譚麗龍,于德寧,陳成,賀艷軍

(1.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司, 湖南 長沙 410083;2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院, 湖南 長沙 410083)

0 前言

采礦方法是地下礦山開采的核心技術(shù),直接影響礦山的經(jīng)濟效益和長遠(yuǎn)發(fā)展[1]。隨著機械化水平的提高,采礦方法也朝著“高、大、上”的方向發(fā)展,“高”即階段高度越來越高,“大”即采場寬度和長度越來越大,“上”即采礦設(shè)備機械化水平越來越高。其中,大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法具有效率高、能力大、成本低等優(yōu)勢,已經(jīng)成為大型地下礦山開采的必然趨勢[2-3]。

大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法生產(chǎn)能力受采場結(jié)構(gòu)尺寸、設(shè)備效率、開采順序和礦石物理性質(zhì)的影響。張瑞明等[4]開展了不同采場跨度和不同回采順序條件下的階段空場嗣后充填采礦法研究。趙興東等[5]通過優(yōu)化階段空場嗣后充填采礦法,引進先進的電動鏟運機和鑿巖鉆機,優(yōu)化采場底部結(jié)構(gòu)和爆破方式,極大地提高了三道橋鉛鋅礦的生產(chǎn)能力。張洪海等[6]將大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法的回采高度由60 m 增加至105 m,礦塊寬度由30 m 增加至36 m,大幅度提高了草樓鐵礦的單采場生產(chǎn)能力。杜偉[7]通過優(yōu)化底部結(jié)構(gòu),采用單側(cè)雙進路服務(wù)雙礦房,該結(jié)構(gòu)具有工程量小、巷道使用率高、安全風(fēng)險低、生產(chǎn)能力大等優(yōu)點。郭偉革等[8]通過優(yōu)化二步驟采場邊孔裝藥結(jié)構(gòu),大幅降低了大孔爆破對采場兩幫充填體穩(wěn)定性的不良影響,有效保障了二步驟回采的生產(chǎn)能力。王志東[9]在馬坑鐵礦開展了大直徑深孔階段礦房嗣后充填采礦法試驗,結(jié)果證明,該方法機械化程度高,具備強采強出的條件,大幅提高了生產(chǎn)能力。張志飛[10]對大孔鑿巖硐室布置形式、炮孔布置、礦房底部出礦結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,并在紫金山金銅礦開展了現(xiàn)場工業(yè)試驗,大幅提升了生產(chǎn)能力,經(jīng)濟效益明顯。

大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法應(yīng)用日趨廣泛,但是該方法的生產(chǎn)能力計算和分析主要停留在生產(chǎn)統(tǒng)計和粗略估算階段,甚至由于工藝環(huán)節(jié)計算的缺失,導(dǎo)致計算結(jié)果偏大,進而影響礦山設(shè)計產(chǎn)能和生產(chǎn)計劃決策。因此,亟需開展大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法生產(chǎn)能力計算的研究工作。

1 生產(chǎn)能力計算模型

1.1 采場和盤區(qū)能力計算模型

假設(shè)采礦工藝有s個,分別用A1,A2,…,As表示;第s個工藝包含n個工序,分別用As1,As2,…,Asn表示;每個工序工作效率用Vs1,Vs2,…,Vsn表示;每個工序工作量用Ms1,Ms2,…,Msn表示;單采場采出礦石量用K表示。由此可得到單采場生產(chǎn)能力:

另外,假設(shè)盤區(qū)第i步驟同時動用的采場為m個,盤區(qū)采場共計M個,第i-1步驟動用采場與第i步驟動用采場同時作業(yè)時間為ti,由此可以得到盤區(qū)生產(chǎn)能力為:

