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735100）

無底柱分段崩落法具有采礦工藝簡單、技術成熟、效率高、成本低、安全性好等優點，尤其適用于急傾斜厚大礦體開采，在國內外有著廣泛的應用［1-3］。由于熱液型礦床以及部分沉積變質型礦床受原始地形或地質構造作用影響，導致急傾斜礦體傾角發生變化。當急傾斜礦體變為傾斜礦體時，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，部分學者采用了特殊的技術措施進行回收。李元輝等［6］根據數值模擬結果分析了礦體下盤傾角與下盤礦石殘留量的關系，通過技術經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回收了上盤三角區域礦體；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，以此來實現增大采場結構參數與控制礦石下盤損失的目標；李英碧等［12］采用“垂直分區”、“組合放礦”等工藝優化了中深孔炮孔布置參數，緩解了礦石損失和貧化嚴重的問題；于偉［13］通過在孝義鋁土礦原開采工藝的基礎之上增加反鏟和穿孔爆破工序，避免了出現三角礦體開采問題；陳勃等［14］通過優化采場退采方向、切割槽位置、分段聯絡巷道布置等措施提高了礦石回收率。綜上所述，現有研究主要是從開采工藝、采場結構參數、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，需要結合該礦的具體回采工藝，研究設計脈內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提供一定的技術參考。

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。

樺樹溝礦區礦石和圍巖穩定，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，鑿巖聯巷（沿脈巷）沿礦脈走向布置在各分段的上盤脈內，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。回采采用中深孔爆破方式，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，沿著沿脈巷一側向礦塊另一側退采。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。

由于采準工程內有效揭露的礦體傾角存在緩化問題，原上盤沿脈巷內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沿脈巷，稱為上盤脈內雙沿脈巷布置，如圖1所示。該布置形式多施工了一條脈內沿脈巷，明顯增加了采準工程量，提高了采切比，延長了采準工期。因此，有必要根據樺樹溝礦區的回采工藝特征，針對上盤三角形邊角礦回收問題提出相應的回采方案。

2 傾斜礦體上盤邊角礦回采方案

針對現有的上盤脈內雙沿脈巷方案優化問題，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］。本研究設計的回采方案論述如下。

2.1 脈內布置沿脈巷方案

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。

結合圖2，中深孔布置方案具體進行如下設計：

（1）穿脈巷內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，更靠近下盤區域的中深孔與礦山原有設計方案相同。

（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適當減小，本研究設計了15°、30°、45°3種上盤邊孔角方案，下文將對各方案的技術經濟參數進行詳細分析和研究。

（4）穿脈內的中深孔排面高度也各不相同，其控礦原則為：孔底應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，巷內不布置中深孔，三角區域的礦石主要由穿脈巷的中深孔控制，靠近上盤區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，更靠近下盤區域的中深孔與礦山原有設計方案相同。

（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布置沿脈巷方案的主要優缺點比較見表1。

根據傾斜礦體回采方案設計，選用一定區域的礦體進行技術經濟分析計算，并對提出的4種傾斜礦體上盤邊角礦回采方案即脈內布置分段沿脈巷方案（邊孔角15°）（方案Ⅰ），脈內布置分段沿脈巷方案（邊孔角30°）（方案Ⅱ），脈內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，計算區域沿脈巷內布置5排中深孔［3］。根據方案I～IV的工藝特征及初步對比（表1），其生產組織評價及技術經濟指標見表2。表2中，樺樹溝礦區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選

層次分析（AHP）法將研究對象作為一個系統，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合起來，使復雜的系統分解，能將人們的思維過程數學化、系統化，適用于對無結構特性的系統評價以及多目標、多準則、多時期的系統評價［18-19］。

4.1 優選模型建立

層次結構優選模型一般包括目標層、準則層和方案層。目標層即為層次法優選的總目標；準則層由層次分析法優選過程中的評價原則組成，一般稱為評價指標；方案層由被選擇的各方案組成。本研究層次優選的目標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。根據表2中傾斜礦體上盤邊角礦回采方案的評價指標，由此建立的基于AHP的傾斜礦體上盤邊角礦回采方案優選模型如圖4所示。

4.2 評價指標權重確定

結合已有研究成果［18-19］，“生產組織”和“技術經濟”兩個因素同樣重要，即第一層準則層對目標層的權重均取0.5。

第二層準則層關于第一層準則層的權重兩兩判斷矩陣見表3和表4。

第二層準則層對“生產組織”和“技術經濟”的排序權重向量分別為

全部評價指標的最終權重為

4.3 評價指標屬性值確定

方案層（P1、P2、P3和P4）關于第二層準則層（12個評價指標）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，評價指標矩陣為

方案層關于目標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）為最優方案。

5 工業化試驗

鏡鐵山礦樺樹溝礦區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傾斜礦體的三角區域，采用方案Ⅳ沿礦巖邊界布置巷道，利用中深孔控礦技術和一種利用礦巖界線與爆破相結合的經濟高效放頂方式（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，形成了科學合理的技術方法，為狹長薄礦體的工業化開采夯實了理論基礎。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濟效益能達到1 000萬元/a左右。

6 結論

（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域礦體，從向上盤方向延長穿脈巷和改變沿脈巷內邊孔角度兩種不同的加強控礦思路出發，分別提出了沿礦巖邊界布置分段沿脈巷和脈內布置分段沿脈巷兩類適宜的回采方案。其中，脈內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選，采用層次分析法構建了傾斜礦體上盤邊角礦回采方案層次分析優選模型，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。結果表明：沿礦巖邊界布置分段沿脈巷方案為最優方案。優選出的方案在實踐中取得了理想效果，經濟效益顯著，可滿足該礦傾斜礦體上盤邊角礦回采需求。