急傾斜軟弱破碎薄礦脈的采礦方法選擇及優化

盛利濤，盛 佳，江飛飛，石文靜，于棟才

(1.嵩縣前河礦業有限責任公司， 河南 嵩縣 471433； 2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012； 3.國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南 長沙 410012)

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急傾斜軟弱破碎薄礦脈的采礦方法選擇及優化

盛利濤1，盛 佳2,3，江飛飛2,3，石文靜1，于棟才1

(1.嵩縣前河礦業有限責任公司， 河南 嵩縣 471433； 2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012； 3.國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南 長沙 410012)

針對前河金礦葚溝礦區急傾斜軟弱破碎薄礦脈開采所面臨的問題，結合礦山生產現狀及開采技術條件，提出了3種技術上可行的采礦方法方案，然后對各方案的工藝及主要技術經濟指標進行了對比分析，優選出了其中的最優方案，并對所選的最優方案的進行了風險評估，評估結果表明優化后的方案具有較強的抗風險能力。

急傾斜薄礦脈；軟弱破碎巖體；采礦方法；風險評估

破碎礦體的安全高效開采歷來是采礦技術研究中所面臨的一大技術難題[1]，前河金礦床作為國內具有代表性的軟弱破碎類型礦床，經過20多年的開采，形成了較成熟的下向分層膠結充填采礦工藝，近年來已成功將人工混凝土充填系統改造為河砂膠結充填管道輸送系統[2-4]。但隨著開采深度的增加，開采的重點區域逐漸由北礦帶轉為南礦帶，在礦區及礦床地質、開采技術條件等方面與之前相比存在較大的變化，開采環境也隨之日益惡化，導致現有的下向分層膠結充填采礦工藝在實際生產過程中存在著一定的安全隱患，各分層在回采過程中側壁易出現垮塌，且實際木支護操作困難，另外人員作業環境和通風條件較差，人工出礦效率低下。為了礦山的持續開采，有必要對礦山的采礦方法和工藝進行優化。

1 礦山開采現狀及開采技術條件

前河金礦葚溝礦區采用“平硐+豎井+盲斜井”聯合開拓，中段高度40 m，目前主要開采中段有200，160，120，80 m，約有33個礦房，占全區供礦量的50%以上。礦區現有生產規模為600 t/d，采礦方法以下向分層膠結充填采礦法為主，單個采場生產能力40 t/d，礦石損失率約6%，貧化率約9%。

葚溝礦區包含ⅣN2、ⅣN2-1、Ⅳ3、ⅣS3礦體，其中ⅣS3分布于76～84線，礦體呈不規則脈狀、透鏡狀產于ⅣS礦帶中上部，礦體長200～350 m，走向70°～100°，傾向北西-北東，傾角45°～80°，平均68°，沿走向、傾斜其膨縮及分支復合特征明顯；礦體厚度0.74～6.39 m，平均3.08 m，屬典型的急傾斜薄礦脈。截止2015年12月末，ⅣS3礦體122b+333保有儲量70.6萬t，平均品位2.91 g/t，占葚溝礦區總量52.3%。礦體上盤圍巖為碳酸鹽化碎裂巖，工程揭露后極易塌方，下盤為碎裂安巖-蝕變安山巖，不穩固至中等穩固，目前開拓工程布置于下盤。礦床地層巖性較復雜，地質構造發育，巖石風化作用中等，有軟弱夾層存在，巖石破碎。礦床工程地質勘探復雜程度劃分為塊狀巖類中等偏復雜型。伊河在葚溝礦段西端通過，為自然邊界，主要礦體部分位于侵蝕基準面以下，組成礦帶及頂底板的含水巖組，裂隙導水性差，屬裂隙充水的水文地質條件中等的礦床。礦體開采技術條件差、開采難度極大。

