兴洲铁矿开采方案选择及生产能力确定

孟凡明

(抚顺罕王傲牛矿业股份有限公司)

兴洲铁矿位于抚顺市东洲区萝卜坎村境内，矿区资源量大，多为低品位矿石，因矿区环境复杂，周边有大量村庄，征用土地难度大、成本高，在当前铁矿石市场价格低迷、国家环保政策监管不断强化条件下，为经济合理开发利用资源，依据矿体的资源条件、赋存状态、技术经济等因素综合考虑，矿区资源采用地下开采方式，通过开采方案选择和生产能力论证，确定合理的生产规模，力求达到最佳投资效果和经济、社会效益。

1 资源概况

1.1 资源储量

采矿证内保有资源量为1.14亿t，其中工业矿体资源量(332+333)为4 717.535万t，平均品位为MFe 23.12%；低品位矿体资源量(332D+333D)为6 656.44万t，平均品位为MFe 17.15%。兴洲铁矿矿区范围见图1，兴洲铁矿扩界核实评审备案资源量见表1。

1.2 矿床及矿体特征

矿区按其上、下层位及矿体赋存部位划分为2个含矿带，下部为1#含矿带，上部为2#含矿带。

图1 兴洲铁矿矿区范围平面

表1 兴洲铁矿扩界核实评审备案资源量估算

2#含矿带大部分隐伏于第四系冲积层下，含矿带厚约50 m，其内赋存有Ⅶ#和Ⅷ#矿体，13#勘探线以北磁铁矿含量降低，达不到工业指标。另外在9#～11#勘探线1#、2#含矿带之间隐伏存在Ⅳ#、Ⅴ#、Ⅵ#、Ⅸ#矿体。Ⅳ#矿体位于9#～12#勘探线，为隐伏矿体，占总储量14%。矿石以角闪石英磁铁矿为主，平均品位为MFe 22.13%，10#勘探线东部矿体上、下部分品位降低，平均品位为MFe 16.24%。

2 开采方案的选择

根据矿体赋存条件、空间要素、中段矿量、分布情况、开采方式、地表地形地貌、采选关系、矿山总平面现状及工业场地设置等条件[1]，提出主井+副井(方案Ⅰ)、斜坡道+副井(方案Ⅱ)、主副井+斜坡道(方案Ⅲ)3种开拓方案。

方案Ⅰ：主井布置在9#、7#线矿体下盘。井口坐标X=4 628 468.000 m，Y=41 586 273.000 m,井口标高为113 m，井底至-230 m标高(一期粉矿回收中段)，井深342 m，圆形井，直径为5.6 m。井口为钢井架，采用JKMD-4×4(Ⅲ)型落地式多绳摩擦式提升机、11 m3双箕斗提升矿岩。与箕斗井相伴的溜破系统为2条溜矿井。自20 m中段至-130 m破碎中段，单溜井长150 m。各中段分支溜井与主溜井相联结。在破碎中段设置一处矿石破碎硐室，在破碎中段与计量中段有贮矿仓，-230 m为粉矿回收中段，回收粉矿借助于副井提升系统提升。副井在9#～10#线。主副井间距为100 m，副井坐标X=4 628 540.000 m，Y=41 586 260.000 m,井口标高为110 m，井底至-230 m中段(-245 m)，井深355 m，圆形井，直径为7 m。井口为钢井架，采用JKMD-3.25×4(Ⅰ)型落地式多绳摩擦式提升机、5 200 mm×3 000 mm单层罐笼平衡锤提升系统,承担人员、材料及设备的提升任务。南风井位于2#～3#线矿体下盘，圆形井，直径为4 m，坐标X=4 627 815.464 m，Y=41 586 316.307 m，井口标高为137 m，井底至20 m中段，井深117 m，井内设梯子间，20 m以下为倒段风井。北风井位于15#线附近矿体下盘，圆形井，直径为4.5 m，坐标X=4 629 001.074 m，Y=41 585 998.378 m，井口标高为110 m，井底标高为-80 m中段，井深190 m，井内设梯子间。中段高度为50 m，设+70，+20，-30，-80，-130，-180 m共6个生产中段。20 m中段以下为14 t电机车与6 m3侧卸式矿车组成列车组，轨距为900 mm，采用环形运输方式；矿岩运至溜井转放至主溜井，再由箕斗提升至地表。矿山通风系统采用副井进风，两翼风井设主扇抽出对角式通风。方案Ⅰ开拓系统纵投影见图2。

