急傾斜軟弱破碎薄礦脈的采礦方法選擇及優(yōu)化

盛利濤，盛 佳，江飛飛，石文靜，于棟才

(1.嵩縣前河礦業(yè)有限責(zé)任公司， 河南 嵩縣 471433； 2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012； 3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

?

急傾斜軟弱破碎薄礦脈的采礦方法選擇及優(yōu)化

盛利濤1，盛 佳2,3，江飛飛2,3，石文靜1，于棟才1

(1.嵩縣前河礦業(yè)有限責(zé)任公司， 河南 嵩縣 471433； 2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012； 3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

針對(duì)前河金礦葚溝礦區(qū)急傾斜軟弱破碎薄礦脈開采所面臨的問(wèn)題，結(jié)合礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀及開采技術(shù)條件，提出了3種技術(shù)上可行的采礦方法方案，然后對(duì)各方案的工藝及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析，優(yōu)選出了其中的最優(yōu)方案，并對(duì)所選的最優(yōu)方案的進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，評(píng)估結(jié)果表明優(yōu)化后的方案具有較強(qiáng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

急傾斜薄礦脈；軟弱破碎巖體；采礦方法；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

破碎礦體的安全高效開采歷來(lái)是采礦技術(shù)研究中所面臨的一大技術(shù)難題[1]，前河金礦床作為國(guó)內(nèi)具有代表性的軟弱破碎類型礦床，經(jīng)過(guò)20多年的開采，形成了較成熟的下向分層膠結(jié)充填采礦工藝，近年來(lái)已成功將人工混凝土充填系統(tǒng)改造為河砂膠結(jié)充填管道輸送系統(tǒng)[2-4]。但隨著開采深度的增加，開采的重點(diǎn)區(qū)域逐漸由北礦帶轉(zhuǎn)為南礦帶，在礦區(qū)及礦床地質(zhì)、開采技術(shù)條件等方面與之前相比存在較大的變化，開采環(huán)境也隨之日益惡化，導(dǎo)致現(xiàn)有的下向分層膠結(jié)充填采礦工藝在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在著一定的安全隱患，各分層在回采過(guò)程中側(cè)壁易出現(xiàn)垮塌，且實(shí)際木支護(hù)操作困難，另外人員作業(yè)環(huán)境和通風(fēng)條件較差，人工出礦效率低下。為了礦山的持續(xù)開采，有必要對(duì)礦山的采礦方法和工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 礦山開采現(xiàn)狀及開采技術(shù)條件

前河金礦葚溝礦區(qū)采用“平硐+豎井+盲斜井”聯(lián)合開拓，中段高度40 m，目前主要開采中段有200，160，120，80 m，約有33個(gè)礦房，占全區(qū)供礦量的50%以上。礦區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)規(guī)模為600 t/d，采礦方法以下向分層膠結(jié)充填采礦法為主，單個(gè)采場(chǎng)生產(chǎn)能力40 t/d，礦石損失率約6%，貧化率約9%。

葚溝礦區(qū)包含ⅣN2、ⅣN2-1、Ⅳ3、ⅣS3礦體，其中ⅣS3分布于76～84線，礦體呈不規(guī)則脈狀、透鏡狀產(chǎn)于ⅣS礦帶中上部，礦體長(zhǎng)200～350 m，走向70°～100°，傾向北西-北東，傾角45°～80°，平均68°，沿走向、傾斜其膨縮及分支復(fù)合特征明顯；礦體厚度0.74～6.39 m，平均3.08 m，屬典型的急傾斜薄礦脈。截止2015年12月末，ⅣS3礦體122b+333保有儲(chǔ)量70.6萬(wàn)t，平均品位2.91 g/t，占葚溝礦區(qū)總量52.3%。礦體上盤圍巖為碳酸鹽化碎裂巖，工程揭露后極易塌方，下盤為碎裂安巖-蝕變安山巖，不穩(wěn)固至中等穩(wěn)固，目前開拓工程布置于下盤。礦床地層巖性較復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，巖石風(fēng)化作用中等，有軟弱夾層存在，巖石破碎。礦床工程地質(zhì)勘探復(fù)雜程度劃分為塊狀巖類中等偏復(fù)雜型。伊河在葚溝礦段西端通過(guò)，為自然邊界，主要礦體部分位于侵蝕基準(zhǔn)面以下，組成礦帶及頂?shù)装宓暮畮r組，裂隙導(dǎo)水性差，屬裂隙充水的水文地質(zhì)條件中等的礦床。礦體開采技術(shù)條件差、開采難度極大。

