金屬礦山階段開拓穿脈間距及采區(qū)溜井布置優(yōu)化研究

孫建珍

（首鋼礦業(yè)公司，河北 遷安064404）

地下采礦在采場(chǎng)出礦設(shè)備及階段運(yùn)輸形式確定以后，階段運(yùn)輸中穿脈間距以及采區(qū)溜井的布置直接決定了開拓工程的投資費(fèi)用、采場(chǎng)生產(chǎn)能力以及礦石的回采生產(chǎn)成本。穿脈間距小，采區(qū)溜井?dāng)?shù)目多，投資費(fèi)用高，但回采成本低；反之，穿脈間距大，采區(qū)溜井?dāng)?shù)目少，投資與運(yùn)營(yíng)成本情況相反。

因此，穿脈間距以及采區(qū)溜井的優(yōu)化布置，應(yīng)建立在確保采場(chǎng)生產(chǎn)能力的前提下，實(shí)現(xiàn)工程投資與采場(chǎng)回采綜合成本最低的基礎(chǔ)上。

1 階段開拓穿脈間距及采區(qū)溜井布置優(yōu)化模型的建立

1.1 采場(chǎng)運(yùn)輸功

如圖1所示，為無(wú)底柱分段崩落法某一礦塊回采示意圖。

按照地下生產(chǎn)的要求，一般為采區(qū)內(nèi)若干條回采進(jìn)路同時(shí)并行后退回采。

圖中ΔL表示在一定作業(yè)時(shí)間T內(nèi)，采場(chǎng)回采出礦量Q。

式中：Q為T時(shí)間內(nèi)采場(chǎng)出礦量；B為采場(chǎng)寬度；ΔL為T時(shí)間內(nèi)回采線后移長(zhǎng)度；H為分段高度；γ為礦石容重；K為礦量回采系數(shù)。

圖1 無(wú)底柱分段崩落法某一礦塊回采布置圖

設(shè)回采設(shè)備運(yùn)送采場(chǎng)出礦量Q進(jìn)入溜井所需運(yùn)輸功為W，則W應(yīng)分兩部分。

1）質(zhì)心A、B運(yùn)到C點(diǎn)的運(yùn)輸功為：

2）質(zhì)心C運(yùn)到礦石溜井的運(yùn)輸功為：

則總運(yùn)輸功為：

下面根據(jù)杏山鐵礦的礦體條件，以中厚礦體、厚大礦體兩種情況進(jìn)行分析討論。

1.2 中厚礦體的穿脈間距、采區(qū)溜井的優(yōu)化布置

穿脈間距（也即為溜井間距）布置（圖2）：

圖2 中厚礦體階段穿脈間距、溜井布置圖

1）目標(biāo)函數(shù)

采場(chǎng)穿脈運(yùn)輸工程、采區(qū)溜井工程投資與采場(chǎng)運(yùn)礦成本之和最小。

設(shè)采場(chǎng)運(yùn)礦單位運(yùn)輸成本為C1（元／t·m），單個(gè)穿脈、溜井工程（包含各分段聯(lián)絡(luò)巷、放礦設(shè)備設(shè)施）投資成本C2，礦體的走向長(zhǎng)度L；礦體平均厚度m；礦體開采總量為Q總，采用回采進(jìn)路垂直礦體走向布置的方式，則采區(qū)溜井與階段開拓水平穿脈總數(shù)n＝L／B，則采場(chǎng)運(yùn)礦成本與工程費(fèi)用之和C為：

2）求解：MinC

約束條件：采場(chǎng)幾何尺寸滿足裝運(yùn)設(shè)備的最大允許運(yùn)距，即：

l＋a＋B／2≤裝運(yùn)設(shè)備最大運(yùn)距l(xiāng)max

在此約束條件下，求解C的最小值，對(duì)B值進(jìn)行求導(dǎo)：

溜井個(gè)數(shù)：

1.3 厚大礦體的穿脈間距及采區(qū)溜井優(yōu)化布置

1.3.1 穿脈間距

同中厚礦體優(yōu)化布置，見式（6）。

1.3.2 溜井間距

1）判斷礦體內(nèi)布置采區(qū)溜井的必要性：設(shè)備最大允許運(yùn)距l(xiāng)max≤L＋a＋B／2 2）礦體內(nèi)采區(qū)溜井的布置應(yīng)滿足以下條件：

3）同一分段上、下采區(qū)［L′、B所圈定的采場(chǎng)為上采，（L－L’）、B所圈定的采場(chǎng)為下采運(yùn)輸功之和P總最小，則P總＝P上＋P下

以L′為變量，進(jìn)行P總Min計(jì)算。

2 杏山鐵礦－330m階段開拓工程應(yīng)用

2.1 穿脈間距

2.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1）礦塊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

杏山鐵礦階段高度H＝150m，－180～－330m階段共8個(gè)分段（即N＝8），大杏山礦體屬厚大礦體，平均長(zhǎng)度440m，大杏山－330m階段礦石總量Q總為2462萬(wàn)t。

2）鏟運(yùn)機(jī)單位運(yùn)輸成本C1

杏山鐵礦目前使用的TORO1400E鏟運(yùn)機(jī)噸礦綜合成本為5.15元，作業(yè)平均運(yùn)距73m，由此可以計(jì)算，C1＝5.15／73＝0.07元／／tm。

