无底柱分段崩落法三级矿量计算方法的探讨

黄兴益，张正明，田敏

无底柱分段崩落法三级矿量计算方法的探讨

黄兴益，张正明，田敏

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051)

结合无底柱分段崩落法采矿工艺，探讨了三级矿量的计算方法，并以工程实例进行了应用计算。

无底柱分段崩落法;三级矿量;计算方法

0 引言

三级生产储量是保证矿山正常生产的一项重要指标，若三级矿量准备不足，将难以使矿山达到生产能力，导致矿山生产失衡;若准备过多，将导致大量坑道超前掘进，形成资金积压，增大基建投资。合理的三级矿量，不但应满足三级矿量保有的数量及保有期限要求，而且又要保证三级矿量在各中段及各矿体之间的合理布局，满足开采顺序与生产衔接，确保矿山达到设计生产规模与持续稳产。

1 三级矿量的含义

在开采储量中，按巷道掘进的程度及采矿准备程度，分别圈定的可采储量，叫做生产矿量。生产矿量分为开拓矿量、采准矿量、备采矿量三个级别，故又称为三级矿量。生产矿山三级矿量有两层含义，一是生产准备各工序阶段完成的储备;二是各级生产储量的精度在完成一定采矿准备工作量的基础上逐步升高。开拓储量对应于122 b级，采准储量和备采储量对应于111 b级。

开拓矿量属设计可采工业矿量的一部分。凡按设计规定的开拓系统中的井巷工程均已完成，形成了完整的矿井提升、运输、通风、防排水、充填等系统，据此可开掘采准巷道，并完成采准工作以前的生产探矿工程，在此开拓巷道水平以上范围内所控制的储量级别达到122 b级的工业矿量，称为地下矿山的开拓矿量。要使储量达到开拓矿量要求，需进行两方面的工作，一是完成相应的开拓工程，二是完成相应开拓水平以上的生产探矿，使储量级别达到122 b级以上，将地质储量转化为生产储量，然后才能划分矿块进行采准设计和施工。

采准矿量是开拓矿量的一部分。在已开拓的矿体范围内，按设计规定的采矿方法进行矿块划分，且相应的采准坑道均已开掘完毕，生产探矿已完成，采场外形业已形成，则此范围内的可采矿量即为采准矿量，资源储量达到111 b级别。

备采矿量是采准矿量的一部分，完成各项采准切割工程后的矿块储量，且符合采矿技术要求的回采顺序，可按时回采的矿块，储量级别达到111 b级。

根据上述三级矿量含义，开拓、采准及备采储量保有量按下式计算:

式中:Qi—开拓、采准及备采矿量保有量，万t，i=

1，2，3;

A—矿山年产量，万t/a;

ρ—矿石回收率，%;

γ—废石混入率，%。

Ti—开拓、采准及备采矿量保有期，a;i=1，2，3;设计规范要求为:开拓矿量保有3～5 a，采准矿量保有6～12个月，备采矿量保有3～6个月。

2 无底柱分段崩落法三级矿量计算方法

地下开采主要包括开拓、采准和切割、回采3个步骤，而采准、切割、回采矿块之间的关系为:

式中:tc、tq、th—采准、切割、回采矿块所需要时间;

nc、nq、nh—采准、切割、回采矿块数量。

2.1 回采矿量的确定

(1)回采矿块数及保有时间的确定

回采矿量是完成了切割和凿岩炮孔工作后的生产准备矿量，是采准矿量的一部分，与矿山生产能力、矿块数量、矿块生产能力相关，同时回采的矿块数量nh为:

式中:f—附产矿石比，%;

Ak—矿块生产能力，万t/a;取决于该矿块铲运机的出矿能力。

(2)所需要的回采矿量Qh

式中:Qh—回采矿量，万t;

Qp—回采矿块平均矿量，万t;

式中:Kf—为崩落矿石量放出系数。

根据无底柱分段崩落法放矿理论和应用实践，首采中段前三个分段的崩落矿石在放矿过程中，放出椭球体小且不发育，分段内崩落矿石不能在本分段完全放出，部分矿石积压在场内，在后续分段内逐步放出，同时，分段崩矿过程中相邻回采进路之间的脊柱也不能在本分段放出，因此，三级矿量保有期计算中应扣除这部分暂不能放出量，用放出系数Kf表示，即矿石放出量与崩落矿石量之比。当首采中段转入下中段后，Kf=1。

2.2 采准矿量的确定

(1)同时切割和凿岩的矿块数nq

由公式(2)得:

Qi—各回采矿块矿量，万t;i=1，2，…，nh。

(3)回采矿块保有时间th

式中，矿块切割、凿岩时间tq由下式确定:

切割工程施工效率与所采用的掘进设备有关，炮孔施工效率与孔径、孔深及所采用的凿岩台车有关。

(2)所需要的采准矿量Qc

2.3 开拓矿量的确定

开拓矿量是开拓工作完成以后所圈定的矿量，也即为开拓中段运输水平以上所控制的矿量。开拓矿量的变化范围很大，根据采矿工艺，存在一个最大值QKmax和最小值QKmin。

