興洲鐵礦開采方案選擇及生產能力確定

孟凡明

(撫順罕王傲牛礦業股份有限公司)

興洲鐵礦位于撫順市東洲區蘿卜坎村境內，礦區資源量大，多為低品位礦石，因礦區環境復雜，周邊有大量村莊，征用土地難度大、成本高，在當前鐵礦石市場價格低迷、國家環保政策監管不斷強化條件下，為經濟合理開發利用資源，依據礦體的資源條件、賦存狀態、技術經濟等因素綜合考慮，礦區資源采用地下開采方式，通過開采方案選擇和生產能力論證，確定合理的生產規模，力求達到最佳投資效果和經濟、社會效益。

1 資源概況

1.1 資源儲量

采礦證內保有資源量為1.14億t，其中工業礦體資源量(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、采選關系、礦山總平面現狀及工業場地設置等條件[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結。在破碎中段設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,承擔人員、材料及設備的提升任務。南風井位于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，井內設梯子間，20 m以下為倒段風井。北風井位于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，井內設梯子間。中段高度為50 m，設+70，+20，-30，-80，-130，-180 m共6個生產中段。20 m中段以下為14 t電機車與6 m3側卸式礦車組成列車組，軌距為900 mm，采用環形運輸方式；礦巖運至溜井轉放至主溜井，再由箕斗提升至地表。礦山通風系統采用副井進風，兩翼風井設主扇抽出對角式通風。方案Ⅰ開拓系統縱投影見圖2。

圖2 方案Ⅰ開拓系統縱投影

方案Ⅱ：以斜坡道代替主井及溜破系統。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)。達產年線路長1.44 km，服務年限內斜坡道線路總長1.78 km(一期)。斜坡道主要運輸礦石、廢石和大型設備。副井與方案Ⅰ相同。風井與方案Ⅰ相同。斜坡道最后一個中段為-180 m?？觾炔捎脽o軌運輸，即汽車運輸。方案Ⅱ開拓系統縱投影見圖3。

方案Ⅲ：礦山生產初期(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備的進出口。斜坡道入口及線路技術參數與方案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、風井均與方案Ⅰ相同。方案Ⅲ開拓系統縱投影見圖4。

開拓方案技術經濟比較見表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；達產時工程設備投資，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?；〞r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。從裝備數量、工序繁簡程度及管理角度看，方案Ⅱ最優，生產易于管理。能源消耗方面，方案Ⅱ最少，但不是清潔能源。

圖3 方案Ⅱ開拓系統縱投影

圖4 方案Ⅲ開拓系統縱投影

經綜合權衡，推薦方案Ⅱ，即斜坡道+副井方案。方案Ⅱ具有方案Ⅲ的優點，尤其是在-180 m中段以上優勢明顯，在前18.2 a對低品位礦的利用具有絕對優勢，同時還具有靈活性，可以在生產中根據實際情況進行調整。

3 采礦方法選擇

礦體產狀見表3。

根據礦體開采技術條件及環保政策要求采空區地表不允許坍塌，采空區存放尾砂，采用生產能力和潛力大的采礦方法，可以裝備現代化采掘設備。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坍塌，采用分級尾砂嗣后充填采空區。

表2 開拓方案技術經濟比較

表3 礦體產狀要素

3.1 階段礦房法

3.1.1 礦塊布置與結構參數

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。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→鑿巖硐室聯絡道→頂底柱聯絡道拓寬→鑿巖硐室上掘3個通風充填井。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絡爆破，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，形成充填體后，在鑿巖硐室采用崩落法回采頂底柱，間柱不回收。

階段礦房法采切回采工程量計算見表4。

從采切至回收頂底柱完成，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 礦塊布置與結構參數

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。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絡爆破，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)

工程名稱數量/條斷面/m2長度/m礦巖開鑿量/m3礦巖工業儲量/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人行通風井0.53.827103溜礦井0.57.125178斜坡道0.512.7630383鑿巖聯絡巷112.7655702充填井37.11178塹溝拉底巷211.2801020立槽天井1636216礦房4658416647755166477頂底柱4770147014201544249間柱79322768310000

圖6 分段礦房采礦方法(單位：m)

3.2.5 充填工作

在出礦穿內砌筑充填泄水擋墻。尾礦來自充填站，經地表管、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，形成充填體后，在鑿巖硐室采用崩落法回采梯形頂底柱，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

從采切至回收頂底柱完成,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。生產能力為21萬t/a(630 t/d)。

4 生產規模確定

依據礦體的資源儲量、賦存狀態、所采用的采礦方法及技術經濟等綜合因素確定興洲鐵礦合理的采礦生產能力。

4.1 產量平衡綜合計算

根據可布置礦塊數與礦塊的生產能力分配產量。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%。采礦綜合計算經濟指標見表6。

表6 采礦綜合計算經濟指標

4.2 設計利用儲量

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

表7 中段設計利用資源量

從賦存狀態看,在北部低品位礦體位于工業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礦體連續生成。因此，從開采的客觀性考慮，低品位礦體與工業礦體混采[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，連續工作制。

4.4 生產能力計算

4.4.1 按中段可布置礦塊數計算

按中段可布置礦塊數計算生產能力見表8。

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

表8 按中段可布置礦塊數計算生產能力

注：礦塊生產能力為A(階段礦房采礦法)600 t/d，B(分段礦房采礦法)400 t/d；中段礦塊利用系數取0.4；年工作天數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能力見表9。

由表9可知，-180 m中段以上中段生產能力可達到446～590萬t/a。

表9 采掘年下降強度計算階段生產能力

注：礦石回采率為82.6%，貧化率為7%。

4.4.3 按企業合理服務年限計算

按企業合理服務年限計算生產能力公式為[5]

(1)

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

計算得出生產能力A=283～486萬t/a。

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

4.5 生產規模經濟分析

從技術經濟的角度分析比較2種規模方案[6],其中,200萬t/a規模又分為能力上無預留與有預留，結果見表10。

表10 生產規模方案技術經濟比較

通過計算及分析比較，結合市場環境，當鐵精礦價格在500元及以上時，確定生產規模為400萬t/a；當鐵精礦價格在500元以下時，確定生產規模為200萬t/a。

5 結 語

(1)針對礦床開采保護地表技術問題，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效益。

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

(3)以市場為導向確定生產規模，當鐵精礦價格在500元/t及以上時，確定生產規模為400萬t/a；當鐵精礦價格在500元/t以下時，確定生產規模為200萬t/a，成功解決了資源綜合利用的問題，實現高效開采，經濟效益顯著。

[1] 鐘 勇,林 堯,王瑛毅.上宮金礦深部開拓系統方案優選[J].黃金,2017,38(1):32-36.

[2] 汪 生,顧家寬.嗣后充填階段礦房采礦法在張家夏樓鐵礦的應用[J].現代礦業,2011,27(7):68-70，86.

[3] 姜東泉.分段礦房法在濟南鋼城礦業公司的應用[J].中國礦山工程,2005(2):21-23.

[4] 張海軍，郭慧高，白廣勇，等. 貧富礦兼采與貧礦資源綜合利用實踐[C]//中國實用礦山地質學(上冊).北京:冶金工業出版社,2010:4.

[5] 王成功,李慶元,韓茂瑗.論地下礦山生產能力確定及經濟效果[J].有色金屬:礦山部分,1987(2):57.

[6] 李 彬. 昆鋼大紅山淺部低品位鐵礦開采方案研究[D].昆明：昆明理工大學,2008.