巴魯巴銅礦緩薄礦體可采性研究*

姚高輝，梁權(quán)宇，王晶軍，

（1. 中色盧安夏銅業(yè)有限公司，贊比亞 盧安夏 90456；2. 北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

巴魯巴銅礦緩薄礦體可采性研究*

姚高輝1，梁權(quán)宇1，王晶軍1，2

（1. 中色盧安夏銅業(yè)有限公司，贊比亞 盧安夏 90456；2. 北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

巴魯巴銅礦是一座已開(kāi)采42年的地下老礦山，由于礦山剩余資源大部分是緩傾斜薄礦體，導(dǎo)致開(kāi)采難度非常大。從經(jīng)濟(jì)合理性、社會(huì)效益和技術(shù)可行性三方面對(duì)緩薄礦體開(kāi)采的可行性進(jìn)行了全面論證。在此基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)內(nèi)緩薄礦體的各種開(kāi)采手段，考慮贊比亞地下礦山現(xiàn)有技術(shù)水平，篩選出三種比較適合的采礦方法。然后從經(jīng)濟(jì)因素、資源利用率、勞動(dòng)生產(chǎn)效率、安全環(huán)境及適用程度等方面，采用模糊層次分析法對(duì)上述各種采礦方法進(jìn)行方案優(yōu)選，最終確定了一種適合巴魯巴礦緩薄礦體的采礦方法。生產(chǎn)實(shí)踐表明，改進(jìn)的爆力運(yùn)搬空?qǐng)龇?，不僅提高了出礦品位，減少了采切工程量，而且保障了礦山正常持續(xù)運(yùn)行。

緩薄礦體；中深孔無(wú)井拉槽；快速爆破成井；模糊層次分析法；回采方案優(yōu)選

1 引言

巴魯巴銅礦是贊比亞盧安夏市一座地下硫化銅礦山，1973年投產(chǎn)，歷史上主要采用分段空?qǐng)龇ê头侄伪缆浞ㄩ_(kāi)采，2008年12月因金融危機(jī)而進(jìn)入第三次停產(chǎn)狀態(tài)。2009年6月24日，中國(guó)有色集團(tuán)出資5000萬(wàn)美元正式接管盧安夏銅業(yè)公司，并恢復(fù)了巴魯巴銅礦和選礦廠的生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)5年來(lái)高強(qiáng)度開(kāi)采，礦山陡傾斜中厚礦體基本消耗殆盡，剩余資源大部分屬于難采的緩傾斜薄礦體，這部分資源的礦體厚度約3.6～4.8m，傾角15°～35°，但是地質(zhì)品位能達(dá)到2.5%～2.0%。因此，必須從經(jīng)濟(jì)價(jià)值、采礦方案可行性以及出礦指標(biāo)等方面來(lái)研究其可采性。

2 礦山開(kāi)采技術(shù)條件

巴魯巴礦區(qū)巖層表現(xiàn)為典型的層狀結(jié)構(gòu)，并且?guī)r層界限明顯，相鄰巖層的接觸面光滑，易滑動(dòng)。礦體上盤(pán)為泥質(zhì)石英巖，礦體為含礦板巖、白云質(zhì)片巖以及過(guò)渡帶片巖，下盤(pán)為底礫巖，其下為古老的花崗巖基底?；赗MR和Q系統(tǒng)巖體質(zhì)量分類(lèi)法對(duì)各種巖體進(jìn)行分類(lèi)評(píng)價(jià)［1］，得出泥質(zhì)石英巖比較穩(wěn)定，泥質(zhì)板巖、下盤(pán)底礫巖和花崗巖基底穩(wěn)定性較好，過(guò)渡帶片巖易剝落、垮冒，白云質(zhì)片巖穩(wěn)定性一般。

