鄧艷娥

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)，由于對(duì)生態(tài)和環(huán)境的保護(hù)提出了更加嚴(yán)格的要求，尾礦庫(kù)征地也越來越困難，一批原采用崩落法開采的鐵礦山不得不研究采用充填法開采的可行性[1]。已經(jīng)投入生產(chǎn)的充填法開采的鐵礦山，如李樓鐵礦、草樓鐵礦、會(huì)寶嶺鐵礦、白象山鐵礦和谷家臺(tái)鐵礦、馬坑鐵礦[2?6]等礦山的實(shí)踐證明，鐵礦采用充填法開采資源回采率高、環(huán)境友好，且技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上是可行的。

1 礦山基本情況

某礦山位于山東省濟(jì)南市，始建于1970 年。礦山資源儲(chǔ)量大，保有礦石量約1.3 億t，礦石品位高，TFe44%，可選性好，是我國(guó)少有的富鐵礦，生產(chǎn)的鐵精礦含硫、磷極低且保持全自熔，是煉鐵煉鋼的優(yōu)質(zhì)原料。鐵精礦產(chǎn)量160～200 萬t/a。

礦體埋藏較深，一般為500～700 m，最大達(dá)900 m，地應(yīng)力較大。目前礦體厚度一般為20～30 m，以中厚、厚大礦體為主，礦體傾角較緩，一般為10°～30°。礦山采用豎井開拓，無底柱分段崩落法開采，垂直礦體走向布置，中段高50 m，分段高12.5 m，進(jìn)路間距為12.5～14 m，沿走向每56～62.5 m 劃分為一個(gè)礦塊。

2 現(xiàn)有崩落法存在的問題

無底柱分段崩落法適用于礦體賦存條件及礦巖穩(wěn)固性較好的條件，該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)能力大、作業(yè)安全等優(yōu)點(diǎn)[7]。為了形成覆蓋巖層下的放礦條件，必須崩落礦體上覆巖層，從而導(dǎo)致地表塌陷、環(huán)境破壞。隨著開采深度的增加，采場(chǎng)和巷道地壓日益加大，在礦體賦存條件及礦巖穩(wěn)固性較差時(shí)，礦石損失貧化指標(biāo)難以控制[8]。

該礦山若繼續(xù)采用崩落法開采，存在以下問題。

（1）環(huán)境破壞嚴(yán)重，地表塌陷范圍大[9]。該礦山礦巖軟弱破碎，極不穩(wěn)固，目前采區(qū)上部覆蓋層已經(jīng)形成，崩落塌陷坑已透至地表。若繼續(xù)沿用無底柱分段崩落法，塌陷區(qū)將進(jìn)一步擴(kuò)大，按最終設(shè)計(jì)開采范圍圈定的塌陷區(qū)面積將達(dá)6 km2左右，搬遷難度大。

（2）尾砂大量堆存，尾礦庫(kù)壓力大?，F(xiàn)用尾礦庫(kù)雖可服務(wù)11 年，與礦山保有資源儲(chǔ)量服務(wù)年限不匹配，另外新建尾礦庫(kù)征地十分困難[10]，且投資大，周期長(zhǎng)，不解決尾礦堆存問題，企業(yè)未來生產(chǎn)不可持續(xù)。

（3）留設(shè)大量保安礦柱，壓覆礦量大。為了保護(hù)礦山主井、副井，礦山按照55°錯(cuò)動(dòng)角設(shè)置了保安礦柱，未來若繼續(xù)采用崩落法開采，三期需預(yù)留864 萬t 保安礦柱，隨著深度加大，將對(duì)主副井造成威脅。

（4）礦石損失貧化大，資源浪費(fèi)嚴(yán)重[11]。崩落法開采礦石損失率及貧化率均達(dá)30%左右，該礦資源儲(chǔ)量大，礦石品位高，但資源浪費(fèi)嚴(yán)重，出礦品位低。

（5）地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重。隨著采深的進(jìn)一步加大，巷道變形破壞現(xiàn)象突出[12]，今后生產(chǎn)中，損失貧化指標(biāo)將更加難以控制。

3 預(yù)控頂高分段充填法特點(diǎn)

本項(xiàng)目采用了不同于常規(guī)充填法的預(yù)控頂高分段充填法，該充填法雖然貧化損失比上向進(jìn)路充填法要大，但是在礦塊生產(chǎn)能力和采礦生產(chǎn)成本上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，且采用中深孔回采，能充分利用設(shè)備大型化、自動(dòng)化、管理信息化的特點(diǎn)，采礦工效高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