图2 方案Ⅰ开拓系统纵投影

方案Ⅱ：以斜坡道代替主井及溜破系统。斜坡道入口为方案Ⅰ中主井位置，主斜坡道布置双线，其断面为24 m2，行车密度为40辆/h，斜坡道坡度为10%，每300 m或进入中段设40 m长的缓坡段，缓坡段坡度为0%。线路回头曲线布置在缓坡段，回头曲线半径为25 m。进入中段转弯半径不小于20 m，行车速度为15 km/h。路面为级配碎石或混凝土，二级或三级。运输设备选用井下Mjk-25型汽车，载重量为25 t，车厢容积为12 m3(平装车)。达产年线路长1.44 km，服务年限内斜坡道线路总长1.78 km(一期)。斜坡道主要运输矿石、废石和大型设备。副井与方案Ⅰ相同。风井与方案Ⅰ相同。斜坡道最后一个中段为-180 m。坑内采用无轨运输，即汽车运输。方案Ⅱ开拓系统纵投影见图3。

方案Ⅲ：矿山生产初期(开采20 m中段以上)使用单线斜坡道和副井开拓，20 m中段以下利用斜坡道作为主要设备的进出口。斜坡道入口及线路技术参数与方案Ⅱ相同，斜坡道断面为13 m2。主井井口坐标X=4 628 638.000 m，Y=41 586 240.000 m,井口标高为111 m，其余与方案Ⅰ相同。副井、风井均与方案Ⅰ相同。方案Ⅲ开拓系统纵投影见图4。

开拓方案技术经济比较见表2。

由表2可知，工程量方面，全部工程建完，方案Ⅱ比方案Ⅰ多12 811 m3，方案Ⅱ比方案Ⅲ少13 889 m3；达产时，方案Ⅱ比方案Ⅰ多4 651 m3，方案Ⅱ比方案Ⅲ少16 949 m3。投资方面，全部工程的工程设备投资，方案Ⅱ比方案Ⅰ多1 074万元，方案Ⅱ比方案Ⅲ少926万元；达产时工程设备投资，方案Ⅱ比方案Ⅰ少341万元，方案Ⅱ比方案Ⅲ少1 605万元。年经营成本方面，方案Ⅱ比方案Ⅰ少660万元，比方案Ⅲ也少660万元。基建时间方面，方案Ⅱ基建时间最短，大约比方案Ⅰ和方案Ⅲ提前1～2 a。从装备数量、工序繁简程度及管理角度看，方案Ⅱ最优，生产易于管理。能源消耗方面，方案Ⅱ最少，但不是清洁能源。

图3 方案Ⅱ开拓系统纵投影

图4 方案Ⅲ开拓系统纵投影

经综合权衡，推荐方案Ⅱ，即斜坡道+副井方案。方案Ⅱ具有方案Ⅲ的优点，尤其是在-180 m中段以上优势明显，在前18.2 a对低品位矿的利用具有绝对优势，同时还具有灵活性，可以在生产中根据实际情况进行调整。

3 采矿方法选择

矿体产状见表3。

根据矿体开采技术条件及环保政策要求采空区地表不允许坍塌，采空区存放尾砂，采用生产能力和潜力大的采矿方法，可以装备现代化采掘设备。因此，选择空场采矿法，即阶段矿房法[2]、分段采矿法[3]，为减缓或延迟采空区坍塌，采用分级尾砂嗣后充填采空区。

表2 开拓方案技术经济比较

表3 矿体产状要素

3.1 阶段矿房法

3.1.1 矿块布置与结构参数

矿体水平厚度大于40 m，矿块垂直走向布置;厚度小于30 m，沿走向布置。矿块长40 m，中段高度为50 m，间柱为8 m，底柱为8 m，顶柱为8 m，底柱中有堑沟出矿系统。阶段矿房采矿法示意见图5。

3.1.2 采切工作

中段主运巷道施工穿脉→上下盘脉外运输平巷→上下盘出矿穿脉巷道→天井→下中段溜矿井；斜坡道→本中段的顶柱、底柱→凿岩硐室联络道→顶底柱联络道拓宽→凿岩硐室上掘3个通风充填井。从矿房中间后退式放顶至底柱上界限并形成双堑沟，自堑沟顶面向顶柱底面掘立槽天井，并向上下盘扩至矿界形成立槽。

