基于有效開拓巷道的合理開拓工程研究

李俊超 許夢國 王 平 朱明德 謝 峰

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院;2.冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室)

礦山在開采過程中，必須首先建立滿足采礦方法工藝流程的開拓系統，保有足夠的開拓礦量［1-2］，達到礦山安全、連續生產的條件。不同的采礦方法、礦體賦存條件、開采技術條件、礦山規模，對礦山開拓礦量儲備的要求也有差別，硬性地規定3 a保有期的開拓礦量已經失去了實際意義。傳統的開拓礦量研究著重于開拓礦量保有期，只要求滿足中段開拓時間［3-4］，忽視了開拓工程的影響。不考慮中段開拓工程的影響，不同礦山采用統一開拓工程指標，容易引起開拓礦量保有不足，造成中段開采后期開拓工作緊張的局面。不同的賦存條件，礦山的開拓工程差別很大。因此，有必要研究開拓工程與礦體賦存條件、開拓礦量與開拓工程量的關系，合理安排開拓工程，保證礦山開拓礦量穩定。

1 開拓礦量與有效開拓巷道

1.1 開拓工程與開拓礦量

開拓礦量是礦山生產的基礎，是衡量礦山開采礦量儲備情況的一個重要指標，其數值與礦體產狀及開采技術條件有關。礦山中段開拓工程主要有巷道掘進、天溜井施工、硐室施工等，其工程量是礦山作業組織施工的依據。礦山開拓礦量的形成與產生是以開拓工程為前提的，開拓工程的完成標志著開拓礦量的一次性產生。

為了建立礦山開拓礦量與開拓工程量之間的聯系，反映兩者的內在關系，需做一些假設:①單一礦體，較規則，沿走向方向連續;②礦體走向長度近似于沿脈運輸巷道長度;③井底車場、石門及穿脈經過圍巖的長度為定值;④礦體開采技術條件良好，不考慮礦柱設計損失;⑤開拓工程以巷道長度為指標。

這里定義l為礦體沿走向長度，k為平均厚度，h為中段高度，c為井底車場和石門工程量，L為中段開拓巷道總工程量，Q為開拓礦量，ρ為平均密度，l1為穿脈運輸巷道間距，lf為穿脈巷道經過圍巖的工程量。研究以豎井開拓為例，其環形運輸布置中段平面簡圖如圖1所示。

圖1 豎井開拓環形布置中段平面示意

1.2 說 明

(1)開拓工程。開拓工程用井底車場、石門、沿脈和穿脈工程量之和表示，結合礦體的產狀，可以建立以礦體長度和礦體厚度為自變量的開拓工程量數學模型:

當k為常數，l為自變量時，對l求導，有

當l為常數，k為自變量時，對k求導，有

比較得到L'l＜L'k，說明礦體厚度對開拓工程量的影響比沿走向長度的影響更大。l遠大于l1，其變化率L'k非常大，說明礦體厚度對開拓工程量起主要作用。

(2)開拓礦量。忽略礦體產狀變化及礦體不均勻的影響，依據幾何關系建立開拓礦量模型:

當k為常數，l為自變量時，對l求導，有

當l為常數，k為自變量時，對k求導，有

比較得到Q'l＜Q'k，說明礦體厚度對開拓礦量的影響大于礦體走向長度的影響，即厚度對開拓礦量的貢獻更大。

(3)開拓工程與開拓礦量。將式(1)和式(4)聯系起來，建立開拓工程和開拓礦量聯系的數學表達式:

當開拓礦量Q一定時，對礦體厚度k求導，有

L'＜0，說明開拓礦量一定時，開拓工程函數為減函數，隨著礦體厚度變大，開拓工程總量降低，即單位礦量所需的開拓工程更少。

1.3 有效開拓巷道

定義有效開拓巷道為穿脈經過礦體的部分，其工程稱為有效開拓工程，用Ly表示，相對而言，未穿過礦體的巷道工程稱為無效開拓工程。開拓工程利用率為有效開拓工程量與中段開拓工程量的比值，用α表示。

不同的礦體賦存條件(尤其是厚度)，所需的礦山開拓工程差異很大。開拓工程中，井底車場及石門、上下盤沿脈運輸巷道均布置在圍巖中，且遠離礦體，穿脈運輸輔助巷道靠近礦體，這些開拓工程不因礦體厚度的變化而產生太大改變，也未與礦體產生直接作用，對礦體產狀變化是沒有貢獻的，對礦體是無效的。有效開拓巷道穿過礦體，其工程量隨礦體厚度而改變，有效開拓工程越大，控制的開拓礦量也越多。礦體規則時，有效開拓工程為礦體厚度和穿脈巷道數量的乘積。開拓工程利用率反映了有效開拓工程的實際利用情況，表達式為式(9)，礦體規則時可以使用式(10):

