國外某有色金屬礦山開采技術方案綜合優化

孫學森，翟建波

（中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038）

國外某礦山為一銅鈷礦，采選生產規模100萬t/a，服務年限約15年。南非一家項目管理公司對該項目所擬定的開發方案進行了全面技術與經濟研究，但經濟效益指標未達投資者預期目標。為此，投資者組織開展了項目開采技術方案的綜合優化工作。通過對其開采條件詳細研究后，提出了綜合性的技術優化方案，降低了單位礦石生產成本，改善了項目經濟效益指標。

1 區域地質概況

位于中南部非洲盧富里安成礦帶是世界上規模最大、銅品位最高的沉積層控成礦帶，該成礦帶根據地質背景、成礦特征及地理位置進一步劃分為贊比亞銅帶成礦亞帶、贊比亞西北省成礦亞帶和剛果（金）加丹加成礦亞帶。剛果（金）加丹加成礦亞帶發育在外部褶皺逆沖帶中，帶有薄層狀的幾何結構學特征，伴隨復雜的大規模破碎帶，以及加丹加超群的逆沖推覆構造。剛果（金）加丹加成礦亞帶的大多數礦床呈巖塊、巖片或聚合巖片產出，如科盧韋齊礦區和騰凱-豐古魯梅礦區。[1]本文所述的礦床即位于發育多個沉積層控銅-鈷礦床的科盧韋齊聚合巖片中。

2 開采技術條件

2.1 礦體特征

礦體賦存在走向北東東、傾向南東長約2.5km地層倒轉的巖塊中，該巖塊位于科盧韋齊聚合巖片核部，北側覆蓋迪佩特亞群。巖塊核礦體邊界均由斷層限定，礦體走向長度約600m，傾向延深大于600m，礦體由兩層礦組成，厚度均約12m～14m，中間為約20m厚的弱礦化硅質碎屑巖層。礦體傾角較陡，平均70°。埋深250m以內主要為氧化礦，250m以下主要為混合礦和硫化礦。

2.2 工程地質條件

埋深250m以內的區域為高風化帶，且巖石強度低，RQD值約20%～40%；埋深250m以下逐步由未風化至風化中間狀態轉向未風化狀態， RQD值約50%～95%。

采礦上盤圍巖為泥質粉砂巖，單軸抗壓強度平均值30MPa；礦體為紋層狀（硅質、白云質）頁巖、薄紋層狀粉砂質頁巖，單軸抗壓強度平均值79MPa；采礦下盤圍巖為紋層狀、塊狀砂質粉砂巖互層和粉砂巖，單軸抗壓強度平均值93MPa；下盤推斷有侵入斷層。

2.3 水文地質條件

采礦上盤，為相對較弱的含水層，深部構成隔水層；采礦下盤為弱-中等強度的含水層，富水性較強；礦體中間的白云巖夾層巖溶發育，為導水性、富水性最強的含水層之一。礦坑涌水量約50000m3/d。

3 原開采技術方案

3.1 開拓系統

采用斜坡道開拓，斜坡道凈斷面5m×5m（寬×高），選用載重40t的無軌卡車運輸礦石、廢石。斜坡道硐口開槽放坡深度20m。

圖1 開拓系統示意圖（原方案）

3.2 采礦方法

采用分段空場嗣后充填采礦法，中深孔鑿巖臺車鑿巖，14t級柴油鏟運機出礦，分級尾砂膠結充填。采場底部0～6m充填體強度要求為4.5MPa,采用重量比10%的水泥膠結充填；上部6m～30m采用重量比2%的水泥膠結充填。

3.3 分段高度及開采順序

分段高度30m，自上而下開采；先回采下盤礦體，再回采上盤礦體；自中央向兩翼推進。

3.4 通風系統

采用斜坡道、進風井（φ3.6m）進風，兩翼回風井（φ3.6m）回風的通風系統。井下柴油設備總功率約9450kW，估算的需風量約370m3/s，每個回風井井口選擇2臺主扇風機并聯抽風，單臺功率470kW。

3.5 疏干排水系統

250mL、340mL、430mL、520mL、610mL設 疏 干平巷，通過泄水鉆孔疏干礦體。坑內涌水接力排出地表，分別在280mL、370mL、460mL、550mL、640mL設置接力排水泵站。

3.6 主要技術指標

考慮采礦損失率10%、資源損失率5%后的綜合損失率約15%；考慮充填貧化率5%、廢石混入貧化率0.7%后的綜合貧化率約5.7%。

4 存在問題及綜合優化方案

4.1 開拓系統

開拓工程選擇在弱含水的巖層中，是合理的。但是由于強風化地層深度約200m，厚度大，若遇水，則施工難度非常大，斜坡道坡度較緩，穿越風化層的長度達，作為關鍵線路、唯一的生產通道，基建進度緩慢。開槽放坡型式的硐口明槽段，邊坡維護、雨季排水的成本較高。

根據國內外研究理論研究成果和礦山的實際生產經驗，在開采深度200m～300m以內時，斜坡道開拓、卡車運輸具有優勢。該項目大部分礦體埋藏深度在200m以下，采用斜坡道開拓方式時基建時間短、投產快等優勢已不明顯，且隨著深度的增加，采用柴油設備運輸礦廢石，井下空氣受污染，需增加通風量，經營成本均會大幅增加。[2]

綜合分析后，將礦山開拓系統優化調整為豎井和斜坡道聯合開拓，豎井提升運輸自動化程度高、易于實現無人值守作業、無人駕駛運輸礦石，礦石運輸、提升成本低，且豎井垂直穿越強風化地層，揭露的深度小，較斜坡道易于克服遇到的不良巖層地段。

