ⅰ礦與Ⅱ、Ⅲ礦布置共用瀑布式溜井，使Ⅰ礦的出礦系統(tǒng)變?yōu)槎?jí)電耙形式。該方案使Ⅰ礦的出礦能力由原有的150 斗/工班變?yōu)榱?75 斗/工班。

該方案與Ⅰ礦工程量現(xiàn)狀相比，采切工程量增加12.16 m3，但采切比減少1.0%，采出礦石量增加1 066.4 t，礦石回收率增加4.81%，同時(shí)電耙運(yùn)搬效率增加225 斗/工班。該運(yùn)搬系統(tǒng)優(yōu)化方案較現(xiàn)有工程方案，每礦塊可獲得盈利82 311 元。

4.2 優(yōu)化方案終選

綜合上述比較分析可知，下盤脈外運(yùn)輸巷道a 方案和下盤脈外運(yùn)輸巷道b 方案都使礦石的回收率增加，電耙效率提高，但是下盤脈外運(yùn)輸巷道b 方案與下盤脈外運(yùn)輸巷道a 方案相比較，少布置了1 個(gè)出礦結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)地聯(lián)系起Ⅰ礦與Ⅱ、Ⅲ礦的放礦系統(tǒng)，且每個(gè)礦塊的盈利額多出2 453 元，明顯提高礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。因此，推薦下盤脈外運(yùn)輸巷道b 方案為最優(yōu)方案。

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)運(yùn)搬系統(tǒng)現(xiàn)狀，進(jìn)行了優(yōu)化方案研究，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)和工程合理性2 方面對(duì)方案進(jìn)行了初選、優(yōu)選和終選。最終選擇下盤脈外運(yùn)輸巷道b 方案為西北重疊礦體礦石運(yùn)搬工藝系統(tǒng)的最優(yōu)方案。

(2)下盤脈外運(yùn)輸巷道b 方案不僅減少了Ⅰ礦的電耙級(jí)數(shù)，而且系統(tǒng)地聯(lián)系起Ⅰ礦與Ⅱ、Ⅲ礦的放礦系統(tǒng)，使得出礦工藝系統(tǒng)更加流暢，電能損耗少，礦塊的出礦能力大，較大程度上提高了礦石運(yùn)搬效率和礦石回收率，增大了礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

(3)該研究成果豐富了多層緩傾斜薄礦體礦石運(yùn)搬系統(tǒng)，也為類似多層緩傾斜薄礦體開采礦石運(yùn)搬工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種技術(shù)參考。

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