某錳礦傾角變化礦體采礦方案創(chuàng)新優(yōu)化及應(yīng)用

韋志興，韋勇明，肖體群，陳慶發(fā)

(1.南方錳業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 天等錳礦分公司，廣西 崇左 532312； 2.南方錳業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 大新錳礦分公司，廣西 崇左 532315； 3.廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院，南寧 530004)

采礦方法的選擇是礦山開采設(shè)計(jì)中的核心環(huán)節(jié)，其選擇的合理性對礦山生產(chǎn)指標(biāo)(如：采場生產(chǎn)能力、礦山產(chǎn)能規(guī)模、礦石貧損率、礦塊生產(chǎn)成本、勞動效率等)具有決定性的影響[1]。傳統(tǒng)的采礦方法選擇往往是憑借經(jīng)驗(yàn)采用類比法選定，主要分為三步：采礦方法初選、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和綜合分析比較。采礦方法的選擇是一個(gè)涉及多層次、多因素、多指標(biāo)和多目標(biāo)的決策過程，傳統(tǒng)的采礦方法選擇只能對單個(gè)因素或少許幾個(gè)因素進(jìn)行直觀評價(jià)，這種采礦方法選擇往往不全面，具有很強(qiáng)的主觀性[2]。雖然很多學(xué)者通過采用多種數(shù)學(xué)方法來選擇采礦方法，使得采礦方法的選擇更加科學(xué)合理，但是對于一些具有產(chǎn)狀變化、多資源伴生等特點(diǎn)的難采礦體，很難從現(xiàn)有的采礦方法庫里通過采礦方法初選選出技術(shù)上可行的方法，更不可能進(jìn)行后續(xù)的采礦方法詳細(xì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。因此，未來在面對這些難采礦體時(shí)，通過引入或提出新的理念、新的思想或新的設(shè)備等來進(jìn)行采礦方法的創(chuàng)新或方案優(yōu)化就顯得尤為重要。

1 傳統(tǒng)采礦方法選擇概述

1.1 傳統(tǒng)采礦方法選擇的流程

傳統(tǒng)采礦方法選擇的流程按先后順序來劃分，主要有三步：采礦方法初選、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和綜合分析比較，又稱為采礦方法“三大步”選擇法。在傳統(tǒng)的采礦方法選擇流程中，大多數(shù)在第二步就已經(jīng)選出合適的采礦方法，只有少數(shù)難分優(yōu)劣的采礦方法才會進(jìn)入到第三步。

采礦方法初選。根據(jù)采礦方法選擇的原則和基本要求，主要從礦床地質(zhì)條件(礦巖穩(wěn)固性、傾角、厚度、埋深等)、開采技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件和國家要求這三個(gè)方面提出技術(shù)上可行的采礦方法方案，并根據(jù)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，淘汰具有明顯缺點(diǎn)的方案。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。對初選出的采礦方法方案，要確定每個(gè)方案的采場結(jié)構(gòu)和回采工作，繪制出標(biāo)準(zhǔn)的采礦方法方案圖，參照類似礦山的實(shí)際資料，選取主要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對初選的采礦方法方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析主要根據(jù)具體條件從礦塊生產(chǎn)能力、礦石貧損率、采切工程量、采切時(shí)間、勞動生產(chǎn)效率、采出成本、主要材料消耗、方案安全程度、方案靈活性、基建工程量等因素中先選取主要因素進(jìn)行分析，再選取次要因素進(jìn)行分析。

詳細(xì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。對難分優(yōu)劣的采礦方法方案進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算，得出具體的相關(guān)指標(biāo)，對這些指標(biāo)進(jìn)行綜合比較，得出最合適的采礦方法方案。詳細(xì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較是要將指標(biāo)量化到具體數(shù)值，技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析只需要將指標(biāo)進(jìn)行籠統(tǒng)的描述。

