鏡鐵山礦傾斜礦體上盤邊角礦回采方案研究

龔文柏 吳萬君

（酒鋼集團宏興股份公司鏡鐵山礦，甘肅嘉峪關(guān)735100）

無底柱分段崩落法具有采礦工藝簡單、技術(shù)成熟、效率高、成本低、安全性好等優(yōu)點，尤其適用于急傾斜厚大礦體開采，在國內(nèi)外有著廣泛的應(yīng)用［1-3］。由于熱液型礦床以及部分沉積變質(zhì)型礦床受原始地形或地質(zhì)構(gòu)造作用影響，導(dǎo)致急傾斜礦體傾角發(fā)生變化。當(dāng)急傾斜礦體變?yōu)閮A斜礦體時，若還按照急傾斜礦體的回采方式布置采切工程，將會在礦體上盤或者下盤處留下三角形的邊角礦，從而產(chǎn)生較大的礦石損失率［4-5］。

針對傾斜礦體的上盤或下盤處三角形邊角礦殘留問題，部分學(xué)者采用了特殊的技術(shù)措施進行回收。李元輝等［6］根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析了礦體下盤傾角與下盤礦石殘留量的關(guān)系，通過技術(shù)經(jīng)濟分析方法研究了下盤巖石的最佳開掘高度；孫毅民等［7］采用充填采礦法回收了三道灣子金礦的上下盤殘礦；馬春華等［8］采用空場嗣后充填與充填采礦法相結(jié)合的采礦方法回采了傾斜厚礦床的上盤破碎礦體；劉娜等［9］針對小汪溝鐵礦下盤殘礦回收問題，提出了分段之間設(shè)置一條垂直于回采巷道的下盤沿脈進路的方法，有效回收了下盤殘留體；史海明等［10］采用扇形炮孔逐孔起爆技術(shù)回收了上盤三角區(qū)域礦體；劉娜等［11］針對傾斜礦體分段崩落法開采下盤礦石損失問題，提出了下盤崩落礦石無覆巖時空場下放礦、有覆巖時開掘斜塹溝回采的工藝流程，擴大了下盤崩落礦石的移動范圍，以此來實現(xiàn)增大采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與控制礦石下盤損失的目標(biāo)；李英碧等［12］采用“垂直分區(qū)”、“組合放礦”等工藝優(yōu)化了中深孔炮孔布置參數(shù)，緩解了礦石損失和貧化嚴(yán)重的問題；于偉［13］通過在孝義鋁土礦原開采工藝的基礎(chǔ)之上增加反鏟和穿孔爆破工序，避免了出現(xiàn)三角礦體開采問題；陳勃等［14］通過優(yōu)化采場退采方向、切割槽位置、分段聯(lián)絡(luò)巷道布置等措施提高了礦石回收率。綜上所述，現(xiàn)有研究主要是從開采工藝、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、巷道布置形式、炮孔布置方案等方面減少礦石損失或避免出現(xiàn)三角形邊角礦的殘留問題。

上述研究對于鏡鐵山礦I#礦體開采具有一定的借鑒意義，但在解決該礦I#礦體上盤邊角礦回收難題時，需要結(jié)合該礦的具體回采工藝，研究設(shè)計脈內(nèi)和沿礦巖邊界兩種分段沿脈巷布置形式。本研究采用層次分析法優(yōu)選出可行的傾斜礦體上盤邊角礦回采方案，為鏡鐵山礦開采作業(yè)提供一定的技術(shù)參考。

1 礦山概況

鏡鐵山礦樺樹溝鐵礦床屬于火山沉積變質(zhì)熱液疊加成因礦床［15］，I#和Ⅱ#礦體為主礦體，其中 I#礦體局部傾角變緩，為本次研究的對象。I#礦體呈似層狀產(chǎn)出，傾角一般為65°，局部為46°，深部較陡。礦體走向長1 403.72 m，延深240～650 m，厚度為2～101 m，平均35.76 m。

