興洲鐵礦開采方案選擇及生產(chǎn)能力確定

孟凡明

(撫順罕王傲牛礦業(yè)股份有限公司)

興洲鐵礦位于撫順市東洲區(qū)蘿卜坎村境內(nèi)，礦區(qū)資源量大，多為低品位礦石，因礦區(qū)環(huán)境復(fù)雜，周邊有大量村莊，征用土地難度大、成本高，在當(dāng)前鐵礦石市場價格低迷、國家環(huán)保政策監(jiān)管不斷強化條件下，為經(jīng)濟合理開發(fā)利用資源，依據(jù)礦體的資源條件、賦存狀態(tài)、技術(shù)經(jīng)濟等因素綜合考慮，礦區(qū)資源采用地下開采方式，通過開采方案選擇和生產(chǎn)能力論證，確定合理的生產(chǎn)規(guī)模，力求達到最佳投資效果和經(jīng)濟、社會效益。

1 資源概況

1.1 資源儲量

采礦證內(nèi)保有資源量為1.14億t，其中工業(yè)礦體資源量(332+333)為4 717.535萬t，平均品位為MFe 23.12%；低品位礦體資源量(332D+333D)為6 656.44萬t，平均品位為MFe 17.15%。興洲鐵礦礦區(qū)范圍見圖1，興洲鐵礦擴界核實評審備案資源量見表1。

1.2 礦床及礦體特征

礦區(qū)按其上、下層位及礦體賦存部位劃分為2個含礦帶，下部為1#含礦帶，上部為2#含礦帶。

圖1 興洲鐵礦礦區(qū)范圍平面

表1 興洲鐵礦擴界核實評審備案資源量估算

2#含礦帶大部分隱伏于第四系沖積層下，含礦帶厚約50 m，其內(nèi)賦存有Ⅶ#和Ⅷ#礦體，13#勘探線以北磁鐵礦含量降低，達不到工業(yè)指標。另外在9#～11#勘探線1#、2#含礦帶之間隱伏存在Ⅳ#、Ⅴ#、Ⅵ#、Ⅸ#礦體。Ⅳ#礦體位于9#～12#勘探線，為隱伏礦體，占總儲量14%。礦石以角閃石英磁鐵礦為主，平均品位為MFe 22.13%，10#勘探線東部礦體上、下部分品位降低，平均品位為MFe 16.24%。

2 開采方案的選擇

根據(jù)礦體賦存條件、空間要素、中段礦量、分布情況、開采方式、地表地形地貌、采選關(guān)系、礦山總平面現(xiàn)狀及工業(yè)場地設(shè)置等條件[1]，提出主井+副井(方案Ⅰ)、斜坡道+副井(方案Ⅱ)、主副井+斜坡道(方案Ⅲ)3種開拓方案。