1.2 傳統(tǒng)采礦方法選擇的優(yōu)化研究進(jìn)展

很多學(xué)者運(yùn)用數(shù)學(xué)理論來進(jìn)行采礦方法選擇，如：王新民等[3-4]先運(yùn)用層次分析法得到初選方案各因素的權(quán)重向量，然后在此基礎(chǔ)上運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)法計(jì)算出各方案的綜合優(yōu)越度；陽雨平等[5]運(yùn)用未確知測度理論和層次分析法構(gòu)建了一個(gè)采礦方法優(yōu)選模型；吳姍等[6]先運(yùn)用模糊聚類分析法對采礦方法進(jìn)行初選，然后運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對采礦方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，最后通過層次分析法對采礦方法進(jìn)行模糊綜合評判，得出最優(yōu)采礦方法；何金城等[7]提出了一種基于FAHP-Entropy耦合定權(quán)法的優(yōu)選模型，為采礦方法優(yōu)選提供理論依據(jù)；張欽禮等[8]針對緩傾斜薄礦體采礦方法優(yōu)選難題，建立了一個(gè)變權(quán)重分析法和TOPSIS相結(jié)合的綜合評判標(biāo)準(zhǔn)體系。

從目前廣大學(xué)者對采礦方法優(yōu)選開展的研究情況來看，主要是對傳統(tǒng)采礦方法選擇流程中的第一步或第二步進(jìn)行優(yōu)化，通過引入數(shù)學(xué)理論建立一個(gè)綜合評判模型，使得采礦方法優(yōu)選更加科學(xué)合理。但是，以上關(guān)于采礦方法選擇的優(yōu)化研究主要是建立在“以法套礦”的基礎(chǔ)上，在采礦方法選擇流程上的優(yōu)化研究依舊較少。

2 傳統(tǒng)采礦方法選擇及優(yōu)化研究進(jìn)展中存在的不足

隨著社會快速發(fā)展，人們對于礦產(chǎn)資源的需求量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。為了保障社會穩(wěn)步發(fā)展，具有產(chǎn)狀變化、礦巖穩(wěn)固性變化、多資源伴生等特點(diǎn)的難采礦體逐步受到社會的重視。面對這些賦存條件變化的難采礦體，繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的采礦方法選擇流程進(jìn)行采礦方法選擇，可能會存在以下不足：

1)能夠通過初選的采礦方法方案數(shù)量少甚至沒有?？請觥⒈缆?、充填這三類傳統(tǒng)的采礦方法主要是基于地質(zhì)條件單一的礦體發(fā)展而來，隨著采礦技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展，基于靈活性強(qiáng)的傳統(tǒng)采礦方法所衍生出的諸多采礦方法變形方案能夠解決一些傳統(tǒng)采礦方案難以開采的礦體。但是，每個(gè)采礦方案都有其局限性，尤其是在面對產(chǎn)狀變化、礦巖穩(wěn)固性變化等難采礦體時(shí)，若繼續(xù)沿用“以法套礦”思想指導(dǎo)的傳統(tǒng)采礦方法選擇流程來進(jìn)行難采礦體采礦方法選擇，那采礦方法選擇的第一步流程很難達(dá)到預(yù)期的效果。

2)基于現(xiàn)有采礦方法庫選出的最優(yōu)采礦方法，其各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)很難達(dá)到礦山發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)的要求?？焖侔l(fā)展的社會對各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的要求越來越高，通過傳統(tǒng)的采礦方法選擇流程，雖然可以從現(xiàn)有采礦方法庫中找到可行的采礦方法并結(jié)合后續(xù)的礦房單體設(shè)計(jì)方案來實(shí)現(xiàn)部分難采礦體的回采，但是其實(shí)際應(yīng)用效果不一定理想，甚至還會造成礦產(chǎn)資源的永久損失。

3 融入采礦方法創(chuàng)新與方案優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)后的采礦方法選擇流程

