黃興益，張正明，田敏

無(wú)底柱分段崩落法三級(jí)礦量計(jì)算方法的探討

黃興益，張正明，田敏

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

結(jié)合無(wú)底柱分段崩落法采礦工藝，探討了三級(jí)礦量的計(jì)算方法，并以工程實(shí)例進(jìn)行了應(yīng)用計(jì)算。

無(wú)底柱分段崩落法;三級(jí)礦量;計(jì)算方法

0 引言

三級(jí)生產(chǎn)儲(chǔ)量是保證礦山正常生產(chǎn)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，若三級(jí)礦量準(zhǔn)備不足，將難以使礦山達(dá)到生產(chǎn)能力，導(dǎo)致礦山生產(chǎn)失衡;若準(zhǔn)備過(guò)多，將導(dǎo)致大量坑道超前掘進(jìn)，形成資金積壓，增大基建投資。合理的三級(jí)礦量，不但應(yīng)滿足三級(jí)礦量保有的數(shù)量及保有期限要求，而且又要保證三級(jí)礦量在各中段及各礦體之間的合理布局，滿足開(kāi)采順序與生產(chǎn)銜接，確保礦山達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模與持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)。

1 三級(jí)礦量的含義

在開(kāi)采儲(chǔ)量中，按巷道掘進(jìn)的程度及采礦準(zhǔn)備程度，分別圈定的可采儲(chǔ)量，叫做生產(chǎn)礦量。生產(chǎn)礦量分為開(kāi)拓礦量、采準(zhǔn)礦量、備采礦量三個(gè)級(jí)別，故又稱為三級(jí)礦量。生產(chǎn)礦山三級(jí)礦量有兩層含義，一是生產(chǎn)準(zhǔn)備各工序階段完成的儲(chǔ)備;二是各級(jí)生產(chǎn)儲(chǔ)量的精度在完成一定采礦準(zhǔn)備工作量的基礎(chǔ)上逐步升高。開(kāi)拓儲(chǔ)量對(duì)應(yīng)于122 b級(jí)，采準(zhǔn)儲(chǔ)量和備采儲(chǔ)量對(duì)應(yīng)于111 b級(jí)。

開(kāi)拓礦量屬設(shè)計(jì)可采工業(yè)礦量的一部分。凡按設(shè)計(jì)規(guī)定的開(kāi)拓系統(tǒng)中的井巷工程均已完成，形成了完整的礦井提升、運(yùn)輸、通風(fēng)、防排水、充填等系統(tǒng)，據(jù)此可開(kāi)掘采準(zhǔn)巷道，并完成采準(zhǔn)工作以前的生產(chǎn)探礦工程，在此開(kāi)拓巷道水平以上范圍內(nèi)所控制的儲(chǔ)量級(jí)別達(dá)到122 b級(jí)的工業(yè)礦量，稱為地下礦山的開(kāi)拓礦量。要使儲(chǔ)量達(dá)到開(kāi)拓礦量要求，需進(jìn)行兩方面的工作，一是完成相應(yīng)的開(kāi)拓工程，二是完成相應(yīng)開(kāi)拓水平以上的生產(chǎn)探礦，使儲(chǔ)量級(jí)別達(dá)到122 b級(jí)以上，將地質(zhì)儲(chǔ)量轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)儲(chǔ)量，然后才能劃分礦塊進(jìn)行采準(zhǔn)設(shè)計(jì)和施工。

采準(zhǔn)礦量是開(kāi)拓礦量的一部分。在已開(kāi)拓的礦體范圍內(nèi)，按設(shè)計(jì)規(guī)定的采礦方法進(jìn)行礦塊劃分，且相應(yīng)的采準(zhǔn)坑道均已開(kāi)掘完畢，生產(chǎn)探礦已完成，采場(chǎng)外形業(yè)已形成，則此范圍內(nèi)的可采礦量即為采準(zhǔn)礦量，資源儲(chǔ)量達(dá)到111 b級(jí)別。

備采礦量是采準(zhǔn)礦量的一部分，完成各項(xiàng)采準(zhǔn)切割工程后的礦塊儲(chǔ)量，且符合采礦技術(shù)要求的回采順序，可按時(shí)回采的礦塊，儲(chǔ)量級(jí)別達(dá)到111 b級(jí)。

根據(jù)上述三級(jí)礦量含義，開(kāi)拓、采準(zhǔn)及備采儲(chǔ)量保有量按下式計(jì)算:

式中:Qi—開(kāi)拓、采準(zhǔn)及備采礦量保有量，萬(wàn)t，i=

1，2，3;

A—礦山年產(chǎn)量，萬(wàn)t/a;

ρ—礦石回收率，%;

γ—廢石混入率，%。

Ti—開(kāi)拓、采準(zhǔn)及備采礦量保有期，a;i=1，2，3;設(shè)計(jì)規(guī)范要求為:開(kāi)拓礦量保有3～5 a，采準(zhǔn)礦量保有6～12個(gè)月，備采礦量保有3～6個(gè)月。

2 無(wú)底柱分段崩落法三級(jí)礦量計(jì)算方法

地下開(kāi)采主要包括開(kāi)拓、采準(zhǔn)和切割、回采3個(gè)步驟，而采準(zhǔn)、切割、回采礦塊之間的關(guān)系為:

式中:tc、tq、th—采準(zhǔn)、切割、回采礦塊所需要時(shí)間;

nc、nq、nh—采準(zhǔn)、切割、回采礦塊數(shù)量。

2.1 回采礦量的確定

(1)回采礦塊數(shù)及保有時(shí)間的確定

回采礦量是完成了切割和鑿巖炮孔工作后的生產(chǎn)準(zhǔn)備礦量，是采準(zhǔn)礦量的一部分，與礦山生產(chǎn)能力、礦塊數(shù)量、礦塊生產(chǎn)能力相關(guān)，同時(shí)回采的礦塊數(shù)量nh為:

式中:f—附產(chǎn)礦石比，%;

Ak—礦塊生產(chǎn)能力，萬(wàn)t/a;取決于該礦塊鏟運(yùn)機(jī)的出礦能力。

(2)所需要的回采礦量Qh

式中:Qh—回采礦量，萬(wàn)t;

Qp—回采礦塊平均礦量，萬(wàn)t;

式中:Kf—為崩落礦石量放出系數(shù)。

根據(jù)無(wú)底柱分段崩落法放礦理論和應(yīng)用實(shí)踐，首采中段前三個(gè)分段的崩落礦石在放礦過(guò)程中，放出橢球體小且不發(fā)育，分段內(nèi)崩落礦石不能在本分段完全放出，部分礦石積壓在場(chǎng)內(nèi)，在后續(xù)分段內(nèi)逐步放出，同時(shí)，分段崩礦過(guò)程中相鄰回采進(jìn)路之間的脊柱也不能在本分段放出，因此，三級(jí)礦量保有期計(jì)算中應(yīng)扣除這部分暫不能放出量，用放出系數(shù)Kf表示，即礦石放出量與崩落礦石量之比。當(dāng)首采中段轉(zhuǎn)入下中段后，Kf=1。

2.2 采準(zhǔn)礦量的確定

(1)同時(shí)切割和鑿巖的礦塊數(shù)nq

由公式(2)得:

Qi—各回采礦塊礦量，萬(wàn)t;i=1，2，…，nh。

(3)回采礦塊保有時(shí)間th

式中，礦塊切割、鑿巖時(shí)間tq由下式確定:

切割工程施工效率與所采用的掘進(jìn)設(shè)備有關(guān)，炮孔施工效率與孔徑、孔深及所采用的鑿巖臺(tái)車有關(guān)。

(2)所需要的采準(zhǔn)礦量Qc

2.3 開(kāi)拓礦量的確定

開(kāi)拓礦量是開(kāi)拓工作完成以后所圈定的礦量，也即為開(kāi)拓中段運(yùn)輸水平以上所控制的礦量。開(kāi)拓礦量的變化范圍很大，根據(jù)采礦工藝，存在一個(gè)最大值QKmax和最小值QKmin。

(1)正常情況下的開(kāi)拓礦量

無(wú)底柱分段崩落法中段之間和中段內(nèi)各分段之間采用自上而下的開(kāi)采順序，因此，生產(chǎn)中，在沒(méi)有下一個(gè)中段投入中段開(kāi)拓工程前，其開(kāi)拓礦量保有量就是本中段剩余可采礦量。

在計(jì)算開(kāi)拓儲(chǔ)量保有量時(shí)，針對(duì)具體礦山實(shí)際，對(duì)如下部分礦量進(jìn)行扣除:

1)開(kāi)拓礦量?jī)?chǔ)備期內(nèi)不能開(kāi)采的礦體礦量

式中符號(hào)意義同前。

(3)采準(zhǔn)礦量保有時(shí)間tcQ1，例如中段內(nèi)保安礦柱的礦量，在起保護(hù)作用期間，不能列為開(kāi)拓礦量，只有在解除保護(hù)作用時(shí)，才可將其列入開(kāi)拓礦量。

