基于礦體賦存條件的三級礦量優(yōu)化管理

朱明德，許夢國，王 平，王明旭，李 斌

（1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢430081）

生產(chǎn)準(zhǔn)備礦量是根據(jù)礦山開采準(zhǔn)備工程和地質(zhì)工作程度所圈定和計算的資源儲量。露天開采將生產(chǎn)準(zhǔn)備礦量劃分為開拓和回采二級；地下開采將生產(chǎn)準(zhǔn)備礦量劃分為開拓、采準(zhǔn)和回采三級［1］。本文主要討論地下金屬礦山三級礦量的相關(guān)問題。

三級生產(chǎn)儲量是保證礦山正常穩(wěn)定生產(chǎn)的一項重要指標(biāo)。如果三級礦量保有量過少，則不能保證礦山正常、穩(wěn)定、持續(xù)、協(xié)調(diào)地生產(chǎn)，影響礦山產(chǎn)量的穩(wěn)定；三級礦量保有量也不宜過多，過多則意味著一部分人力、物力投入過早、過多，增加基建投資和生產(chǎn)費(fèi)用，造成大量資金積壓。礦山施工過早，勢必誘發(fā)地壓早現(xiàn)，發(fā)生冒頂、垮幫等現(xiàn)象，增加巷道的維護(hù)費(fèi)用，造成人力、物力的浪費(fèi)［2］。合理儲備三級礦量，適合礦井生產(chǎn)能力要求，既滿足三級礦量的數(shù)量要求，又確保三級礦量在各礦體、各階段的空間布局合理，是保證礦山持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的基本條件，是礦山生產(chǎn)管理帶有全局性的、根本的課題。

隨著礦山的逐年開采，礦床開采過程中遇到的問題也越來越多，三級礦量保有量的合理分配也越發(fā)顯得不可忽視。為了適應(yīng)社會主義市場經(jīng)濟(jì)的需要，減少地下礦產(chǎn)資源的浪費(fèi)，使礦山利益最大化，合理分配三級礦量保證礦山生產(chǎn)工作均衡持續(xù)地發(fā)展，使礦山企業(yè)走上良性循環(huán)的道路勢在必行。本文主要是針對各個礦山不同的礦床賦存條件，提出有效備采礦量的概念，對各地下礦山的三級礦量保有量的管理優(yōu)化提供參考。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代初參照原蘇聯(lián)人的經(jīng)驗，原冶金部規(guī)定三級礦量的保有期，開拓礦量保有期應(yīng)保持在3年以上，采準(zhǔn)礦量保有期為1年左右，回采礦量保有期為6個月左右，簡稱“316”［3］。后原冶金部又于1964年制定《有色金屬礦山生產(chǎn)礦量計算暫行規(guī)程》以及1980年頒布《有色金屬礦山地質(zhì)測量條例》對礦山企業(yè)的儲量管理起到了重要的指導(dǎo)作用。幾十年來采礦工作者就礦山三級礦量的計算和管理做了大量的研究，也取得許多成果。

20世紀(jì)60年代以來，我國地下礦山在編制年度采掘計劃工作中就普遍開始了關(guān)于礦山三級礦量的計算。但是當(dāng)時學(xué)術(shù)界關(guān)于三級礦量的各種觀點存在很大的分歧，礦山企業(yè)和學(xué)術(shù)界關(guān)于三級礦量的計算方法并沒有達(dá)成統(tǒng)一的觀點，使得這一時期對三級礦量保有量的計算方面存在許多不足［4］。

隨著采礦方法的成熟和采礦設(shè)備的更新，三級礦量的計算與管理過程中存在的一些問題被逐漸克服。部分專家學(xué)者根據(jù)不同礦山的具體情況以及其相對應(yīng)的采礦方法，從宏觀的角度對各個礦山三級礦量進(jìn)行優(yōu)化管理，提出礦山企業(yè)在三級礦量管理過程中的兩個不可缺少的原則。

1）生產(chǎn)探礦對三級礦量管理的要求。根據(jù)礦床的地質(zhì)條件和不同的采礦方法，取樣編錄所有已揭露礦床的井巷和采場，確定合適的生產(chǎn)探礦工程，確保其符合工業(yè)指標(biāo)規(guī)定的礦體邊界固定值。

2）三級礦量必須滿足開采順序和回采時間的要求。就一個階段而言，其開采順序一般是自上而下、由遠(yuǎn)而近。某些局部礦塊或礦柱也應(yīng)在整體和時間上滿足回采要求，對于不符合開采順序的可采礦量不能列為三級礦量［5］。