2 可選采礦方法方案及其對比分析

2.1 可選采礦方法方案及工藝

根據礦山開采現狀和開采技術條件分析知，在技術上適合本礦的采礦方法有分層崩落采礦法、上向進路充填采礦法和下向水平分層充填采礦法這3種方法。

(1) 方案Ⅰ：分層崩落采礦法。本方案采場沿礦體走向布置，中段高度40 m，采場長60 m，采場寬為礦體厚度，采場留設6～7 m底柱，礦塊不留頂柱和間柱。先在采場兩端和中央布置雙格天井，然后從中段運輸巷開始掘進采場中央穿脈連接采場中央天井。在采場上中段水平，從采場中央天井開始向兩端天井拉切頂巷，然后擴幫至礦體邊界或沿礦體全厚一次切頂，切頂高度2.0～2.5 m。采場從切頂層開始自上而下分層進路回采、分層崩落，采用淺眼落礦，從采場中央天井開始向兩端回采，一分層回采完畢后，制作假底，然后即可從采場兩端開始向中央天井后退式放頂崩落。本方案中的采切工程采用木棚架支護，一般不支護。該采礦法標準方案見圖1。

(2) 方案Ⅱ：上向進路充填采礦法。本方案采場沿走向布置，中段高度40 m，礦房長58 m，采場寬為礦體厚度，采場留設2 m間柱和6 m底柱，不留頂柱，分層高度2 m。首先從中段運輸巷掘進穿脈巷至礦體上盤，然后在采場中間靠近礦體上盤位置施工2 m×2 m的中央通風行人井，并及時采用木材進行支護及架設人行梯子、充填管道；然后利用順路通風行人井進行刷擴，形成2 m×1 m的順路溜礦行人井，并將其分為兩格，一格用于溜礦，一格用于架設梯子行人。采切工程施工完畢后，即可從底柱上面自下而上進路式回采，以中央天井為自由面，中間往一端回采，采用電耙出礦，出礦完畢后及時將礦體頂板及上下盤圍巖采用玻璃鋼錨桿+高強聚酯纖維網聯合支護。一分層一端回采結束后，將充填管架設在進路頂板上，并砌筑充填擋墻進行充填作業，然后即可進行同一分層另一端的回采，二分層及其后各分層按照此順序依次回采，直至采場回采結束。該采礦法標準方案如圖2所示。

圖1 分層崩落采礦法標準方案

圖2 上向進路充填采礦法標準方案

(3) 方案Ⅲ：下向水平分層充填采礦法。本方案采場沿走向布置，中段高40 m，采場長60 m，采場寬為礦體厚度，分層高度2.3～2.5 m，不留設頂底柱和間柱。中段運輸巷布置在礦體下盤脈外巖體中，首先從中段運輸巷向礦體施工穿脈巷至礦體上盤，在礦體靠近上盤位置向上施工中央雙格井，一格溜礦，一格行人，并采用木材密集支護，同時在井內架設充填管道、人行梯子，用于行人、通風、溜礦及充填。采準工程完成后，采用進路式自上而下分層回采，從中央雙格井向兩翼推進，采用人工+電耙絞車聯合出礦，各分層出礦完畢后即可進行充填，充填前應平場、鋪膜、敷設鋼筋及架設好充填擋墻。工人在膠結充填體下作業，較安全可靠。首采分層采用高強度聚酯纖維網+中空注漿錨索聯合支護，其他分層回采進路和充填聯絡巷采用木棚支護。該采礦法標準方案如圖3所示。

圖3 下向水平分層充填采礦法標準方案

2.2 方案比較

基于上述可選采礦方法方案及工藝，針對安全條件、生產能力、采礦成本、貧損指標以及工藝復雜程度等方面，總結分析得出各方案的主要優缺點，其結果如表1所示。按照標準方案及礦山當前人工、材料等單價計算，各方案的主要技術經濟指標設計值如表2所示。

表1 各方案的優缺點比較

基于上述各方案的優缺點及技術經濟指標，首先建立相應的層次分析模型，確定各因素的權重值，并對定性的指標進行無量綱化處理，然后即可確定相應的模糊綜合評判矩陣R，最后運用加權平均模型對各方案進行評價[5-7]，根據評價結果可知，3個方案對最優采礦方法方案這一目標的隸屬度分別為0.554，0.253和0.611，可見方案Ⅲ下向分層充填采礦法最優，方案Ⅰ下向分層崩落采礦法次之。