3.1.3 回采工作

在凿岩硐室中采用Simba261型高压潜孔钻机打垂直平行孔，孔间距为3.0 m，孔径为150～165 mm，采用多孔多层深孔装药非电起爆网络爆破，崩落的矿石落入堑沟中，在装矿水平用4～6 m3铲运机出矿至下盘溜井卸入，在下中段由电机车列车组装运至中段主溜井卸矿。

3.1.4 充填工作

分级尾砂→充填站→充填井→矿房，一个矿块内间柱不回收，只充填矿房，矿房下部封闭出矿穿脉巷道。充填形成3～5 m高度，等待1～2 d，再充填至矿房顶柱凿岩硐室上界为止。

3.1.5 矿柱回采

矿房回采后,采用尾砂充填采空区，形成充填体后，在凿岩硐室采用崩落法回采顶底柱，间柱不回收。

阶段矿房法采切回采工程量计算见表4。

从采切至回收顶底柱完成，大约11～13个月。其中,采切3个月，凿岩2个月，出矿5个月，充填2个月，矿柱回采1个月。生产能力为22万t/a(660 t/d)。

3.2 分段矿房采矿法

3.2.1 矿块布置与结构参数

以矿体厚20 m计算，沿矿体走向布置矿块；矿块长68 m，间柱宽8 m，矿房为60 m;阶段高度为50 m，分段高度为13 m，底柱为8 m，顶柱为3 m，底柱中有堑沟出矿系统。分段矿房采矿法示意见图6。

3.2.2 采准工作

中段主运输巷→穿脉→下盘脉外运矿平巷→出矿穿脉巷道→天井→凿岩平巷→下中段出矿溜井。

3.2.3 切割工作

堑沟拉底巷道(4 m×2.8 m)→矿房中间或一侧后退式放顶至底柱上界并形成堑沟→矿房中自堑沟顶面向顶柱底面掘立槽天井→分段崩岩巷道扩槽。

3.2.4 回采工作

自切割立槽开始后退式回采，在分段巷道中用YGZ90型潜孔钻机打中深孔，孔网为2.0 m×2.0 m，孔径为50～55 mm。采用多孔多排中深孔装药非电起爆网络爆破，崩落的矿石落入堑沟中，在装矿水平用4～6 m3铲运机出矿，自出矿穿脉巷道运至下盘溜井卸入，在下中段由电机车列车组运至中段主溜井卸矿。

图5 阶段矿房采矿法(单位：m)

工程名称数量/条断面/m2长度/m矿岩开凿量/m3矿岩工业储量/t损失率/%贫化率/%采出矿量/t穿脉运巷112.7621268出矿平巷212.76481225穿脉巷112.763043383549采矿穿(下)512.76215128957采矿穿(上)512.76712447766人行通风井0.53.827103溜矿井0.57.125178斜坡道0.512.7630383凿岩联络巷112.7655702充填井37.11178堑沟拉底巷211.2801020立槽天井1636216矿房4658416647755166477顶底柱4770147014201544249间柱79322768310000

图6 分段矿房采矿方法(单位：m)

3.2.5 充填工作

在出矿穿内砌筑充填泄水挡墙。尾矿来自充填站，经地表管、钻孔、上中段运输巷、穿脉巷进入采场。充填体形成一定高度(3～5 m)，停1～2 d，再充填至顶柱顶板高度。

3.2.6 矿柱回采

矿房回采后，采用尾砂充填采空区，形成充填体后，在凿岩硐室采用崩落法回采梯形顶底柱，间柱不回收。

分段矿房采矿法采切回采工程量计算见表5。

表5 分段矿房采矿法采切回采工程量计算

从采切至回收顶底柱完成,大约11～13个月。其中,采切3个月，凿岩2个月，出矿5个月，充填2个月，矿柱回采1个月。生产能力为21万t/a(630 t/d)。

4 生产规模确定

依据矿体的资源储量、赋存状态、所采用的采矿方法及技术经济等综合因素确定兴洲铁矿合理的采矿生产能力。

4.1 产量平衡综合计算

根据可布置矿块数与矿块的生产能力分配产量。200万t/a时，阶段矿房采矿法为69%，分段矿房采矿法为31%；400万t/a时，阶段矿房采矿法为82%，分段矿房采矿法为18%。采矿综合计算经济指标见表6。