2)中段內(nèi)尚未完成開(kāi)拓工程部分的區(qū)段礦量Q2。

3)中段內(nèi)用作初始覆蓋層的礦量Q3。無(wú)底柱分段崩落法要求崩落礦石在覆蓋巖層下進(jìn)行出礦，在一個(gè)礦段內(nèi)首采中段必須首先形成覆蓋巖層，為實(shí)現(xiàn)無(wú)貧化放礦，同時(shí)為滿足覆蓋層厚度要求，該中段內(nèi)最上一分段往往作為礦石墊層。

4)中段內(nèi)最后一個(gè)分段的礦量Q4。采用無(wú)底柱分段崩落法，中段內(nèi)最后一個(gè)分段的崩落礦石需通過(guò)溜井下放至下中段運(yùn)輸水平后再運(yùn)出地表，因此，該分段礦量還不能作為開(kāi)拓礦量。

由此，開(kāi)拓礦量QK的計(jì)算公式如下:

式中:Q0—本中段剩余可采礦量，萬(wàn)t;

Kf—礦石放出系數(shù);

QK—開(kāi)拓礦量。

當(dāng)一個(gè)礦段內(nèi)首采中段回采完畢后轉(zhuǎn)入下中段回采時(shí)，上中段第一分段礦石仍作為下中段礦石墊層，此時(shí)Q3=0。

(2)開(kāi)拓礦量最大值QKmax

通常情況下，其最大值是一個(gè)中段剛投產(chǎn)時(shí)的礦量值，可以用下式表示。

式中:QC1—上中段剩余采準(zhǔn)礦量(不含最后一個(gè)分

段的礦量)，萬(wàn)t;

QZ—下中段開(kāi)拓礦量，萬(wàn)t;

Q41—上中段最后一個(gè)分段礦量，萬(wàn)t;

Q42—下中段最后一個(gè)分段礦量，萬(wàn)t。

(3)開(kāi)拓礦量最小值QKmin

根據(jù)采掘作業(yè)各工序之間的關(guān)系，一個(gè)礦塊完成采準(zhǔn)作業(yè)之后，必須有另一礦塊完成了相應(yīng)的開(kāi)拓工程且可以立即投入采準(zhǔn)作業(yè)，以此滿足礦塊接替要求。根據(jù)(2)式，需投入的采準(zhǔn)礦塊數(shù)為:

式中符合意義同前。nh和th分別由式(3)和式(5)確定，tc可由下式確定:

滿足生產(chǎn)持續(xù)要求的開(kāi)拓礦量最小值Q'Kmin為:

為了保證采掘關(guān)系的相對(duì)穩(wěn)定，即使礦井發(fā)生意外情況時(shí)，礦山也有充足的接替礦塊，用開(kāi)拓工程超前系數(shù)來(lái)修正最小開(kāi)拓礦量QKmin。

式中:Kc—開(kāi)拓工程超前系數(shù)，一般1.2～1.5。

開(kāi)拓礦量保有期tk:

3 中段持續(xù)銜接

礦山生產(chǎn)中，要求中段開(kāi)拓超前中段回采，采準(zhǔn)工作轉(zhuǎn)移到下中段以前，下中段的開(kāi)拓工程必須完成。原則上，上中段開(kāi)采時(shí)間T上大于下中段開(kāi)拓時(shí)間T下，其超前關(guān)系用下式表達(dá):式中:T上—上中段開(kāi)采時(shí)間;

T下—下中段開(kāi)拓時(shí)間。

式(17)中，由于超前系數(shù)的影響，其時(shí)間范圍變化較大，下中段何時(shí)進(jìn)行開(kāi)拓最合理，還需要進(jìn)行持續(xù)銜接研究。

無(wú)底柱分段崩落法中段銜接的實(shí)質(zhì)，就是同時(shí)存在上下兩個(gè)中段同時(shí)作業(yè)，上中段回采出礦、下中段開(kāi)拓，在開(kāi)拓礦量保有量中，至少滿足上中段剛好開(kāi)采完畢(不含最后一分段)，下中段的開(kāi)拓工程正好準(zhǔn)備出來(lái)。其保有量與上中段剩余可采礦量(不含最后一個(gè)分段的礦量)、新中段開(kāi)拓工程量、采掘設(shè)備效率及新中段安裝工程量有關(guān)。當(dāng)下中段未進(jìn)行中段生探時(shí)，需將生探時(shí)間考慮進(jìn)去，生探工作完工后還需進(jìn)行資料收集、綜合整理編制報(bào)告，然后才能進(jìn)行采準(zhǔn)設(shè)計(jì)，期間所需要的時(shí)間較長(zhǎng)。其銜接關(guān)系可用下式表達(dá):