1.2 采礦工藝作業(yè)時間

1.2.1 采場鑿巖

采場鑿巖主要包括采切工程鑿巖和大直徑深孔鑿巖兩部分。其中采準(zhǔn)工程主要有出礦進路、裝礦進路、盤區(qū)溜井、溜井聯(lián)絡(luò)道、鑿巖硐室、中深孔鑿巖巷、回風(fēng)天井、回風(fēng)巷道等。切割工程主要有集礦塹溝、切割回風(fēng)天井等[11]。

假設(shè)采場長為a(m),寬為b(m),高為h(m),千噸采掘比為c1(m/kt),礦石密度為ρ(t/m3),損失率為d(%),貧化率為e(%),采掘工作面f(個),采掘效率為g(m/d),由此可得采切鑿巖時間為:

假設(shè)大直徑深孔鑿巖高度為h1(m),深孔崩礦量為j1(t/m),深孔鉆機工作效率為k1(m/臺班),由此可得大直徑深孔鑿巖時間為:

假設(shè)集礦塹溝鑿巖高度為h2(m),中深孔崩礦量為j2(t/m),中深孔鉆機工作效率為k2(m/臺班),由此可得中深孔鑿巖時間為:

綜上所述,采場鑿巖時間合計為:

1.2.2 采切出渣

采切出渣主要指通過鏟運機等設(shè)備將采切工程產(chǎn)生的廢石或者副產(chǎn)礦石運出采場。假設(shè)鏟運機出渣效率為k3(t/臺班),由此可得采切出渣時間為:

1.2.3 回采出礦

回采出礦的礦石主要包括大直徑深孔和中深孔崩落的礦石。假設(shè)鏟運機出礦效率為k4(t/臺班),由此可得回采出礦時間為:

1.2.4 采空區(qū)充填

采空區(qū)充填工藝主要包括擋墻砌筑、充填下料和充填體養(yǎng)護等。假設(shè)擋墻砌筑時間為Tk1,充填下料時間為Tk2,充填體養(yǎng)護時間為Tk3,由此可得采空區(qū)充填時間為:

1.2.5 采礦工藝作業(yè)時間

采礦工藝作業(yè)時間合計為:

1.3 盤區(qū)開采作業(yè)時間

影響盤區(qū)開采作業(yè)時間的因素很多,包括開采順序、爆破震動影響、充填體穩(wěn)定性、設(shè)備配置數(shù)量等,另外盤區(qū)開采步驟間也存在同時作業(yè)的情況。總之,需要做詳細(xì)的生產(chǎn)計劃才能準(zhǔn)確確定盤區(qū)開采作業(yè)時間。

2 生產(chǎn)能力計算

2.1 開采工藝

根據(jù)某鉬礦山的開采技術(shù)條件,選擇采用大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦方法,開采工藝如下。

2.1.1 礦塊布置與采準(zhǔn)切割

礦體以盤區(qū)為回采單元組織生產(chǎn),盤區(qū)上、下中段相互對應(yīng)。礦體沿走向方向213 m 作為一個盤區(qū),采場長軸垂直走向布置,礦柱共計6個,寬為15 m,礦房共計6個,寬為18 m,采場長為100 m,中段高為60 m,留5 m 頂柱。盤區(qū)間留15 m 寬間柱,沿脈和穿脈巷道布置在間柱中[12]。

采場底部采用塹溝底部結(jié)構(gòu),出礦水平的出礦進路布置在采場中間,間距為33 m。切割天井位于采場端部,利用切割天井形成切割槽,進行側(cè)向崩礦[13]。鑿巖水平的鑿巖硐室巷道位于采場上中段出礦水平下方5 m,即上方留5 m 頂柱,利用鑿巖平巷聯(lián)絡(luò)道和鑿巖平巷進入采場對鑿巖硐室進行掘進和擴幫,鑿巖硐室高為4 m,并在采場兩邊每隔5 m留尺寸3 m×4 m 的點柱來維持鑿巖硐室的穩(wěn)定[14]。