礦山主要的支護(hù)方式為2.4m長(zhǎng)注漿錨桿和6.0m長(zhǎng)注漿錨索，臨時(shí)性地加強(qiáng)支護(hù)主要采用木支架和木垛。在中央運(yùn)輸?shù)溃?80L和580L）采用了U型可伸縮支架支護(hù)，在斜坡道特別破碎地段進(jìn)行噴錨網(wǎng)支護(hù)。在與科研院所聯(lián)合開(kāi)巷道支護(hù)技術(shù)攻關(guān)之后，改巷道被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)方式，引進(jìn)水脹式錨桿和預(yù)應(yīng)力脹殼式錨桿，加強(qiáng)了支護(hù)的及時(shí)性，圖1中應(yīng)力指示墊片是檢驗(yàn)錨桿是否成功對(duì)巖壁施加預(yù)應(yīng)力的標(biāo)志，當(dāng)錨桿施加的預(yù)應(yīng)力達(dá)到60kN時(shí)，應(yīng)力指示墊片將會(huì)被壓扁發(fā)生反轉(zhuǎn)變形；在錨索施工中嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)規(guī)范的各項(xiàng)要求，對(duì)長(zhǎng)錨索施加預(yù)應(yīng)力并安裝錨具。

圖1 具有應(yīng)力指示功能的預(yù)應(yīng)力錨桿示意圖

3 緩傾斜薄礦體可采性分析

3.1 緩薄礦體開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)合理性

對(duì)一些品位較富但厚度卻小于最低可采厚度的礦體，可采用最低工業(yè)品位與最低可采厚度的乘積，見(jiàn)式（1）［2］，作為衡量礦體是否具有工業(yè)開(kāi)采價(jià)值的指標(biāo)。按照盧安夏市稅收政策、工人勞動(dòng)效率及巴魯巴礦山生產(chǎn)成本，巴魯巴銅礦最低工業(yè)米百分值為9m%。當(dāng)該值大于9%時(shí)，地下礦山才能實(shí)現(xiàn)盈利。經(jīng)計(jì)算，巴魯巴緩薄礦體的最低工業(yè)米百分值為9.0m%～9.6m%，因此，從經(jīng)濟(jì)價(jià)值上看大多數(shù)緩薄礦體也可以圈入可采儲(chǔ)量。

最低工業(yè)米百分率=M×α （1）

式中，M為最低可采厚度（m）；α為最低工業(yè)品位（%）。

3.2 緩薄礦體開(kāi)采的社會(huì)效益

截止2014年底，巴魯巴礦山總資源量1581萬(wàn)t，其中可采儲(chǔ)量673萬(wàn)t，維持產(chǎn)能120萬(wàn)t/a可能只有三年的正常生產(chǎn)期。目前，巴魯巴選礦廠的處理能力是120萬(wàn)t/a。為了維持選礦廠最大效能，盡可能延續(xù)巴魯巴礦山生產(chǎn)壽命，2013年已經(jīng)暫停生產(chǎn)的、礦體厚度小于4.5m的資源量（約550萬(wàn)t）是未來(lái)礦山開(kāi)采重點(diǎn)區(qū)域。另外，中色盧安夏公司作為一個(gè)大型的海外央企，在保障企業(yè)發(fā)展的同時(shí)還得承擔(dān)相應(yīng)的社會(huì)責(zé)任。巴魯巴地下礦山目前解決了當(dāng)?shù)亟?000人的就業(yè)問(wèn)題，如果緩薄礦體能夠正常開(kāi)采，巴魯巴礦還可以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，保持當(dāng)?shù)貑T工的就業(yè)機(jī)會(huì)，給中資企業(yè)樹(shù)立良好形象。