2 可選采礦方法方案及其對(duì)比分析

2.1 可選采礦方法方案及工藝

根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀和開采技術(shù)條件分析知，在技術(shù)上適合本礦的采礦方法有分層崩落采礦法、上向進(jìn)路充填采礦法和下向水平分層充填采礦法這3種方法。

(1) 方案Ⅰ：分層崩落采礦法。本方案采場(chǎng)沿礦體走向布置，中段高度40 m，采場(chǎng)長(zhǎng)60 m，采場(chǎng)寬為礦體厚度，采場(chǎng)留設(shè)6～7 m底柱，礦塊不留頂柱和間柱。先在采場(chǎng)兩端和中央布置雙格天井，然后從中段運(yùn)輸巷開始掘進(jìn)采場(chǎng)中央穿脈連接采場(chǎng)中央天井。在采場(chǎng)上中段水平，從采場(chǎng)中央天井開始向兩端天井拉切頂巷，然后擴(kuò)幫至礦體邊界或沿礦體全厚一次切頂，切頂高度2.0～2.5 m。采場(chǎng)從切頂層開始自上而下分層進(jìn)路回采、分層崩落，采用淺眼落礦，從采場(chǎng)中央天井開始向兩端回采，一分層回采完畢后，制作假底，然后即可從采場(chǎng)兩端開始向中央天井后退式放頂崩落。本方案中的采切工程采用木棚架支護(hù)，一般不支護(hù)。該采礦法標(biāo)準(zhǔn)方案見圖1。

(2) 方案Ⅱ：上向進(jìn)路充填采礦法。本方案采場(chǎng)沿走向布置，中段高度40 m，礦房長(zhǎng)58 m，采場(chǎng)寬為礦體厚度，采場(chǎng)留設(shè)2 m間柱和6 m底柱，不留頂柱，分層高度2 m。首先從中段運(yùn)輸巷掘進(jìn)穿脈巷至礦體上盤，然后在采場(chǎng)中間靠近礦體上盤位置施工2 m×2 m的中央通風(fēng)行人井，并及時(shí)采用木材進(jìn)行支護(hù)及架設(shè)人行梯子、充填管道；然后利用順路通風(fēng)行人井進(jìn)行刷擴(kuò)，形成2 m×1 m的順路溜礦行人井，并將其分為兩格，一格用于溜礦，一格用于架設(shè)梯子行人。采切工程施工完畢后，即可從底柱上面自下而上進(jìn)路式回采，以中央天井為自由面，中間往一端回采，采用電耙出礦，出礦完畢后及時(shí)將礦體頂板及上下盤圍巖采用玻璃鋼錨桿+高強(qiáng)聚酯纖維網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。一分層一端回采結(jié)束后，將充填管架設(shè)在進(jìn)路頂板上，并砌筑充填擋墻進(jìn)行充填作業(yè)，然后即可進(jìn)行同一分層另一端的回采，二分層及其后各分層按照此順序依次回采，直至采場(chǎng)回采結(jié)束。該采礦法標(biāo)準(zhǔn)方案如圖2所示。

