國外某有色金屬礦山開采技術(shù)方案綜合優(yōu)化

孫學(xué)森，翟建波

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

國外某礦山為一銅鈷礦，采選生產(chǎn)規(guī)模100萬t/a，服務(wù)年限約15年。南非一家項(xiàng)目管理公司對(duì)該項(xiàng)目所擬定的開發(fā)方案進(jìn)行了全面技術(shù)與經(jīng)濟(jì)研究，但經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)未達(dá)投資者預(yù)期目標(biāo)。為此，投資者組織開展了項(xiàng)目開采技術(shù)方案的綜合優(yōu)化工作。通過對(duì)其開采條件詳細(xì)研究后，提出了綜合性的技術(shù)優(yōu)化方案，降低了單位礦石生產(chǎn)成本，改善了項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

位于中南部非洲盧富里安成礦帶是世界上規(guī)模最大、銅品位最高的沉積層控成礦帶，該成礦帶根據(jù)地質(zhì)背景、成礦特征及地理位置進(jìn)一步劃分為贊比亞銅帶成礦亞帶、贊比亞西北省成礦亞帶和剛果（金）加丹加成礦亞帶。剛果（金）加丹加成礦亞帶發(fā)育在外部褶皺逆沖帶中，帶有薄層狀的幾何結(jié)構(gòu)學(xué)特征，伴隨復(fù)雜的大規(guī)模破碎帶，以及加丹加超群的逆沖推覆構(gòu)造。剛果（金）加丹加成礦亞帶的大多數(shù)礦床呈巖塊、巖片或聚合巖片產(chǎn)出，如科盧韋齊礦區(qū)和騰凱-豐古魯梅礦區(qū)。[1]本文所述的礦床即位于發(fā)育多個(gè)沉積層控銅-鈷礦床的科盧韋齊聚合巖片中。

2 開采技術(shù)條件

2.1 礦體特征

礦體賦存在走向北東東、傾向南東長約2.5km地層倒轉(zhuǎn)的巖塊中，該巖塊位于科盧韋齊聚合巖片核部，北側(cè)覆蓋迪佩特亞群。巖塊核礦體邊界均由斷層限定，礦體走向長度約600m，傾向延深大于600m，礦體由兩層礦組成，厚度均約12m～14m，中間為約20m厚的弱礦化硅質(zhì)碎屑巖層。礦體傾角較陡，平均70°。埋深250m以內(nèi)主要為氧化礦，250m以下主要為混合礦和硫化礦。

2.2 工程地質(zhì)條件

埋深250m以內(nèi)的區(qū)域?yàn)楦唢L(fēng)化帶，且?guī)r石強(qiáng)度低，RQD值約20%～40%；埋深250m以下逐步由未風(fēng)化至風(fēng)化中間狀態(tài)轉(zhuǎn)向未風(fēng)化狀態(tài)， RQD值約50%～95%。

采礦上盤圍巖為泥質(zhì)粉砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度平均值30MPa；礦體為紋層狀（硅質(zhì)、白云質(zhì)）頁巖、薄紋層狀粉砂質(zhì)頁巖，單軸抗壓強(qiáng)度平均值79MPa；采礦下盤圍巖為紋層狀、塊狀砂質(zhì)粉砂巖互層和粉砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度平均值93MPa；下盤推斷有侵入斷層。

2.3 水文地質(zhì)條件

采礦上盤，為相對(duì)較弱的含水層，深部構(gòu)成隔水層；采礦下盤為弱-中等強(qiáng)度的含水層，富水性較強(qiáng)；礦體中間的白云巖夾層巖溶發(fā)育，為導(dǎo)水性、富水性最強(qiáng)的含水層之一。礦坑涌水量約50000m3/d。

3 原開采技術(shù)方案

3.1 開拓系統(tǒng)

采用斜坡道開拓，斜坡道凈斷面5m×5m（寬×高），選用載重40t的無軌卡車運(yùn)輸?shù)V石、廢石。斜坡道硐口開槽放坡深度20m。

圖1 開拓系統(tǒng)示意圖（原方案）

3.2 采礦方法

采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，中深孔鑿巖臺(tái)車鑿巖，14t級(jí)柴油鏟運(yùn)機(jī)出礦，分級(jí)尾砂膠結(jié)充填。采場底部0～6m充填體強(qiáng)度要求為4.5MPa,采用重量比10%的水泥膠結(jié)充填；上部6m～30m采用重量比2%的水泥膠結(jié)充填。

3.3 分段高度及開采順序

分段高度30m，自上而下開采；先回采下盤礦體，再回采上盤礦體；自中央向兩翼推進(jìn)。

3.4 通風(fēng)系統(tǒng)

采用斜坡道、進(jìn)風(fēng)井（φ3.6m）進(jìn)風(fēng)，兩翼回風(fēng)井（φ3.6m）回風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)。井下柴油設(shè)備總功率約9450kW，估算的需風(fēng)量約370m3/s，每個(gè)回風(fēng)井井口選擇2臺(tái)主扇風(fēng)機(jī)并聯(lián)抽風(fēng)，單臺(tái)功率470kW。

