某鐵礦緩傾斜至傾斜厚礦體綠色協同開采技術應用

劉培正 黎 明

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.馬鋼（集團）控股有限公司姑山礦業公司）

十九大報告指出：“堅持人與自然和諧共生，建設生態文明是中華民族永續發展的千年大計”，并對生態文明建設進行了一系列決策部署，要求加快綠色發展，建立綠色生產和消費的法律制度和政策導向，構建市場導向的綠色技術創新體系，實行最嚴格的源頭保護制度，推進資源全面節約和循環利用，降低能耗物耗等。這些都對礦業行業的發展提出了更高的要求和新的挑戰［1］。

在此背景下，應急管理部、自然資源部等八部委聯合于2020 年2 月印發了《防范化解尾礦庫安全風險工作方案》（應急〔2020〕15號）。明確自2020年起，在保證緊缺和戰略性礦產礦山正常建設開發的前提下，全國尾礦庫數量原則上只減不增。該文件出臺給利用尾砂充填不能完全消化排放量礦山的開發，帶來了極大的挑戰。

同時，在共抓大保護、不搞大開發的背景下，國家相關部門統籌推進鐵腕治礦和重拳治砂，相繼出臺了限制露天礦山新建項目、整改及關閉存在安全事故隱患露天礦山、限制及整治河道采砂等政策，造成了砂石需求量大幅增加、價格持續上漲，給礦山廢石等固體廢棄物的綜合利用帶來了機遇［2］。

針對某鐵礦緩傾斜至傾斜厚礦體開采面臨的采切工程量大、生產能力偏低、多余尾砂處理等難題，提出綠色協同開采技術，以實現礦體綠色、高效開采。

1 工程概況

某地下鐵礦山位于安徽霍邱礦床中部。礦區地貌成因歸屬于侵蝕堆積地形，第四系廣泛出露地表，厚度為180～210 m，為淮河流域河湖相沉積。主要為黏土（鈣質黏土）、粉土質黏土、粉砂土，夾1～3層中粗砂。底部普遍發育一層礫石層，厚度不等，部分為黏土黏結，呈半松散狀態，含承壓水。礦體一般呈層狀、透鏡狀產出。單層厚12.58～31.59 m，傾角為15～35°，礦體品位較低，全礦平均TFe 品位27.89%，mFe品位僅18.85%，為緩傾斜至傾斜厚大的低品位礦體。礦體及頂底板圍巖中等穩固，礦區地表分布著村莊和農田，不允許塌陷。

2 傳統開采方案及存在的問題

根據上述礦床地質條件和開采技術經濟條件，該礦床屬緩傾斜至傾斜厚大礦體，在我國銅、鐵、鉛等冶金礦山和磷、硫等化工礦山均占一定比重［3-4］。長期以來，該類礦體一直被視為難采礦體。主要表現在受限于礦體傾角相對較緩，尤其45°以下的礦體，采場內崩落的礦石無法借助自重放出；若在采場內使用運搬設備，由于采場空頂較高，而低成本、安全可靠的護頂技術無法有效實施，作業很不安全。

近些年，隨著無軌出礦設備在國內礦山的廣泛應用，分段空場法現在主要作為開采緩傾斜至傾斜厚礦體的首選方法［5-6］，方案見圖1。

階段高度為50 m，沿礦體垂直方向劃分5 個分段，每個分段采場高10 m。礦房長50 m，兩相鄰礦房間留礦柱，礦柱寬10 m。沿采區斜坡道每隔10 m 掘聯絡道聯通各分段，作為人員、設備及材料的通道；自聯絡道沿礦體走向掘出礦巷道，出礦巷道布置在距礦體下盤15 m 區域；在出礦巷道內每隔10 m 向礦體方向掘裝礦進路，裝礦進路與出礦巷道夾角為60°；塹溝布置在裝礦進路端部，并在塹溝掘切割橫巷和切割天井。溜井布置在礦柱內的出礦巷道附近。

階段內采取自下而上的順序回采，下分段采場回采結束后，采用灰砂比1∶6 得膠結料進行充填，待充填體達到強度后，再回采上分段采場。

該方法鑿巖、出礦均在巷道內作業，且采用無軌設備，安全及作業效率可以得到保證。但是，需在每個分段（10～15 m）下盤布置底部結構，包括塹溝、裝礦進路、出礦巷道、溜井及聯絡道等工程，導致采切工程量大、采切準備時間長、生產能力偏低等問題，尤其在礦業市場不景氣及環保壓力的狀況下，低品位礦床采用分段空場法，受限于開采成本高及多余尾砂難以處理等因素，難以為繼。