方案Ⅰ：主井布置在9#、7#線礦體下盤。井口坐標X=4 628 468.000 m，Y=41 586 273.000 m,井口標高為113 m，井底至-230 m標高(一期粉礦回收中段)，井深342 m，圓形井，直徑為5.6 m。井口為鋼井架，采用JKMD-4×4(Ⅲ)型落地式多繩摩擦式提升機、11 m3雙箕斗提升礦巖。與箕斗井相伴的溜破系統(tǒng)為2條溜礦井。自20 m中段至-130 m破碎中段，單溜井長150 m。各中段分支溜井與主溜井相聯(lián)結(jié)。在破碎中段設(shè)置一處礦石破碎硐室，在破碎中段與計量中段有貯礦倉，-230 m為粉礦回收中段，回收粉礦借助于副井提升系統(tǒng)提升。副井在9#～10#線。主副井間距為100 m，副井坐標X=4 628 540.000 m，Y=41 586 260.000 m,井口標高為110 m，井底至-230 m中段(-245 m)，井深355 m，圓形井，直徑為7 m。井口為鋼井架，采用JKMD-3.25×4(Ⅰ)型落地式多繩摩擦式提升機、5 200 mm×3 000 mm單層罐籠平衡錘提升系統(tǒng),承擔(dān)人員、材料及設(shè)備的提升任務(wù)。南風(fēng)井位于2#～3#線礦體下盤，圓形井，直徑為4 m，坐標X=4 627 815.464 m，Y=41 586 316.307 m，井口標高為137 m，井底至20 m中段，井深117 m，井內(nèi)設(shè)梯子間，20 m以下為倒段風(fēng)井。北風(fēng)井位于15#線附近礦體下盤，圓形井，直徑為4.5 m，坐標X=4 629 001.074 m，Y=41 585 998.378 m，井口標高為110 m，井底標高為-80 m中段，井深190 m，井內(nèi)設(shè)梯子間。中段高度為50 m，設(shè)+70，+20，-30，-80，-130，-180 m共6個生產(chǎn)中段。20 m中段以下為14 t電機車與6 m3側(cè)卸式礦車組成列車組，軌距為900 mm，采用環(huán)形運輸方式；礦巖運至溜井轉(zhuǎn)放至主溜井，再由箕斗提升至地表。礦山通風(fēng)系統(tǒng)采用副井進風(fēng)，兩翼風(fēng)井設(shè)主扇抽出對角式通風(fēng)。方案Ⅰ開拓系統(tǒng)縱投影見圖2。

圖2 方案Ⅰ開拓系統(tǒng)縱投影

方案Ⅱ：以斜坡道代替主井及溜破系統(tǒng)。斜坡道入口為方案Ⅰ中主井位置，主斜坡道布置雙線，其斷面為24 m2，行車密度為40輛/h，斜坡道坡度為10%，每300 m或進入中段設(shè)40 m長的緩坡段，緩坡段坡度為0%。線路回頭曲線布置在緩坡段，回頭曲線半徑為25 m。進入中段轉(zhuǎn)彎半徑不小于20 m，行車速度為15 km/h。路面為級配碎石或混凝土，二級或三級。運輸設(shè)備選用井下Mjk-25型汽車，載重量為25 t，車廂容積為12 m3(平裝車)。達產(chǎn)年線路長1.44 km，服務(wù)年限內(nèi)斜坡道線路總長1.78 km(一期)。斜坡道主要運輸?shù)V石、廢石和大型設(shè)備。副井與方案Ⅰ相同。風(fēng)井與方案Ⅰ相同。斜坡道最后一個中段為-180 m?？觾?nèi)采用無軌運輸，即汽車運輸。方案Ⅱ開拓系統(tǒng)縱投影見圖3。

方案Ⅲ：礦山生產(chǎn)初期(開采20 m中段以上)使用單線斜坡道和副井開拓，20 m中段以下利用斜坡道作為主要設(shè)備的進出口。斜坡道入口及線路技術(shù)參數(shù)與方案Ⅱ相同，斜坡道斷面為13 m2。主井井口坐標X=4 628 638.000 m，Y=41 586 240.000 m,井口標高為111 m，其余與方案Ⅰ相同。副井、風(fēng)井均與方案Ⅰ相同。方案Ⅲ開拓系統(tǒng)縱投影見圖4。

開拓方案技術(shù)經(jīng)濟比較見表2。

由表2可知，工程量方面，全部工程建完，方案Ⅱ比方案Ⅰ多12 811 m3，方案Ⅱ比方案Ⅲ少13 889 m3；達產(chǎn)時，方案Ⅱ比方案Ⅰ多4 651 m3，方案Ⅱ比方案Ⅲ少16 949 m3。投資方面，全部工程的工程設(shè)備投資，方案Ⅱ比方案Ⅰ多1 074萬元，方案Ⅱ比方案Ⅲ少926萬元；達產(chǎn)時工程設(shè)備投資，方案Ⅱ比方案Ⅰ少341萬元，方案Ⅱ比方案Ⅲ少1 605萬元。年經(jīng)營成本方面，方案Ⅱ比方案Ⅰ少660萬元，比方案Ⅲ也少660萬元。基建時間方面，方案Ⅱ基建時間最短，大約比方案Ⅰ和方案Ⅲ提前1～2 a。從裝備數(shù)量、工序繁簡程度及管理角度看，方案Ⅱ最優(yōu)，生產(chǎn)易于管理。能源消耗方面，方案Ⅱ最少，但不是清潔能源。