中段銜接過(guò)渡時(shí)的開(kāi)拓礦量保有量QK滿足下式:

式中:QC1—上中段剩余可采礦量(不含最后一個(gè)分段的礦量);

L—下中段剩余開(kāi)拓工程量;

η—開(kāi)拓工程施工效率，取決于掘進(jìn)、鑿巖及出碴設(shè)備;

tj—下中段安裝工程時(shí)間;

tt—下中段探礦工程施工、資料整編及采準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)間。

下中段剛投入開(kāi)拓工程前的開(kāi)拓礦量保有量仍用(20)式表達(dá)，當(dāng)下中段剛投入生產(chǎn)后，其開(kāi)拓礦量保有量用(11)式計(jì)算，開(kāi)拓礦量保有期按(16)式計(jì)算。

4 應(yīng)用實(shí)例

攀鋼集團(tuán)礦業(yè)公司尖山采場(chǎng)，原采用露天開(kāi)采，露天底標(biāo)高為1 300m，露天開(kāi)采結(jié)束后轉(zhuǎn)為地下開(kāi)采。地下開(kāi)采采用無(wú)底柱分段崩落采礦法，中段高度100 m，分段高度20 m，進(jìn)路間距18 m，采用進(jìn)口Simba H1354深孔臺(tái)車鑿巖，6 m3級(jí)別大型進(jìn)口電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)出礦。

地下開(kāi)采劃分為掛幫礦體開(kāi)采區(qū)和下部礦體開(kāi)采區(qū)兩部分，先采掛幫礦體再開(kāi)采下部礦體。掛幫礦體單獨(dú)作為一個(gè)中段進(jìn)行回采，其中段運(yùn)輸水平為1 300 m，開(kāi)采范圍為露天底1 300 m標(biāo)高以上、露天境界外部分的邊幫礦體，開(kāi)采標(biāo)高為1 300～1 420 m，自上而下開(kāi)采，首采1 420 m分段，該分段為強(qiáng)制落頂分段，形成覆蓋層后依次開(kāi)采1 300～1 400 m等各分段。

下部礦體開(kāi)采范圍為露天底1 300 m以下的礦體，中段高度100 m，設(shè)計(jì)劃分為1 200 m、1 100 m及1 000 m中段等三個(gè)中段。下部礦體首先開(kāi)采1 200 m中段，然后依次開(kāi)采1 100 m及1 000 m中段。按前述計(jì)算公式，備采礦量和采準(zhǔn)礦量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 備采礦量和采準(zhǔn)礦量計(jì)算表Tab.1 Calculation Table of Blocked－out Ore Reserves and Prepared Reserves

該項(xiàng)目首采掛幫礦體，因此表1中三級(jí)礦量是按掛幫礦體標(biāo)準(zhǔn)礦塊計(jì)算的。三級(jí)礦量保有期限，應(yīng)采用放出礦石量進(jìn)行計(jì)算，并扣除首采1 420 m分段用作覆蓋層礦量。其次，應(yīng)根據(jù)放出橢球體理論，計(jì)算出各基建分段內(nèi)崩落礦石的可放出量。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可獲得采礦過(guò)程中合理的礦塊周轉(zhuǎn)數(shù)，同時(shí)出礦礦塊數(shù)為3個(gè)，同時(shí)切割和中深孔鑿巖礦塊數(shù)為4個(gè)，其中，切割平巷及切割天井施工礦塊數(shù)1個(gè)，中深孔鑿巖礦塊數(shù)3個(gè)，采準(zhǔn)礦塊數(shù)4個(gè)。按此礦塊數(shù)，可進(jìn)行設(shè)備配置，一臺(tái)出礦鏟運(yùn)機(jī)擔(dān)負(fù)一個(gè)出礦礦塊的出礦任務(wù)，則需要3臺(tái)6 m3鏟運(yùn)機(jī);一臺(tái)Simba H1354臺(tái)車鑿巖擔(dān)負(fù)一個(gè)礦塊的深孔鑿巖任務(wù)，則需3臺(tái)鑿巖臺(tái)車;一臺(tái)Boomer 281掘進(jìn)臺(tái)車擔(dān)負(fù)一個(gè)礦塊的巷道掘進(jìn)任務(wù)，則需4臺(tái)掘進(jìn)臺(tái)車。上述設(shè)備配置從另一個(gè)側(cè)面證實(shí)了初步設(shè)計(jì)中對(duì)設(shè)備計(jì)算的合理性。