預(yù)控頂高分段充填法與一般充填法相比具有以下特點(diǎn)。

（1）采場(chǎng)工作面多，可在不同分段、分條同時(shí)進(jìn)行回采和掘進(jìn)，能夠多工作面組織采、掘、充平行交替作業(yè)，爆破自由面多、效率高，有利于設(shè)備效率的發(fā)揮，能提高采場(chǎng)生產(chǎn)能力。

（2）采場(chǎng)充填工藝簡(jiǎn)單，大大減少了充填接頂工作，解決了采場(chǎng)頻繁接頂?shù)碾y題。

（3）回采分條可根據(jù)礦體變化靈活布置，有利于復(fù)雜多變的礦體回采。

4 崩落法轉(zhuǎn)充填法綜合經(jīng)濟(jì)效益分析

采用充填法開采面臨的難點(diǎn)包括：礦巖體松軟破碎難以形成較大空區(qū)；尾砂粒度細(xì)（?200 目占78.6%），含泥量大，充填成本高；大規(guī)模充填法開采在產(chǎn)能保障上面臨較大挑戰(zhàn)。

經(jīng)充填法多方案比較，該礦確定采用進(jìn)路充填法和分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?lián)合開采。該礦尾砂細(xì)，含泥量大，脫水難度大，但根據(jù)長(zhǎng)沙礦山研究院研發(fā)的絮凝劑、配套高效膠固粉與該礦尾砂試驗(yàn)成果表明，高濃度充填料漿可實(shí)現(xiàn)自流輸送，并在采場(chǎng)中不離析、不脫水，充填體強(qiáng)度可以滿足采礦方法要求，這些成果為充填法的大規(guī)模實(shí)施創(chuàng)造了良好條件。

根據(jù)礦山往年生產(chǎn)指標(biāo)，其損失率約為25%～28%，平均26%；貧化率平均為28%。采出礦石品位30%，拋廢率15%，拋廢后的入選品位提高3.5%～4%。拋出廢石占總提升礦巖比例的15%。若采用充填法后，預(yù)計(jì)其損失率為12%、貧化率為10%。根據(jù)該礦實(shí)際情況及國(guó)內(nèi)外類似礦山的開采經(jīng)驗(yàn)，對(duì)崩落法和充填法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析[13?15]，詳見表1。

表1 崩落法和充填法主要指標(biāo)對(duì)比

4.1 采礦效益提高

按照目前保有地質(zhì)資源儲(chǔ)量1.3 億t，TFe44%計(jì)算，采礦回采率提高14 個(gè)百分點(diǎn)，可多回采1820萬t 礦石，選礦后的鐵精礦858 萬t，按照600 元/t計(jì)算，價(jià)值51 億元；

原三期工程采用崩落法開采預(yù)留864 萬t 保安礦柱，可用充填法回采，選礦后的精礦量為400 萬t，價(jià)值24 億元；

貧化率降低18 個(gè)百分點(diǎn)，可減少?gòu)U石從采場(chǎng)的鏟裝運(yùn)、倒運(yùn)提升，到拋廢處理量約2340 萬t，按照20 元/t 計(jì)算，節(jié)省4.68 億元。

以上合計(jì)增加產(chǎn)值75 億元，節(jié)省成本4.68 億元，扣除采選成本，增加利潤(rùn)29.68 億元。

4.2 選礦效益提高

由于充填法開采貧化率大大降低，其出礦品位可從30%提高到38%，對(duì)于選礦有多重效果。選礦比可以從目前的2.7 降低到2.12，同樣在430 萬t/a產(chǎn)能的條件下，崩落法對(duì)應(yīng)鐵精礦產(chǎn)量為160萬t/a，充填法鐵精礦產(chǎn)量為200 萬t/a，每年可多生產(chǎn)40萬t 鐵精礦，每年產(chǎn)值增加2.4 億元。此外，入選品位提高后，選礦回收率預(yù)計(jì)可從目前的78%提高到80%。

項(xiàng)目服務(wù)年限30 年，以上合計(jì)增加產(chǎn)值72 億元，扣除成本，增加利潤(rùn)24 億元。

4.3 尾礦處理效益提高

目前尾礦壩壩高設(shè)計(jì)最終標(biāo)高為370 m，此時(shí)最大庫(kù)容為5.3×107萬m3，現(xiàn)已占用庫(kù)容約2.95×107萬m3，即剩余庫(kù)容2.35×107萬m3，按照目前產(chǎn)量，尾礦壩僅可服務(wù)約11 年。

改用充填法開采后約60%的尾礦可充入采空區(qū)，可延長(zhǎng)尾礦庫(kù)服務(wù)年限約16.5 年，總體達(dá)到27.5 年，基本滿足全礦1.3 億噸礦開采服務(wù)年限。該礦山毗鄰濟(jì)南市區(qū)，若在其周邊選擇新建尾礦，其庫(kù)址選擇難度極大，征地困難，投資巨大。采用充填法后，大部分尾砂可充填至井下空區(qū)，解決了尾礦堆存和建設(shè)投資壓力，為礦山可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造良好條件。