3 綠色協同開采方案

針對上述分段空場法存在采切工程量大及準備時間長、生產能力偏低等問題，在此基礎上，提出組合分段開采方式。具體為將2 個分段劃分一個組合開采單元，同樣先回采并充填下分段的采場，再回采并充填上分段的采場，但2個采場共用一套底部出礦結構。較上述傳統的分段空場法，省去出礦巷道、溜井及聯絡道等工程。

根據礦體的傾角和厚度不同，組合分段的底部結構可以靈活布置，主要分為出礦巷道布置在底部結構的中部和外側2 種方式。分別利用組合分段設計開采緩傾斜和傾斜厚礦體。

3.1 緩傾斜厚礦體組合分段開采

組合分段開采緩傾斜厚礦體的采礦方法見圖2，因礦體傾角相對較緩，將出礦巷道布置在上分段采場和下分段采場下部的中間。首先在出礦巷道內向左側掘裝礦進路，下分段采場回采結束后，封閉裝礦進路并進行充填。待充填體強度達到要求后，在該出礦巷道內向右側掘裝礦進路，并相應對上分段采場進行回采、充填。

3.2 組合分段開采傾斜厚礦體

組合分段開采傾斜厚礦體的采礦方法見圖3，隨著礦體傾角增加，導致下部裝礦進路的長度受限，將出礦巷道布置在上分段采場和下分段采場下部的外側（下分段采場的出礦巷道可利用上分段采場的塹溝或外部共用的出礦巷道，根據上分段采場的裝礦進路長度和采用的設備靈活選擇）。該方案回采順序及回采工藝與上述組合開采分段開采緩傾斜厚礦體設計一致。

以上2種組合開采方案節省了出礦巷道、溜井及聯絡道等工程，噸礦采切費用大大降低，但由于上分段的塹溝布置在下分段水平，造成廢石混入量增加。

目前，在國家鐵腕治礦、重拳治砂的政策下，砂石需求量大幅增加，砂石價格持續上漲，將采場混入的廢石提升至地表，加工成砂石骨料外賣可抵償開采成本。同時，在國家相關部門明確尾礦庫數量原則上只減不增的情況下，新增廢石的空區為尾砂增加排放空間，減少尾砂地表堆存量，遵循了開采與環境協調一致的原則，實現了“低開采、高利用、低排放”的綠色協同開采技術，達到了經濟效益、生態效益和環境效益的和諧統一。

4 綠色協同開采技術應用

4.1 協同開采方案

現基于上述綠色協同開采理論，采用組合分段方式進行開采設計，礦體為緩傾斜厚礦體，開采方案見圖2。

4.1.1 礦塊布置及結構參數

礦塊沿礦體走向布置，走向長50 m，相鄰礦塊間留設10 m 間柱；礦塊厚度為礦體厚度，為15 m；礦塊內包括2 個分段采場：下分段采場和上分段采場，礦塊高度20 m。

4.1.2 采準工作

自采區斜坡道每隔20 m 掘聯絡道聯通各分段，以便人員、設備及材料進入各分段，沿礦塊下部中間布置分段出礦巷道，在分段出礦巷道內每隔100 m 掘放礦溜井，通往中段運輸巷道。自分段出礦巷道每隔10 m 向下分段采場掘裝礦進路，與出礦巷道夾角為60°；在裝礦進路的端部布置塹溝。下分段采場回采結束后，同樣自分段出礦巷道每隔10 m 向上分段采場掘裝礦進路，在其端部布置相應塹溝。

4.1.3 切割工作

切割工作與傳統分段空場法相同，包括在采場中部布置切割橫巷和切割天井。切割橫巷布置在礦房中央，切割天井位于切割橫巷端部。

4.1.4 回采工作

2.個人成長因素。這是體育后進生形成的主要原因。好動本是人的天性，但在個人成長過程中，心理受過打擊，受過挫折，自尊心受到傷害；生理上，由于身體發育過于肥胖或過于瘦弱；嬰幼兒時體弱多病；在體育活動中又受過運動創傷等原因。這樣從小就帶著心理陰影，不能像常人一樣活動，再加上父母、家庭環境過分溺愛，沒有正確引導。長此以往，造成能力低下，意志薄弱，對參加體育活動興趣淡漠。