由于前述三級(jí)礦量是按標(biāo)準(zhǔn)礦塊計(jì)算的，各分段各礦塊礦量有大有小，與實(shí)際布置情況有一定出入，因此，設(shè)計(jì)中對(duì)各分段進(jìn)行了礦塊及采準(zhǔn)工程布置，以計(jì)算并調(diào)整采準(zhǔn)礦量和備采礦量，同時(shí)可驗(yàn)證上述結(jié)果的差距，實(shí)際結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)兩個(gè)計(jì)算表，采準(zhǔn)及備采礦量差距不大。

根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度計(jì)劃及中段持續(xù)銜接要求，按實(shí)際進(jìn)行中段開(kāi)拓工程布置后再計(jì)算出開(kāi)拓礦量及保有期，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 按實(shí)際各分段采準(zhǔn)工程布置后計(jì)算的三級(jí)礦量及保有期Tab.2 Three Grade Reserves and Holding Period Calculated According to Layout of Preparatory Work for Each Practical Sublevel

三級(jí)礦量(可采礦量)及保有期限歸納如下:

開(kāi)拓礦量:1604.84萬(wàn)t，保有6.13a;

采準(zhǔn)礦量:258.25萬(wàn)t，保有0.91a;

備采礦量:232.81萬(wàn)t，保有0.79a。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)當(dāng)新建礦山或新建礦段采用無(wú)底柱分段崩落法時(shí)，進(jìn)行三級(jí)礦量及保有期計(jì)算，應(yīng)扣除用作覆蓋層礦量、本中段最后一分段礦量及上一分段脊柱礦量、按放出體理論暫不能放出礦量，否則，三級(jí)礦量不足，導(dǎo)致礦山投產(chǎn)后遲遲不能達(dá)產(chǎn)。

(2)根據(jù)三級(jí)礦量的基本含義，各級(jí)礦量實(shí)質(zhì)是可采礦量，其保有期限實(shí)質(zhì)就是采出礦石量除以礦井年產(chǎn)量所得到的數(shù)值，但無(wú)底柱分段崩落法有所不同，在首采中段中，雖然最上面的兩個(gè)分段礦石完全得到崩落，但按放礦理論，有很大一部分礦量不能在本分段中放出，會(huì)積壓到后續(xù)以下各分段中才能放出。因此，其保有期限，是考慮了貧損指標(biāo)后的崩落礦石放出量除以礦井年產(chǎn)量的數(shù)值。

(3)三級(jí)礦量及保有期，不僅應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的保有期要求，還應(yīng)滿足礦塊周轉(zhuǎn)數(shù)要求。否則，雖然礦量滿足要求，若回采、切割及中孔、采準(zhǔn)各礦塊周轉(zhuǎn)數(shù)不夠，設(shè)備能力不能得到發(fā)揮，難以達(dá)到礦山生產(chǎn)能力要求。

(4)三級(jí)礦量不但應(yīng)與已完成的井巷工程相對(duì)應(yīng)，還應(yīng)與儲(chǔ)量級(jí)別精度相對(duì)應(yīng)，否則應(yīng)進(jìn)行探礦、儲(chǔ)量升級(jí)。

［1］宋衛(wèi)東，郭寥武，何明華，李鐵一，雷運(yùn)坤.程潮鐵礦合理三級(jí)礦量的研究［J］.采礦技術(shù)，2001，1(4):1－3.

［2］昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司.攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司尖山采場(chǎng)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采工程初步設(shè)計(jì)［Z］.2009.

Discussion on Calculation Methods of Three Grade Reserves for Non－Pillar Sublevel Caving

HUANG Xing－yi，ZHANG Zheng－ming，TIAN M in
(Kunming Engineering＆Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

Combined with non－pillar sublevel caving，the calculation methods of three grade reserves were discussed，and its application and calculation were conducted according to some project cases.

non－pillar sublevel caving;three grade reserves;calculation method

TD853.31

A

1004－2660(2012)03－0001－05

2012－05－16.

黃興益(1965－)，男，重慶人，高級(jí)工程師.主要研究方向:采礦工程設(shè)計(jì)及技術(shù)管理.E－mail:hxy767@sina.com