珊瑚钨矿急倾斜极薄矿脉群联合开采方案优选

危流永，张 宝，宋 甫，万 兵，李向东

(1. 广西桂华成有限责任公司， 广西 贺州市 542800；2. 长沙矿山研究院， 湖南 长沙 410012)

0 引 言

珊瑚矿为广西桂华成有限责任公司下属的地下金属矿山，开采历史悠久，1950年由平桂矿务局组织露天开采，1960年转入井下生产，年处理矿石33万 ，产钨精矿(65%)1600 t，锡精矿金属吨350 t。资源以钨、锡为主，伴生铜、锌等元素，现已经探明的保有钨锡金属储量21万t。

珊瑚矿矿脉属热液气化高温钨锡石英脉型矿床。矿床上部赋存于中泥盆统东岗岭组灰岩和郁江组砂、页岩内，在平面上为多条脉大致平行呈群状分布。矿脉平均厚0.42 m，走向15°～40°，倾向南东，倾角在65°～89°，属急倾斜极薄矿脉。矿脉和围岩界线清晰，绝大部分地段矿石与围岩稳固。水文地质条件属中等-复杂型。地表不允许崩落。

目前，珊瑚矿采用“平硐+主副竖井+主副斜井”联合方式开拓，中央进风两翼抽出式通风系统，生产中段有75、35 m和-5 m，采用留矿法开采。

1 珊瑚矿极薄矿脉群开采难题分析

目前，珊瑚矿采用留矿法开采极薄矿脉群时遇到的难题有两大方面。

(1)采场作业安全条件差。由于矿脉厚度小，为了减少贫化，采幅一般为1.1～1.2 m，开采空间小，采场局部在放矿时，容易形成“空洞”，人员再进入采场作业，易发生安全事故。在开采平行矿脉时，当一个采场开采结束后形成的采空区，会影响临近范围(约4～8 m)矿脉的开采。靠近采空区一侧时常出现大范围裂缝，易发生大面积冒落、坍陷，给采场工人生命财产带来威胁。

(2)矿石损失贫化严重，损失率25%～30%，若上盘围岩稳固性很差或者矿脉产状发生变化(错位或者倾角变缓)时，矿石损失率达到50%，贫化率60%～80%。究其原因，主要有5个：

由于珊瑚矿受断层影响，连续性比较差，若矿脉的倾角变缓或者矿脉发生错位，留矿法不能灵活调整，适应性较差，不能放出的矿石会损失；

由于珊瑚矿矿脉多条大致平行且呈群状分布，对于距离较近矿脉群，采用留矿法回采时，由于采场相互影响大、安全性差，常会丢弃不能采下的矿石，造成损失,井下部分已完成开拓的该类矿脉群因品位高均未进行开采，积压大量资金;

现行留矿法开采的采场，当矿脉围岩稳固性较差或靠近采空区时，大量放矿容易发生顶底板大面积冒落，冒落的大块会在漏斗处“卡死”，造成无法放出爆下矿石，采场易“报废”，大量采下矿石无法放出而被永久损失；

当采用留矿法开采极薄矿脉时，必须将一部分围岩连同矿石一起采下，以提供足够宽的作业空间，混入的废石无法与矿石分开，造成了大量的贫化。特别是对于小于0.6 m的矿脉，废石混入率非常高，贫化率高达60%～80%;

在部分采场围岩稳固性较差的采场或靠近采空区的采场，在大量放矿期间围岩极容易大范围冒落，与矿石一同放出，进一步加大贫化。

对于高价值的国家战略矿产资源钨锡矿，如此高损失是一种巨大浪费。另外，受高贫化影响，井下运输提升以及选矿加工消耗了大量的人力、物力和财力，特别是在竖井提升能力有限的情况下。

因此，较大范围采用留矿法开采该类矿脉群是不合理的，必须寻求合理、经济、安全的开采方案，大幅降低损失、贫化，减少资源浪费，提高出矿品位，提升企业长期经济效果，实现降贫损增效益和企业的可持续发展。