首先回采下分段采場，自切割槽向礦房兩側退采。在塹溝內鑿扇形中深孔，崩下礦石，采取鏟運機運至溜井中，溜到中段運輸平巷裝車運出。

4.1.5 充填工作

下分段采場充填結束后，立即對各裝礦進路進行封閉，并進行充填。采用灰砂比1∶6～1∶8膠結料進行充填，待充填體達到強度后，再采取同樣方式對上分段采場進行回采。

4.2 技術經濟指標

采用綠色協同開采技術將2 個分段劃分一個組合單元，共用利用一套底部結構出礦，可大大減少采切工程量，但將造成上分段采場下盤廢石的大量混入。而采用傳統分段空場法，在每個分段下盤均布置底部結構，雖能較好地控制下盤廢石混入，但采切工程量較大，采切準備時間長。現將2種方案的主要技術經濟指標進行對比，分析經濟可行性。

4.2.1 采礦方法主要技術經濟指標

通過對標準礦塊的采切工程量進行計算，2 種采礦方法主要技術經濟指標見表1。

?

從表中可以看出，采用組合分段開采技術較傳統的分段空場法，采切比降低22.87%，生產能力提高23.08%，同時廢石混入率由10.58%增加至19.01%。

4.2.2 廢石產出量及處置

以上2 種方案廢石產出率分別為10.58% 和19.91%。混入的廢石通過井下粗碎和地表中細碎，依次采取干式預選和濕式預選分離后，產品可作為砂石骨料外售。

目前建筑石料價格維持在55～70 元/t，而開采成本為40 元/t，破碎加工成本為10 元/t 左右。混入的廢石加工成砂石骨料外售，可完全抵償其成本。

4.2.3 尾砂產出量及處置

按選礦回收率71.55%、鐵精礦品位66%計算，2種方案濕選尾砂產率均維持50%左右；而干式預選和濕式預選廢石產率不同，組合分段開采方案較傳統方案約多10%，該部分可直接作為砂石骨料外售。

濕選尾砂主要用于井下充填，根據回采工藝要求，采用灰砂比1∶6～1∶8 膠結料進行充填，1 m3充填體消耗尾砂1.40～1.50 t，按礦石密度3.23 t/m3計算，每噸礦石產生的空區可消耗尾砂0.44～0.46 t，而濕選尾砂產率為50%，除用于井下充填外，尚多余0.04～0.06 t尾砂需要在地表堆存。

通過上述計算，采用傳統的分段空場法開采低品位的鐵礦床，雖增加了干式預選和濕式預選工藝，減少濕選尾砂的產率，也難以做到采充平衡。

采用組合分段開采方案，由于新增廢石量增加9.33%，該部分新增廢石破碎加工后直接作為砂石骨料，不另新增產生濕選尾砂，而新增廢石產生的空區，為多余的尾砂井下堆存提供空間。按廢石密度2.7 t/m3，可新增解決每噸礦石開采產生的0.053～0.057 t 尾砂，將基本實現濕選尾砂全部用于井下充填，不需在地表另建尾砂庫堆存。

5 結 語

（1）將分段空場法2個分段劃分為一個組合開采單元進行開采，每個單元布置一套出礦底部結構，大大節省了采切工程量和采切準備時間。相比傳統的分段空場法，采用組合分段開采采切比降低22.87%，生產能力提高23.08%。

（2）采用組合分段開采廢石混入率雖由10.58%增加至19.01%，但混入的廢石通過井下粗碎和地表中細碎后，依次進行干式預選和濕式預選，直接作為砂石骨料外售，抵償其成本。

（3）采用組合分段開采，下盤新增廢石空區為多余的尾砂井下堆存提供了空間，并結合干式預選和濕式預選，基本可以實現尾砂采充平衡，解決了采用傳統的分段空場法開采低品位鐵礦床產生多余尾砂地表堆存難題。

（4）通過采用組合分段開采技術，實現了緩傾斜至傾斜厚礦體的綠色協同開采，達到了經濟效益、生態效益和環境效益的和諧統一。