樺樹溝礦區(qū)礦石和圍巖穩(wěn)定，采用無底柱分段崩落法開采［16-17］，其主要工藝特點為：中段高度60 m，分段高度15 m，鑿巖聯(lián)巷（沿脈巷）沿礦脈走向布置在各分段的上盤脈內(nèi)，鑿巖進路（穿脈巷）每隔12 m垂直于礦脈走向，上下分段的穿脈巷呈棱形布置?；夭刹捎弥猩羁妆品绞?，切割拉槽后由穿脈端部向上盤沿脈巷方向退采，穿脈退采至沿脈巷附近時，沿著沿脈巷一側(cè)向礦塊另一側(cè)退采。井巷掘進主要采用Boomer 282掘進臺車，中深孔鑿巖采用SimbaH1354深孔臺車，崩落礦石運搬采用LH409E電動鏟運機。

由于采準(zhǔn)工程內(nèi)有效揭露的礦體傾角存在緩化問題，原上盤沿脈巷內(nèi)的中深孔難以控制上盤三角形邊角礦體邊界，因此在原上盤沿脈巷與礦巖邊界中間另外布置了一條脈內(nèi)沿脈巷，稱為上盤脈內(nèi)雙沿脈巷布置，如圖1所示。該布置形式多施工了一條脈內(nèi)沿脈巷，明顯增加了采準(zhǔn)工程量，提高了采切比，延長了采準(zhǔn)工期。因此，有必要根據(jù)樺樹溝礦區(qū)的回采工藝特征，針對上盤三角形邊角礦回收問題提出相應(yīng)的回采方案。

2 傾斜礦體上盤邊角礦回采方案

針對現(xiàn)有的上盤脈內(nèi)雙沿脈巷方案優(yōu)化問題，主要有兩種解決方案：①加強穿脈巷的控礦能力，穿脈巷兩端分別控制礦體上下盤邊界，各分段沿脈巷沿上盤礦巖邊界布置；②加強沿脈巷的控礦能力，優(yōu)化沿脈巷距離上盤礦巖邊界的位置及其中深孔布置方式，即在合理位置布置一條沿脈巷，并優(yōu)化中深孔排面中邊孔角度，使上盤殘留的三角形邊角礦更易于崩落并回收［3］。本研究設(shè)計的回采方案論述如下。

2.1 脈內(nèi)布置沿脈巷方案

為盡可能對沿脈巷上盤殘留的三角邊角礦進行中深孔控礦，盡量減少穿脈巷向上盤方向的延伸長度，并兼顧鑿巖設(shè)備運行效率對孔深和邊孔角度的要求，確定單沿脈巷與礦體邊界的距離為22.5 m，上下分段沿脈巷在水平投影方向的距離為15 m［3］，如圖2所示。

結(jié)合圖2，中深孔布置方案具體進行如下設(shè)計：

（1）穿脈巷內(nèi)中深孔布置范圍為距離上盤礦巖邊界約38 m左右處至礦體上盤礦巖邊界，更靠近下盤區(qū)域的中深孔與礦山原有設(shè)計方案相同。

（2）下分段穿脈巷在上盤方向超出上分段穿脈巷的部分（約15 m）布置7排中深孔，排距2.2 m，邊孔角為55°。

（3）沿脈巷內(nèi)中深孔排面為非對稱布置形式，排距2.2 m。為減小下分段崩落三角區(qū)域礦石的難度，盡可能在本分段崩落，因此靠近上盤方向的邊孔角應(yīng)適當(dāng)減小，本研究設(shè)計了15°、30°、45°3種上盤邊孔角方案，下文將對各方案的技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)進行詳細分析和研究。

（4）穿脈內(nèi)的中深孔排面高度也各不相同，其控礦原則為：孔底應(yīng)控制到上分段沿脈巷回采后邊孔下方留下的礦體，排面線高度隨著向上盤方向靠近而逐步抬高［3］。

