矿山充填成本的测算与控制方法研究

魏 勇，林 杰，刘建兴，张 燊，翁雅洁

(1.紫金矿业集团股份有限公司，福建 上杭 354200；2.福州大学 紫金地质与矿业学院，福州 350108；3.中南大学 资源与安全工程学院，长沙 410083)

随着全球范围资源与环境的可持续发展问题愈加受到关注，充填采矿法在矿山也得到越来越广泛的应用，目前已成为我国《绿色矿山建设标准》所推荐的主要采矿方法[1]。该法在提高资源的开采率和安全性以及保护环境等方面具有很多优势，却因其成本相对较高[2-4]，在矿山尤其是低品位矿山的推广应用中受到了一定的限制。研究如何有效控制和降低充填采矿成本，不仅关乎矿山的经济效益，也直接影响充填采矿法的应用推广，进而可能影响到绿色矿山建设进程，是矿山需要面对解决的重要课题之一。本文通过矿山充填成本的构成和计算模型进行分析研究，结合实例提出成本控制的方法，研究对有关项目决策、设计、生产等具有一定的参考意义。

1 充填成本计算模型

按照费用发生用途，充填成本的构成主要包括材料、动力、挡墙、抽水、人工工资、折旧、维检及备品备件成本。

1)材料成本：充填材料包括胶结剂和其他材料，前者主要为水泥、专用固化剂和矿渣微粉等；后者主要为管道磨损、絮凝剂、滤布及滤水管等。材料成本计算公式可表示为：

C1=MbA+Co

(1)

2)动力成本：主要为电力成本，包括两部分，即选厂尾砂输送到充填站消耗电量及料浆制备搅拌泵送至采空区的耗电量。年用电成本表示为：

C2=αEUDH

(2)

式中：α—用电不均衡系数，其值等于实际用电时间与计划用电时间的比值；E—充填设备每小时耗电量，kWh；E=P，P为设备总功率，kW；U—工业用电单价，元/kWh；D—设备年计划运行天数，d；H—设备日计划运行时间，h。

3)挡墙成本：

C3=stNqAq

(3)

式中：s—挡墙断面积，m2；挡墙一般高度、宽度可按照进路和联络道尺寸取；t—挡墙厚度，m；厚度可根据井下防水闸门设计取[6]；Nq—充填挡墙数量，套，挡墙数量可根据矿房划分、阶段高度、分段高度、进路设计及联络道设计等确定；Aq—挡墙材料单价，元/m3。

4)抽水成本：充填料浆进入井下采场后，经沉缩流失形成固体充填空区，该过程中排出的水由水泵抽出到地表。

抽水成本可由下式计算：

C4=U·δWgH′/1000η

(4)

式中：δ—泌水率，即料浆泌水量与总含水量的比值；W—料浆总含水量，kg；g—重力加速度，m/s2；H′—提升高度，m；η—水泵电机效率；其余符号意义同前。

5)采场人工工资成本：

C5=NWf

(5)

式中：N—充填站人员编制，人；Wf—人均年薪，元。

6)折旧及维检成本：

C6=(O-R)/Y

(6)

C7=(2%～3%)I

(7)

式中：C6—折旧费，元；C7—维检费，元；O—充填系统原值，元；R—充填系统残值，元；Y—矿山服务年限，年；I—充填系统投资额，元。

7)备品备件成本：备品备件成本C8可根据工程实践经验进行估算。充填系统通常一备一用，备品备件包括浓密机配件(底板耐磨修补剂、直流电源、气动控制阀)、搅拌机转子等。

综上，充填成本C可表达为如下计算模型：

C=MbA+Co+αEUDH+stNqAq+

U·δWgH′/1000η+NWf+(O-R)/Y+

(2%～3%)I+C8

(8)

需要说明的是，该公式适用于采用胶结充填的矿山进行充填成本计算，对于料浆浓度较高的膏体充填，可不考虑抽水成本；对于非胶结充填的成本计算不考虑胶结剂成本，需根据来源另外计算充填料浆成本。

2 福建某铜矿充填成本分析

2.1 充填采矿现状

福建某铜矿采用大直径深孔崩落嗣后充填采矿法，设计年产量165万t，回采方式为隔三采一，分两步骤开采。矿山充填系统采用分级尾砂结构流胶结充填工艺，24 h连续充填。充填方案为图1所示，除二步骤中下部采用尾砂废石非胶结充填外，其余部分均采用固化剂胶结充填。一步骤采场底部、顶部灰砂比1∶8，充填体强度大于3.0 MPa；中部灰砂比1∶11，充填体强度大于2.0 MPa。二步骤采场底部、顶部灰砂比为1∶8；中上部灰砂比1∶20，充填体强度大于0.5 MPa。充填料浆平均浓度72.2%。

图1 充填方案Fig.1 Filling scheme

2.2 参数选取

充填料浆沉缩率K1=1.05～1.15，流失系数取K2=1.05，充填作业不均衡系数K3=1.1～1.3；充采比Z=1，料浆平均密度1.67 g/cm3；根据矿房尺寸和充填方案，得到充填空区体积Vg为59 400 m3；胶结剂单价A取固化剂420元/t、425#水泥375元/t；其他材料成本类比安徽某铜矿[2]、武山铜矿[4]等；用电不均衡系数α=0.94；挡墙断面积s=8.537 m2、厚度t=0.4～1.5 m；料浆泌水率δ=5%，水泵电机效率η=0.75；矿山服务年限15年。