隨著礦體厚度增大，有效開拓工程增多，α變大，開拓工程利用率越高。礦山可以采用有效開拓工程和開拓工程利用率對開拓系統進行評價，以進行礦山開拓組織安排的調整。

1.4 合理性驗證

以金山店鐵礦張福山西區－410 m中段為例，礦體規則，符合假設條件，可以對開拓工程表達式的實用性及合理性進行驗證。這里只考慮沿脈和穿脈工程量，不計井底車場和石門，因此需要去掉各式中的c。將數據(見表1)代入式(7)中，可算得

表1 金山店鐵礦相關參數

現場實際開拓工程量為4 744.3 m，計算開拓工程量為4 617.7 m，計算結果的誤差僅為2.7%，說明當礦體規則及開采技術條件穩定的情況下，公式是合理的，能夠反映實際情況。

2 金山店鐵礦開拓系統

2.1 開采現狀

金山店鐵礦張福山礦區采用無底柱分段崩落法作為礦床開采的主導采礦方法，結構參數為中段高度70 m，分段高度14 m，進路間距16 m。礦山分東區和西區，2區生產下降不均衡，西區已達－340 m水平，距－410 m有4～5個分段，東區仍停留在－340 m中段－284 m、－298 m水平。西區為Ⅰ號礦體開采，－340 m水平正在回采，部分礦塊進行切割和中深孔施工，－354 m水平主要進行采準工作。東區開采分為Ⅰ號礦體和Ⅱ號礦體2部分，－298 m水平正在進行回采作業，－312 m水平進行采準工作。

2.2 開拓系統現狀

新主井井口標高+107.3 m，井筒凈直徑5.6 m，井底標高－828 m，擔負礦石、廢石提升任務。中央副井井筒凈直徑6.5 m，井口標高+107 m，井底標高－520 m，用以提升人員、材料，下放設備，最低服務至－410 m中段。采用中央副井、中央主井、西副井進風，東副井、西回風井、新主井分區出風的兩級壓抽結合通風系統［5］。采用集中式排水方式，－410 m中段中央副井旁設中央變電所及水泵房，－340 m中段的涌水通過泄水井到－410 m水倉，－410 m中段涌水通過中段運輸大巷流至水倉，用水泵排至地表。－450～－590 m之間設置溜破系統，粉礦回收通過電梯井提升至皮帶道。

2.3 －410 m以下開拓系統設計

采用充填法和無底柱分段崩落法共同開采礦體，其中東區不做改變，西區改為充填法，中段高度由70 m增加至90 m，設置－500、－590、－680 m 3個中段，－410m中段開采完畢立即轉入－500 m中段。新主井提升礦石、廢石，副井延伸至－817 m，可服務至－680 m，－750～－780 m之間新建一溜破系統，新增一東進風井，采用集中式排水，－680 m水平設置水倉和水泵房。

3 開拓系統分析

3.1 開拓礦量

西區生產在 －410 m中段進行，開拓礦量為－340 m剩余礦量、－340～－396 m之間礦量，保有713.3萬t。東區開采服務在－340 m中段，開拓礦量為－284 m及－298 m分段剩余礦量、－298～－326 m之間礦量和－410 m中段開拓礦量總和，保有931.3萬t。礦山開拓已經達到－410 m中段，東西區保有開拓礦量總和為1 644.6萬t。

3.2 開拓礦量保有期

開拓礦量保有期Tk為

式中，K為礦石回采率，取82%;A為礦山年生產能力，萬t/a;r為廢石混入率，取22%。

按礦區年生產能力230萬t，開拓礦量綜合保有期為7.5 a，若依據目前東西區生產能力，西區開拓礦量保有期為4.7 a，東區開拓礦量保有期為14.0 a。目前東區正在加緊掘進工作，生產能力逐漸提高，直至達到設計規模。考慮到生產能力的變化，西區保有期為6.6 a，東區保有期為8.3 a。

3.3 開采下降速度

礦山年開采下降速度

依目前生產狀況，西區下降速度可達13.6 m/a，生產能力降低后，下降速度為8.5 m/a。東區仍停留在投產階段，下降慢，隨著生產能力達到設計值，下降加快。綜合東西區，礦山的下降速度為12.5 m/a，其值是合理的，但要平衡東西區生產，降低下降差距［6］，使其同步下降。