2.1.2 回采出礦與充填

采場布置按兩步回采,一步回采礦柱,二步回采礦房。每個盤區(qū)布置6個礦房、6個礦柱,礦房礦柱間隔回采。

(1) 鑿巖:選用Simba M4C ITH 潛孔鉆機從鑿巖硐室聯(lián)絡(luò)道進入鑿巖硐室進行下向垂直深孔鉆鑿,孔直徑為185 mm,邊孔距離采場邊界為0.6～1.0 m,孔距為3～4 m,排距為3～4 m,在鑿巖硐室內(nèi)留設(shè)點柱附近可鉆鑿向點柱下方的傾斜鉆孔[15]。

(2) 爆破:利用采場端部中央位置形成的切割回風(fēng)天井和下方塹溝為自由面進行下向崩礦。炮孔采用柱狀藥包不耦合裝藥,靠近塹溝自由面的中間孔先行起爆,分段爆破高度為10～15 m,依次向兩側(cè)爆破[1618]。

(3) 通風(fēng):新鮮風(fēng)流由無軌運輸巷道進入鑿巖硐室和出礦巷道,清洗工作面后,污風(fēng)從采場另一端或采場中央切割回風(fēng)天井進入回風(fēng)巷道,通過各中段回風(fēng)石門和回風(fēng)井排出地表。

(4) 出礦:崩落下的礦石采用XYWJD-6電動鏟運機和ACY514柴油鏟運機由出礦進路進行出礦,鏟運機在無軌運輸巷道中運送礦石至盤區(qū)溜礦井中,并在集中有軌運輸中段由振動放礦機將溜井中礦石裝入礦車[19-20]。

(5) 充填:采場中礦石回采結(jié)束后,分別采用灰砂比1∶4(占比20%)、灰砂比1∶8(占比20%)和灰砂比1∶12(占比60%)的尾砂漿對采空區(qū)進行充填,充填料漿用充填管經(jīng)回風(fēng)巷道和回風(fēng)天井輸送到采場。

2.2 采場生產(chǎn)能力計算

2.2.1 采場鑿巖時間

根據(jù)式(4),結(jié)合設(shè)計參數(shù):采場長a為80 m,一步驟寬b為15 m,二步驟寬b為18 m,高h(yuǎn)為55 m,千噸采掘比c1為2.27 m/kt,礦石密度ρ為2.72 t/m3,損失率d為10%,貧化率e為3%,采掘工作面f=2個,采掘效率g為3 m/d。由此可以得到一步驟采切鑿巖時間Tz1=63.02 d,二步驟采切鑿巖時間Tz1=75.62 d。

根據(jù)式(5),結(jié)合設(shè)計參數(shù):大直徑深孔鑿巖高度h1=39 m,深孔崩礦量j1=30 t/m,深孔鉆機工作效率k1=55 m/臺班。由此可以得到一步驟大直徑深孔鑿巖時間Tz2=23.86 d,二步驟大直徑深孔鑿巖時間Tz2=28.63 d。

根據(jù)式(6),結(jié)合設(shè)計參數(shù):集礦塹溝鑿巖高度h2=12 m,中深孔崩礦量j2=12 t/m,中深孔鉆機工作效率k2=90 m/臺班。由此可以得到一步驟中深孔鑿巖時間Tz3=11.22 d,二步驟中深孔鑿巖時間Tz3=13.46 d。

綜上所述,根據(jù)式(7),一步驟采場鑿巖合計時間Tz=98.10 d,二步驟采場鑿巖合計時間Tz=117.71 d。

2.2.2 采切出渣時間50.84 m3/kt,3 m3鏟運機出渣效率k3=303 t/臺

根據(jù)式(8),結(jié)合設(shè)計參數(shù):千噸采掘比c1=班。由此可得一步驟采切出渣時間Tc=9.32 d,二步驟采切出渣時間Tc=11.18 d。