3.3 緩薄礦體開(kāi)采的技術(shù)可行性

中色盧安夏接管巴魯巴銅礦后，中方技術(shù)員針對(duì)當(dāng)?shù)貑T工工作效率低、安全生產(chǎn)意識(shí)強(qiáng)（工作區(qū)域暴露的頂板高度不大于5m）的特點(diǎn)，通過(guò)大量的試驗(yàn)和實(shí)踐，逐步讓其掌握了中深孔爆破快速成井及無(wú)井快速拉槽新技術(shù)（如圖2所示）。深孔爆破成井，采用螺旋掏槽一次爆破成井，3d可順利形成10m高的天井；采用新型中深孔爆破無(wú)井拉槽法拉槽，2d可形成足夠的拉槽補(bǔ)償空間。而相比工人以往所熟悉的淺孔爆破成井，一次爆破成井約1.0m，10m槽井需10d才能完成，嚴(yán)重制約了采礦生產(chǎn)效率，不利于新的采礦方法推廣。因此，深孔爆破快速成井和快速無(wú)井拉槽法在贊比亞地下礦山具有顯著的工效優(yōu)勢(shì)，是采用其它高效采礦方法的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖2 中深孔切割穿脈拉槽（a）與中深孔爆破快速成井（b）

3.4 緩薄礦體的采礦方法選擇

3.4.1 采礦方案初選

緩薄礦體一般指傾角為5°～30°，厚度在0.8～4.0m之間的礦體［3］。由于傾角緩，厚度小，在出礦及回采過(guò)程中均有較大難度，屬于典型難采礦體之一。尤其是巴魯巴礦體形態(tài)不規(guī)則，上、下盤(pán)巖石結(jié)構(gòu)面發(fā)育，下盤(pán)底礫巖風(fēng)化嚴(yán)重，采空區(qū)頂盤(pán)易冒落，難度就更大。

國(guó)內(nèi)外開(kāi)采緩薄礦體常用的方法有淺孔留礦法、上向分層充填法、房柱法以及全面采礦法。淺孔留礦法雖然工藝簡(jiǎn)單，但作業(yè)安全性差，采切工程量大，不符合贊比亞安全法規(guī)要求。上向分層充填法安全性好，礦石貧化損失較小，但用于一座即將進(jìn)入閉坑階段的老礦山顯然是不合適的。房柱法和全面采礦法機(jī)動(dòng)靈活，礦石貧化小，但生產(chǎn)效率低，采礦損失較大，對(duì)頂盤(pán)圍巖穩(wěn)定性要求高，需進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。基于礦巖穩(wěn)定性特征，考慮巴魯巴銅礦實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀和設(shè)備條件，對(duì)以上采礦方法改進(jìn)后可供選擇的采礦方法有：（1）單進(jìn)路后退式擴(kuò)采房柱法；（2）進(jìn)路式崩落法；（3）短壁式崩落法；（4）改進(jìn)的爆力運(yùn)搬空?qǐng)霾傻V法；（5）電耙鏟運(yùn)機(jī)聯(lián)合出礦房柱法，如圖3～圖7所示［4-6］。