經(jīng)濟(jì)效益分析：若要新建一個(gè)服務(wù)年限為16.5年的尾礦庫(kù)，有效庫(kù)容3.525×107萬m3，總庫(kù)容約5.0×107m3，壩高按照90 m 三等庫(kù)計(jì)算，征地面積需要5.67×105m2，按照225 元/m2估算，則征地費(fèi)1.27 億元；尾礦庫(kù)建設(shè)投資按照12 元/m3估算需4.23 億元，即新建尾礦庫(kù)需投資5.5 億元。

改用充填法開采后尾砂產(chǎn)量減少43 萬t/a，并且60%尾礦可充填，每年僅需輸送90 萬t，按照3元/t 計(jì)算，每年可節(jié)省540 萬元尾礦輸送費(fèi)用。

按項(xiàng)目服務(wù)年限30 年計(jì)算，以上合計(jì)節(jié)約費(fèi)用為7.12 億元。

4.4 產(chǎn)業(yè)政策紅利效益

根據(jù)2018 年修正的《環(huán)境保護(hù)稅法》，排污費(fèi)變?yōu)榄h(huán)境保護(hù)稅，尾礦排放每噸15 元，按充填法尾礦產(chǎn)率53%計(jì)算，充填消耗60%即每年少排放180 萬t 尾砂，可節(jié)省環(huán)境保護(hù)稅2700 萬元/年。

根據(jù)財(cái)政部《關(guān)于全面推進(jìn)資源稅改革的通知》財(cái)稅〔2016〕53 號(hào)文件，對(duì)符合條件的采用充填開采方式采出的礦產(chǎn)資源，資源稅減征50%。根據(jù)魯財(cái)稅[2016]23 號(hào)文件規(guī)定，鐵精礦資源稅按精礦收入的3%計(jì)算，按照年產(chǎn)200 萬t 鐵精礦，減征50%后每年可節(jié)省資源稅1800 萬元。

按項(xiàng)目服務(wù)年限30 年計(jì)算，以上合計(jì)節(jié)省稅費(fèi)為13.5 億元。

4.5 綜合效益分析小節(jié)

根據(jù)以上四個(gè)方面的分析，該礦崩落法轉(zhuǎn)充填法開采后，可多回收礦石1820 萬t 及保安礦柱864萬t，合計(jì)2684 萬t。

項(xiàng)目合計(jì)增加效益74.3 億元。而且隨著鐵礦石價(jià)格上漲，充填采礦法比崩落法開采在經(jīng)濟(jì)上將會(huì)有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

經(jīng)過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析可知，研究采用高效充填采礦法及高質(zhì)量的全尾砂膠結(jié)充填，其應(yīng)用可以取得如下效果。

（1）大幅降低礦石損失貧化，經(jīng)濟(jì)效益明顯。該礦改用充填法開采后，采礦回采率可提高14 個(gè)百分點(diǎn)，貧化率可降低18 個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)于儲(chǔ)量1.3億噸的大型鐵礦來說，可使礦石資源得到更有效的利用，延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限，大幅提高礦床開采的整體經(jīng)濟(jì)效益。

（2）大幅度減少尾砂堆存，使礦山實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展。尾礦的處置決定了礦山能否持續(xù)生產(chǎn)。改用充填采礦法后，可減少?gòu)U石出窿量，提高出礦品位，降低尾砂產(chǎn)率。尾砂充填利用率可達(dá)60%以上，使尾礦庫(kù)服務(wù)年限由11 年延長(zhǎng)至27.5年，解決了尾礦堆存的問題。

（3）改善井上下的礦區(qū)環(huán)境。該礦毗鄰市區(qū)，采用充填法后可有效控制地表塌陷，可減少搬遷范圍和搬遷費(fèi)用；有效控制采場(chǎng)地壓，改善井下通風(fēng)和安全作業(yè)條件，是環(huán)境友好型采礦方法，其社會(huì)和環(huán)境效益明顯。

該礦山崩落法轉(zhuǎn)充填法開采的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，可避免地表塌陷和周邊村莊的搬遷，大幅減少尾礦在地表堆放，響應(yīng)國(guó)家及行業(yè)綠色發(fā)展要求。崩落法轉(zhuǎn)為充填法開采后，雖然增加了充填成本，過渡期約3～5 年，但從政策導(dǎo)向、環(huán)境保護(hù)、資源回收利用經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性綜合考慮，改用充填采礦法是礦山戰(zhàn)略發(fā)展的選擇。本文可為類似礦山崩落法轉(zhuǎn)充填法開采的礦山總體經(jīng)濟(jì)效益分析提供借鑒。