考慮到無軌開采的礦山，將主斜坡道調整為輔助斜坡道，斷面相應減小至約4m×4m（寬×高），坡度相應由10%～12%提高至15%～18%；斜坡道硐口由開槽放坡型式調整為砌碹型式；有效降低基建投資、減少生產期的維護成本。

圖3 開拓系統示意圖（優化方案）

4.2 采礦方法

在本項目中，采用分段空場嗣后充填采礦法在技術上是可行的。但為滿足臨近采場回采工藝需要，充填體需添加膠凝材料進行固化，保證其在高度30m、寬度大于10m的暴露斷面條件下保持一定時間的自立狀態，而項目所在地膠凝材料水泥成本較高，又無其他替代材料，該種采礦方法的特點導致生產成本高昂。

一般說來，分段采礦法的成本較分層采礦法的成本低。尤其在水泥等膠凝材料貨源廣、成本低的中國，采用中深孔爆破技術的分段采礦法比采用淺孔落礦的分層采礦法成本更具優勢，這是具有普遍共識的。但是，考慮到上向水平分層充填采礦法，超過90%的充填體可以采用分級尾砂非膠結充填，僅在面層添加水泥進行固化，其工藝特點可大幅降低水泥消耗量，從而降低采礦綜合成本。

分段空場嗣后充填采礦法與上向水平分層充填采礦法詳細的技術經濟比較顯示，前者回采成本較后者低17%，但是前者的充填成本是后者的2.8～3.7倍，在綜合效益上，上向水平分層充填采礦法優勢明顯。

圖4 采礦方法示意圖（優化方案）

4.3 中段高度及開采順序

原技術方案采用自上而下開采的方式，作業人員需要充填體下作業，為了保證安全，要求采場底部0～6m的充填體強度需達到4.5MPa。但是根據經驗，水泥作為膠結材料時，10%的添加比例實現預期的充填體強度較困難。若達到該強度，水泥添加量可能需要達到25%以上且需要補充其他技術措施，充填成本將會大幅升高。

為改變這種情況，調整回采順序和采礦方法，采用上向水平分層充填采礦法，自下而上回采，非膠結充填，大幅減少水泥消耗量，提高作業安全保障程度。有條件將大量掘進廢石回填至采空區，同時可以降低廢石提升費用。

4.4 通風系統

原技術方案采用無軌機械化設備，但隨著開采深度的下降，投入運行的無軌運輸設備逐漸增多，需風量也相應增大。對于一座不存在地熱災害的百萬噸規模的有色金屬礦山，年產萬噸耗風量達3.7m3/s，存在優化空間。一般經驗上，礦井通風能耗占比較高；降低需風量，是降低通風系統能耗的重要手段。

結合開拓系統優化調整，采用脈外溜井裝礦、中段有軌運輸、豎井提升礦石后，可減少運輸礦廢石的柴油設備。這類設備功率大、能耗指標較高。卡車數量減少后，礦井需風量相應降低。經測算，礦井總需風量約230m3/s、2臺450kW的變頻調速風機即滿足基建期及生產期通風工況需要。綜合優化后，可大幅降低通風設備投資和生產期間的動力費用。

4.5 疏干排水系統

原技術方案中首個疏干水平設置在250mL中段，同時配套相應的排水設施，隨開采位置的下降逐步增加新的疏干及排水設施。該方案雖然技術可行，但需5次建設，每2年需新建成一套系統，基建間隔時間較短，礦山沒有合理的回收投資穩定生產時間。結合優化后的豎井開拓技術方案，采用建設準備期、基建期、生產期協同疏干方式，地表抽水井、中段基建疏干、中段永久疏干工程三維協調的排水疏干方案。工程布局上，考慮在建設準備期利用地表抽水井降低水位，基建期再結合中段布置設疏干放水工程，生產期在主要生產中段下部設疏干排水水平，提高單疏干水平服務的段高，同時做到疏干工程與探礦工程、生產工程兼用。

4.6 主要技術指標

每個采場的走向長度為60m，間柱寬度為1m～3m，間柱損失為1.7%～5%；每2個中段（120m）最后一個分層高度3.3m的礦體不予回收，該層礦體造成損失為2.75%；以上兩項合計損失為7.75%；考慮一定的其他非開采損失，綜合損失率約10%。

根據一般礦山經驗，采礦爆破等導致的一次貧化率取3%，充填、出礦等其他廢石混入導致的二次貧化取5%，綜合貧化率取8%。

5 結論

該項目為一座建設在海外的有色金屬礦山，在國外知名咨詢單位認為經濟效益達不到預期的前提下，通過考慮設備因素、施工因素等綜合技術方案的優化，充分融入“中國元素”后，項目效益指標出現了較大的改觀。

（1）切實有效的協同疏干排水方案。該礦井涌水量達50000m3/d，排水疏干方案關乎項目建設周期與生產安全。通過優化調整，合理布置疏干排水方案，既有利于縮短建設工期，又有利于保障生產的安全。

（2）充填采礦方法充分結合項目地材料供應價格水平。國外知名咨詢單位推薦了分段空場嗣后充填采礦法，水泥消耗量大。而項目地水泥價格高昂，優化后采用上向水平分層充填采礦法，利用分級尾砂充填，大幅減少水泥消耗量，降低采礦成本。

（3）綜合考慮開拓系統與回采方案。國外知名咨詢單位推薦了自上而下的回采順序，斜坡道開拓方案。經綜合分析研究采取自下而上的回采順序，并與采取的混合井開拓系統方案相協調，既提高了作業環境的安全性，又降低了提升成本。

（4）工程技術方案綜合優化后，經測算項目建設投資較原方案增加13%，礦山成本降低35%，項目投資內部收益率提高49%，取得了較好的效果。