阿克陶百源丰锰矿井下深部生产系统优化研究

2022-03-17刘泽洲

中国锰业 2022年1期

王磊，刘泽洲

(1.阿克陶百源丰矿业有限公司，新疆阿克陶 845550； 2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012； 3.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙 410012)

0 前言

矿山井下生产系统是矿山项目论证和设计阶段的核心问题之一，合理的生产系统能够有效节省矿山项目基建投资、缩短基建工期、降低运营成本，同时便于企业日常生产和管理[1]。众多研究人员就此开展了大量的研究工作：李延飞等[2]对某铁矿开拓运输系统进行了优化研究，提出了胶带斜井开拓运输方案，并从投资、运营等方面做出对比分析以确定最优方案；陈志兴[3]对某地采多金属矿开拓运输系统进行了研究，提出3种开拓运输方案，对可比部分进行技术经济比较，得出了胶带斜井—副井—斜坡道开拓运输方案为最优方案；姚秀华等[4]对白云鄂博铁矿开拓运输系统方案设计及优化研究，对白云鄂博铁矿主矿和东矿开拓运输系统进行设计优化，提出矿山深部开采选用破碎胶带运输系统；周礼[5]对黄山南铜镍矿深部采矿方法及生产系统进行了优化研究，通过技术经济比较，推荐黄山南铜镍矿深部采用9线副井—22线主井—辅助斜坡道开拓方案，确定了矿山深部通风系统、排水系统、压气及供水系统方案。从以上研究可以看出，矿山生产系统的确定需要紧密结合每个矿山具体情形才能做出科学决策。针对深部生产系统面临的问题，阿克陶百源丰锰矿联合长沙矿山研究院有限责任公司开展井下深部生产系统的优化研究，以改善企业生产经营状况，实现矿山可持续发展。

1 矿山开采现状以及存在的问题

1.1 矿山开采现状

百源丰锰矿矿体厚度为薄到中厚型(3～8 m)，平均5～6 m，品位30%以上，东西走向长接近4 km。矿体大部分属于60°以上急倾斜矿体，矿体中等稳固，上下盘围岩为不稳固的碳质泥灰岩、板岩，开采条件较复杂。根据勘探线，百源丰锰矿对矿区划分4个采区进行管理，一采区的范围是17线～0线；二采区的范围是0线～18线；三采区的范围是18线～-30.5线；五采区的范围是30.5线～44线。目前矿山年产量为45×104t/a，生产主要集中在一采区、二采区、三采区、五采区的3 680 m水平以上。

1)开拓运输系统

根据矿体情况和结合矿山工程布置现状，现有中段高度为40 m。各采区分别采用斜坡道开拓，各中段(分段)之间通过斜坡道连接，主要担负矿石、废石、人员、设备和材料等运输任务，兼做安全出口和进风井。坑内采用无轨自卸汽车运输。

2)采矿方法

目前采用机械化上向水平干式充填法。采场沿矿体走向布置，每100 m划分为一个盘区，中段高度40 m，分段高度约为10～12 m。首采分层高度3 m，分层充填高度2 m，空顶高度1 m，最大空顶高度3 m。采用光面爆破控制顶板轮廓。根据采场岩石的稳固性情况采用锚杆、筋条、喷浆、挂网喷浆等方式及时进行支护。当矿体厚度≥5 m时，首先采用长锚索进行支护，并且在上盘矿岩交界处留设0.5～0.8 m的护壁。采场充填采用废石作为充填骨料，掺加水泥、水搅拌后用汽车运送至待充填采场。

3)通风系统

新鲜风流由各个主平硐通过斜坡道进入到各个中段(分段)，再由采场联络道进入到各个采场内，采场内的污风通过脉内回风井排至上一中段回风巷内，再由回风巷中的风机抽出地表。

4)排水系统

矿区最低侵蚀基准面为东部玛尔坎苏河河床，标高为3 632 m。目前，开采主要矿体位于当地最低侵蚀基准面以上，涌水量较小，井下涌水由平硐自流至地表沉淀池。

1.2 存在的问题

根据百源丰锰矿开采现状、工程布置以及资源储量条件，目前矿山存在的问题有如下几点。

1)均衡稳产衔接困难

根据统计的矿量数据，百源丰矿区内保有资源量总计537.94万t，当前各采区有开拓工程控制的开拓矿量约为187.35万t，除去残采矿量，剩余保有开拓矿量约109.5万t，按照按50万t/a生产能力则服务年限为2.2 a。新开拓一采区的3 640 m中段，三采区的3 660 m，五采区的3 630 m以下，这3个采矿区域的水文地质条件变得复杂，直接影响掘进速度。而各采区转入深部开采后，开拓运输系统、通风系统及排水系统的建设，会影响当前正常生产，按照类似矿山的工程建设经验，该基建时间均在2～3 a。以上因素都会延缓深部开拓工程建设进度，矿山在上下部生产衔接与稳产方面将面临较大压力。