在礦業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，涌現(xiàn)出了諸多理念和思想，如綠色開采[9]、無廢開采[10]、采礦環(huán)境再造[11]、協(xié)同開采[12]等。這些理念和思想的提出，體現(xiàn)了我國礦業(yè)發(fā)展的與時(shí)俱進(jìn)，對我國礦業(yè)發(fā)展起到了極大的推動作用。諸多學(xué)者以這些理念和思想為指導(dǎo)，開展了大量的采礦方法研究工作，對采礦方法創(chuàng)新與優(yōu)化研究具有重要的啟示作用。

面對難采資源或需要優(yōu)化采礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)時(shí)，通過引入這些理念或思想進(jìn)行采礦方法創(chuàng)新與方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，將這一環(huán)節(jié)與采礦方法初選同步進(jìn)行，融入采礦方法創(chuàng)新與方案優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)后的采礦方法選擇流程如圖1所示。

圖1 新的采礦方法選擇流程Fig.1 New mining method selection process

4 某錳礦傾角變化礦體的采礦方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 工程概況

某錳礦整個(gè)礦床為近東西走向的向斜構(gòu)造，西高東低。錳礦層共有三層，錳礦層產(chǎn)狀與圍巖一致呈層狀產(chǎn)出，層位穩(wěn)定。自上而下為：Ⅲ礦層平均厚0.8 m，夾二0.5～1.0 m，一般0.4～0.5 m；Ⅱ礦層1.8～2.2 m，夾一2～10 m；Ⅰ礦層1.5～1.7 m。礦體穩(wěn)定性較穩(wěn)固，密度3.1 t/m3，礦石平均品位為19.8%。Ⅲ礦層頂板和Ⅰ礦層底板中等穩(wěn)固；夾一受裂隙影響，穩(wěn)固性不穩(wěn)定，集中在較差和中等穩(wěn)固之間變化。

在該錳礦西北區(qū)域，部分礦體受褶皺的影響，造成礦體傾角在傾向上集中在30°～55°內(nèi)變化，總體上屬于傾斜礦體。多個(gè)礦塊內(nèi)的傾角變化大致如圖2所示。根據(jù)礦體的賦存條件，通過傳統(tǒng)的采礦方法選擇流程曾選出用淺孔留礦法回采傾角變化的傾斜礦體，僅僅根據(jù)礦體賦存條件對上山進(jìn)行了簡單的調(diào)整。在實(shí)際回采過程中，傾角的變化使得出礦時(shí)間長、效率低，增加了礦塊上部空區(qū)圍巖的暴露時(shí)間，造成礦石貧化率指標(biāo)上下浮動大，最高達(dá)33%；部分礦房在傾角變化區(qū)域施工時(shí)地壓變化明顯，使得上部分礦石無法回采，從而礦石回采率也上下浮動大，最高僅達(dá)到60%左右?？傮w來說，生產(chǎn)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到原設(shè)計(jì)時(shí)的要求。

圖2 礦體剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of orebody section

4.2 一種適合多層狀礦體且傾角變化的傾斜礦體采礦方案

結(jié)合圖1的采礦方法選擇流程和之前設(shè)計(jì)的淺孔留礦法應(yīng)用情況可知，從目前的采礦方法庫找不到相適應(yīng)的采礦方法或方案來回采傾角變化的傾斜礦體。從圖2可知，礦塊上部分的礦體比下部分礦體要陡。若是直接套用設(shè)計(jì)的淺孔留礦法，礦塊上、下部的礦石無法順利通過構(gòu)造區(qū)域；同時(shí)，由于礦塊下部傾角變緩，礦石無法全程靠自重滾至礦房底部電耙道。為此，必須結(jié)合礦體賦存條件設(shè)計(jì)合理的礦石運(yùn)搬方式和配套的礦房結(jié)構(gòu)。