表6 采矿综合计算经济指标

4.2 设计利用储量

根据矿床赋存特征和勘察工程控制程度，结合市场价格及生产成本等经济因素，确定入选品位MFe 18%作为临界品位，高于该经济临界品位，企业盈利，低于该经济临界品位，企业亏损。本次设计控制的内蕴经济资源量(332)全部利用，推断的内蕴经济资源量(333)利用70%。中段设计利用资源量见表7。

表7 中段设计利用资源量

从赋存状态看,在北部低品位矿体位于工业矿体的外部并无明显分界，还有大部分低品位矿体在走向上与工业矿体连续生成。因此，从开采的客观性考虑，低品位矿体与工业矿体混采[4]比较适宜。

4.3 矿山工作制度

年工作330 d，每天3班，每班8 h，连续工作制。

4.4 生产能力计算

4.4.1 按中段可布置矿块数计算

按中段可布置矿块数计算生产能力见表8。

由表8可知，-80 m中段以上中段生产能力可达到350～410万t/a，-130 m中段生产能力可达到330万t/a，-180 m中段生产能力为295万t/a。

表8 按中段可布置矿块数计算生产能力

注：矿块生产能力为A(阶段矿房采矿法)600 t/d，B(分段矿房采矿法)400 t/d；中段矿块利用系数取0.4；年工作天数330 d。

4.4.2 按采掘年下降强度计算

采掘年下降强度计算阶段生产能力见表9。

由表9可知，-180 m中段以上中段生产能力可达到446～590万t/a。

表9 采掘年下降强度计算阶段生产能力

注：矿石回采率为82.6%，贫化率为7%。

4.4.3 按企业合理服务年限计算

按企业合理服务年限计算生产能力公式为[5]

(1)

式中,Q为设计储量，一期建设至-80 m，设计利用储量4 781.801万t，二期建设至-180 m，设计利用储量8 205.974万t；η为回采率，82.6%；ρ为采矿贫化率，7%；T为企业服务年限，10～15 a。

计算得出生产能力A=283～486万t/a。

通过以上3种方式计算生产能力，认为生产能力定为400万t/a较为适宜，一期服务年限为11 a，二期服务年限为7.6 a；若只采高品位矿体(工业矿体)，生产能力定为200万t/a较为适宜。

4.5 生产规模经济分析

从技术经济的角度分析比较2种规模方案[6],其中,200万t/a规模又分为能力上无预留与有预留，结果见表10。

表10 生产规模方案技术经济比较

通过计算及分析比较，结合市场环境，当铁精矿价格在500元及以上时，确定生产规模为400万t/a；当铁精矿价格在500元以下时，确定生产规模为200万t/a。

5 结 语

(1)针对矿床开采保护地表技术问题，提出地下开采方式，采用尾砂嗣后充填采矿方法，取得较好的安全与生态效益。

(2)通过采矿方案优化选择，确定斜坡道+副井开拓方案，实现了分期投资开采，降低一次性投资费用，缓解资金紧张状况，减少对生态环境的破坏和林土地征占费用，缓解村企矛盾，产生较好的社会效益。

(3)以市场为导向确定生产规模，当铁精矿价格在500元/t及以上时，确定生产规模为400万t/a；当铁精矿价格在500元/t以下时，确定生产规模为200万t/a，成功解决了资源综合利用的问题，实现高效开采，经济效益显著。

[1] 钟 勇,林 尧,王瑛毅.上宫金矿深部开拓系统方案优选[J].黄金,2017,38(1):32-36.

[2] 汪 生,顾家宽.嗣后充填阶段矿房采矿法在张家夏楼铁矿的应用[J].现代矿业,2011,27(7):68-70，86.

[3] 姜东泉.分段矿房法在济南钢城矿业公司的应用[J].中国矿山工程,2005(2):21-23.

[4] 张海军，郭慧高，白广勇，等. 贫富矿兼采与贫矿资源综合利用实践[C]//中国实用矿山地质学(上册).北京:冶金工业出版社,2010:4.

[5] 王成功,李庆元,韩茂瑗.论地下矿山生产能力确定及经济效果[J].有色金属:矿山部分,1987(2):57.

[6] 李 彬. 昆钢大红山浅部低品位铁矿开采方案研究[D].昆明：昆明理工大学,2008.