2)生产系统布置欠合理

百源丰锰矿自露天转入地下开采以来，采用分区分段开采的方式来组织生产。各采区井下的开拓运输、通风、中段及分段划分等没有进行统一布局和系统规划，而是局限在各个采区内单独考虑，使得系统工程布置欠合理，相互之间不配套，导致工程利用率不高，投资浪费严重，且严重影响矿山生产。井下通风无法形成稳定有效的通风系统和风路，加上井下大量使用的小型柴油铲装运输设备排放的尾气，井下通风效果差；目前井下基本没有形成正规的排水系统，井下涌水及生产用水无法通过水沟自然汇集至水仓然后排出井口，对矿岩稳固性及回采安全造成严重影响。

3)机械化程度不高，采矿充填成本高

由于前期缺少统一规划，目前百源丰锰矿一采区、二采区、三采区、五采区井下生产较为无序，各采区回采下降速度不均衡，且井下生产机械化水平不高，井下铲装设备普遍采用0.6 m3铲运机配合5 t小型卡车出矿，无集中出矿导致井下生产效率较低。同时，目前井下采用的废石胶结充填，充填废石在地表与水泥、水混合搅拌之后再采用小型卡车运送至采场，接着采用装载机倒运充填，充填废石需经多次倒运，效率低，运距长，运输油料消耗大，运输过程尾气污染严重。

4)深部水文地质条件复杂，开拓和回采困难

目前，矿山整体开采标高均在3 680 m以上，水文地质条件相对简单，地下水对井下生产的影响不大，但根据目前工程揭露情况来看，随着往深部延伸，3 630 m水平以下开始位于当地最低侵蚀基准面以下，水文地质条件将逐渐变得复杂。百源丰锰矿矿岩松散破碎，遇水后稳固性更差，深部开拓工程施工难度大，甚至会影响到矿山均衡稳产衔接工作。深部矿体回采时地下水将给井下安全生产带来较大影响。

2 深部生产系统优化

2.1 中段高度划分

矿体属于急倾斜薄至中厚矿体，结合选取的采矿方法需要，并考虑矿体赋存条件以及现有中段的设置标高，中段高度提高至50 m。既降低了开拓比，又可以和五区已有的3 630 m平硐衔接上，可实现3 630 m中段的涌水自流出地表，降低了排水费用。

根据一采区已开拓至3 640 m，并且已掘进平巷约175 m的现状，故一采区不设3 630 m中段，利用3 640 m作为中段平巷，3 580 m中段的段高为60 m。一采区3 640 m中段与二采区3 630 m中段在无矿带通过运输斜巷进行连通。

井下共划分为3 680 m中段、3 630 m中段(其中一区3 640 m中段)、3 580 m中段、3 530 m中段、3 480 m中段共5个中段，其中3 680 m中段为回风中段(已有)，其余均为回采中段。

2.2 深部开拓系统的初步选择

根据矿山开拓系统及工程现状，结合矿山生产规模、地表地形条件、矿体赋存特点，初步阶段提出了以下4个可行的深部开拓运输方案进行了技术经济综合比较。

1)方案1：采用双斜坡道和中段无轨。在一采区、二采区之间和三采区、五采区之间分别设置主斜坡道和管缆井，西主斜坡道断面3.6 m×3.4 m，坡度12%，主要担负一、二采区35.0×104t/a矿石和7.0×104t/a废石的运输任务，以及人员、设备和材料等运输任务，同时兼做采区斜坡道；东主斜坡道断面3.6 m×3.4 m，坡度12%，主要担负三采区、五采区25.0×104t/a矿石和5.0×104t/a废石的运输任务，以及人员、设备和材料等运输任务，同时兼做采区斜坡道。2条管缆井净直径3.0 m，主要用于安装排水管、供水管、电缆和进风，内部设置梯子间用于检修。斜坡道以及中段矿石运输采用10 t自卸卡车，采场矿石通过采区溜井的振动放矿机装车，由10 t自卸卡车通过中段运输巷、斜坡道运输到地表矿石堆场。

