礦山充填成本的測算與控制方法研究

魏 勇，林 杰，劉建興，張 燊，翁雅潔

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 354200；2.福州大學(xué) 紫金地質(zhì)與礦業(yè)學(xué)院，福州 350108；3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083)

隨著全球范圍資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展問題愈加受到關(guān)注，充填采礦法在礦山也得到越來越廣泛的應(yīng)用，目前已成為我國《綠色礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》所推薦的主要采礦方法[1]。該法在提高資源的開采率和安全性以及保護(hù)環(huán)境等方面具有很多優(yōu)勢，卻因其成本相對較高[2-4]，在礦山尤其是低品位礦山的推廣應(yīng)用中受到了一定的限制。研究如何有效控制和降低充填采礦成本，不僅關(guān)乎礦山的經(jīng)濟(jì)效益，也直接影響充填采礦法的應(yīng)用推廣，進(jìn)而可能影響到綠色礦山建設(shè)進(jìn)程，是礦山需要面對解決的重要課題之一。本文通過礦山充填成本的構(gòu)成和計(jì)算模型進(jìn)行分析研究，結(jié)合實(shí)例提出成本控制的方法，研究對有關(guān)項(xiàng)目決策、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等具有一定的參考意義。

1 充填成本計(jì)算模型

按照費(fèi)用發(fā)生用途，充填成本的構(gòu)成主要包括材料、動力、擋墻、抽水、人工工資、折舊、維檢及備品備件成本。

1)材料成本：充填材料包括膠結(jié)劑和其他材料，前者主要為水泥、專用固化劑和礦渣微粉等；后者主要為管道磨損、絮凝劑、濾布及濾水管等。材料成本計(jì)算公式可表示為：

C1=MbA+Co

(1)

2)動力成本：主要為電力成本，包括兩部分，即選廠尾砂輸送到充填站消耗電量及料漿制備攪拌泵送至采空區(qū)的耗電量。年用電成本表示為：

C2=αEUDH

(2)

式中：α—用電不均衡系數(shù)，其值等于實(shí)際用電時(shí)間與計(jì)劃用電時(shí)間的比值；E—充填設(shè)備每小時(shí)耗電量，kWh；E=P，P為設(shè)備總功率，kW；U—工業(yè)用電單價(jià)，元/kWh；D—設(shè)備年計(jì)劃運(yùn)行天數(shù)，d；H—設(shè)備日計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間，h。

3)擋墻成本：

C3=stNqAq

(3)

式中：s—擋墻斷面積，m2；擋墻一般高度、寬度可按照進(jìn)路和聯(lián)絡(luò)道尺寸??；t—擋墻厚度，m；厚度可根據(jù)井下防水閘門設(shè)計(jì)取[6]；Nq—充填擋墻數(shù)量，套，擋墻數(shù)量可根據(jù)礦房劃分、階段高度、分段高度、進(jìn)路設(shè)計(jì)及聯(lián)絡(luò)道設(shè)計(jì)等確定；Aq—擋墻材料單價(jià)，元/m3。

4)抽水成本：充填料漿進(jìn)入井下采場后，經(jīng)沉縮流失形成固體充填空區(qū)，該過程中排出的水由水泵抽出到地表。

抽水成本可由下式計(jì)算：

C4=U·δWgH′/1000η

(4)

式中：δ—泌水率，即料漿泌水量與總含水量的比值；W—料漿總含水量，kg；g—重力加速度，m/s2；H′—提升高度，m；η—水泵電機(jī)效率；其余符號意義同前。

5)采場人工工資成本：

C5=NWf

(5)

式中：N—充填站人員編制，人；Wf—人均年薪，元。

6)折舊及維檢成本：

C6=(O-R)/Y

(6)

C7=(2%～3%)I

(7)

式中：C6—折舊費(fèi)，元；C7—維檢費(fèi)，元；O—充填系統(tǒng)原值，元；R—充填系統(tǒng)殘值，元；Y—礦山服務(wù)年限，年；I—充填系統(tǒng)投資額，元。

7)備品備件成本：備品備件成本C8可根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算。充填系統(tǒng)通常一備一用，備品備件包括濃密機(jī)配件(底板耐磨修補(bǔ)劑、直流電源、氣動控制閥)、攪拌機(jī)轉(zhuǎn)子等。

綜上，充填成本C可表達(dá)為如下計(jì)算模型：

C=MbA+Co+αEUDH+stNqAq+

U·δWgH′/1000η+NWf+(O-R)/Y+

(2%～3%)I+C8

(8)