2.3 结果分析

根据前述计算模型及矿山实际参数，可计算得出福建某铜矿充填成本为3 580.11万元，如表1所示，折合每立方米空区成本为60.27元，吨矿成本为21.84元，占采矿成本的18.83%。其各项成本占比如图2所示，胶结材料成本是充填成本的决定性因素，同时挡墙成本、动力成本、人工工资成本及折旧费共占19%，是充填成本的重要构成部分。

表1 福建某铜矿充填成本Table 1 Filling cost of a copper mine in Fujian /万元

图2 福建某铜矿充填各项成本Fig.2 Various filling costs of a copper mine in Fujian

对于福建某铜矿，该铜矿年充填成本折合每立方米空区成本为60.27元。与表2国内外矿山相比较可知，福建某铜矿充填成本较低。

表2 2020年国内外矿山充填成本Table 2 Filling cost of domestic and foreign mines /(元·m-3)

根据上述充填成本计算模型，分析同一采矿方法矿山的充填成本，将安徽某铜矿、福建某铜矿及福建某铁矿的充填成本(2020年)进行对比，结果如表3所示。

表3 采矿方法相同的矿山充填成本对比(2020年)Table 3 Comparison of filling costs of mines with the same mining methods(2020)

从表3可知，安徽某铜矿充填成本高出福建某铜矿一倍多，究其原因，由于其采场均采用水泥作为胶结剂充填，同样强度下用量较高，导致胶结材料成本较高。安徽某铜矿与福建某铁矿胶结材料成本占比分别为92.40%、74.64%。这说明胶结材料成本是决定充填成本最主要的因素。分析可知，若将其灰砂比由1∶8降低到1∶11，则成本由3 580.11万元降为3 364.03万元，下降了6.04%，降低胶结成本的效果显著。福建某铜矿通过采用新型固化剂代替水泥充填，每年节省了约500万元，福建某铁矿研究新型固化剂后采用矿渣微粉、固化剂、水泥胶结充填[7]，成本大幅降低。表2中宝山铅锌矿使用胶结材料黄泥代替32%水泥，充填成本降低了23.78元/m3[8]。同时废石胶结混合充填减少了胶结剂使用量，从而降低胶结材料成本，福建某铜矿二步骤中下部充入采场废石，节省了胶结材料成本约700万元/a。Kauldi金矿采用一步骤采场底部1/3废石+二步骤底部2/3废石充填，其余部分胶结充填，显著降低了胶结材料成本，最终充填成本仅为44.52元/m3[9]。

安徽某铜矿挡墙成本仅次于胶结材料成本(福建某铜矿挡墙成本达到充填成本的4%)。计算表明，对于福建某铜矿，挡墙厚度由1.2 m降到0.4 m，成本降低2.23%。可知，作为矿山充填采矿法中一个重要的结构，充填挡墙是充填成本中不可忽略的重要因素，可从挡墙尺寸和材料角度考虑降低成本的措施。

在人工成本方面，福建某铜矿(占比7%)高于其余两个矿山(占比6%)，一方面是因为现阶段充填工艺技术需要较多人员操作管理，另外一方面是由于充填工人薪资较高。

充填设备在使用过程中会产生一定程度损坏，需要定期检查维修，进一步导致折旧费用提高，福建某铁矿一年产生折旧费用高达495.8万元，占比10.96%，原因在于生产规模大，与其相匹配的设备昂贵且服务年限短。

2.4 成本控制方法

综上分析，充填成本至少可从胶结材料、充填挡墙、人工工资及设备折旧这四个方面着手考虑加以控制，以达到降本增效的目的。

1)胶结材料：第一，开展新型胶结材料试验；探索适合的新型胶结材料代替水泥；定期开展充填体强度试验提高充填体强度、降低灰砂比，达到减少胶结材料使用量的目的。第二，优化矿房不同充填部位高度及矿房尺寸，围岩稳定性允许条件下，设计较大尺寸的二步骤矿柱，较小尺寸的一步骤矿房；采用废石非胶结-胶结混合充填，对于二步骤采场甚至某些一步骤采场，在满足强度要求下，局部充入废石以减少胶结剂使用量。第三，提高连续充填时间，降低充填作业不均衡系数。

2)挡墙：设计合理挡墙厚度，降低混凝土材料用量；开展实验，用充填料浆代替高价混凝土，降低材料成本。

3)人工：提高充填系统三维可视化和自动化程度，减少工人数量；制定管理规范及薪酬方式，发挥工人工作效率，减少充填过程中的工作失误。

4)折旧成本：加强充填设备等固定资产管理；延长充填系统服务年限。

3 结论与建议

本文提出充填成本计算模型，通过实例计算得出福建某铜矿充填成本为60.27元/m3，进一步比较分析可知，影响矿山充填成本的决定性因素为胶结材料成本，挡墙、人工工资、折旧成本皆为重要因素，总结提出充填成本控制的方法，即采用新型胶结材料降低灰砂比、优化矿房等减少胶结剂使用量，降低材料成本；改进充填挡墙尺寸及材料，降低挡墙成本；提高充填系统自动化程度；加强充填站固定资产管理、延长充填系统使用寿命。

需要指出，本文充填成本计算模型及控制方法研究是针对胶结充填而提出的，对于非胶结充填矿山可做定性参考。另外，在成本控制分析中未考虑市场、政策等复杂因素影响，且考虑单一的成本控制方法很难应用于生产实践，矿山应根据自身情况选择有利措施降低充填成本，以充分发挥充填采矿法的优势。