2.2.3 回采出礦時間

根據(jù)式(9),結(jié)合設(shè)計參數(shù):6 m3鏟運機出礦效率k4=606 t/臺班。由此可得一步驟回采出礦時間Th=91.62 d,二步驟回采出礦時間Th=109.94 d。

2.2.4 空區(qū)充填時間

根據(jù)式(10),結(jié)合設(shè)計參數(shù):充填擋墻砌筑時間Tk1=10 d,一步驟充填下料時間Tk2=34 d,二步驟充填下料時間Tk2=44 d,一步驟充填體養(yǎng)護時間Tk3=28 d,二步驟采場不考慮養(yǎng)護時間Tk3=0。由此可得一步驟空區(qū)充填時間Tk=72 d,二步驟空區(qū)充填時間Tk=54 d。

2.2.5 采礦工藝作業(yè)時間

綜合各工藝作業(yè)時間,根據(jù)式(11)可得,一步驟采礦工藝作業(yè)時間T=271.04 d,二步驟采礦工藝作業(yè)時間T=292.83 d。

2.2.6 采場生產(chǎn)能力

根據(jù)式(1),由此可得一步驟采場生產(chǎn)能力S1=614.54 t/d,二步驟采場生產(chǎn)能力S2=682.57 t/d。

2.3 盤區(qū)生產(chǎn)能力計算

為了計算盤區(qū)生產(chǎn)能力,制定了詳細(xì)的盤區(qū)開采計劃,見表1。從表1可以看出,由于3#、7#、11#采場和1#、5#、9#采場充填作業(yè)相互不影響,因而,同時作業(yè)時間為72 d;由于3#、7#、11#采場和2#、6#、10#采場相鄰,充填體強度相互影響很大,因而,沒有同時作業(yè)時間;而由于4#、8#、12#采場和2#、6#、10#采場充填作業(yè)相互不影響,因而,同時作業(yè)時間為72 d。綜上,盤區(qū)工序同時總作業(yè)時間為144 d,盤區(qū)開采共需時間為802 d,求解得到盤區(qū)生產(chǎn)能力為2741.47 t/d,盤區(qū)采場利用系數(shù)為0.25,單采場綜合能力為913.82 t/d。類比在產(chǎn)同類礦山,計算結(jié)果基本吻合。根據(jù)設(shè)計要求,礦山生產(chǎn)規(guī)模為2.5萬t/d,因此共需要同時開采約10個盤區(qū)才能滿足設(shè)計生產(chǎn)要求。

表1 盤區(qū)開采計劃及生產(chǎn)能力計算

上述采場和盤區(qū)生產(chǎn)能力的分析和計算是綜合考慮工藝流程和盤區(qū)開采計劃確定的,其中變量參數(shù)和不確定因素多,生產(chǎn)中應(yīng)該進一步收集數(shù)據(jù)和完善工藝細(xì)節(jié),從而提高計算的準(zhǔn)確性。通過上述研究和分析可以較完整和客觀地反映生產(chǎn)能力計算的科學(xué)性和正確性,對設(shè)計和生產(chǎn)具有較強的理論意義和應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

本文綜合考慮采切、鑿巖、出礦、充填等工藝流程和盤區(qū)開采計劃,構(gòu)建了大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法生產(chǎn)能力計算模型,并以某大型鉬礦為案例進行了生產(chǎn)能力計算和分析研究。

該方法通過計算開采全流程作業(yè)時間和盤區(qū)開采順序,解決了工藝環(huán)節(jié)計算的缺失導(dǎo)致計算生產(chǎn)能力偏大的問題。進而將生產(chǎn)能力計算從統(tǒng)計估算提高到理論計算。并且可以通過生產(chǎn)實踐完善變量參數(shù)和不確定因素進而提高計算的準(zhǔn)確性。本研究較完整和客觀地反映了生產(chǎn)能力計算的可靠性,對礦山產(chǎn)能設(shè)計和生產(chǎn)計劃決策具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。