通過參考學(xué)習(xí)淺孔鑿巖爆力-電耙協(xié)同運(yùn)搬分段礦房法[13]和分段鑿巖并段出礦分段礦房法[14]，結(jié)合該礦體賦存條件，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種多層狀且傾角變化的傾斜礦體采礦方案，礦塊結(jié)構(gòu)布置示意圖如圖3所示。該方案設(shè)計(jì)的回采率為85%～90%，貧化率為12%。與原設(shè)計(jì)的淺孔留礦法相比，該方案根據(jù)礦塊實(shí)際情況對礦塊結(jié)構(gòu)和回采工作進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)勢較為明顯，便不再進(jìn)行詳細(xì)比較，直接選為試采方案進(jìn)行試驗(yàn)。

1—穿脈；2—人行上山；3—分段鑿巖道；4—聯(lián)絡(luò)道；5—長間柱；6—頂柱；7—電耙道；8—礦體；9—溜井；10—漏斗；11—夾層；12—礦石圖3 礦塊結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig.3 Ore block structure layout diagram

該方案設(shè)計(jì)的礦塊長50 m，高30 m(為西北區(qū)域的階段高度)，在傾角變化區(qū)域布置一條5 m高的長間柱，將礦塊分為上和下兩部分，礦塊上部(傾角53°)斜長約12 m，下部(傾角32°)斜長約31 m。該長間柱同時(shí)作為礦塊上部的底柱和下部的頂柱，在礦塊上部再留設(shè)3 m高的頂柱，礦房兩端留設(shè)2 m寬的間柱。掘進(jìn)一條穿脈聯(lián)通Ⅱ-Ⅲ礦和Ⅰ礦，分別在Ⅱ-Ⅲ礦和Ⅰ礦礦塊下部布置電耙道，在Ⅰ礦和Ⅱ-Ⅲ礦礦房左端布置切割槽，右端布置人行上山。在礦塊上部的底柱中，布置放礦漏斗，漏斗下方布置一條沿脈電耙道，Ⅰ礦電耙道端部掘進(jìn)一條溜井聯(lián)通穿脈，Ⅱ-Ⅲ礦電耙道端部掘進(jìn)一條短溜井聯(lián)通Ⅰ礦人行上山。夾二局部區(qū)域受裂隙或構(gòu)造影響，使得巖層穩(wěn)固性局部破碎或中等穩(wěn)固，為了保證布置在夾二巖層和構(gòu)造區(qū)域的工程巷道在回采期間的穩(wěn)定性，工作人員對巖層不穩(wěn)固區(qū)域需采取樹脂錨桿支護(hù)或錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿長度根據(jù)施工位置巖層厚度、暴露面積等因素來定。

在回采順序上，先回采Ⅱ-Ⅲ礦上部的礦石和Ⅰ礦上部的礦石，Ⅱ-Ⅲ礦上部礦石回采超前Ⅰ礦上部8 m，Ⅱ-Ⅲ礦上部的礦石經(jīng)漏斗放至電耙道，再由電耙道耙至短溜井溜至Ⅰ礦人行上山，然后由Ⅰ礦人行上山耙至Ⅰ礦礦房底部由鏟運(yùn)機(jī)出礦；Ⅰ礦上部的礦石經(jīng)漏斗放置電耙道，再由電耙道耙至溜井溜至穿脈。在鑿巖鉆孔時(shí)，同時(shí)對先前崩落的礦石進(jìn)行出礦作業(yè)，放完礦的漏斗要進(jìn)行封堵，避免后續(xù)空區(qū)頂板碎石滾落下來。待Ⅱ-Ⅲ礦上部的礦石回采完后，就安排班組對Ⅱ-Ⅲ礦下部的礦石進(jìn)行回采，礦塊下部的礦石由于礦體傾角較緩、斜長較長，可采用爆力運(yùn)搬和電耙運(yùn)搬兩種方式配合進(jìn)行，Ⅱ-Ⅲ礦下部的礦石回采同樣是超前Ⅰ礦下部8 m。在Ⅰ礦層的回采過程中，根據(jù)現(xiàn)場頂板圍巖的穩(wěn)固程度適時(shí)進(jìn)行錨桿支護(hù)，避免在礦石運(yùn)搬結(jié)束前頂板塌陷，影響礦石運(yùn)搬的質(zhì)量和效率。礦塊回采完畢后，對空區(qū)進(jìn)行封堵。