圖3 方案Ⅱ開拓系統(tǒng)縱投影

圖4 方案Ⅲ開拓系統(tǒng)縱投影

經(jīng)綜合權(quán)衡，推薦方案Ⅱ，即斜坡道+副井方案。方案Ⅱ具有方案Ⅲ的優(yōu)點，尤其是在-180 m中段以上優(yōu)勢明顯，在前18.2 a對低品位礦的利用具有絕對優(yōu)勢，同時還具有靈活性，可以在生產(chǎn)中根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

3 采礦方法選擇

礦體產(chǎn)狀見表3。

根據(jù)礦體開采技術(shù)條件及環(huán)保政策要求采空區(qū)地表不允許坍塌，采空區(qū)存放尾砂，采用生產(chǎn)能力和潛力大的采礦方法，可以裝備現(xiàn)代化采掘設(shè)備。因此，選擇空場采礦法，即階段礦房法[2]、分段采礦法[3]，為減緩或延遲采空區(qū)坍塌，采用分級尾砂嗣后充填采空區(qū)。

表2 開拓方案技術(shù)經(jīng)濟比較

表3 礦體產(chǎn)狀要素

3.1 階段礦房法

3.1.1 礦塊布置與結(jié)構(gòu)參數(shù)

礦體水平厚度大于40 m，礦塊垂直走向布置;厚度小于30 m，沿走向布置。礦塊長40 m，中段高度為50 m，間柱為8 m，底柱為8 m，頂柱為8 m，底柱中有塹溝出礦系統(tǒng)。階段礦房采礦法示意見圖5。

3.1.2 采切工作

中段主運巷道施工穿脈→上下盤脈外運輸平巷→上下盤出礦穿脈巷道→天井→下中段溜礦井；斜坡道→本中段的頂柱、底柱→鑿巖硐室聯(lián)絡(luò)道→頂?shù)字?lián)絡(luò)道拓寬→鑿巖硐室上掘3個通風(fēng)充填井。從礦房中間后退式放頂至底柱上界限并形成雙塹溝，自塹溝頂面向頂柱底面掘立槽天井，并向上下盤擴至礦界形成立槽。

3.1.3 回采工作

在鑿巖硐室中采用Simba261型高壓潛孔鉆機打垂直平行孔，孔間距為3.0 m，孔徑為150～165 mm，采用多孔多層深孔裝藥非電起爆網(wǎng)絡(luò)爆破，崩落的礦石落入塹溝中，在裝礦水平用4～6 m3鏟運機出礦至下盤溜井卸入，在下中段由電機車列車組裝運至中段主溜井卸礦。

3.1.4 充填工作

分級尾砂→充填站→充填井→礦房，一個礦塊內(nèi)間柱不回收，只充填礦房，礦房下部封閉出礦穿脈巷道。充填形成3～5 m高度，等待1～2 d，再充填至礦房頂柱鑿巖硐室上界為止。

3.1.5 礦柱回采

礦房回采后,采用尾砂充填采空區(qū)，形成充填體后，在鑿巖硐室采用崩落法回采頂?shù)字?，間柱不回收。

階段礦房法采切回采工程量計算見表4。

從采切至回收頂?shù)字瓿?，大約11～13個月。其中,采切3個月，鑿巖2個月，出礦5個月，充填2個月，礦柱回采1個月。生產(chǎn)能力為22萬t/a(660 t/d)。

3.2 分段礦房采礦法

3.2.1 礦塊布置與結(jié)構(gòu)參數(shù)

以礦體厚20 m計算，沿礦體走向布置礦塊；礦塊長68 m，間柱寬8 m，礦房為60 m;階段高度為50 m，分段高度為13 m，底柱為8 m，頂柱為3 m，底柱中有塹溝出礦系統(tǒng)。分段礦房采礦法示意見圖6。