圖1 分層崩落采礦法標(biāo)準(zhǔn)方案

圖2 上向進(jìn)路充填采礦法標(biāo)準(zhǔn)方案

(3) 方案Ⅲ：下向水平分層充填采礦法。本方案采場(chǎng)沿走向布置，中段高40 m，采場(chǎng)長(zhǎng)60 m，采場(chǎng)寬為礦體厚度，分層高度2.3～2.5 m，不留設(shè)頂?shù)字烷g柱。中段運(yùn)輸巷布置在礦體下盤脈外巖體中，首先從中段運(yùn)輸巷向礦體施工穿脈巷至礦體上盤，在礦體靠近上盤位置向上施工中央雙格井，一格溜礦，一格行人，并采用木材密集支護(hù)，同時(shí)在井內(nèi)架設(shè)充填管道、人行梯子，用于行人、通風(fēng)、溜礦及充填。采準(zhǔn)工程完成后，采用進(jìn)路式自上而下分層回采，從中央雙格井向兩翼推進(jìn)，采用人工+電耙絞車聯(lián)合出礦，各分層出礦完畢后即可進(jìn)行充填，充填前應(yīng)平場(chǎng)、鋪膜、敷設(shè)鋼筋及架設(shè)好充填擋墻。工人在膠結(jié)充填體下作業(yè)，較安全可靠。首采分層采用高強(qiáng)度聚酯纖維網(wǎng)+中空注漿錨索聯(lián)合支護(hù)，其他分層回采進(jìn)路和充填聯(lián)絡(luò)巷采用木棚支護(hù)。該采礦法標(biāo)準(zhǔn)方案如圖3所示。

圖3 下向水平分層充填采礦法標(biāo)準(zhǔn)方案

2.2 方案比較

基于上述可選采礦方法方案及工藝，針對(duì)安全條件、生產(chǎn)能力、采礦成本、貧損指標(biāo)以及工藝復(fù)雜程度等方面，總結(jié)分析得出各方案的主要優(yōu)缺點(diǎn)，其結(jié)果如表1所示。按照標(biāo)準(zhǔn)方案及礦山當(dāng)前人工、材料等單價(jià)計(jì)算，各方案的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)值如表2所示。

表1 各方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較

基于上述各方案的優(yōu)缺點(diǎn)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，首先建立相應(yīng)的層次分析模型，確定各因素的權(quán)重值，并對(duì)定性的指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，然后即可確定相應(yīng)的模糊綜合評(píng)判矩陣R，最后運(yùn)用加權(quán)平均模型對(duì)各方案進(jìn)行評(píng)價(jià)[5-7]，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果可知，3個(gè)方案對(duì)最優(yōu)采礦方法方案這一目標(biāo)的隸屬度分別為0.554，0.253和0.611，可見方案Ⅲ下向分層充填采礦法最優(yōu)，方案Ⅰ下向分層崩落采礦法次之。

表2 各方案主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

(1)

3 所選采礦方案風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析

根據(jù)方案優(yōu)選結(jié)果可知，下向分層充填采礦法仍然是前河金礦葚溝礦區(qū)目前最適合的采礦方案，但本次方案與礦山現(xiàn)有方案相比，在回采工藝、出礦及支護(hù)方式上進(jìn)行了優(yōu)化，為了更加全面的認(rèn)知和評(píng)估優(yōu)化后的采礦方案，根據(jù)人員、材料、工程承包等定額單價(jià)計(jì)算，對(duì)方案進(jìn)行盈虧平衡分析和敏感性分析，從而對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

3.1 盈虧平衡分析

根據(jù)固定成本費(fèi)用、單位礦石價(jià)值、可變成本、銷售稅金及附加等數(shù)據(jù)計(jì)算的盈虧平衡點(diǎn)(BEP)，分析項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，其計(jì)算結(jié)果如下：

當(dāng)生產(chǎn)能力達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力的49.10%時(shí)，即年產(chǎn)礦石量6.48萬(wàn)t時(shí)，項(xiàng)目即可達(dá)到盈虧平衡。當(dāng)出礦品位為現(xiàn)在70.35%，即出礦品位為2.10 g/t，項(xiàng)目即可達(dá)到盈虧平衡。