表2 各方案主要技術經濟指標

(1)

3 所選采礦方案風險評估分析

根據方案優選結果可知，下向分層充填采礦法仍然是前河金礦葚溝礦區目前最適合的采礦方案，但本次方案與礦山現有方案相比，在回采工藝、出礦及支護方式上進行了優化，為了更加全面的認知和評估優化后的采礦方案，根據人員、材料、工程承包等定額單價計算，對方案進行盈虧平衡分析和敏感性分析，從而對優化后的方案進行整體風險評估。

3.1 盈虧平衡分析

根據固定成本費用、單位礦石價值、可變成本、銷售稅金及附加等數據計算的盈虧平衡點(BEP)，分析項目風險，其計算結果如下：

當生產能力達到設計生產能力的49.10%時，即年產礦石量6.48萬t時，項目即可達到盈虧平衡。當出礦品位為現在70.35%，即出礦品位為2.10 g/t，項目即可達到盈虧平衡。

3.2 敏感性分析

推薦方案下向水平分層充填采礦法投入運作后，直接影響礦山投產后經濟效益的敏感因素主要有：金屬價格、年處理礦石量、貧化率和損失率的控制。因此，必須對這4個因素在一定范圍內變化對礦山經濟效益所產生的影響，進行敏感性分析預測。其年利潤分析結果如圖4所示。

圖4 年利潤-各因素變化曲線敏感分析結果

從圖4可以看出，金屬價格因素的變動對礦山經濟效益的影響最為明顯，礦山生產能力和品位控制對礦山經濟效益的影響也比較明顯，而損失率變化的影響相對較小，因此提高生產能力，控制出礦品位是提高礦山經濟效益的關鍵，總體而言抗風險能力較強。

4 結 論

通過對礦山開采現狀及開采技術條件分析，結合此類型礦床開采特點，提出了3種有針對性的可選采礦方法方案，通過對各方案的工藝、指標對比分析，結果表明，下向水平分層充填采礦法仍然是目前前河金礦葚溝礦區開采急傾斜軟弱破碎薄礦脈最適合的采礦方法。為了適應礦山日益惡化的開采環境，有效解決目前所存在的安全條件較差、支護困難及出礦效率低等問題，必須對現有的回采工藝、支護方式進行優化。在本優化后的方案中，采用人工+電耙絞車聯合出礦提高出礦效率，首采分層采用高強度聚酯纖維網+中空注漿錨索聯合支護，其他分層回采進路和充填聯絡巷采用木棚支護，有效變革支護方式，提高安全性。根據盈虧平衡分析和敏感性分析結果可知，優化后的方案總體抗風險能力較強。

[1]賴 偉.復雜急傾斜薄礦脈采礦方法試驗研究[D].長沙:長沙礦山研究院有限責任公司,2012:16-24.

[2]肖有鼎,李翕然,王元亮.前河金礦下向分層膠結充填法的試驗研究[J].金屬礦山,1995(1):22-25.

[3]楊志芳,王小春,付文姜.下向分層膠結充填采礦法在前河公司的應用[J].黃金,2011,32(3):33-37.

[4]李向東,盛 佳,萬 兵,等.急傾斜軟弱破碎薄礦脈安全開采技術方案研究[R].長沙:長沙礦山研究院有限責任公司, 2014.

[5]王新民,趙 彬, 張欽禮.基于層次分析和模糊數學的采礦方法選擇[J].中南大學學報(自然科學版),2008,39(5):875-880.

[6]朱卓慧,趙國彥,吳桂香,等.采礦方案的模糊優選[J].采礦技術,2005,5(4):12-14.

[7]馬朋飛,盛 佳,李 強.復雜群空區下傾斜中厚低品位金礦采礦方法優化選擇[J].采礦技術,2012,12(03):18-19.(收稿日期：2016-01-25)

盛利濤(1983-)，男，河南平頂山人，助工，主要從事深部找礦及現場生產管理工作，Email:147657094@qq.com。