金屬礦山階段開拓穿脈間距及采區溜井布置優化研究

孫建珍

（首鋼礦業公司，河北 遷安064404）

地下采礦在采場出礦設備及階段運輸形式確定以后，階段運輸中穿脈間距以及采區溜井的布置直接決定了開拓工程的投資費用、采場生產能力以及礦石的回采生產成本。穿脈間距小，采區溜井數目多，投資費用高，但回采成本低；反之，穿脈間距大，采區溜井數目少，投資與運營成本情況相反。

因此，穿脈間距以及采區溜井的優化布置，應建立在確保采場生產能力的前提下，實現工程投資與采場回采綜合成本最低的基礎上。

1 階段開拓穿脈間距及采區溜井布置優化模型的建立

1.1 采場運輸功

如圖1所示，為無底柱分段崩落法某一礦塊回采示意圖。

按照地下生產的要求，一般為采區內若干條回采進路同時并行后退回采。

圖中ΔL表示在一定作業時間T內，采場回采出礦量Q。

式中：Q為T時間內采場出礦量；B為采場寬度；ΔL為T時間內回采線后移長度；H為分段高度；γ為礦石容重；K為礦量回采系數。

圖1 無底柱分段崩落法某一礦塊回采布置圖

設回采設備運送采場出礦量Q進入溜井所需運輸功為W，則W應分兩部分。

1）質心A、B運到C點的運輸功為：

2）質心C運到礦石溜井的運輸功為：

則總運輸功為：

下面根據杏山鐵礦的礦體條件，以中厚礦體、厚大礦體兩種情況進行分析討論。

1.2 中厚礦體的穿脈間距、采區溜井的優化布置

穿脈間距（也即為溜井間距）布置（圖2）：

圖2 中厚礦體階段穿脈間距、溜井布置圖

1）目標函數

采場穿脈運輸工程、采區溜井工程投資與采場運礦成本之和最小。

設采場運礦單位運輸成本為C1（元／t·m），單個穿脈、溜井工程（包含各分段聯絡巷、放礦設備設施）投資成本C2，礦體的走向長度L；礦體平均厚度m；礦體開采總量為Q總，采用回采進路垂直礦體走向布置的方式，則采區溜井與階段開拓水平穿脈總數n＝L／B，則采場運礦成本與工程費用之和C為：

2）求解：MinC

約束條件：采場幾何尺寸滿足裝運設備的最大允許運距，即：

l＋a＋B／2≤裝運設備最大運距lmax

在此約束條件下，求解C的最小值，對B值進行求導：

溜井個數：

1.3 厚大礦體的穿脈間距及采區溜井優化布置

1.3.1 穿脈間距

同中厚礦體優化布置，見式（6）。

1.3.2 溜井間距

1）判斷礦體內布置采區溜井的必要性：設備最大允許運距lmax≤L＋a＋B／2 2）礦體內采區溜井的布置應滿足以下條件：

3）同一分段上、下采區［L′、B所圈定的采場為上采，（L－L’）、B所圈定的采場為下采運輸功之和P總最小，則P總＝P上＋P下

以L′為變量，進行P總Min計算。

2 杏山鐵礦－330m階段開拓工程應用

2.1 穿脈間距

2.1.1 基礎數據

1）礦塊基礎數據

杏山鐵礦階段高度H＝150m，－180～－330m階段共8個分段（即N＝8），大杏山礦體屬厚大礦體，平均長度440m，大杏山－330m階段礦石總量Q總為2462萬t。

2）鏟運機單位運輸成本C1

杏山鐵礦目前使用的TORO1400E鏟運機噸礦綜合成本為5.15元，作業平均運距73m，由此可以計算，C1＝5.15／73＝0.07元／／tm。

3）工程費用C2

設單個穿脈與溜井工程投資成本C2（由于大杏山礦體平均厚度120m，在1條穿脈方向上，相當于穿過2個礦塊，因此對單個礦塊而言，工程費用C2＝0.5穿脈運輸巷道費用＋礦塊內分段出礦巷道總費用＋溜井費用），即：

① 由于只在大杏山厚礦體中布置穿脈，大杏山厚礦體平均厚度為120m，穿脈運輸巷的平均長度為380m，斷面積13.5m2，階段運輸水平巷道掘進、支護、鋪軌費用及架線等費用單價700元／m3，則穿脈運輸費用：F穿＝380×13.5×700＝359.1萬元。

② 大杏山礦體采用直溜井，溜井直徑3m，長度150m（單條溜井下方設有振動放礦硐室和放礦閘門，費用60萬元），全部折算到溜井掘進費用中，溜井掘進單價1000元／m3，則單條溜井的費用：F溜＝150×1.5×1.5×3.14×0.1＋60＝166萬元。

③ 分攤到每個塊礦的聯絡巷掘進費用（進行開拓費用的比較，因此只計算分段出礦巷道）。由于平均每個礦塊在每一分段中攤到一條礦塊長度B的聯絡巷，而礦塊有N個分段，合計為NB，礦塊中聯絡巷的掘進費用F：

式中：N為礦塊分段數，個；B為礦塊的長度，m；S為聯絡巷斷面，m2；f為聯絡巷掘進單價，元／m3。

杏山階段高度150m，分段高度18.75m，包含8個分段，巷道掘進單價540元／m3。將礦塊參數B代入上式可得：F＝N×B×17.12×540＝0.9245NB萬元。由式（9）可以計算出：

C2＝0.5×359.1＋166＋0.9245NB＝（345.55＋0.9245NB）萬元／單位開拓工程量（含穿脈及溜井）。

2.1.2 利用模型進行優化布置

根據穿脈間距布置式（6）計算：

可得：B＝108.2m。

因杏山鐵礦進路間距20m，6m3鏟運機作業，B值最終選取100m。

2.2 溜井間距布置

由于在大杏山厚大礦體中布置穿脈，對于厚礦體中溜井的合理間距，需要在保證總體運輸功最小的情況下進行計算，根據式（8），其中：B為礦塊的長度，m；L′為礦塊的寬度，m；H為階段高度，150m；a為溜井聯絡道長度，5m；γ為礦石的容重，3.46t／m3；K為礦石回采率，初設取82%；M為礦體的平均厚度，初設中大杏山平均厚度120m；L為礦體平均厚度＋下沿脈距離礦巖交界的距離，L＝120＋15＝135m。

將上述參數代入式（8）可得：

當規定B取值100m時：

根據高等數學的極限理論，以L′為變量，進行P總Min計算，也即進行求導運算：

因此，在杏山厚礦體中當礦塊長度取值為100m、溜井的平均間距為67.5m時，階段采場運輸功最小，此時礦塊的尺寸為：100m×67.5m（此時，鏟運機作業的平均運距S＝67.5＋5＋25－34＝63.5m）。可以用此指導－330m水平階段開拓工程中穿脈與溜井的布置。

4 結論

1）根據生產過程分解鏟運機運輸功，建立采場開采礦石工程投資與開采成本費用最低的數學模型，推導出階段開拓水平的穿脈間距與溜井布置間距理論公式。

2）根據當前技術經濟指標，以杏山工程為例，對－330m開拓水平進行了優化研究，得出結果：穿脈間距100m，溜井間距：67.5m。

3）在保證最小運輸功及單個礦塊投資費用最小的前提下，分段高度由原設計15m提高到18.75m、礦塊的長度為100m，礦塊尺寸加大后，礦塊的可采礦量增加，服務年限延長，有利于杏山鐵礦三級礦量的保有和采場生產組織。

4）為類似礦山合理確定穿脈、溜井間距參數提供參考。