3.5 疏干排水系統(tǒng)

250mL、340mL、430mL、520mL、610mL設(shè) 疏 干平巷，通過泄水鉆孔疏干礦體?？觾?nèi)涌水接力排出地表，分別在280mL、370mL、460mL、550mL、640mL設(shè)置接力排水泵站。

3.6 主要技術(shù)指標(biāo)

考慮采礦損失率10%、資源損失率5%后的綜合損失率約15%；考慮充填貧化率5%、廢石混入貧化率0.7%后的綜合貧化率約5.7%。

4 存在問題及綜合優(yōu)化方案

4.1 開拓系統(tǒng)

開拓工程選擇在弱含水的巖層中，是合理的。但是由于強(qiáng)風(fēng)化地層深度約200m，厚度大，若遇水，則施工難度非常大，斜坡道坡度較緩，穿越風(fēng)化層的長度達(dá)，作為關(guān)鍵線路、唯一的生產(chǎn)通道，基建進(jìn)度緩慢。開槽放坡型式的硐口明槽段，邊坡維護(hù)、雨季排水的成本較高。

根據(jù)國內(nèi)外研究理論研究成果和礦山的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在開采深度200m～300m以內(nèi)時(shí)，斜坡道開拓、卡車運(yùn)輸具有優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)目大部分礦體埋藏深度在200m以下，采用斜坡道開拓方式時(shí)基建時(shí)間短、投產(chǎn)快等優(yōu)勢(shì)已不明顯，且隨著深度的增加，采用柴油設(shè)備運(yùn)輸?shù)V廢石，井下空氣受污染，需增加通風(fēng)量，經(jīng)營成本均會(huì)大幅增加。[2]

綜合分析后，將礦山開拓系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整為豎井和斜坡道聯(lián)合開拓，豎井提升運(yùn)輸自動(dòng)化程度高、易于實(shí)現(xiàn)無人值守作業(yè)、無人駕駛運(yùn)輸?shù)V石，礦石運(yùn)輸、提升成本低，且豎井垂直穿越強(qiáng)風(fēng)化地層，揭露的深度小，較斜坡道易于克服遇到的不良巖層地段。

考慮到無軌開采的礦山，將主斜坡道調(diào)整為輔助斜坡道，斷面相應(yīng)減小至約4m×4m（寬×高），坡度相應(yīng)由10%～12%提高至15%～18%；斜坡道硐口由開槽放坡型式調(diào)整為砌碹型式；有效降低基建投資、減少生產(chǎn)期的維護(hù)成本。

圖3 開拓系統(tǒng)示意圖（優(yōu)化方案）

4.2 采礦方法

在本項(xiàng)目中，采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法在技術(shù)上是可行的。但為滿足臨近采場回采工藝需要，充填體需添加膠凝材料進(jìn)行固化，保證其在高度30m、寬度大于10m的暴露斷面條件下保持一定時(shí)間的自立狀態(tài)，而項(xiàng)目所在地膠凝材料水泥成本較高，又無其他替代材料，該種采礦方法的特點(diǎn)導(dǎo)致生產(chǎn)成本高昂。

一般說來，分段采礦法的成本較分層采礦法的成本低。尤其在水泥等膠凝材料貨源廣、成本低的中國，采用中深孔爆破技術(shù)的分段采礦法比采用淺孔落礦的分層采礦法成本更具優(yōu)勢(shì)，這是具有普遍共識(shí)的。但是，考慮到上向水平分層充填采礦法，超過90%的充填體可以采用分級(jí)尾砂非膠結(jié)充填，僅在面層添加水泥進(jìn)行固化，其工藝特點(diǎn)可大幅降低水泥消耗量，從而降低采礦綜合成本。

分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法與上向水平分層充填采礦法詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較顯示，前者回采成本較后者低17%，但是前者的充填成本是后者的2.8～3.7倍，在綜合效益上，上向水平分層充填采礦法優(yōu)勢(shì)明顯。

圖4 采礦方法示意圖（優(yōu)化方案）

4.3 中段高度及開采順序

原技術(shù)方案采用自上而下開采的方式，作業(yè)人員需要充填體下作業(yè)，為了保證安全，要求采場底部0～6m的充填體強(qiáng)度需達(dá)到4.5MPa。但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，水泥作為膠結(jié)材料時(shí)，10%的添加比例實(shí)現(xiàn)預(yù)期的充填體強(qiáng)度較困難。若達(dá)到該強(qiáng)度，水泥添加量可能需要達(dá)到25%以上且需要補(bǔ)充其他技術(shù)措施，充填成本將會(huì)大幅升高。

為改變這種情況，調(diào)整回采順序和采礦方法，采用上向水平分層充填采礦法，自下而上回采，非膠結(jié)充填，大幅減少水泥消耗量，提高作業(yè)安全保障程度。有條件將大量掘進(jìn)廢石回填至采空區(qū)，同時(shí)可以降低廢石提升費(fèi)用。