圖3 單進(jìn)路后退式擴(kuò)采房柱法示意圖

圖4 進(jìn)路式崩落法示意圖

圖5 短壁式崩落法示意圖

圖6 改進(jìn)的爆力運(yùn)搬空?qǐng)霾傻V法

圖7 電耙鏟運(yùn)機(jī)聯(lián)合出礦房柱法

3.4.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

參照巴魯巴礦近年來(lái)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)，列出了上面5種采礦方法的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表1。從表中看出，短壁式崩落法的貧化率、損失率、采切比和采礦成本等指標(biāo)近似于或好于進(jìn)路式崩落法，故刪去進(jìn)路式崩落法采礦法。電耙鏟運(yùn)機(jī)聯(lián)合出礦房柱法的生產(chǎn)能力、損失率、采礦工效、組織難度、工作強(qiáng)度等指標(biāo)比單進(jìn)路后退式擴(kuò)采房柱法差，故也排除這種采礦法。由于礦體底盤(pán)的過(guò)渡帶片巖軟弱破碎，穩(wěn)定性差，在開(kāi)采緩傾斜中厚礦體時(shí)由于鑿巖巷道布置在離礦體底盤(pán)3～5m處，礦石回采率只有63%，而采礦貧化率已達(dá)到37%。顯然，從采礦指標(biāo)上看，對(duì)于緩傾斜薄礦體，使用傳統(tǒng)的分段空?qǐng)龇▽㈣弾r道布置在離礦體底盤(pán)3～5m的圍巖中是不可行的。若對(duì)爆力運(yùn)搬空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行改進(jìn)，采礦設(shè)計(jì)時(shí)采用鑿巖道緊貼礦體底盤(pán)或中深孔脈內(nèi)落礦，其貧化率和采準(zhǔn)工程量都會(huì)下降，只是每米中深孔崩礦量會(huì)減少，爆力運(yùn)搬時(shí)礦石損失率也會(huì)增加。通過(guò)上述比較篩選，只有改進(jìn)的爆力運(yùn)搬空?qǐng)龇ā⒍瘫谑奖缆浞ê蛦芜M(jìn)路后退式擴(kuò)采房柱法三種采礦法初步適用于礦山緩薄礦體的開(kāi)采，但是優(yōu)劣難分，需進(jìn)一步作方案優(yōu)選。

表1 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3.4.3 方案優(yōu)選

采用模糊層次分析法對(duì)各種初選采礦方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最終確定適合緩薄礦體開(kāi)采所需的采礦方法［7］。根據(jù)表2構(gòu)建方案集因素集

表2 比較標(biāo)準(zhǔn)意義［8］

（1）構(gòu)造比較標(biāo)度。

基于模糊二元對(duì)比排序法可得出如表2所示比較標(biāo)準(zhǔn)。

（2）一致性檢驗(yàn)。

一致性檢驗(yàn)公式為［9］CR=（λmax-n）/（n-1）/RI。其中，n為判斷矩陣的階數(shù)；RI取值為1.41（8階矩陣）。只有CR小于0.1時(shí)，矩陣D的一致性才算是滿足要求。

（3）最大特征根求解。

判斷矩陣D的元素按行相乘［10］得到Mi；求解Mi的n次方根；正規(guī)化向量；求解最大特征根λmax。式中，i=1，2，…，n。各步驟計(jì)算公式如下：

（4）指標(biāo)權(quán)重計(jì)算。

依據(jù)表1的標(biāo)度建立的判斷矩陣D和特征向量W，如表3所示。

表3 判斷矩陣的最大特征根及對(duì)應(yīng)特征向量的計(jì)算和檢驗(yàn)結(jié)果

特征向量的值即為各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重W=｛0.165，0.174，0.090，0.141，0.181，0.107，0.072，0.070｝。

（5）構(gòu)建模糊關(guān)系。

表3中的各指標(biāo)數(shù)據(jù)分為定量指標(biāo)和定性指標(biāo)，需要構(gòu)建合適的隸屬函數(shù)將其轉(zhuǎn)化為隸屬度［11］。各指標(biāo)相應(yīng)的隸屬函數(shù)計(jì)算方法如下：

①采切比、貧化率和損失率屬于消耗性指標(biāo)［12］，隸屬度參照下式計(jì)算：

表4 井下工作環(huán)境、勞動(dòng)組織難度與隸屬度對(duì)照表

綜合以上各指標(biāo)的隸屬度確定方式，得到的模糊評(píng)判矩陣R為：

由以上確定的權(quán)重向量及隸屬度矩陣可得方案集P的綜合評(píng)判結(jié)果向量為：

顯然，方案P1要比方案P2和P3更優(yōu)，故選方案P1（改進(jìn)的爆力運(yùn)搬空?qǐng)龇ǎ┳鳛樽罱K回采方案。該方案在以贊比亞員工為主的地下礦山，其安全性、可操作性更有優(yōu)勢(shì)，而且支護(hù)工程量小，工作強(qiáng)度低，更易于生產(chǎn)組織和管理。當(dāng)然，如果礦山能夠?qū)嵭小昂贤傻V”新模式，將緩薄礦體采礦進(jìn)行外包（以中國(guó)承包商為主），讓承包商負(fù)責(zé)掘進(jìn)和采礦，最后以掘進(jìn)量和出礦量進(jìn)行結(jié)算，那么方案P3（單進(jìn)路后退式擴(kuò)采房柱法）就會(huì)體現(xiàn)出它的生產(chǎn)能力優(yōu)勢(shì)。

