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。

1 階段開拓穿脈間距及采區(qū)溜井布置優(yōu)化模型的建立

1.1 采場運輸功

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。

1.2 中厚礦體的穿脈間距、采區(qū)溜井的優(yōu)化布置

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 厚大礦體的穿脈間距及采區(qū)溜井優(yōu)化布置

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 杏山鐵礦－330m階段開拓工程應用

2.1 穿脈間距

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。

2.2 溜井間距布置

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。

4 結(jié)論

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。