3.2 敏感性分析

推薦方案下向水平分層充填采礦法投入運(yùn)作后，直接影響礦山投產(chǎn)后經(jīng)濟(jì)效益的敏感因素主要有：金屬價(jià)格、年處理礦石量、貧化率和損失率的控制。因此，必須對(duì)這4個(gè)因素在一定范圍內(nèi)變化對(duì)礦山經(jīng)濟(jì)效益所產(chǎn)生的影響，進(jìn)行敏感性分析預(yù)測(cè)。其年利潤(rùn)分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 年利潤(rùn)-各因素變化曲線敏感分析結(jié)果

從圖4可以看出，金屬價(jià)格因素的變動(dòng)對(duì)礦山經(jīng)濟(jì)效益的影響最為明顯，礦山生產(chǎn)能力和品位控制對(duì)礦山經(jīng)濟(jì)效益的影響也比較明顯，而損失率變化的影響相對(duì)較小，因此提高生產(chǎn)能力，控制出礦品位是提高礦山經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵，總體而言抗風(fēng)險(xiǎn)能力較強(qiáng)。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)礦山開采現(xiàn)狀及開采技術(shù)條件分析，結(jié)合此類型礦床開采特點(diǎn)，提出了3種有針對(duì)性的可選采礦方法方案，通過(guò)對(duì)各方案的工藝、指標(biāo)對(duì)比分析，結(jié)果表明，下向水平分層充填采礦法仍然是目前前河金礦葚溝礦區(qū)開采急傾斜軟弱破碎薄礦脈最適合的采礦方法。為了適應(yīng)礦山日益惡化的開采環(huán)境，有效解決目前所存在的安全條件較差、支護(hù)困難及出礦效率低等問(wèn)題，必須對(duì)現(xiàn)有的回采工藝、支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化。在本優(yōu)化后的方案中，采用人工+電耙絞車聯(lián)合出礦提高出礦效率，首采分層采用高強(qiáng)度聚酯纖維網(wǎng)+中空注漿錨索聯(lián)合支護(hù)，其他分層回采進(jìn)路和充填聯(lián)絡(luò)巷采用木棚支護(hù)，有效變革支護(hù)方式，提高安全性。根據(jù)盈虧平衡分析和敏感性分析結(jié)果可知，優(yōu)化后的方案總體抗風(fēng)險(xiǎn)能力較強(qiáng)。

[1]賴 偉.復(fù)雜急傾斜薄礦脈采礦方法試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司,2012:16-24.

[2]肖有鼎,李翕然,王元亮.前河金礦下向分層膠結(jié)充填法的試驗(yàn)研究[J].金屬礦山,1995(1):22-25.

[3]楊志芳,王小春,付文姜.下向分層膠結(jié)充填采礦法在前河公司的應(yīng)用[J].黃金,2011,32(3):33-37.

[4]李向東,盛 佳,萬(wàn) 兵,等.急傾斜軟弱破碎薄礦脈安全開采技術(shù)方案研究[R].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 2014.

[5]王新民,趙 彬, 張欽禮.基于層次分析和模糊數(shù)學(xué)的采礦方法選擇[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,39(5):875-880.

[6]朱卓慧,趙國(guó)彥,吳桂香,等.采礦方案的模糊優(yōu)選[J].采礦技術(shù),2005,5(4):12-14.

[7]馬朋飛,盛 佳,李 強(qiáng).復(fù)雜群空區(qū)下傾斜中厚低品位金礦采礦方法優(yōu)化選擇[J].采礦技術(shù),2012,12(03):18-19.(收稿日期：2016-01-25)

盛利濤(1983-)，男，河南平頂山人，助工，主要從事深部找礦及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理工作，Email:147657094@qq.com。