2 极薄矿脉群联合开采方案初选

2.1 极薄矿脉群开采技术现状分析

急倾斜极薄矿脉在我国金属矿山中有比较广泛的分布，由于矿脉厚度小，采场作业空间小，机械化程度较低，劳动强度大，该类矿脉的开采一直是困扰着地下矿山生产的难题之一。开采该类矿脉以留矿法为主，特别是在以急倾斜极薄矿脉为主的钨矿床开采中占80%，削壁充填法次之。

留矿法是空场法的一种，其优点有：采场结构及回采工艺简单，生产能力较高，组织管理方便，开采成本低。但是，该方法需要采下大部分围岩，贫化很大，一般在50%～80%；与削壁充填法相比，对矿脉赋存状态变化适应性较差，作业安全性差。

削壁充填法，是分层充填法的一种，近年来使用比例有所上升，特别是稀有、贵重金属矿床，优点是：可以通过在废石充填料面上铺设胶垫，避免高品位粉矿混入充填料中造成损失，损失率可控制在8%以下；可以实现分采分选，能最大限度地降低废石混入率，贫化率可控制在20%以下，出矿品位高；将削下围岩充填到采空区有效地支撑围岩，利于地压管理；作业安全可靠；灵活性好，适于开采成群矿脉。但是，工艺复杂，劳动强度大，矿块生产能力低，对组织管理要求高，开采成本很高。

2.2 极薄矿脉群开采技术发展趋势分析

近些年来，极薄矿脉群开采技术呈现三个发展趋势。

(1) 低贫损开采。低贫损开采主要是指通过选择先进、合理回采工艺和技术，降低极薄矿脉群开采过程中的损失和贫化，提高矿石回收率和出窿品位，实现低贫损开采，尽可能地减少留矿法的应用，推广应用充填法。

(2)无轨机械化高效开采。无轨机械化高效开采是指采用无轨自行设备和与之相适应的采准系统，加大采场结构尺寸，尽可能提高采场长度、分层回采高度和阶段高度，以实现矿脉群的大矿块强化回采。同时，在一定长度上将多条矿脉作为一个对象进行采准布置及回采设计，减小采切比，提高矿块生产能力，寻求矿脉群组合开采的最佳模式，提高采场综合生产能力和劳动生产率，实现高效低成本开采。

(3)无废开采与绿色矿山。绿色矿山，也指无废化开采，即在回采作业中，尽可能不破坏、污染周围环境，真正做到“废石不出坑，尾矿不入库”；在采出矿石的同时，将废石、尾矿充入地下采空区，以保护好人类赖以生存的环境，将可持续发展的观念深入到采矿作业的每一环节之中，寻求矿山的可持续发展。

根据珊瑚矿极薄矿脉群开采技术条件，结合国内外矿山的开采技术现状与趋势，提出以下6种在装备、技术和组织管理上可行的联合开采方案：

方案Ⅰ——人工出矿削壁充填法；

方案Ⅱ——电耙出矿削壁充填法；

方案Ⅲ——机械化连续削壁充填法；

方案Ⅳ——削壁充填留矿法；

方案Ⅴ——上向水平分层全尾砂胶结充填法；

方案Ⅵ——留矿法。

由于影响开采方案最终效果的因素众多，且采矿活动对人员和周围环境的影响也是多方面的，单由某一因素的优劣来确定一个方案是不充分的。以下将采用能将定性指标和定量指标统一起来的、可以进行多因素综合定量比较分析的模糊综合评判法和方案经济效果分析法对急倾斜极薄矿脉群联合开采方案进行定量对比分析，以寻求安全高效、经济合理的开采工艺方法。

3 开采方案模糊综合评判

3.1 模糊综合评判法

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评标方法，根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体评价。它具有结果清晰，系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决，其在开采方案的优与劣选择上有着独特优势和强大功能。模糊评判优选的主要步骤有如下3个。

(1)确定方案选择的比较因素和指标。影响方案选择的因素很多，主要按照劳动生产率、经济、资源利用率、安全、合理程度等几类进行选择，如：生产能力、开采成本、千吨采切比、损失率、贫化率、安全状况、通风条件、劳动强度、工艺复杂程度、对矿脉适应性。