3.2.2 采準工作

中段主運輸巷→穿脈→下盤脈外運礦平巷→出礦穿脈巷道→天井→鑿巖平巷→下中段出礦溜井。

3.2.3 切割工作

塹溝拉底巷道(4 m×2.8 m)→礦房中間或一側(cè)后退式放頂至底柱上界并形成塹溝→礦房中自塹溝頂面向頂柱底面掘立槽天井→分段崩巖巷道擴槽。

3.2.4 回采工作

自切割立槽開始后退式回采，在分段巷道中用YGZ90型潛孔鉆機打中深孔，孔網(wǎng)為2.0 m×2.0 m，孔徑為50～55 mm。采用多孔多排中深孔裝藥非電起爆網(wǎng)絡(luò)爆破，崩落的礦石落入塹溝中，在裝礦水平用4～6 m3鏟運機出礦，自出礦穿脈巷道運至下盤溜井卸入，在下中段由電機車列車組運至中段主溜井卸礦。

圖5 階段礦房采礦法(單位：m)

工程名稱數(shù)量/條斷面/m2長度/m礦巖開鑿量/m3礦巖工業(yè)儲量/t損失率/%貧化率/%采出礦量/t穿脈運巷112.7621268出礦平巷212.76481225穿脈巷112.763043383549采礦穿(下)512.76215128957采礦穿(上)512.76712447766人行通風(fēng)井0.53.827103溜礦井0.57.125178斜坡道0.512.7630383鑿巖聯(lián)絡(luò)巷112.7655702充填井37.11178塹溝拉底巷211.2801020立槽天井1636216礦房4658416647755166477頂?shù)字?770147014201544249間柱79322768310000

圖6 分段礦房采礦方法(單位：m)

3.2.5 充填工作

在出礦穿內(nèi)砌筑充填泄水擋墻。尾礦來自充填站，經(jīng)地表管、鉆孔、上中段運輸巷、穿脈巷進入采場。充填體形成一定高度(3～5 m)，停1～2 d，再充填至頂柱頂板高度。

3.2.6 礦柱回采

礦房回采后，采用尾砂充填采空區(qū)，形成充填體后，在鑿巖硐室采用崩落法回采梯形頂?shù)字?，間柱不回收。

分段礦房采礦法采切回采工程量計算見表5。

表5 分段礦房采礦法采切回采工程量計算

從采切至回收頂?shù)字瓿?大約11～13個月。其中,采切3個月，鑿巖2個月，出礦5個月，充填2個月，礦柱回采1個月。生產(chǎn)能力為21萬t/a(630 t/d)。

4 生產(chǎn)規(guī)模確定

依據(jù)礦體的資源儲量、賦存狀態(tài)、所采用的采礦方法及技術(shù)經(jīng)濟等綜合因素確定興洲鐵礦合理的采礦生產(chǎn)能力。

4.1 產(chǎn)量平衡綜合計算

根據(jù)可布置礦塊數(shù)與礦塊的生產(chǎn)能力分配產(chǎn)量。200萬t/a時，階段礦房采礦法為69%，分段礦房采礦法為31%；400萬t/a時，階段礦房采礦法為82%，分段礦房采礦法為18%。采礦綜合計算經(jīng)濟指標見表6。

表6 采礦綜合計算經(jīng)濟指標

4.2 設(shè)計利用儲量

根據(jù)礦床賦存特征和勘察工程控制程度，結(jié)合市場價格及生產(chǎn)成本等經(jīng)濟因素，確定入選品位MFe 18%作為臨界品位，高于該經(jīng)濟臨界品位，企業(yè)盈利，低于該經(jīng)濟臨界品位，企業(yè)虧損。本次設(shè)計控制的內(nèi)蘊經(jīng)濟資源量(332)全部利用，推斷的內(nèi)蘊經(jīng)濟資源量(333)利用70%。中段設(shè)計利用資源量見表7。

