基于采充現(xiàn)狀的礦山全生命周期生產(chǎn)規(guī)劃論證

魯忠華，萬串串

（1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055；2.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

礦山生產(chǎn)計劃是指導(dǎo)礦山生產(chǎn)經(jīng)營的一個重要依據(jù)，是礦山生產(chǎn)管理中不可缺少的重要部分，決策是否科學(xué)合理，直接影響到礦山企業(yè)是否能夠持續(xù)、穩(wěn)定均衡的生產(chǎn)，并且直接關(guān)系到企業(yè)的市場競爭力及盈利狀況［1～3］。與一般工業(yè)生產(chǎn)過程相比，地下礦山的生產(chǎn)具有生產(chǎn)對象（礦巖體）屬性的不確定性、采礦生產(chǎn)過程中作業(yè)場所的動態(tài)性和生產(chǎn)單元間的時空制約性等基本特征，因此，地下礦山的生產(chǎn)計劃規(guī)劃是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，理論上很難得到最優(yōu)的面向礦山實際開采條件的生產(chǎn)計劃，即使理論上做到最優(yōu)，但實際生產(chǎn)過程中受到各種制約因素的影響，也不可能完全按照最優(yōu)的生產(chǎn)計劃執(zhí)行。因此，本文在約束條件與規(guī)劃目標(biāo)的基礎(chǔ)上，提供一種技術(shù)上可行的生產(chǎn)規(guī)劃方案，以滿足該礦中部厚大礦體的實際生產(chǎn)需求。

1 礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀

某礦山初步設(shè)計方案確定的生產(chǎn)規(guī)模是200萬 t／a，后擴建至300萬 t／a，規(guī)劃設(shè)計的中段主要有四個，即-230 m中段、-290 m中段、-350 m中段、-410 m中段。礦山首采中段是 -230 m中段，-290 m是首采中段的主運輸水平。深部-290～-410 m中段采用雙階段并采，-410 m是深部開采中段的主運輸水平。其中0～19線是礦體厚大區(qū)域，擔(dān)負礦山的主要生產(chǎn)能力。礦山采用大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法開采，厚大部分區(qū)域采用垂直礦體走向布置，南、北部礦體較窄的區(qū)域采用沿礦體走向布置的方式。

目前0～19線-230 m中段已基本采充完成，深部礦房雙階段并采已全面鋪開，部分礦房已采充完成，即將進入大規(guī)模礦柱采場回采階段。為保障礦山可持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，亟需對-230 m以下礦體進行開采規(guī)劃。

2 生產(chǎn)能力論證范圍

生產(chǎn)能力論證范圍為0～19線-170～-395 m各中段內(nèi)礦房礦柱采場。根據(jù)礦山采充現(xiàn)狀資料可知，-170～-230 m中段大部分礦房礦柱采場采充結(jié)束，只留少部分礦柱采場正在開采或正在充填。-290～-395 m雙中段大部分礦房采場采充結(jié)束，少部分礦房采場正在開采或正在充填，所有的礦柱采場目前尚未開采。-230～-290 m中段礦體原設(shè)計為隔離礦柱，除深部11R礦房采場自-395 m開采至-245 m水平外，其余都保留未開采狀態(tài)。

3 采充數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)現(xiàn)場采礦技術(shù)人員統(tǒng)計，2019年1～3月井下正在生產(chǎn)采場的出礦量統(tǒng)計如圖1所示。由于上部7P礦柱采場廢石量占礦量一半左右，上部11P礦柱采場接近氧化帶導(dǎo)致礦體頂板嚴(yán)重破碎，深部4R礦房采場廢石量占比較大，因此上述三個采場不參與本次剩余礦量統(tǒng)計，正在生產(chǎn)采場的剩余礦量統(tǒng)計如圖2所示，未生產(chǎn)采場的可采礦量統(tǒng)計見表1，目前井下充填采空區(qū)現(xiàn)狀統(tǒng)計見表2。其中圖1、圖2，表2內(nèi)“上部”是指 -170～-230 m中段，“深部”是指-290～-395 m雙中段。

圖1 井下正在生產(chǎn)采場出礦量統(tǒng)計（2019年1～3月）

圖2 井下正在生產(chǎn)采場剩余礦量統(tǒng)計（截至2019年3月）

（續(xù)表1）

表1 井下未生產(chǎn)采場可采礦量統(tǒng)計（截至2019年3月）

（續(xù)表1）

（續(xù)表1）

綜上所述，截至2019年3月，井下正在生產(chǎn)采場共出礦量56萬 t，井下可采與剩余礦量合計3 027.21萬t，井下待充采空區(qū)體積總量為108.8萬m3，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為下一步生產(chǎn)能力論證及生產(chǎn)計劃規(guī)劃提供了前提條件。