2)方案2：采用双斜坡道和中段有轨。斜坡道和管缆井设置同方案1，斜坡道矿石运输配备12 t自卸卡车，中段运输采用7 t电机车和1.2 m3侧卸式矿车。采场矿石通过采区溜井的振动放矿机装车，由电机车牵引1.2 m3侧卸式矿车组通过中段运输巷卸入靠近斜坡道附近的中段矿、废石仓，然后由矿、废石仓底部的振动放矿机装车，最终由12 t自卸卡车通过斜坡道运输到地表矿石堆场。

3)方案3：采用箕斗斜井、辅助斜坡道和中段有轨。在3 680 m主平硐掘进盲箕斗斜井至3 480 m中段，巷道断面5.8 m×3.3 m，倾角30°，主要担负全矿山60×104t/a矿石和12×104t/a废石提升任务。提升机型号为2JK-3×1.5/31.5，电机功率400 kW，配4.4 m3后卸式双箕斗，曲轨卸载。在3 580 m中段、3 480 m中段设置2个装载点。辅助斜坡道和管缆井的设置方案同方案1，由于辅助斜坡道不用于矿、废石运输，坡度为15%，断面3.2 m×3.0 m，其余同主斜坡道。中段运输采用7 t电机车和1.2 m3侧卸式矿车。

4)方案4：采用罐笼主井、辅助斜坡道和中段有轨。在3 680 m主平硐靠近二采区从3 680 m标高掘进盲罐笼主井至3 480 m中段，井筒直径Φ5.0 m，主要担负全矿山60×104t/a矿石和12×104t/a废石提升任务，兼做进风井。采用双层罐笼互为平衡，3#双层钢罐笼、钢罐道，罐笼一次可提升2辆1.2 m3侧卸式矿车。提升机选用JKMD-2.25×4(I)型多绳提升机(卷筒直径Φ2.25 m)，电机功率550 kW。由于盲罐笼主井可作为进风井，一采区、二采区之间不另设管缆井，其余辅助斜坡道和管缆井布置同方案3。中段运输采用7 t电机车和1.2 m3侧卸式矿车。

上述4个方案的可比投资、年度运营费用以及费用现值见表1。

表1 初步阶段各方案经济比较万元

经过综合比较可知：①方案1的汽车进入中段运输污染风流，井下空气环境差，并且投资和费用现值均较大，经济性较差，前期予以排除。②方案4的竖井提升系统运行一段时间之后，钢丝绳受拉伸长，易导致难以准确对罐，并且也不适用多中段停罐需要，3 680 m主平硐需要铺轨，对现有生产有影响，前期予以排除。③方案3：现矿山每个采区都有独立的施工队伍外包，井下中段集中运输至箕斗斜井导致需要跨采区运输，对井下生产管理要求高，前期予以排除。④方案2：不需跨采区运输，符合矿山现每个采区都有独立的施工队伍作业的实际情况，井下生产便于管理，同时汽车不进入中段，井下空气环境较好，并且无轨设备采用分期投入，可比投资较少，费用现值最小，经济性占优，兼顾了无轨运输和有轨运输的优点。因此，主要从生产管理、经济、后期扩产方便等角度考虑，初步推荐方案2：双斜坡道+中段有轨。

2.3 深部开拓系统的深化选择

考虑一采区、二采区之间的无矿带，在初步阶段方案2的基础上提出了2个深化开拓运输方案进一步比较。(说明：以下2个深化开拓方案主要考虑一采区、二采区之间的开拓运输不同，三采区、五采区之间的属于有矿带，东主斜坡道均按兼做采区斜坡道考虑，不进入可比的范畴)

1)深化方案1：采用主斜坡道、采区斜坡道和管缆井

西主斜坡道：从现有3 680 m平硐内掘进，坡度12%，净断面3.6 m×3.4 m，转弯半径15 m，斜坡道至3 557 m分段装矿点长度约1 350 m，主要担负一、二采区35.0×104t/a矿石和15.0×104t/a废石的运输任务，以及人员、设备和材料等运输任务，同时兼做二采区的采区斜坡道。矿、废石运输配备12 t自卸卡车，人员运输配备ATR25R型无轨人车(25人)。

采区斜坡道(一采区)：为了一采区、二采区的无矿带不设多余的分段联络平巷，在一采区另设采区斜坡道，采区斜坡道坡度15%，净断面3.2 m×3.0 m，转弯半径10 m，采用200 mm厚泥结碎石路面。