2 基于礦體賦存條件的有效備采礦量優(yōu)化模型

合理確定三級礦量保有量，這一問題在國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，許多方案已經(jīng)取得了良好的效果。但隨著采礦方法的改革、采礦設(shè)備的更新和采場參數(shù)的調(diào)整，國內(nèi)許多礦山原有的三級礦量保有量不再符合現(xiàn)有采礦技術(shù)和采礦設(shè)備條件下礦山正常生產(chǎn)的要求，使得許多礦山在改善采礦方法和更新采礦設(shè)備的同時，不得不對原有的三級礦量保有量進(jìn)行優(yōu)化管理。例如，為了與采用的新式采礦設(shè)備相適應(yīng)，程潮鐵礦于2001年初對其采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，造成其三級礦量保有期限不合理。有關(guān)專家針對程潮鐵礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整和采礦設(shè)備的更新情況，采用超前時間系數(shù)的方法確定其三級礦量保有期限分別為：開拓礦量8.7年，采準(zhǔn)礦量14.2個月，備采礦量7.6個月［6］。保有期限對應(yīng)的各級礦量較好的保證了礦山持續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)。

但各個礦山的礦體賦存條件千差萬別，現(xiàn)有的三級礦量計算方法并不能適用于所有礦山，直接套用其他礦山三級礦量保有量的優(yōu)化方案顯然并不科學(xué)。如大冶鐵礦尖林山采區(qū)的三級礦量保有量不均衡，其備采礦量嚴(yán)重不足。有關(guān)學(xué)者針對尖林山采區(qū)的實際情況，提出通過合理的布置切割工程增加自由面和可回采進(jìn)路來增加備采礦量，不僅解決了三級礦量不均衡的問題，還改善了采場的通風(fēng)條件、降低了生產(chǎn)成本，取得了較好的生產(chǎn)成果［7］。可見各個礦山關(guān)于三級礦量的優(yōu)化方案存在很大差別。

各礦山的地質(zhì)條件不可能完全相同，這對確定統(tǒng)一合理的三級礦量計算方案造成很大影響，尤其是復(fù)雜地質(zhì)條件下的三級礦量管理又增加了很多不確定的因素。本文根據(jù)礦床的不同賦存條件，提出有效備采礦量的概念，對礦山的三級礦量保有量進(jìn)行計算。

有效備采礦量是指按照礦山所采用的采礦方法，符合礦山生產(chǎn)的開采順序，并且能在計劃的回采時間被及時回采的備采礦量。下面給出有效備采礦量的計算公式：

式中：Q備為有效備采礦量，t；S為礦體水平面積，m2；D為階段內(nèi)礦體平均厚度，m；γ礦為礦石體重，t／m3；N 為階段內(nèi)的采場（或進(jìn)路）總數(shù)，個；n為每月動用的平均采場（或進(jìn)路）數(shù)，個；R為有效備采礦量系數(shù)，取1.1～1.5。

有效備采系數(shù)R的取值與礦體水平面函數(shù)f直接相關(guān)。此處礦體水平面函數(shù)f指的是在礦體水平面積內(nèi)的所有進(jìn)路的平均長度，即：

式中，Li為礦體水平面積內(nèi)第i條進(jìn)路的長度，m；Nf為礦體水平面積內(nèi)的進(jìn)路總條數(shù)。

當(dāng)f較小時，礦塊周轉(zhuǎn)速度快，R值應(yīng)適當(dāng)取大一些以滿足礦山持續(xù)均衡生產(chǎn)的要求；而當(dāng)f較大時，在確保礦山正常穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，R值可以適當(dāng)取小一些，盡量縮減三級礦量保有量。如圖1所示某礦的礦體水平面圖，該礦水平面函數(shù)較大，一個階段的開拓和運(yùn)輸通風(fēng)系統(tǒng)一旦形成就能獲得較多的開拓礦量，所以確保礦山正常穩(wěn)定生產(chǎn)的同時，應(yīng)盡量減少三級礦量保有量以減少流動資金的占用和巷道的維護(hù)費(fèi)用。

圖1 某礦礦體水平面函數(shù)圖

3 應(yīng)用實例

金山店鐵礦包括張福山和余華寺兩個礦區(qū)。余華寺礦區(qū)原為焦作分礦，2001年10月與金山店鐵礦合并，成為金山店鐵礦的一個礦區(qū)。張福山礦區(qū)以025?？碧骄€為界分為東、西兩個區(qū)，025?？碧骄€以東稱為東區(qū)，025?？碧骄€以西稱為西區(qū)。

金山店鐵礦張福山西區(qū)于1968年開工建設(shè)，1979年基本建成并試生產(chǎn)，1988年正式投產(chǎn)，核定規(guī)模100萬t／a。1996年開始建設(shè)接續(xù)工程，開采－200～－410m間的礦體，2001年10月開始建設(shè)東區(qū)工程。東、西區(qū)設(shè)計規(guī)模合計為150萬t／a。由于東區(qū)上部礦體規(guī)模小，產(chǎn)狀較為復(fù)雜，再加上工農(nóng)關(guān)系等因素，東區(qū)－270m水平以上未能如期開采。2003年進(jìn)行改擴(kuò)建工程設(shè)計，將張福山和余華寺兩個獨立的礦山整合成一體。金山店鐵礦余華寺礦區(qū)地下開采一期工程70年代開始建設(shè)，設(shè)計規(guī)模40萬t／a，1991年正式投產(chǎn)，1996年達(dá)產(chǎn)。金山店鐵礦生產(chǎn)規(guī)模從150萬t／a擴(kuò)大到300萬t／a。在張福山已有中央主井以正北80m處新建一條主井，擔(dān)負(fù)300萬t／a礦石和45萬t／a廢石提升任務(wù)。