4 采礦方法及單個采場生產(chǎn)能力計算

4.1 采礦方法及回采順序

由前述可知，目前還未開采的采場范圍包括：-170～-230 m少部分采場，-290～-395 m少部分礦房采場、所有礦柱采場，-230～-290 m隔離礦柱等。

-230～-290 m中段前期作為隔離礦柱并未進行開采，隨著生產(chǎn)的進行，亟需對該部分資源進行有效開采。由于-290 m中段是有軌運輸水平，該水平尚未施工階段出礦溜井，且由于礦體傾角較緩，自-290 m施工至-410 m礦石階段溜井，脈外工程非常大，生產(chǎn)工藝銜接也較難，因此該中段資源的開采，要充分考慮工藝系統(tǒng)銜接的要求，減少系統(tǒng)工程投入，保障礦山生產(chǎn)的接續(xù)。為此，將-290 m中段繼續(xù)作為上部采礦有軌運輸水平，將-275 m中段作為該中段礦石出礦水平，即底部結(jié)構(gòu)布置在-275 m中段。因此，-230～-290 m中段應(yīng)施工-245 m鑿巖水平、-275 m出礦水平。

表2 井下充填采空區(qū)現(xiàn)狀（截至2019年3月）

-230～-245 m水平礦柱直接位于充填體下部，將面臨上下均為充填體的情況，由于充填體存在沉縮特性，充填體接頂難度極大，因此水平礦柱回采采取“鋸齒形”布置方式［4～6］?；诖耍傮w采用自下而上的開采順序，-290～-395 m中段礦房采場采用高階段回采，繼而回采該礦房上部對應(yīng)的-230～-275 m采場。-245～-395 m中段礦柱采場分三部分進行回采，分別是-350～-395 m、-275～-350 m、-245～-275 m采場。采礦方法沿用大直徑深孔嗣后充填采礦法，具體回采示意如圖3所示。

4.2 單個采場生產(chǎn)能力計算

深部礦房采場高度為105 m，深部礦柱采場高度分別為45 m、75 m。以下對深部單個礦房、礦柱采場生產(chǎn)能力（不含充填作業(yè)工序）進行計算，其中礦房、礦柱采場平均傾角45°，礦柱采場高度只考慮45 m時的情況，結(jié)果見表3。

圖3 采礦總體規(guī)劃示意圖

表3 單個礦房礦柱采場綜合生產(chǎn)能力計算

綜合以上分析可知，在不計充填時間的前提下，單個礦房采場綜合生產(chǎn)能力為1 060 t／d，單個礦柱采場綜合生產(chǎn)能力為895 t／d，約900 t／d。按每年工作天數(shù)330 d計算，則單個礦房采場生產(chǎn)能力為349 800 t／a，單個礦柱采場生產(chǎn)能力為 297 000 t／a。

5 礦山合理生產(chǎn)能力驗證

5.1 按開采條件驗證的生產(chǎn)能力

按照-290～-395 m雙中段考慮，該中段長918 m，大部分礦房采場處于正在回采或正在充填狀態(tài)，少部分礦房采場已經(jīng)采充結(jié)束，本次生產(chǎn)能力計算按照可布礦柱采場計算［7］。-290～-395 m雙中段可布24個礦柱采場，根據(jù)隔三采一的開采順序，因現(xiàn)有礦房采場部分采空區(qū)正在充填的情況，礦柱采場同時回采利用系數(shù)為0.3，并且受礦山采礦裝備限制及合理生產(chǎn)周期要求的影響，因此同時回采礦柱采場數(shù)為7個，單個礦柱采場綜合生產(chǎn)能力為900 t／d，則中段生產(chǎn)能力為 6 300 t／d，即中段生產(chǎn)能力維持在6 000～7 000 t／d之間是合理的。

5.2 按年下降速度驗證礦山生產(chǎn)能力

由于-170～-230 m中段剩余礦量僅有148.5萬t，礦量相對較少，因此主要以-230～-395 m各中段礦體的下降速度驗證礦山生產(chǎn)能力。-230～-395 m各中段設(shè)計利用礦量為2 878.7萬t，按照200萬t／a的生產(chǎn)能力，-230～-395 m各中段服務(wù)年限約為15 a，則-230～-395 m各中段平均下降速度為11 m／a。正常中段的生產(chǎn)用5～9 a左右的時間［8，9］，能夠滿足下中段的開拓采準(zhǔn)時間要求，由此可以確定200萬t／a的生產(chǎn)規(guī)模是可以達到的。