(2)确定各因素的权重值。各因素对方案选择的重要程度是不相同的，需根据矿山具体条件确定各因素的权重值。为减少专家评议法的主观影响，在此采用层次分析法确定权重值。分析第一步首先是根据各因素的隶属关系建立层次结构模型，1～9标度方法两两比较，进行重要性评价，得出模糊判断矩阵。在开始多目标模糊优选之前，需对各因素的指标进行无量纲化，以使各因素具有可比性。

(3)定性指标赋值。对定性指标采用等级评定法，按9级赋值(0～1.0)标准给出评定值。

3.2 方案模糊综合评判

根据上述模糊综合评判原理和步骤，得到珊瑚矿急倾斜极薄矿脉群适宜方案的主要因素指标表(见表1)。

表1 开采方案主要因素指标

以上各主要因素指标权重值W依次为：0.098，0.204，0.091，0.083，0.083，0.242，0.088，0.054，0.011，0.046。对定性指标赋值，最后得出各方案的模糊决策优选矩阵R见表2。

表2 模糊决策优选矩阵

运用加权平均模型对各方案进行评价，计算结果为：A=WR=(0.648，0.631，0.622，0.564，0.621，0.587)。

按最大隶属原则，上述方案从优到劣的次序依次是：方案Ⅰ>方案Ⅴ>方案Ⅱ>方案Ⅲ>方案Ⅵ>方案Ⅳ。由此可知，对于急倾斜极薄矿脉群方案Ⅰ，最为适宜即人工出矿削壁充填法。

4 开采方案经济效果比选

4.1 方案经济效果评比指标选择

方案经济效果评价就是根据国民经济与社会发展以及行业、地区发展规划的要求，在拟定的技术方案、财务效益与费用估算的基础上，采用科学的分析方法，把注意力集中在各个方案可能带给企业的最终收益上，如企业年收益、年净利润额等，对技术方案的财务可行性和经济合理性进行分析论证，来权衡它们的整体优势和劣势，为选择技术方案提供科学的决策依据。

目前，在方案经济效果评比中运用较多的指标有3种：反映企业经济效益指标，如年销售收入和净利润额，是目前方案比选和企业决策较为直观的依据；反映方案效益规模的价值型指标，如净现值；反映资金利用效率的利用率指标，如内部投资收益率。其中，净现值和内部投资收益率指标考虑了资金的时间价值，在方案比选中应用最为广泛，特别是后者。总体来说，这些指标从不同的角度和出发点考察方案的经济效果，为了正确、全面地评价急倾斜极薄矿脉群联合开采方案的经济效果，此处同时使用这些分析评价指标来进行方案评比优选。

4.2 开采方案经济效果测算及评比

根据对珊瑚矿有极薄矿脉统计分析可知,极薄矿脉地质储量400万t，平均钨(WO3)品位1.096%，锡品位(Sn)0.374%，年供矿量21万t，设计服务年限15 a。极薄矿脉群联合开采方案经济效果评比指标计算结果见表3。

根据表3中各方案经济效果指标可以发现，无论从年销售收入、净利润来看，还是从净现值和内部投资收益率来看，对于急倾斜极薄矿脉群最为适宜采用方案Ⅰ(人工出矿削壁充填法)联合开采。

表3 开采方案经济效益评比指标

5 结 论

为解决珊瑚矿急倾斜极薄矿脉群井下开采存在的一系列问题，本研究在分析了珊瑚矿开采技术条件、开采现状和该类矿脉群开采发展趋势，确定了可行的方案，采用模糊综合评判法以及开采方案经济效果评比两种手段，对各个开采方案从不同的角度和出发点进行优选研究，得出珊瑚矿急倾斜极薄矿脉群联合开采方案最佳选择为人工出矿削壁充填法。该方案能较好的满足珊瑚矿急倾斜极薄矿脉群开采技术条件和生产管理需要，同时能为企业带来相对高的经济效益。

最后，对珊瑚矿急倾斜极薄矿脉群开采工艺技术改造后企业抗风险能力进行了测算，发现：企业盈亏平衡点产量为12万t；盈亏平衡点钨精矿(WO3，65%)价格为58286元/t、锡(Sn)金属价格为64357元/t；盈亏平衡点出矿品位钨(WO3)0.430%、锡(Sn)0.152%。总体来说，企业抗风险能力强，管理层一致认可急倾斜极薄矿脉群采用人工出矿削壁充填法联合开采方案进行开采。

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