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(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院;2.冶金礦產(chǎn)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(tǒng)，保有足夠的開拓礦量［1-2］，達(dá)到礦山安全、連續(xù)生產(chǎn)的條件。不同的采礦方法、礦體賦存條件、開采技術(shù)條件、礦山規(guī)模，對礦山開拓礦量儲備的要求也有差別，硬性地規(guī)定3 a保有期的開拓礦量已經(jīng)失去了實際意義。傳統(tǒng)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(tǒng)一開拓工程指標(biāo)，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(guān)系，合理安排開拓工程，保證礦山開拓礦量穩(wěn)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(chǎn)的基礎(chǔ)，是衡量礦山開采礦量儲備情況的一個重要指標(biāo)，其數(shù)值與礦體產(chǎn)狀及開采技術(shù)條件有關(guān)。礦山中段開拓工程主要有巷道掘進(jìn)、天溜井施工、硐室施工等，其工程量是礦山作業(yè)組織施工的依據(jù)。礦山開拓礦量的形成與產(chǎn)生是以開拓工程為前提的，開拓工程的完成標(biāo)志著開拓礦量的一次性產(chǎn)生。

為了建立礦山開拓礦量與開拓工程量之間的聯(lián)系，反映兩者的內(nèi)在關(guān)系，需做一些假設(shè):①單一礦體，較規(guī)則，沿走向方向連續(xù);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(jīng)過圍巖的長度為定值;④礦體開采技術(shù)條件良好，不考慮礦柱設(shè)計損失;⑤開拓工程以巷道長度為指標(biāo)。

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(jīng)過圍巖的工程量。研究以豎井開拓為例，其環(huán)形運輸布置中段平面簡圖如圖1所示。

圖1 豎井開拓環(huán)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(jié)合礦體的產(chǎn)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(shù)學(xué)模型:

當(dāng)k為常數(shù)，l為自變量時，對l求導(dǎo)，有

當(dāng)l為常數(shù)，k為自變量時，對k求導(dǎo)，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(yuǎn)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(chǎn)狀變化及礦體不均勻的影響，依據(jù)幾何關(guān)系建立開拓礦量模型:

當(dāng)k為常數(shù)，l為自變量時，對l求導(dǎo)，有

當(dāng)l為常數(shù)，k為自變量時，對k求導(dǎo)，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(xiàn)更大。

(3)開拓工程與開拓礦量。將式(1)和式(4)聯(lián)系起來，建立開拓工程和開拓礦量聯(lián)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

當(dāng)開拓礦量Q一定時，對礦體厚度k求導(dǎo)，有

L'＜0，說明開拓礦量一定時，開拓工程函數(shù)為減函數(shù)，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(jīng)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(yuǎn)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(chǎn)生太大改變，也未與礦體產(chǎn)生直接作用，對礦體產(chǎn)狀變化是沒有貢獻(xiàn)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(guī)則時，有效開拓工程為礦體厚度和穿脈巷道數(shù)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(dá)式為式(9)，礦體規(guī)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(tǒng)進(jìn)行評價，以進(jìn)行礦山開拓組織安排的調(diào)整。

1.4 合理性驗證

以金山店鐵礦張福山西區(qū)－410 m中段為例，礦體規(guī)則，符合假設(shè)條件，可以對開拓工程表達(dá)式的實用性及合理性進(jìn)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(shù)據(jù)(見表1)代入式(7)中，可算得

表1 金山店鐵礦相關(guān)參數(shù)

現(xiàn)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(jié)果的誤差僅為2.7%，說明當(dāng)?shù)V體規(guī)則及開采技術(shù)條件穩(wěn)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(tǒng)

2.1 開采現(xiàn)狀

金山店鐵礦張福山礦區(qū)采用無底柱分段崩落法作為礦床開采的主導(dǎo)采礦方法，結(jié)構(gòu)參數(shù)為中段高度70 m，分段高度14 m，進(jìn)路間距16 m。礦山分東區(qū)和西區(qū)，2區(qū)生產(chǎn)下降不均衡，西區(qū)已達(dá)－340 m水平，距－410 m有4～5個分段，東區(qū)仍停留在－340 m中段－284 m、－298 m水平。西區(qū)為Ⅰ號礦體開采，－340 m水平正在回采，部分礦塊進(jìn)行切割和中深孔施工，－354 m水平主要進(jìn)行采準(zhǔn)工作。東區(qū)開采分為Ⅰ號礦體和Ⅱ號礦體2部分，－298 m水平正在進(jìn)行回采作業(yè)，－312 m水平進(jìn)行采準(zhǔn)工作。