需要說明的是，該公式適用于采用膠結(jié)充填的礦山進(jìn)行充填成本計(jì)算，對于料漿濃度較高的膏體充填，可不考慮抽水成本；對于非膠結(jié)充填的成本計(jì)算不考慮膠結(jié)劑成本，需根據(jù)來源另外計(jì)算充填料漿成本。

2 福建某銅礦充填成本分析

2.1 充填采礦現(xiàn)狀

福建某銅礦采用大直徑深孔崩落嗣后充填采礦法，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量165萬t，回采方式為隔三采一，分兩步驟開采。礦山充填系統(tǒng)采用分級尾砂結(jié)構(gòu)流膠結(jié)充填工藝，24 h連續(xù)充填。充填方案為圖1所示，除二步驟中下部采用尾砂廢石非膠結(jié)充填外，其余部分均采用固化劑膠結(jié)充填。一步驟采場底部、頂部灰砂比1∶8，充填體強(qiáng)度大于3.0 MPa；中部灰砂比1∶11，充填體強(qiáng)度大于2.0 MPa。二步驟采場底部、頂部灰砂比為1∶8；中上部灰砂比1∶20，充填體強(qiáng)度大于0.5 MPa。充填料漿平均濃度72.2%。

圖1 充填方案Fig.1 Filling scheme

2.2 參數(shù)選取

充填料漿沉縮率K1=1.05～1.15，流失系數(shù)取K2=1.05，充填作業(yè)不均衡系數(shù)K3=1.1～1.3；充采比Z=1，料漿平均密度1.67 g/cm3；根據(jù)礦房尺寸和充填方案，得到充填空區(qū)體積Vg為59 400 m3；膠結(jié)劑單價(jià)A取固化劑420元/t、425#水泥375元/t；其他材料成本類比安徽某銅礦[2]、武山銅礦[4]等；用電不均衡系數(shù)α=0.94；擋墻斷面積s=8.537 m2、厚度t=0.4～1.5 m；料漿泌水率δ=5%，水泵電機(jī)效率η=0.75；礦山服務(wù)年限15年。

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)前述計(jì)算模型及礦山實(shí)際參數(shù)，可計(jì)算得出福建某銅礦充填成本為3 580.11萬元，如表1所示，折合每立方米空區(qū)成本為60.27元，噸礦成本為21.84元，占采礦成本的18.83%。其各項(xiàng)成本占比如圖2所示，膠結(jié)材料成本是充填成本的決定性因素，同時(shí)擋墻成本、動力成本、人工工資成本及折舊費(fèi)共占19%，是充填成本的重要構(gòu)成部分。

表1 福建某銅礦充填成本Table 1 Filling cost of a copper mine in Fujian /萬元

圖2 福建某銅礦充填各項(xiàng)成本Fig.2 Various filling costs of a copper mine in Fujian

對于福建某銅礦，該銅礦年充填成本折合每立方米空區(qū)成本為60.27元。與表2國內(nèi)外礦山相比較可知，福建某銅礦充填成本較低。

表2 2020年國內(nèi)外礦山充填成本Table 2 Filling cost of domestic and foreign mines /(元·m-3)

根據(jù)上述充填成本計(jì)算模型，分析同一采礦方法礦山的充填成本，將安徽某銅礦、福建某銅礦及福建某鐵礦的充填成本(2020年)進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。

表3 采礦方法相同的礦山充填成本對比(2020年)Table 3 Comparison of filling costs of mines with the same mining methods(2020)

從表3可知，安徽某銅礦充填成本高出福建某銅礦一倍多，究其原因，由于其采場均采用水泥作為膠結(jié)劑充填，同樣強(qiáng)度下用量較高，導(dǎo)致膠結(jié)材料成本較高。安徽某銅礦與福建某鐵礦膠結(jié)材料成本占比分別為92.40%、74.64%。這說明膠結(jié)材料成本是決定充填成本最主要的因素。分析可知，若將其灰砂比由1∶8降低到1∶11，則成本由3 580.11萬元降為3 364.03萬元，下降了6.04%，降低膠結(jié)成本的效果顯著。福建某銅礦通過采用新型固化劑代替水泥充填，每年節(jié)省了約500萬元，福建某鐵礦研究新型固化劑后采用礦渣微粉、固化劑、水泥膠結(jié)充填[7]，成本大幅降低。表2中寶山鉛鋅礦使用膠結(jié)材料黃泥代替32%水泥，充填成本降低了23.78元/m3[8]。同時(shí)廢石膠結(jié)混合充填減少了膠結(jié)劑使用量，從而降低膠結(jié)材料成本，福建某銅礦二步驟中下部充入采場廢石，節(jié)省了膠結(jié)材料成本約700萬元/a。Kauldi金礦采用一步驟采場底部1/3廢石+二步驟底部2/3廢石充填，其余部分膠結(jié)充填，顯著降低了膠結(jié)材料成本，最終充填成本僅為44.52元/m3[9]。