3）工程費(fèi)用C2

設(shè)單個(gè)穿脈與溜井工程投資成本C2（由于大杏山礦體平均厚度120m，在1條穿脈方向上，相當(dāng)于穿過(guò)2個(gè)礦塊，因此對(duì)單個(gè)礦塊而言，工程費(fèi)用C2＝0.5穿脈運(yùn)輸巷道費(fèi)用＋礦塊內(nèi)分段出礦巷道總費(fèi)用＋溜井費(fèi)用），即：

① 由于只在大杏山厚礦體中布置穿脈，大杏山厚礦體平均厚度為120m，穿脈運(yùn)輸巷的平均長(zhǎng)度為380m，斷面積13.5m2，階段運(yùn)輸水平巷道掘進(jìn)、支護(hù)、鋪軌費(fèi)用及架線等費(fèi)用單價(jià)700元／m3，則穿脈運(yùn)輸費(fèi)用：F穿＝380×13.5×700＝359.1萬(wàn)元。

② 大杏山礦體采用直溜井，溜井直徑3m，長(zhǎng)度150m（單條溜井下方設(shè)有振動(dòng)放礦硐室和放礦閘門，費(fèi)用60萬(wàn)元），全部折算到溜井掘進(jìn)費(fèi)用中，溜井掘進(jìn)單價(jià)1000元／m3，則單條溜井的費(fèi)用：F溜＝150×1.5×1.5×3.14×0.1＋60＝166萬(wàn)元。

③ 分?jǐn)偟矫總€(gè)塊礦的聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)費(fèi)用（進(jìn)行開拓費(fèi)用的比較，因此只計(jì)算分段出礦巷道）。由于平均每個(gè)礦塊在每一分段中攤到一條礦塊長(zhǎng)度B的聯(lián)絡(luò)巷，而礦塊有N個(gè)分段，合計(jì)為NB，礦塊中聯(lián)絡(luò)巷的掘進(jìn)費(fèi)用F：

式中：N為礦塊分段數(shù)，個(gè)；B為礦塊的長(zhǎng)度，m；S為聯(lián)絡(luò)巷斷面，m2；f為聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)單價(jià)，元／m3。

杏山階段高度150m，分段高度18.75m，包含8個(gè)分段，巷道掘進(jìn)單價(jià)540元／m3。將礦塊參數(shù)B代入上式可得：F＝N×B×17.12×540＝0.9245NB萬(wàn)元。由式（9）可以計(jì)算出：

C2＝0.5×359.1＋166＋0.9245NB＝（345.55＋0.9245NB）萬(wàn)元／單位開拓工程量（含穿脈及溜井）。

2.1.2 利用模型進(jìn)行優(yōu)化布置

根據(jù)穿脈間距布置式（6）計(jì)算：

可得：B＝108.2m。

因杏山鐵礦進(jìn)路間距20m，6m3鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)，B值最終選取100m。

2.2 溜井間距布置

由于在大杏山厚大礦體中布置穿脈，對(duì)于厚礦體中溜井的合理間距，需要在保證總體運(yùn)輸功最小的情況下進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)式（8），其中：B為礦塊的長(zhǎng)度，m；L′為礦塊的寬度，m；H為階段高度，150m；a為溜井聯(lián)絡(luò)道長(zhǎng)度，5m；γ為礦石的容重，3.46t／m3；K為礦石回采率，初設(shè)取82%；M為礦體的平均厚度，初設(shè)中大杏山平均厚度120m；L為礦體平均厚度＋下沿脈距離礦巖交界的距離，L＝120＋15＝135m。

將上述參數(shù)代入式（8）可得：

當(dāng)規(guī)定B取值100m時(shí)：

根據(jù)高等數(shù)學(xué)的極限理論，以L′為變量，進(jìn)行P總Min計(jì)算，也即進(jìn)行求導(dǎo)運(yùn)算：

因此，在杏山厚礦體中當(dāng)?shù)V塊長(zhǎng)度取值為100m、溜井的平均間距為67.5m時(shí)，階段采場(chǎng)運(yùn)輸功最小，此時(shí)礦塊的尺寸為：100m×67.5m（此時(shí)，鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)的平均運(yùn)距S＝67.5＋5＋25－34＝63.5m）?？梢杂么酥笇?dǎo)－330m水平階段開拓工程中穿脈與溜井的布置。

4 結(jié)論

1）根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程分解鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)輸功，建立采場(chǎng)開采礦石工程投資與開采成本費(fèi)用最低的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出階段開拓水平的穿脈間距與溜井布置間距理論公式。

2）根據(jù)當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，以杏山工程為例，對(duì)－330m開拓水平進(jìn)行了優(yōu)化研究，得出結(jié)果：穿脈間距100m，溜井間距：67.5m。

3）在保證最小運(yùn)輸功及單個(gè)礦塊投資費(fèi)用最小的前提下，分段高度由原設(shè)計(jì)15m提高到18.75m、礦塊的長(zhǎng)度為100m，礦塊尺寸加大后，礦塊的可采礦量增加，服務(wù)年限延長(zhǎng)，有利于杏山鐵礦三級(jí)礦量的保有和采場(chǎng)生產(chǎn)組織。

4）為類似礦山合理確定穿脈、溜井間距參數(shù)提供參考。