2.2 沿礦巖邊界布置分段沿脈巷方案

為便于計算，取上盤變緩的礦體傾角為45°，分段高度和進路間距仍保持不變，向上盤方向延長穿脈巷的長度，使穿脈巷更加接近上盤礦巖邊界。分段沿脈巷沿礦巖邊界布置，巷內(nèi)不布置中深孔，三角區(qū)域的礦石主要由穿脈巷的中深孔控制，靠近上盤區(qū)域的中深孔為排面角度不等的傾斜排列方式，如圖3所示。中深孔布置方案具體論述如下：

（1）穿脈巷內(nèi)中深孔布置范圍為距離上盤礦巖邊界約38 m左右處至礦體上盤礦巖邊界，更靠近下盤區(qū)域的中深孔與礦山原有設(shè)計方案相同。

（2）由遠離上盤礦巖邊界方向向后對各排中深孔進行依次編號，其中1～10排中深孔控礦至上分段兩穿脈脊部，孔口排面間距為2.2 m；a～g排控礦至上分段沿脈巷，孔口排面間距為2.0 m，主要為回收三角區(qū)域的礦石而布置［3］。

（3）1～5排為垂直排，6～10及a～g排為排面角度遞減的傾斜排。

3 傾斜礦體上盤邊角礦回采方案初步評價

根據(jù)以上不同回采方案的對比分析，沿礦巖邊界布置分段沿脈巷方案和脈內(nèi)布置沿脈巷方案的主要優(yōu)缺點比較見表1。

根據(jù)傾斜礦體回采方案設(shè)計，選用一定區(qū)域的礦體進行技術(shù)經(jīng)濟分析計算，并對提出的4種傾斜礦體上盤邊角礦回采方案即脈內(nèi)布置分段沿脈巷方案（邊孔角15°）（方案Ⅰ），脈內(nèi)布置分段沿脈巷方案（邊孔角30°）（方案Ⅱ），脈內(nèi)布置分段沿脈巷方案（邊孔角45°）（方案Ⅲ）和沿礦巖邊界布置分段沿脈巷方案（方案Ⅳ）進行綜合比較。

擬選定的計算回采區(qū)域為從上盤礦巖邊界向下盤方向38 m，高度為一個分段15 m，寬度為進路間距12 m，靠近上盤方向為45°斜面，靠近下盤方向為垂直面，礦石體積為5 490 m3，密度按3.59 t/m3計，則礦石量為19 709.1 t。中深孔排距按2.2 m計算，計算區(qū)域沿脈巷內(nèi)布置5排中深孔［3］。根據(jù)方案I～IV的工藝特征及初步對比（表1），其生產(chǎn)組織評價及技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)見表2。表2中，樺樹溝礦區(qū)Ⅰ-Ⅱ礦體膨化硝銨炸藥單耗按0.85 kg/kt計算，膨化硝銨炸藥單價按5.46元/kg計算。

4 基于AHP的傾斜礦體上盤邊角礦回采方案優(yōu)選

層次分析（AHP）法將研究對象作為一個系統(tǒng)，按照分解、比較判斷、綜合的思維方式進行決策，可將定性方法與定量方法有機結(jié)合起來，使復(fù)雜的系統(tǒng)分解，能將人們的思維過程數(shù)學(xué)化、系統(tǒng)化，適用于對無結(jié)構(gòu)特性的系統(tǒng)評價以及多目標(biāo)、多準(zhǔn)則、多時期的系統(tǒng)評價［18-19］。

4.1 優(yōu)選模型建立

層次結(jié)構(gòu)優(yōu)選模型一般包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。目標(biāo)層即為層次法優(yōu)選的總目標(biāo)；準(zhǔn)則層由層次分析法優(yōu)選過程中的評價原則組成，一般稱為評價指標(biāo)；方案層由被選擇的各方案組成。本研究層次優(yōu)選的目標(biāo)層為傾斜礦體上盤邊角礦回采方案。方案層為本文第三章提出的4種傾斜礦體上盤邊角礦回采方案，即方案I～IV。根據(jù)表2中傾斜礦體上盤邊角礦回采方案的評價指標(biāo)，由此建立的基于AHP的傾斜礦體上盤邊角礦回采方案優(yōu)選模型如圖4所示。