安徽某銅礦擋墻成本僅次于膠結(jié)材料成本(福建某銅礦擋墻成本達(dá)到充填成本的4%)。計(jì)算表明，對于福建某銅礦，擋墻厚度由1.2 m降到0.4 m，成本降低2.23%?？芍?，作為礦山充填采礦法中一個重要的結(jié)構(gòu)，充填擋墻是充填成本中不可忽略的重要因素，可從擋墻尺寸和材料角度考慮降低成本的措施。

在人工成本方面，福建某銅礦(占比7%)高于其余兩個礦山(占比6%)，一方面是因?yàn)楝F(xiàn)階段充填工藝技術(shù)需要較多人員操作管理，另外一方面是由于充填工人薪資較高。

充填設(shè)備在使用過程中會產(chǎn)生一定程度損壞，需要定期檢查維修，進(jìn)一步導(dǎo)致折舊費(fèi)用提高，福建某鐵礦一年產(chǎn)生折舊費(fèi)用高達(dá)495.8萬元，占比10.96%，原因在于生產(chǎn)規(guī)模大，與其相匹配的設(shè)備昂貴且服務(wù)年限短。

2.4 成本控制方法

綜上分析，充填成本至少可從膠結(jié)材料、充填擋墻、人工工資及設(shè)備折舊這四個方面著手考慮加以控制，以達(dá)到降本增效的目的。

1)膠結(jié)材料：第一，開展新型膠結(jié)材料試驗(yàn)；探索適合的新型膠結(jié)材料代替水泥；定期開展充填體強(qiáng)度試驗(yàn)提高充填體強(qiáng)度、降低灰砂比，達(dá)到減少膠結(jié)材料使用量的目的。第二，優(yōu)化礦房不同充填部位高度及礦房尺寸，圍巖穩(wěn)定性允許條件下，設(shè)計(jì)較大尺寸的二步驟礦柱，較小尺寸的一步驟礦房；采用廢石非膠結(jié)-膠結(jié)混合充填，對于二步驟采場甚至某些一步驟采場，在滿足強(qiáng)度要求下，局部充入廢石以減少膠結(jié)劑使用量。第三，提高連續(xù)充填時(shí)間，降低充填作業(yè)不均衡系數(shù)。

2)擋墻：設(shè)計(jì)合理擋墻厚度，降低混凝土材料用量；開展實(shí)驗(yàn)，用充填料漿代替高價(jià)混凝土，降低材料成本。

3)人工：提高充填系統(tǒng)三維可視化和自動化程度，減少工人數(shù)量；制定管理規(guī)范及薪酬方式，發(fā)揮工人工作效率，減少充填過程中的工作失誤。

4)折舊成本：加強(qiáng)充填設(shè)備等固定資產(chǎn)管理；延長充填系統(tǒng)服務(wù)年限。

3 結(jié)論與建議

本文提出充填成本計(jì)算模型，通過實(shí)例計(jì)算得出福建某銅礦充填成本為60.27元/m3，進(jìn)一步比較分析可知，影響礦山充填成本的決定性因素為膠結(jié)材料成本，擋墻、人工工資、折舊成本皆為重要因素，總結(jié)提出充填成本控制的方法，即采用新型膠結(jié)材料降低灰砂比、優(yōu)化礦房等減少膠結(jié)劑使用量，降低材料成本；改進(jìn)充填擋墻尺寸及材料，降低擋墻成本；提高充填系統(tǒng)自動化程度；加強(qiáng)充填站固定資產(chǎn)管理、延長充填系統(tǒng)使用壽命。

需要指出，本文充填成本計(jì)算模型及控制方法研究是針對膠結(jié)充填而提出的，對于非膠結(jié)充填礦山可做定性參考。另外，在成本控制分析中未考慮市場、政策等復(fù)雜因素影響，且考慮單一的成本控制方法很難應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，礦山應(yīng)根據(jù)自身情況選擇有利措施降低充填成本，以充分發(fā)揮充填采礦法的優(yōu)勢。