(1)正常情况下的开拓矿量

无底柱分段崩落法中段之间和中段内各分段之间采用自上而下的开采顺序，因此，生产中，在没有下一个中段投入中段开拓工程前，其开拓矿量保有量就是本中段剩余可采矿量。

在计算开拓储量保有量时，针对具体矿山实际，对如下部分矿量进行扣除:

1)开拓矿量储备期内不能开采的矿体矿量

式中符号意义同前。

(3)采准矿量保有时间tcQ1，例如中段内保安矿柱的矿量，在起保护作用期间，不能列为开拓矿量，只有在解除保护作用时，才可将其列入开拓矿量。

2)中段内尚未完成开拓工程部分的区段矿量Q2。

3)中段内用作初始覆盖层的矿量Q3。无底柱分段崩落法要求崩落矿石在覆盖岩层下进行出矿，在一个矿段内首采中段必须首先形成覆盖岩层，为实现无贫化放矿，同时为满足覆盖层厚度要求，该中段内最上一分段往往作为矿石垫层。

4)中段内最后一个分段的矿量Q4。采用无底柱分段崩落法，中段内最后一个分段的崩落矿石需通过溜井下放至下中段运输水平后再运出地表，因此，该分段矿量还不能作为开拓矿量。

由此，开拓矿量QK的计算公式如下:

式中:Q0—本中段剩余可采矿量，万t;

Kf—矿石放出系数;

QK—开拓矿量。

当一个矿段内首采中段回采完毕后转入下中段回采时，上中段第一分段矿石仍作为下中段矿石垫层，此时Q3=0。

(2)开拓矿量最大值QKmax

通常情况下，其最大值是一个中段刚投产时的矿量值，可以用下式表示。

式中:QC1—上中段剩余采准矿量(不含最后一个分

段的矿量)，万t;

QZ—下中段开拓矿量，万t;

Q41—上中段最后一个分段矿量，万t;

Q42—下中段最后一个分段矿量，万t。

(3)开拓矿量最小值QKmin

根据采掘作业各工序之间的关系，一个矿块完成采准作业之后，必须有另一矿块完成了相应的开拓工程且可以立即投入采准作业，以此满足矿块接替要求。根据(2)式，需投入的采准矿块数为:

式中符合意义同前。nh和th分别由式(3)和式(5)确定，tc可由下式确定:

满足生产持续要求的开拓矿量最小值Q'Kmin为:

为了保证采掘关系的相对稳定，即使矿井发生意外情况时，矿山也有充足的接替矿块，用开拓工程超前系数来修正最小开拓矿量QKmin。

式中:Kc—开拓工程超前系数，一般1.2～1.5。

开拓矿量保有期tk:

3 中段持续衔接

矿山生产中，要求中段开拓超前中段回采，采准工作转移到下中段以前，下中段的开拓工程必须完成。原则上，上中段开采时间T上大于下中段开拓时间T下，其超前关系用下式表达:式中:T上—上中段开采时间;

T下—下中段开拓时间。

式(17)中，由于超前系数的影响，其时间范围变化较大，下中段何时进行开拓最合理，还需要进行持续衔接研究。

无底柱分段崩落法中段衔接的实质，就是同时存在上下两个中段同时作业，上中段回采出矿、下中段开拓，在开拓矿量保有量中，至少满足上中段刚好开采完毕(不含最后一分段)，下中段的开拓工程正好准备出来。其保有量与上中段剩余可采矿量(不含最后一个分段的矿量)、新中段开拓工程量、采掘设备效率及新中段安装工程量有关。当下中段未进行中段生探时，需将生探时间考虑进去，生探工作完工后还需进行资料收集、综合整理编制报告，然后才能进行采准设计，期间所需要的时间较长。其衔接关系可用下式表达:

中段衔接过渡时的开拓矿量保有量QK满足下式:

式中:QC1—上中段剩余可采矿量(不含最后一个分段的矿量);

L—下中段剩余开拓工程量;

η—开拓工程施工效率，取决于掘进、凿岩及出碴设备;

tj—下中段安装工程时间;

tt—下中段探矿工程施工、资料整编及采准设计时间。

下中段刚投入开拓工程前的开拓矿量保有量仍用(20)式表达，当下中段刚投入生产后，其开拓矿量保有量用(11)式计算，开拓矿量保有期按(16)式计算。

4 应用实例

攀钢集团矿业公司尖山采场，原采用露天开采，露天底标高为1 300m，露天开采结束后转为地下开采。地下开采采用无底柱分段崩落采矿法，中段高度100 m，分段高度20 m，进路间距18 m，采用进口Simba H1354深孔台车凿岩，6 m3级别大型进口电动铲运机出矿。