管缆井：①1号管缆井从一采区3 720 m平硐内掘进(7线附近)，井筒净直径Ф3.0 m，总深度240 m，主要用于布置一采区从地表过来的风水管、电缆、充填管，兼做新鲜风流通风，内部设置梯子间用于检修；②2号管缆井从二采区3 720 m平硐内掘进(4线西侧)，井筒净直径Ф3.0 m，总深度240 m，主要用于布置二采区从地表过来的风水管、电缆、充填管，兼做新鲜风流通风，内部设置梯子间用于检修。

坑内运输：中段采用有轨运输，巷道净断面3.0 m×2.8 m，坡度3‰，采用7 t电机车牵引1.2 m3侧卸式矿车组运行。

排水系统：矿山井下排水采用分期排水。开采前期，在3 580 m中段靠近2号管缆井设置水泵房及水仓，将井下涌水排至3 630 m平硐，然后自流至地表沉淀池。开采后期，在3 480 m中段靠近2号管缆井设置水泵房及水仓(一套排水系统)，井下涌水直接由3 480 m水泵房排至3 630 m平硐，然后自流至地表沉淀池。

2)深化方案2：采用双主斜坡道(兼做采区斜坡道)和管缆井

西主斜坡道(一采区)：从现有3 680 m平硐内掘进，直线坡度12%，断面3.6 m×3.4 m三心拱，转弯半径15 m，斜坡道至3 557 m分段装矿点长度约1 398 m。主要担负一采区15.0×104t/a矿石和6.4×104t/a废石运输以及设备、人员和材料等运输任务，矿、废石运输配备12 t自卸卡车，人员运输配备ATR25R型无轨人车(25人)。

西主斜坡道(二采区)：斜坡道(3 680～3 671 m)段与西主斜坡道(一采区)共用，参数与功能同西主斜坡道(一采区)，主要担负二采区20.0×104t/a矿石和8.6×104t/a废石运输，矿、废石运输配备12 t自卸卡车，人员运输配备ATR25R型无轨人车(25人)。

管缆井：1号管缆井、2号管缆井分别从一采区、二采区3 720 m平硐内掘进，参数与功能同方案1。

坑内运输：3 480 m中段采用无轨汽车进入中段运输矿、废石，其他中段同方案1。

排水系统：矿山井下排水采用分期排水。开采前期，在3 580 m中段靠近西管缆井设置水泵房及水仓，将井下涌水排至3 630 m平硐，然后自流至地表沉淀池。开采后期，在一采区、二采区3 480 m中段靠近对应的管缆井分别设置水泵房及水仓(2套排水系统)，井下涌水直接由3 480 m水泵房排至3 630 m平硐，然后自流至地表沉淀池。

经综合比较可知，方案2相较于方案1，采用2条主斜坡道分别至一采区、二采区，减少了斜坡道汽车运输的密集度，一、二采区中段运输至各自采区矿、废石仓的距离相对更短，并且3 480 m中段采用无轨运输更为灵活，但可比井巷工程量较大，投资较大，费用现值较大，经济性较差(见表2)。方案1采用主斜坡道和采区斜坡道，可比井巷工程量较小，投资较小，则经济性更优，一采区另设采区斜坡道，充分利用了已有工程，也减少了对主斜坡道运输的影响，虽然一采区、二采区集中运输距离相对较长，但也充分发挥了有轨运输的特点。

表2 深化阶段各方案经济比较万元

因此，主要从经济、工程利旧等角度考虑，设计推荐深化方案1：采用主斜坡道、采区斜坡道和中段有轨。

2.4 通风系统

根据工程开拓系统布置形式、矿体赋存状况及采矿方法需要，由于矿床东西走向接近4 km，因此，设计该矿井在整体上采用间隔对角抽出式通风系统。现将各区域通风系统分述如下。

1)一采区通风系统

设计一采区采用一采区3 720 m平硐进风，1号回风斜坡道硐口(原一采区3 720 m斜坡道硐口)回风的单翼对角抽出式通风系统。

2)二采区通风系统

设计二采区采用二采区3 720 m平硐、二采区3 680 m平硐进风，与三采区共用2号回风平硐(原二采区3 800 m平硐)和3号回风平硐(原三采区3 760 m平硐口)回风，在二采区内部形成单翼对角抽出式通风系统。

3)三采区、五采区通风系统

设计三采区与五采区共用三采区3 660 m平硐、五采区3 630 m平硐同时进风，三采区与二采区共用2号回风平硐(原二采区3 800 m平硐)、3号回风平硐(原三采区3 760 m平硐口)同时回风，五采区则利用4号回风平硐(原五采区3 666 m平硐)回风。最终使三采区和五采区形成两翼对角抽出式通风系统。矿山井下风量及负压计算见表3。