2.2 開拓系統(tǒng)現(xiàn)狀

新主井井口標(biāo)高+107.3 m，井筒凈直徑5.6 m，井底標(biāo)高－828 m，擔(dān)負(fù)礦石、廢石提升任務(wù)。中央副井井筒凈直徑6.5 m，井口標(biāo)高+107 m，井底標(biāo)高－520 m，用以提升人員、材料，下放設(shè)備，最低服務(wù)至－410 m中段。采用中央副井、中央主井、西副井進(jìn)風(fēng)，東副井、西回風(fēng)井、新主井分區(qū)出風(fēng)的兩級壓抽結(jié)合通風(fēng)系統(tǒng)［5］。采用集中式排水方式，－410 m中段中央副井旁設(shè)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(shè)置溜破系統(tǒng)，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(tǒng)設(shè)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(qū)不做改變，西區(qū)改為充填法，中段高度由70 m增加至90 m，設(shè)置－500、－590、－680 m 3個中段，－410m中段開采完畢立即轉(zhuǎn)入－500 m中段。新主井提升礦石、廢石，副井延伸至－817 m，可服務(wù)至－680 m，－750～－780 m之間新建一溜破系統(tǒng)，新增一東進(jìn)風(fēng)井，采用集中式排水，－680 m水平設(shè)置水倉和水泵房。

3 開拓系統(tǒng)分析

3.1 開拓礦量

西區(qū)生產(chǎn)在 －410 m中段進(jìn)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(qū)開采服務(wù)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(jīng)達(dá)到－410 m中段，東西區(qū)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(chǎn)能力，萬t/a;r為廢石混入率，取22%。

按礦區(qū)年生產(chǎn)能力230萬t，開拓礦量綜合保有期為7.5 a，若依據(jù)目前東西區(qū)生產(chǎn)能力，西區(qū)開拓礦量保有期為4.7 a，東區(qū)開拓礦量保有期為14.0 a。目前東區(qū)正在加緊掘進(jìn)工作，生產(chǎn)能力逐漸提高，直至達(dá)到設(shè)計規(guī)模。考慮到生產(chǎn)能力的變化，西區(qū)保有期為6.6 a，東區(qū)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(chǎn)狀況，西區(qū)下降速度可達(dá)13.6 m/a，生產(chǎn)能力降低后，下降速度為8.5 m/a。東區(qū)仍停留在投產(chǎn)階段，下降慢，隨著生產(chǎn)能力達(dá)到設(shè)計值，下降加快。綜合東西區(qū)，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(qū)生產(chǎn)，降低下降差距［6］，使其同步下降。

3.4 開拓系統(tǒng)分析

東西區(qū)生產(chǎn)狀況差異很大，西區(qū)承擔(dān)了主要的生產(chǎn)任務(wù)，下降較快，隨著東區(qū)達(dá)產(chǎn)，西區(qū)下降減緩，東區(qū)下降將加快。依照生產(chǎn)計劃，西區(qū)開拓礦量保有期為6.6 a，東區(qū)8.3 a。－500 m中段礦體開采，需完成井筒延伸、巷道掘進(jìn)、硐室施工和設(shè)備安裝，同時要進(jìn)行一定礦量的開采準(zhǔn)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(jīng)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(xiàn)工程難以按進(jìn)度完成的狀況。由此可見，礦山已經(jīng)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(chǎn)生，礦量不足，說明開拓工程安排不合理。

4 開拓工程優(yōu)化

開拓工程決定開拓礦量，其合理性影響著礦山生產(chǎn)的連續(xù)性。應(yīng)對不同賦存條件礦山的開拓狀況進(jìn)行比較，依據(jù)有效開拓工程，優(yōu)化礦山開拓工程，使開拓礦量保有量滿足礦山生產(chǎn)需要。

4.1 金山店礦床地質(zhì)

金山店鐵礦礦田位于淮陽山字型構(gòu)造的前弧西翼與幕阜山為主體的楊子緯向構(gòu)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(fā)生了熱力變質(zhì)作用和接觸交代變質(zhì)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(biāo)高+110～－1 100 m，形態(tài)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(guī)模在礦床中僅次于I號礦體，位于Ⅰ號礦體東段北側(cè)，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(biāo)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(zhì)

某鐵礦是一個大型接觸交代(矽卡巖型)磁鐵礦床，礦區(qū)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(gòu)造上位于淮陽山字型構(gòu)造前弧西翼近弧頂?shù)牟课弧ｈF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(biāo)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(jìn)行統(tǒng)計，具體數(shù)據(jù)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(yōu)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(chǎn)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(shù)相同時，為了確保開拓礦量相等，保證礦山生產(chǎn)順利進(jìn)行及中段合理銜接，厚度小的礦體就要提早進(jìn)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(zhì)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(xiàn)困難，為了生產(chǎn)的正常進(jìn)行，礦山需加大開拓工程指標(biāo)。

5 結(jié)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(guān)系，具有一定的合理性與實用性。依據(jù)金山店鐵礦的開拓系統(tǒng)及開采現(xiàn)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(tǒng)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(yōu)化的結(jié)果是:礦山應(yīng)增加開拓工程計劃，保有合理開拓礦量。

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