地下开采划分为挂帮矿体开采区和下部矿体开采区两部分，先采挂帮矿体再开采下部矿体。挂帮矿体单独作为一个中段进行回采，其中段运输水平为1 300 m，开采范围为露天底1 300 m标高以上、露天境界外部分的边帮矿体，开采标高为1 300～1 420 m，自上而下开采，首采1 420 m分段，该分段为强制落顶分段，形成覆盖层后依次开采1 300～1 400 m等各分段。

下部矿体开采范围为露天底1 300 m以下的矿体，中段高度100 m，设计划分为1 200 m、1 100 m及1 000 m中段等三个中段。下部矿体首先开采1 200 m中段，然后依次开采1 100 m及1 000 m中段。按前述计算公式，备采矿量和采准矿量计算结果见表1。

表1 备采矿量和采准矿量计算表Tab.1 Calculation Table of Blocked－out Ore Reserves and Prepared Reserves

该项目首采挂帮矿体，因此表1中三级矿量是按挂帮矿体标准矿块计算的。三级矿量保有期限，应采用放出矿石量进行计算，并扣除首采1 420 m分段用作覆盖层矿量。其次，应根据放出椭球体理论，计算出各基建分段内崩落矿石的可放出量。

根据计算结果，可获得采矿过程中合理的矿块周转数，同时出矿矿块数为3个，同时切割和中深孔凿岩矿块数为4个，其中，切割平巷及切割天井施工矿块数1个，中深孔凿岩矿块数3个，采准矿块数4个。按此矿块数，可进行设备配置，一台出矿铲运机担负一个出矿矿块的出矿任务，则需要3台6 m3铲运机;一台Simba H1354台车凿岩担负一个矿块的深孔凿岩任务，则需3台凿岩台车;一台Boomer 281掘进台车担负一个矿块的巷道掘进任务，则需4台掘进台车。上述设备配置从另一个侧面证实了初步设计中对设备计算的合理性。

由于前述三级矿量是按标准矿块计算的，各分段各矿块矿量有大有小，与实际布置情况有一定出入，因此，设计中对各分段进行了矿块及采准工程布置，以计算并调整采准矿量和备采矿量，同时可验证上述结果的差距，实际结果见表2。根据两个计算表，采准及备采矿量差距不大。

根据项目建设进度计划及中段持续衔接要求，按实际进行中段开拓工程布置后再计算出开拓矿量及保有期，其结果见表2。

表2 按实际各分段采准工程布置后计算的三级矿量及保有期Tab.2 Three Grade Reserves and Holding Period Calculated According to Layout of Preparatory Work for Each Practical Sublevel

三级矿量(可采矿量)及保有期限归纳如下:

开拓矿量:1604.84万t，保有6.13a;

采准矿量:258.25万t，保有0.91a;

备采矿量:232.81万t，保有0.79a。

5 结语

(1)当新建矿山或新建矿段采用无底柱分段崩落法时，进行三级矿量及保有期计算，应扣除用作覆盖层矿量、本中段最后一分段矿量及上一分段脊柱矿量、按放出体理论暂不能放出矿量，否则，三级矿量不足，导致矿山投产后迟迟不能达产。

(2)根据三级矿量的基本含义，各级矿量实质是可采矿量，其保有期限实质就是采出矿石量除以矿井年产量所得到的数值，但无底柱分段崩落法有所不同，在首采中段中，虽然最上面的两个分段矿石完全得到崩落，但按放矿理论，有很大一部分矿量不能在本分段中放出，会积压到后续以下各分段中才能放出。因此，其保有期限，是考虑了贫损指标后的崩落矿石放出量除以矿井年产量的数值。

(3)三级矿量及保有期，不仅应满足设计规范规定的保有期要求，还应满足矿块周转数要求。否则，虽然矿量满足要求，若回采、切割及中孔、采准各矿块周转数不够，设备能力不能得到发挥，难以达到矿山生产能力要求。

(4)三级矿量不但应与已完成的井巷工程相对应，还应与储量级别精度相对应，否则应进行探矿、储量升级。

［1］宋卫东，郭寥武，何明华，李铁一，雷运坤.程潮铁矿合理三级矿量的研究［J］.采矿技术，2001，1(4):1－3.

［2］昆明有色冶金设计研究院股份公司.攀钢集团矿业有限公司尖山采场露天转地下开采工程初步设计［Z］.2009.

Discussion on Calculation Methods of Three Grade Reserves for Non－Pillar Sublevel Caving

HUANG Xing－yi，ZHANG Zheng－ming，TIAN M in
(Kunming Engineering＆Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

Combined with non－pillar sublevel caving，the calculation methods of three grade reserves were discussed，and its application and calculation were conducted according to some project cases.

non－pillar sublevel caving;three grade reserves;calculation method

TD853.31

A

1004－2660(2012)03－0001－05

2012－05－16.

黄兴益(1965－)，男，重庆人，高级工程师.主要研究方向:采矿工程设计及技术管理.E－mail:hxy767@sina.com