4.2 評價指標(biāo)權(quán)重確定

結(jié)合已有研究成果［18-19］，“生產(chǎn)組織”和“技術(shù)經(jīng)濟”兩個因素同樣重要，即第一層準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的權(quán)重均取0.5。

第二層準(zhǔn)則層關(guān)于第一層準(zhǔn)則層的權(quán)重兩兩判斷矩陣見表3和表4。

第二層準(zhǔn)則層對“生產(chǎn)組織”和“技術(shù)經(jīng)濟”的排序權(quán)重向量分別為

全部評價指標(biāo)的最終權(quán)重為

4.3 評價指標(biāo)屬性值確定

方案層（P1、P2、P3和P4）關(guān)于第二層準(zhǔn)則層（12個評價指標(biāo)）的12個判斷矩陣如下：

4.4 回采方案排序

對以上12個兩兩判斷矩陣進行一致性檢驗后，計算得到的12個向量分別為

于是，評價指標(biāo)矩陣為

方案層關(guān)于目標(biāo)層的總合成排序向量為

W=U?w=[0.213,0.201,0.198,0.388]Τ，

即沿礦巖邊界布置分段沿脈巷方案（方案Ⅳ）為最優(yōu)方案。

5 工業(yè)化試驗

鏡鐵山礦樺樹溝礦區(qū)Ⅰ-II礦體為急傾斜厚大礦體，采用無底柱分段崩落法開采，目前進入2 655 m水平以下，中部局域礦體傾角變緩，上下水平礦巖邊界錯位20 m左右。形成的狹長薄礦體區(qū)域采用沿礦巖邊界布置分段沿脈巷方案（方案Ⅳ）回采后，取得了良好效果。針對鏡鐵山樺樹溝礦區(qū)傾斜礦體的三角區(qū)域，采用方案Ⅳ沿礦巖邊界布置巷道，利用中深孔控礦技術(shù)和一種利用礦巖界線與爆破相結(jié)合的經(jīng)濟高效放頂方式（圖5），達到了礦巖剝離的目的，形成了有效的礦石墊層及覆蓋層，豐富了無底柱分段崩落法低貧化放礦技術(shù)，形成了科學(xué)合理的技術(shù)方法，為狹長薄礦體的工業(yè)化開采夯實了理論基礎(chǔ)。該研究通過多回收礦石、降低貧化和減少工程量等措施直接經(jīng)濟效益能達到1 000萬元/a左右。

6 結(jié)論

（1）針對鏡鐵山礦急傾斜礦體傾角緩化問題，為有效回收上盤三角區(qū)域礦體，從向上盤方向延長穿脈巷和改變沿脈巷內(nèi)邊孔角度兩種不同的加強控礦思路出發(fā)，分別提出了沿礦巖邊界布置分段沿脈巷和脈內(nèi)布置分段沿脈巷兩類適宜的回采方案。其中，脈內(nèi)布置分段沿脈巷回采方案包括15°、30°、45°不同中深孔邊孔角的3種方案，詳細介紹了4種回采方案的實施方式。

（2）為對以上4種備選方案進行定量分析比較及回采方案優(yōu)選，采用層次分析法構(gòu)建了傾斜礦體上盤邊角礦回采方案層次分析優(yōu)選模型，得到4種回采方案的最終評價值分別為0.213、0.201、0.198和0.388。結(jié)果表明：沿礦巖邊界布置分段沿脈巷方案為最優(yōu)方案。優(yōu)選出的方案在實踐中取得了理想效果，經(jīng)濟效益顯著，可滿足該礦傾斜礦體上盤邊角礦回采需求。