4 采礦方法應(yīng)用

巴魯巴礦H礦塊礦地質(zhì)品位1.96%，傾角30°～40°，礦體厚度3～5m，平均厚度4m，工程地質(zhì)條件差，原采礦方法的鑿巖道離礦體底盤(pán)2m，采礦過(guò)程中大部分坑道需要密集支護(hù)才能正常、安全生產(chǎn)，而且采切比大，出礦品位也不理想。采用改進(jìn)的爆力運(yùn)搬空?qǐng)龇?，將鑿巖道靠近礦體，或者將鑿巖道直接移到礦脈內(nèi)（圖8），進(jìn)行巷道掘進(jìn)采礦（以快掘快支形式來(lái)保證巷道穩(wěn)定性），然后采用中深孔爆破快速成井，在礦脈內(nèi)布置深孔落礦。新設(shè)計(jì)將出礦進(jìn)路間距由原來(lái)12m增加到15m。由于底盤(pán)圍巖穩(wěn)定性較差，回采過(guò)程中還要控制超前掘進(jìn)工程量，以免爆破震動(dòng)影響超前掘進(jìn)的巷道穩(wěn)定性。生產(chǎn)實(shí)踐表明，盡管方案P1比方案P2的生產(chǎn)能力低，但卻降低了采切工程量，提高了出礦品位。目前，方案P1在試驗(yàn)采場(chǎng)的生產(chǎn)能力已達(dá)到了243t/d，出礦品位可達(dá)1.40%，采礦貧化率和損失率分別為28.6%和27.2%。在以后推廣應(yīng)用中，只要增加生產(chǎn)采場(chǎng)數(shù)量，就可以維持1000t/d高品位礦石出礦量。

圖8 脈內(nèi)巷道采礦中深孔爆力運(yùn)搬采礦法

5 結(jié)論

（1）對(duì)于境外一座即將收尾的地下銅礦山，緩薄礦體的可采性分析是一個(gè)涉及眾多相關(guān)因素的復(fù)雜決策問(wèn)題。中色盧安夏是贊比亞一座集地下開(kāi)采-傳統(tǒng)浮選（原礦、冶煉爐渣）和露天開(kāi)采-濕法冶煉為一體的大型有色金屬生產(chǎn)基地，其穩(wěn)定發(fā)展的戰(zhàn)略意義不言而喻。因此，從經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)性和技術(shù)性三方面可以認(rèn)定巴魯巴礦緩薄礦體開(kāi)采是可行的。

（2）通過(guò)對(duì)三種采礦方法進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)得出評(píng)判結(jié)果向量為｛0.924，837，0.853｝，故方案P1（改進(jìn)的爆力運(yùn)搬空?qǐng)龇ǎ┦亲钸m合巴魯巴礦緩薄礦體的采礦方法。試驗(yàn)采場(chǎng)表明，這種采礦方法出礦技術(shù)指標(biāo)較好，工作強(qiáng)度低，安全性好，易被當(dāng)?shù)貑T工所接受。

（3）針對(duì)中南部非洲地區(qū)特殊的開(kāi)采技術(shù)環(huán)境，如果引入中方承包商普遍采用的“合同采礦”新模式，未來(lái)其它兩種采礦方法也可以推廣使用，能為贊比亞—?jiǎng)偣ń穑┿~礦成礦帶上類(lèi)似緩薄礦體的開(kāi)采提供有力技術(shù)支撐，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］陳向華， 唐紹輝， 吳壯軍， 等. 對(duì)會(huì)澤鉛鋅礦深部10號(hào)礦體巖體質(zhì)量的評(píng)價(jià)［J］. 礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)， 2002， 22（2）：8-10.