表7 中段設(shè)計利用資源量

從賦存狀態(tài)看,在北部低品位礦體位于工業(yè)礦體的外部并無明顯分界，還有大部分低品位礦體在走向上與工業(yè)礦體連續(xù)生成。因此，從開采的客觀性考慮，低品位礦體與工業(yè)礦體混采[4]比較適宜。

4.3 礦山工作制度

年工作330 d，每天3班，每班8 h，連續(xù)工作制。

4.4 生產(chǎn)能力計算

4.4.1 按中段可布置礦塊數(shù)計算

按中段可布置礦塊數(shù)計算生產(chǎn)能力見表8。

由表8可知，-80 m中段以上中段生產(chǎn)能力可達到350～410萬t/a，-130 m中段生產(chǎn)能力可達到330萬t/a，-180 m中段生產(chǎn)能力為295萬t/a。

表8 按中段可布置礦塊數(shù)計算生產(chǎn)能力

注：礦塊生產(chǎn)能力為A(階段礦房采礦法)600 t/d，B(分段礦房采礦法)400 t/d；中段礦塊利用系數(shù)取0.4；年工作天數(shù)330 d。

4.4.2 按采掘年下降強度計算

采掘年下降強度計算階段生產(chǎn)能力見表9。

由表9可知，-180 m中段以上中段生產(chǎn)能力可達到446～590萬t/a。

表9 采掘年下降強度計算階段生產(chǎn)能力

注：礦石回采率為82.6%，貧化率為7%。

4.4.3 按企業(yè)合理服務(wù)年限計算

按企業(yè)合理服務(wù)年限計算生產(chǎn)能力公式為[5]

(1)

式中,Q為設(shè)計儲量，一期建設(shè)至-80 m，設(shè)計利用儲量4 781.801萬t，二期建設(shè)至-180 m，設(shè)計利用儲量8 205.974萬t；η為回采率，82.6%；ρ為采礦貧化率，7%；T為企業(yè)服務(wù)年限，10～15 a。

計算得出生產(chǎn)能力A=283～486萬t/a。

通過以上3種方式計算生產(chǎn)能力，認為生產(chǎn)能力定為400萬t/a較為適宜，一期服務(wù)年限為11 a，二期服務(wù)年限為7.6 a；若只采高品位礦體(工業(yè)礦體)，生產(chǎn)能力定為200萬t/a較為適宜。

4.5 生產(chǎn)規(guī)模經(jīng)濟分析

從技術(shù)經(jīng)濟的角度分析比較2種規(guī)模方案[6],其中,200萬t/a規(guī)模又分為能力上無預(yù)留與有預(yù)留，結(jié)果見表10。

表10 生產(chǎn)規(guī)模方案技術(shù)經(jīng)濟比較

通過計算及分析比較，結(jié)合市場環(huán)境，當(dāng)鐵精礦價格在500元及以上時，確定生產(chǎn)規(guī)模為400萬t/a；當(dāng)鐵精礦價格在500元以下時，確定生產(chǎn)規(guī)模為200萬t/a。

5 結(jié) 語

(1)針對礦床開采保護地表技術(shù)問題，提出地下開采方式，采用尾砂嗣后充填采礦方法，取得較好的安全與生態(tài)效益。

(2)通過采礦方案優(yōu)化選擇，確定斜坡道+副井開拓方案，實現(xiàn)了分期投資開采，降低一次性投資費用，緩解資金緊張狀況，減少對生態(tài)環(huán)境的破壞和林土地征占費用，緩解村企矛盾，產(chǎn)生較好的社會效益。

(3)以市場為導(dǎo)向確定生產(chǎn)規(guī)模，當(dāng)鐵精礦價格在500元/t及以上時，確定生產(chǎn)規(guī)模為400萬t/a；當(dāng)鐵精礦價格在500元/t以下時，確定生產(chǎn)規(guī)模為200萬t/a，成功解決了資源綜合利用的問題，實現(xiàn)高效開采，經(jīng)濟效益顯著。

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