表3 矿井风量、负压计算结果

根据上述计算结果，在1号回风斜坡道口风机房内选用1台FCDZ-8-NO22型矿用节能轴流式通风机，配备2台YPT355M-6型变频电机，功率2×160 kW；在18线3 760 m风机硐室内选用2台FCDZ-10-NO25型矿用节能轴流式通风机，每台主通风机配备2台YSP355L-10型变频电机，功率2×185 kW；在4号回风平硐风机硐室内选用1台FCDZ-8-NO20型矿用节能轴流式通风机，配备2台YSP315L-8型变频电机，功率2×90 kW。风机工况点参数见表4。

表4 风机工况点参数

2.5 排水系统

矿山深部各中段涌水测算见表5。结合矿山开拓系统现状，目前3 630 m平硐口为最低硐口，深部主要矿体位于当地最低侵蚀基准面以下，未有平硐口通地表，故采用机械排水方式。为了缩短基建工期，使矿山尽快投产，设计采用分期排水方式将涌水排至地表。

1)基建期

在二采区3 580 m管缆井附近设置水泵房水仓，全矿井下涌水汇集至3 580 m水仓，抽排至3 630 m平硐，自流至地表沉淀池。3 580 m水泵房内选用3台MD280-43×2型耐磨多级离心泵，水泵功率110 kW/380 V。新管工况点流量308.00 m3/h，扬程81.18 m，轴功率92.67 kW。旧管工况点流量266.00 m3/h，扬程87.93 m，轴功率87.85 kW。排水管设两趟，采用Ф245×6无缝钢管，沿2号管缆井敷设至3 630 m中段最高处，并刷红丹防锈漆防锈。

2)开采后期

由于3 480 m中段在二采区和三采区未连通，故分别在二采区、三采区3 480 m管缆井附近各设置水泵房水仓，将井下涌水抽排至3 630 m平硐，自流至地表沉淀池。后期排水系统形成后，取消基建排水系统。

二采区3 480 m水泵房负责抽排一采区、二采区井下涌水，在二采区3 480 m设置水泵房内选用3台MD120-50×4型耐磨多级离心泵，水泵功率110 kW/380 V。新管工况点流量134.00 m3/h，扬程175.71 m，轴功率93.49 kW。旧管工况点流量128.00 m3/h，扬程186.57 m，轴功率92.19 kW。排水管设两趟，均采用Ф159×6无缝钢管，沿2号管缆井敷设至3 630 m中段最高处，管线都刷红丹防锈漆作防锈处理。

三采区3 480 m水泵房负责抽排三采区、五采区井下涌水，在三采区3 480 m设置水泵房内选用3台MD280-65×3型耐磨多级离心泵，水泵功率280 kW/380 V。新管工况点流量296.00 m3/h，扬程190.77 m，轴功率221.06 kW。旧管工况点流量256.00 m3/h，扬程200.22 m，轴功率200.65 kW。排水管设两趟，采用Ф245×6无缝钢管，沿3号管缆井敷设至3 630 m平硐，并刷红丹防锈漆防锈。井下排水量情况见表5。

表5 井下排水量情况 m3/d

3 经济评价

3.1 项目投资

项目新增总投资为25 616.32万元，其中新增建设投资为22 155.27万元，新增建设期利息为911.91万元，新增流动资金为2 549.14万元。新增建设投资构成见表6，其中工程费用18 886.06万元。本项目利用原有固定资产3 000.00万元，在财务分析中计提折旧并按现金流出参与评价。

表6 投资分析

3.2 经济效益

项目的经济效益是决定技改工程能否付诸实施的关键[6]。经测算，项目建成投产后，达产年平均营业收入为49 933.17万元，年增值税5 217.99万元/a，营业税及附加为2 310.41万元/a，年平均利润总额为26 050.20万元/a，上交所得税为3 907.53万元/a，净利润为22 142.67万元/a。所得税前：项目投资财务内部收益率为66.82%、项目投资财务净现值(Ic=8%)89 056.44万元、项目投资回收期2.99 a。所得税后：项目投资财务内部收益率60.53%、项目投资财务净现值(Ic=10%)74 837.01万元、项目投资回收期3.14 a；以生产能力利用率年平均表示的盈亏平衡点(BEP)为31.14%。

综上所述，项目井下深部生产系统优化后经济效益较好，且具有较强的财务生存能力和抗风险能力，社会经济效益明显。