［2］黃曉東， 謝英亮. 我國(guó)黑鎢礦床極薄脈狀礦石作業(yè)品位指標(biāo)—最低米百分值確定方法的分析與研究［J］. 有色礦冶， 2003， 19（5）：9-11.

［3］蘇丹， 陳健， 張春鵬， 等. 緩傾斜薄礦脈混合開(kāi)采工程實(shí)踐［J］. 采礦技術(shù)， 2010， 10（1）：5-7.

［4］楊官濤， 袁梅芳. 緩傾斜薄礦脈機(jī)械化開(kāi)采新技術(shù)及工程實(shí)踐［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)， 2013， 33（3）：1-4.

［5］褚亦功， 劉云， 蒙紅榮. 緩傾斜極薄礦脈采礦方法新突破［J］. 中國(guó)礦山工程， 2015， 44（2）：1-7.

［6］趙永峰. 紅泥坡銅礦緩傾斜薄礦體采礦方法的選擇［J］. 采礦技術(shù)，2013， 13（1）：1-4.

［7］趙國(guó)彥， 吳俊俊， 張磊， 等. 基于AHP-fuzzy的自然崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選［J］. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2010， 32（19）：115-119.

［8］王新民， 趙彬， 張欽禮. 基于層次分析和模糊數(shù)學(xué)的采礦方法選擇［J］. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2008， 39（5）：875-880.

［9］姚高輝， 胡凱建. 境外某殘采礦山采礦方法的研究［J］. 現(xiàn)代礦業(yè)，2015， 31（1）：5-9.

［10］謝盛青. 黃麥嶺磷礦露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采安全平穩(wěn)接替技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)， 2011.

［12］鐘福生， 陳建宏， 陳慶剛. 基于AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)的回采方案優(yōu)選［J］. 礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)， 2012， 32（6）：20-22.

［11］杜坤， 李夕兵， 周健， 等. 采礦方法優(yōu)選的熵模糊物元決策模型［J］.礦冶工程， 2010， 30（5）：12-17.

［13］李佳洋， 白鳳美， 許金偉. 基于AHP-風(fēng)險(xiǎn)矩陣的腳手架工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)價(jià)體系構(gòu)建及應(yīng)用［J］. 2013（1）：38-42.

The Mineability Research on Flat Pitch and Thin Orebody at Baluba Mine

YAO Gao-hui1， LIANG Quan-yu1，WANG Jing-jun1，2
（1.CNMC Luanshya Copper Mines PLC.， Luanshya 90456， Zambia； 2. Key Laboratory of Educational Ministry for High Efficient Mining and Safety in Metal Mine， Beijing University of Science &Technology， Beijing 100083， China）

Baluba mine was an old underground mine which had 42 years mining history. Due to the gently inclined thin ore body of remnant resources， the mine was also very difficult to be operated. Mining feasibility study for the sustained thin ore body in this paper was comprehensively demonstrated from three aspects of economic rationality， social benefit， and technical feasibility. Based on this situation， considered the existing technical level of Zambia underground mine， three suitable kinds mining method were screened out by using domestic various mining methods of such inclined thin ore body. The threes mining methods were optimized to the one by FAHP from the aspects of economic factors， resource utilization， labor productivity， safety environment and the suitable degree， etc. Finally， one mining method for gently inclined thin ore body of Baluba mine was determined. Production practice showed that the improved blastforce carrying open stoping method， which not only could raised the ore grade and reduced the cutting mining quantity， but also ensured the mine's normal continuous operation.

flat pitch and thin orebody；longhole slotting without raise；longhole burning raise；Fuzzy Analytic Hierarchy Process（FAHP）；stoping scheme optimization

TD85

A

1009-3842（2016）04-0050-06

2016-06-07

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAB08B02）

姚高輝（1983-），男，湖北仙桃人，高級(jí)工程師，博士，主要從事金屬礦床地下開(kāi)采方面的工作。E-mail：yaogaohui@163.com