3.4 開拓系統分析

東西區生產狀況差異很大，西區承擔了主要的生產任務，下降較快，隨著東區達產，西區下降減緩，東區下降將加快。依照生產計劃，西區開拓礦量保有期為6.6 a，東區8.3 a。－500 m中段礦體開采，需完成井筒延伸、巷道掘進、硐室施工和設備安裝，同時要進行一定礦量的開采準備工作，其所需時間為6.5 a左右。

－410 m以上礦體開采開拓礦量保有期已經和下中段礦體的開拓工程時間相近，考慮到開拓過程中的不確定性因素影響，可能出現工程難以按進度完成的狀況。由此可見，礦山已經面臨開拓礦量保有不足的局面。開拓礦量隨開拓工程的完成而產生，礦量不足，說明開拓工程安排不合理。

4 開拓工程優化

開拓工程決定開拓礦量，其合理性影響著礦山生產的連續性。應對不同賦存條件礦山的開拓狀況進行比較，依據有效開拓工程，優化礦山開拓工程，使開拓礦量保有量滿足礦山生產需要。

4.1 金山店礦床地質

金山店鐵礦礦田位于淮陽山字型構造的前弧西翼與幕阜山為主體的楊子緯向構造帶間的過渡地帶，張福山礦床位于礦田中部，金山店侵入雜巖體南緣中段。礦床為矽卡巖型鐵礦床，發生了熱力變質作用和接觸交代變質作用。

Ⅰ號礦體西起3號勘探線以西，東至44號勘探線，東西長2 690 m，走向 NE77°～SE126°，傾向SE172°～SW203°，傾角50°～85°，賦存標高+110～－1 100 m，形態較簡單，在平面上呈條帶狀展布，平均厚度24.79 m。Ⅱ號礦體的規模在礦床中僅次于I號礦體，位于Ⅰ號礦體東段北側，兩者相距15～120 m，東西長1 020 m，走向近東西，一般傾向南，傾角50°～81°，礦體賦存標高為70～－719 m，平均厚度26.36 m，具有上薄下厚、東厚西薄變化特征。

4.2 某鐵礦礦床地質

某鐵礦是一個大型接觸交代(矽卡巖型)磁鐵礦床，礦區地層出露較簡單，主要為三疊系和部分下侏羅系，第四系僅在地表分布，大地構造上位于淮陽山字型構造前弧西翼近弧頂的部位。鐵礦體大部賦存在花崗巖與閃長巖、大理巖的接觸帶上，28號至59號勘探線，分布范圍東西長約2 200 m，賦存標高在+60～－1 055 m，一般為北西西走向，傾向南西，傾角一般為15°～46°，淺部傾角較陡(46°左右)，深部一般傾角較緩(15°～30°)，厚度一般在50～70 m左右。

4.3 開拓工程對比

將2個礦山典型中段的開拓工程和開拓礦量進行統計，具體數據見表2。

對比2礦山的開拓工程和開拓礦量，金山店鐵礦的礦體厚度相比某實例礦山比較小，其有效開拓工程、開拓工程利用率、中段開拓礦量都比較小，而開拓工程卻很大。

表2 開拓工程量和開拓礦量對比分析

4.4 開拓工程優化

礦體厚度越小，開拓工程利用率越低，單位開拓工程所控制的開拓礦量越少。同等生產能力，要保有同等開拓礦量，厚度小的礦山需多中段開采［7］，即完成多個中段的開拓工程。開采階段數相同時，為了確保開拓礦量相等，保證礦山生產順利進行及中段合理銜接，厚度小的礦體就要提早進行開拓工程，增大開拓工程組織。

金山店鐵礦－340、－410m 2個中段同時開采，但開采不在同一豎直方向，從本質上是單中段開采方式。礦山礦體厚度較小，有效開拓工程比例小，單位開拓礦量所需的開拓工程量大。按目前的開拓工程安排，中段過渡將出現困難，為了生產的正常進行，礦山需加大開拓工程指標。

5 結論

通過對開拓工程和開拓礦量的分析，建立了兩者之間的關系，具有一定的合理性與實用性。依據金山店鐵礦的開拓系統及開采現狀，其開拓礦量保有不足，開拓工程滯后。不同賦存條件，礦山的開拓系統利用情況和開拓工程差別很大，主要為有效開拓巷道的作用。使用有效開拓工程對金山店鐵礦開拓工程優化的結果是:礦山應增加開拓工程計劃，保有合理開拓礦量。

［1］ 解世俊.金屬礦地下開采［M］.北京:冶金工業出版社，1986.

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