4.4 通風(fēng)系統(tǒng)

原技術(shù)方案采用無軌機(jī)械化設(shè)備，但隨著開采深度的下降，投入運(yùn)行的無軌運(yùn)輸設(shè)備逐漸增多，需風(fēng)量也相應(yīng)增大。對(duì)于一座不存在地?zé)釣?zāi)害的百萬噸規(guī)模的有色金屬礦山，年產(chǎn)萬噸耗風(fēng)量達(dá)3.7m3/s，存在優(yōu)化空間。一般經(jīng)驗(yàn)上，礦井通風(fēng)能耗占比較高；降低需風(fēng)量，是降低通風(fēng)系統(tǒng)能耗的重要手段。

結(jié)合開拓系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，采用脈外溜井裝礦、中段有軌運(yùn)輸、豎井提升礦石后，可減少運(yùn)輸?shù)V廢石的柴油設(shè)備。這類設(shè)備功率大、能耗指標(biāo)較高。卡車數(shù)量減少后，礦井需風(fēng)量相應(yīng)降低。經(jīng)測算，礦井總需風(fēng)量約230m3/s、2臺(tái)450kW的變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)即滿足基建期及生產(chǎn)期通風(fēng)工況需要。綜合優(yōu)化后，可大幅降低通風(fēng)設(shè)備投資和生產(chǎn)期間的動(dòng)力費(fèi)用。

4.5 疏干排水系統(tǒng)

原技術(shù)方案中首個(gè)疏干水平設(shè)置在250mL中段，同時(shí)配套相應(yīng)的排水設(shè)施，隨開采位置的下降逐步增加新的疏干及排水設(shè)施。該方案雖然技術(shù)可行，但需5次建設(shè)，每2年需新建成一套系統(tǒng)，基建間隔時(shí)間較短，礦山?jīng)]有合理的回收投資穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)間。結(jié)合優(yōu)化后的豎井開拓技術(shù)方案，采用建設(shè)準(zhǔn)備期、基建期、生產(chǎn)期協(xié)同疏干方式，地表抽水井、中段基建疏干、中段永久疏干工程三維協(xié)調(diào)的排水疏干方案。工程布局上，考慮在建設(shè)準(zhǔn)備期利用地表抽水井降低水位，基建期再結(jié)合中段布置設(shè)疏干放水工程，生產(chǎn)期在主要生產(chǎn)中段下部設(shè)疏干排水水平，提高單疏干水平服務(wù)的段高，同時(shí)做到疏干工程與探礦工程、生產(chǎn)工程兼用。

4.6 主要技術(shù)指標(biāo)

每個(gè)采場的走向長度為60m，間柱寬度為1m～3m，間柱損失為1.7%～5%；每2個(gè)中段（120m）最后一個(gè)分層高度3.3m的礦體不予回收，該層礦體造成損失為2.75%；以上兩項(xiàng)合計(jì)損失為7.75%；考慮一定的其他非開采損失，綜合損失率約10%。

根據(jù)一般礦山經(jīng)驗(yàn)，采礦爆破等導(dǎo)致的一次貧化率取3%，充填、出礦等其他廢石混入導(dǎo)致的二次貧化取5%，綜合貧化率取8%。

5 結(jié)論

該項(xiàng)目為一座建設(shè)在海外的有色金屬礦山，在國外知名咨詢單位認(rèn)為經(jīng)濟(jì)效益達(dá)不到預(yù)期的前提下，通過考慮設(shè)備因素、施工因素等綜合技術(shù)方案的優(yōu)化，充分融入“中國元素”后，項(xiàng)目效益指標(biāo)出現(xiàn)了較大的改觀。

（1）切實(shí)有效的協(xié)同疏干排水方案。該礦井涌水量達(dá)50000m3/d，排水疏干方案關(guān)乎項(xiàng)目建設(shè)周期與生產(chǎn)安全。通過優(yōu)化調(diào)整，合理布置疏干排水方案，既有利于縮短建設(shè)工期，又有利于保障生產(chǎn)的安全。

（2）充填采礦方法充分結(jié)合項(xiàng)目地材料供應(yīng)價(jià)格水平。國外知名咨詢單位推薦了分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，水泥消耗量大。而項(xiàng)目地水泥價(jià)格高昂，優(yōu)化后采用上向水平分層充填采礦法，利用分級(jí)尾砂充填，大幅減少水泥消耗量，降低采礦成本。

（3）綜合考慮開拓系統(tǒng)與回采方案。國外知名咨詢單位推薦了自上而下的回采順序，斜坡道開拓方案。經(jīng)綜合分析研究采取自下而上的回采順序，并與采取的混合井開拓系統(tǒng)方案相協(xié)調(diào)，既提高了作業(yè)環(huán)境的安全性，又降低了提升成本。

（4）工程技術(shù)方案綜合優(yōu)化后，經(jīng)測算項(xiàng)目建設(shè)投資較原方案增加13%，礦山成本降低35%，項(xiàng)目投資內(nèi)部收益率提高49%，取得了較好的效果。