4.3 工程應(yīng)用效果總結(jié)分析

通過選取一個(gè)傾角變化的多層狀礦塊為試驗(yàn)范圍，統(tǒng)計(jì)得礦塊實(shí)際回采率76%、貧化率17%。經(jīng)過綜合分析，造成實(shí)際指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)的原因有：原設(shè)計(jì)在礦塊傾角變化區(qū)域留設(shè)的長間柱中布置漏斗結(jié)構(gòu)，在實(shí)際施工過程中，由于構(gòu)造因素使得漏斗結(jié)構(gòu)和受礦電耙道大部分布置在夾一中；試驗(yàn)礦塊的夾一厚度較薄且穩(wěn)固性較差，在回采Ⅰ礦層時(shí)，較多夾一圍巖混入到了礦石中。該方案需布置的采切工程明顯比原來的淺孔留礦法多，原方案設(shè)計(jì)的采切比為14 m/kt，以最高實(shí)際回采率60%為準(zhǔn)，其實(shí)際采切比為22 m/kt；新方案設(shè)計(jì)的采切比為21 m/kt，以實(shí)際回采率76%為準(zhǔn)，其實(shí)際采切比為25 m/kt。

該采礦方案根據(jù)礦體傾角變化將礦塊分為上、下兩個(gè)部分，并在傾角變化區(qū)域布置一條長間柱，不僅弱化了地質(zhì)構(gòu)造對礦石運(yùn)搬的不利影響，同時(shí)還對構(gòu)造區(qū)域的地壓有一定的控制作用；將礦塊上部的出礦漏斗布置在長間柱中，減少了長間柱帶來的礦量損失；布置兩個(gè)采場同時(shí)回采，這兩個(gè)采場在四個(gè)區(qū)域(Ⅱ-Ⅲ礦和Ⅰ礦的上、下部)之間有序進(jìn)行，使得礦塊產(chǎn)能得到穩(wěn)定輸出，縮短了礦塊回采周期，但也增加了作業(yè)人員數(shù)量和礦房管理難度。

總的來說，與原方案相比，該方案具有一定的優(yōu)越性，且更加適用于夾層穩(wěn)固且夾層較厚的礦塊回采，但后續(xù)在采切工程布置和出礦方式等方面還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

5 結(jié)論

1)本文針對傳統(tǒng)的采礦方法選擇流程在賦存條件復(fù)雜變化難采礦體面前表現(xiàn)出的不足，建議將采礦方法創(chuàng)新與方案優(yōu)化設(shè)計(jì)融入到傳統(tǒng)采礦方法選擇流程中，并給出了融入采礦方法創(chuàng)新與方案優(yōu)化后的采礦方法選擇流程。

2)以某錳礦山傾角變化的傾斜礦體為例，將采礦方法選擇流程中的“方案優(yōu)化設(shè)計(jì)”放到采礦方法初選第一步，通過優(yōu)化調(diào)整采場結(jié)構(gòu)和回采工作這兩方面，設(shè)計(jì)了一種適用于傾角變化的傾斜礦體的采礦方案，替代了傳統(tǒng)采礦方法選擇的淺孔留礦法，回采率由之前的最高60%提高到了76%，為某錳礦山傾角變化的傾斜礦體提供了更優(yōu)的技術(shù)選擇。

3)與淺孔留礦法相比，新方案的采切工程量較多，且出礦環(huán)節(jié)中電耙出礦占了大部分，后續(xù)在采切工程布置和出礦方面還需進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。