綜合考慮采場布置、服務(wù)年限和下降速度，推薦該礦0～19線的生產(chǎn)能力為200萬t／a。

6 礦山生產(chǎn)計劃規(guī)劃

6.1 規(guī)劃條件

1.總體規(guī)劃原則：根據(jù)現(xiàn)階段-275 m水平工程施工現(xiàn)狀，按照先中間后兩邊的排產(chǎn)路線，嚴(yán)格遵守：（1）開采單元遵循“自下而上、自中間向兩翼”開采順序；（2）平面上遵循“隔三采一”的原則；（3）礦房、礦柱協(xié)同開采；（4）與現(xiàn)有開拓、采準(zhǔn)、充填系統(tǒng)相銜接的原則；（5）考慮現(xiàn)有的采空區(qū)充填情況。

2.規(guī)劃目標(biāo)：根據(jù)-170～-395 m各中段可采／剩余礦量，按照每年200萬t進行扣減，最后一年減產(chǎn)，直至-170～-395 m各中段開采完畢。

3.約束條件：（1）生產(chǎn)能力限制：第一年（2019年）按照后9個月計算生產(chǎn)能力，第二年恢復(fù)正常的生產(chǎn)能力，即2019年單個礦房生產(chǎn)能力為262 350 t／a，單個礦柱生產(chǎn)能力為 222 750 t／a；2019年以后單個礦房生產(chǎn)能力為349 800 t／a，單個礦柱生產(chǎn)能力為297 000 t／a，排產(chǎn)時分配的礦量不能大于上述指標(biāo)；（2）本文排產(chǎn)不考慮具體采切時間，即規(guī)劃的前期采場正在生產(chǎn)時，規(guī)劃的后期采場即開始施工采切工程，確保前后生產(chǎn)的銜接；（3）排產(chǎn)時需充分考慮充填對采場正常生產(chǎn)的影響，規(guī)劃的采場需在兩邊采場充填及養(yǎng)護（一般為28 d）結(jié)束后方可生產(chǎn)。

6.2 采充平衡計算

按照現(xiàn)有充填系統(tǒng)的能力，若能實現(xiàn)連續(xù)充填，兩套充填系統(tǒng)的能力可達到3 500 m3／d（實方量），按照現(xiàn)有生產(chǎn)規(guī)模，礦山新增采空區(qū)充填量約為90萬m3（全礦生產(chǎn)能力300萬t／a）。老舊采空區(qū)實現(xiàn)完全充填的時間為：

對此，編排生產(chǎn)計劃時，需在4 a內(nèi)優(yōu)先充填對正常采礦影響較大的采空區(qū)，以確保對采場排產(chǎn)的影響最?。? a后由于充填能力大于采空區(qū)充填量，因此采空區(qū)充填對采場排產(chǎn)的影響弱化。

6.3 生產(chǎn)計劃編排

根據(jù)規(guī)劃原則，制定了全生命周期內(nèi)礦房礦柱采場生產(chǎn)計劃，見表4。前15年礦山生產(chǎn)能力穩(wěn)定在200萬 t／a，直至第 16年，生產(chǎn)能力降至約 83萬 t／a；第14年開始深部開拓，保證后期生產(chǎn)的接續(xù)。

表4 全生命周期內(nèi)礦房礦柱采場生產(chǎn)計劃表

（續(xù)表4）

7 結(jié) 論

1.基于礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀條件，全面統(tǒng)計了井下正在生產(chǎn)采場出礦量、井下正在生產(chǎn)采場剩余礦量、井下未生產(chǎn)采場可采礦量、井下充填采空區(qū)現(xiàn)狀，摸清了該礦各項生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為下一步生產(chǎn)能力論證及生產(chǎn)計劃規(guī)劃提供了前提條件。

2.按開采條件與年下降速度兩方面對礦山生產(chǎn)能力進行了驗證，綜合考慮采場布置、服務(wù)年限和下降速度，推薦該礦0～19線的生產(chǎn)能力為200萬t／a。

3.按照礦山現(xiàn)有充填系統(tǒng)能力，老舊采空區(qū)實現(xiàn)完全充填需要約4 a時間，即在4 a內(nèi)優(yōu)先充填對正常采礦影響較大的老舊采空區(qū)，以確保對采場排產(chǎn)的影響最小。

4.根據(jù)總體規(guī)劃原則，以規(guī)劃目標(biāo)為指導(dǎo)思想，制定了全生命周期內(nèi)礦房礦柱采場生產(chǎn)計劃，結(jié)果表明：該礦0～19線服務(wù)年限是16年，前15年穩(wěn)產(chǎn)至200萬 t／a，第16年生產(chǎn)能力降至83萬 t／a。

綜上所述，本文提供了一種基于礦山采充現(xiàn)狀的全生命周期內(nèi)生產(chǎn)計劃編制案例，規(guī)劃過程具有較強的可復(fù)制性，為類似礦山生產(chǎn)規(guī)劃提供了較好的參考價值。