張福山礦床位于金山店侵入巖體南緣羅咸益、張福山和羅同云一帶。礦化范圍西起3線，東至52線，長3500m，南北寬100～600m，共分布大小100個礦體，其中規(guī)模較大的有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ號礦體，Ⅰ和Ⅱ號礦體占礦床探明儲量的90%以上。Ⅰ號礦體規(guī)模最大，分布于3～44線間，東西走向長2690m，礦體走向 NE77°～SE126°，傾向SE172°～SW203°，傾角為 60°～85°。賦存標(biāo)高 ＋110～－1000m，真厚度0.18～83.96m，平均25m。Ⅱ號礦體位于Ⅰ號礦體下盤，相距15～120m，分布于26～43線之間，東西走向長1020m，走向近東西，一般傾向南，傾角為50°～81°礦體厚度0.7～131.31m，平均26.4m，呈上薄下厚，東厚西薄趨勢。礦體形態(tài)復(fù)雜，平面上呈條帶狀、半月形或透鏡狀，剖面上呈脈狀、彎弓狀和不規(guī)則大透鏡狀。以下根據(jù)張福山西區(qū)的情況進(jìn)行具體分析，其礦體水平面函數(shù)如圖2所示。

圖2 金山店張福山西區(qū)礦體水平面函數(shù)圖

張福山西區(qū)－340～－410階段6～25線之間的I號礦體，走向近東西，傾向南，傾角較陡，一般為65°～75°。階段生產(chǎn)勘探范圍內(nèi)礦體厚度最小3～4m，最大60m，平均厚度D為39.7m，，礦體水平面積S為55940m2，礦石體重γ礦為3.76t／m3，階段內(nèi)的進(jìn)路總數(shù)N為128條，每月動用的平均進(jìn)路數(shù)n為6條，R取1.4，則有效備采礦量為：

金山店鐵礦礦體狹長，礦體賦存形態(tài)復(fù)雜，礦體圍巖不穩(wěn)固、礦石強(qiáng)度低、構(gòu)造性破壞多，在這種情況下為了減少流動資金占用和巷道維護(hù)費(fèi)用，人們希望三級礦量的保有期限更短一些［8］。但其礦體水平面函數(shù)f較小，單條進(jìn)路的平均可采礦量少，礦塊周轉(zhuǎn)速度必然很快，根據(jù)原方案計算的備采礦量為43萬噸并不能滿足金山店鐵礦持續(xù)均衡生產(chǎn)需要。R取較大值1.4，計算所得54.8萬噸的備采礦量顯然更加科學(xué)，有助于實現(xiàn)礦山的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

合理的三級礦量保有量以及各級儲量之間的平衡是保證礦山持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的重要條件。文章針對日益顯著的地下礦山三級礦量的合理確定問題做出簡要分析，提出有效備采礦量的概念，從礦體水平面函數(shù)的角度考慮三級礦量的優(yōu)化問題。認(rèn)為三級礦量不但要滿足生產(chǎn)探礦及開采順序和回采時間的要求，還要綜合考慮礦床賦存條件對有效備采礦量的影響。通過對金山店鐵礦的實際應(yīng)用，說明根據(jù)各礦山不同的礦體賦存條件來確定合理的三級礦量更加科學(xué)。

［1］中國冶金礦山企業(yè)協(xié)會.冶金礦山地質(zhì)技術(shù)管理手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

［2］張東.地下礦山三級礦量規(guī)范化管理淺析［J］.有色金屬技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究，1991（12）：44－48，53.

［3］梁敏，胡杏保.無底柱分段崩落采礦法三級礦量的合理計算［J］.礦業(yè)快報，2003，19（12）：8－10.

［4］王會春，蘇宏志.關(guān)于礦山三級礦量的計算［J］.中國礦業(yè)，1994，3（5）：30－35.

［5］李仁清，趙立春.淺談地下開采金屬礦山三級礦量管理［J］.甘肅有色金屬，2002，17（1）：5－7.

［6］宋衛(wèi)東，郭寥武，何明華，等.程潮鐵礦合理三級礦量的研究［J］.采礦技術(shù)，2001，1（4）：1－3.

［7］劉艷章，姜維，王其虎.合理布置切割工程平衡采區(qū)三級礦量［J］.化工礦物與加工，2011，40（2）：31－34.

［8］趙小稚.地下礦山生產(chǎn)礦量的優(yōu)化管理［J］.建材新科技，1997（2）：74－77.