孫建珍
(首鋼礦業(yè)公司,河北 遷安064404)
地下采礦在采場出礦設備及階段運輸形式確定以后,階段運輸中穿脈間距以及采區(qū)溜井的布置直接決定了開拓工程的投資費用、采場生產(chǎn)能力以及礦石的回采生產(chǎn)成本。穿脈間距小,采區(qū)溜井數(shù)目多,投資費用高,但回采成本低;反之,穿脈間距大,采區(qū)溜井數(shù)目少,投資與運營成本情況相反。
因此,穿脈間距以及采區(qū)溜井的優(yōu)化布置,應建立在確保采場生產(chǎn)能力的前提下,實現(xiàn)工程投資與采場回采綜合成本最低的基礎上。
如圖1所示,為無底柱分段崩落法某一礦塊回采示意圖。
按照地下生產(chǎn)的要求,一般為采區(qū)內(nèi)若干條回采進路同時并行后退回采。
圖中ΔL表示在一定作業(yè)時間T內(nèi),采場回采出礦量Q。
式中:Q為T時間內(nèi)采場出礦量;B為采場寬度;ΔL為T時間內(nèi)回采線后移長度;H為分段高度;γ為礦石容重;K為礦量回采系數(shù)。
圖1 無底柱分段崩落法某一礦塊回采布置圖
設回采設備運送采場出礦量Q進入溜井所需運輸功為W,則W應分兩部分。
1)質(zhì)心A、B運到C點的運輸功為:
2)質(zhì)心C運到礦石溜井的運輸功為:
則總運輸功為:
下面根據(jù)杏山鐵礦的礦體條件,以中厚礦體、厚大礦體兩種情況進行分析討論。
穿脈間距(也即為溜井間距)布置(圖2):
圖2 中厚礦體階段穿脈間距、溜井布置圖
1)目標函數(shù)
采場穿脈運輸工程、采區(qū)溜井工程投資與采場運礦成本之和最小。
設采場運礦單位運輸成本為C1(元/t·m),單個穿脈、溜井工程(包含各分段聯(lián)絡巷、放礦設備設施)投資成本C2,礦體的走向長度L;礦體平均厚度m;礦體開采總量為Q總,采用回采進路垂直礦體走向布置的方式,則采區(qū)溜井與階段開拓水平穿脈總數(shù)n=L/B,則采場運礦成本與工程費用之和C為:
2)求解:MinC
約束條件:采場幾何尺寸滿足裝運設備的最大允許運距,即:
l+a+B/2≤裝運設備最大運距l(xiāng)max
在此約束條件下,求解C的最小值,對B值進行求導:
溜井個數(shù):
1.3.1 穿脈間距
同中厚礦體優(yōu)化布置,見式(6)。
1.3.2 溜井間距
1)判斷礦體內(nèi)布置采區(qū)溜井的必要性:設備最大允許運距l(xiāng)max≤L+a+B/2 2)礦體內(nèi)采區(qū)溜井的布置應滿足以下條件:
3)同一分段上、下采區(qū)[L′、B所圈定的采場為上采,(L-L’)、B所圈定的采場為下采運輸功之和P總最小,則P總=P上+P下
以L′為變量,進行P總Min計算。
2.1.1 基礎數(shù)據(jù)
1)礦塊基礎數(shù)據(jù)
杏山鐵礦階段高度H=150m,-180~-330m階段共8個分段(即N=8),大杏山礦體屬厚大礦體,平均長度440m,大杏山-330m階段礦石總量Q總為2462萬t。
2)鏟運機單位運輸成本C1
杏山鐵礦目前使用的TORO1400E鏟運機噸礦綜合成本為5.15元,作業(yè)平均運距73m,由此可以計算,C1=5.15/73=0.07元//tm。
3)工程費用C2
設單個穿脈與溜井工程投資成本C2(由于大杏山礦體平均厚度120m,在1條穿脈方向上,相當于穿過2個礦塊,因此對單個礦塊而言,工程費用C2=0.5穿脈運輸巷道費用+礦塊內(nèi)分段出礦巷道總費用+溜井費用),即:
① 由于只在大杏山厚礦體中布置穿脈,大杏山厚礦體平均厚度為120m,穿脈運輸巷的平均長度為380m,斷面積13.5m2,階段運輸水平巷道掘進、支護、鋪軌費用及架線等費用單價700元/m3,則穿脈運輸費用:F穿=380×13.5×700=359.1萬元。
② 大杏山礦體采用直溜井,溜井直徑3m,長度150m(單條溜井下方設有振動放礦硐室和放礦閘門,費用60萬元),全部折算到溜井掘進費用中,溜井掘進單價1000元/m3,則單條溜井的費用:F溜=150×1.5×1.5×3.14×0.1+60=166萬元。
③ 分攤到每個塊礦的聯(lián)絡巷掘進費用(進行開拓費用的比較,因此只計算分段出礦巷道)。由于平均每個礦塊在每一分段中攤到一條礦塊長度B的聯(lián)絡巷,而礦塊有N個分段,合計為NB,礦塊中聯(lián)絡巷的掘進費用F:
式中:N為礦塊分段數(shù),個;B為礦塊的長度,m;S為聯(lián)絡巷斷面,m2;f為聯(lián)絡巷掘進單價,元/m3。
杏山階段高度150m,分段高度18.75m,包含8個分段,巷道掘進單價540元/m3。將礦塊參數(shù)B代入上式可得:F=N×B×17.12×540=0.9245NB萬元。由式(9)可以計算出:
C2=0.5×359.1+166+0.9245NB=(345.55+0.9245NB)萬元/單位開拓工程量(含穿脈及溜井)。
2.1.2 利用模型進行優(yōu)化布置
根據(jù)穿脈間距布置式(6)計算:
可得:B=108.2m。
因杏山鐵礦進路間距20m,6m3鏟運機作業(yè),B值最終選取100m。
由于在大杏山厚大礦體中布置穿脈,對于厚礦體中溜井的合理間距,需要在保證總體運輸功最小的情況下進行計算,根據(jù)式(8),其中:B為礦塊的長度,m;L′為礦塊的寬度,m;H為階段高度,150m;a為溜井聯(lián)絡道長度,5m;γ為礦石的容重,3.46t/m3;K為礦石回采率,初設取82%;M為礦體的平均厚度,初設中大杏山平均厚度120m;L為礦體平均厚度+下沿脈距離礦巖交界的距離,L=120+15=135m。
將上述參數(shù)代入式(8)可得:
當規(guī)定B取值100m時:
根據(jù)高等數(shù)學的極限理論,以L′為變量,進行P總Min計算,也即進行求導運算:
因此,在杏山厚礦體中當?shù)V塊長度取值為100m、溜井的平均間距為67.5m時,階段采場運輸功最小,此時礦塊的尺寸為:100m×67.5m(此時,鏟運機作業(yè)的平均運距S=67.5+5+25-34=63.5m)??梢杂么酥笇В?30m水平階段開拓工程中穿脈與溜井的布置。
1)根據(jù)生產(chǎn)過程分解鏟運機運輸功,建立采場開采礦石工程投資與開采成本費用最低的數(shù)學模型,推導出階段開拓水平的穿脈間距與溜井布置間距理論公式。
2)根據(jù)當前技術經(jīng)濟指標,以杏山工程為例,對-330m開拓水平進行了優(yōu)化研究,得出結(jié)果:穿脈間距100m,溜井間距:67.5m。
3)在保證最小運輸功及單個礦塊投資費用最小的前提下,分段高度由原設計15m提高到18.75m、礦塊的長度為100m,礦塊尺寸加大后,礦塊的可采礦量增加,服務年限延長,有利于杏山鐵礦三級礦量的保有和采場生產(chǎn)組織。
4)為類似礦山合理確定穿脈、溜井間距參數(shù)提供參考。