馬相松 魏建海

（昆明有色冶金設計研究院股份公司）

隨著國家生態(tài)文明建設的推進，安全發(fā)展意識的提高，各行業(yè)更注重本質安全和環(huán)保的建設。采礦工藝是礦業(yè)企業(yè)的靈魂，它決定著生產(chǎn)工藝是否本質安全及綠色環(huán)保。對礦山的采礦工藝進行優(yōu)化，使其符合國家的發(fā)展戰(zhàn)略，更好“踐行新發(fā)展理念、打造高質量礦山”，具有重要的意義。

1 項目簡介

疆鋒鐵礦地處西南邊陲，屬西雙版納傣族自治州景洪市大勐龍鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)位于橫斷山系縱谷區(qū)南段，屬低山丘陵區(qū)，海拔高670～750 m。植被發(fā)育，多為橡膠林。

疆鋒鐵礦礦體沿215°～220°方向“一”字形展開，帶狀分布。走向長約2 500 m，寬100～300 m。根據(jù)礦體的自然分布特征，礦區(qū)內(nèi)劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個礦段，礦體沿該含礦帶呈似層狀～透鏡狀斷續(xù)分布。礦體最大出露標高為735 m，最低埋深標高為85 m，礦體最大垂深為610 m。礦體形態(tài)比較復雜，分枝復合現(xiàn)象普遍，但總體呈似層狀或透鏡狀沿NE～SW方向展布，與地層產(chǎn)狀相近，傾向為120°～148°，傾角為60°～85°。礦體與圍巖界線模糊，多呈漸變過渡。

疆鋒鐵礦Ⅰ號礦段和Ⅲ號礦段均有地表露頭，2個礦段均采用露天開采，于2014年回采結束。

疆鋒鐵礦Ⅱ號礦段為隱伏礦體，埋深較深，僅能采用地下開采方式，地下開采原設計采用主、副豎井+斜坡道開拓方式，采用無底柱分段崩落法開采，采礦方法又細分為沿走向布置出礦進路和垂直走向布置2種方法。原設計分為3期開采，一期開采340～580 m標高的礦體，二期開采100～340 m標高礦體，三期開采100～74 m標高的礦體。

2 采礦工藝優(yōu)化的必要性

2.1 環(huán)境保護

疆鋒鐵礦采礦權范圍內(nèi)，地表除Ⅰ號礦段與Ⅲ號礦段露天采坑外，其余基本為橡膠林或農(nóng)田。礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境質量較好。

新的環(huán)保政策法規(guī)不再允許礦山發(fā)生大面積、大范圍的地表沉降和塌陷［1］。疆鋒鐵礦唯有將無底柱分段崩落法優(yōu)化為膠結充填法，才能達到控制地表變形的目的，最大限度地降低對地表自然環(huán)境的破壞。同時，部分尾礦和廢石充入井下采空區(qū)，減少地表排廢量，有利于環(huán)境保護，也符合國家“綠色礦山”的政策［2］。

2.2 安全生產(chǎn)

采用無底柱分段崩落法的礦山，中深孔落礦過程中易發(fā)生爆破推墻事故，也容易發(fā)生懸頂［3］，這些問題不僅影響礦山的正常生產(chǎn)，而且又增加了作業(yè)的危險性；該采礦方法屬于獨頭巷道內(nèi)作業(yè)，通風困難，易發(fā)生通風不足而引起炮煙中毒事故。實踐中，該方法還容易發(fā)生后續(xù)炮孔變形進而引發(fā)大塊的產(chǎn)生，迎頭面容易發(fā)生冒頂和片幫。上述安全隱患極易引發(fā)安全事故。將無底柱分段崩落法改為充填采礦法，能很好地解決上述安全問題，提高礦山生產(chǎn)的安全性。

2.3 礦產(chǎn)資源合理利用

疆鋒鐵礦礦樣中鐵礦物以磁鐵礦為主，可采用弱磁選工藝將其回收，屬易選礦石，可選性較好，選礦成本較低。

對比國內(nèi)幾種采礦方法的損失率、貧化率，無底柱分段崩落法一般情況下?lián)p失率為25%～35%，貧化率為20%～25%。空場類嗣后充填工藝一般情況下?lián)p失率為20%～25%，貧化率為10～20%。尾砂膠結充填法一般情況下?lián)p失率為10%～20%，貧化率為5%～10%。

疆鋒鐵礦原設計采用的無底柱分段崩落法損失率高、貧化率大。如果改為充填工藝，損失率和貧化率均能大幅降低，既有利于提高資源利用率，也可以提高入選品位，降低選礦成本，提高鐵精礦的品質。

2.4 綠色礦山建設

疆鋒鐵礦尾礦庫選址困難，現(xiàn)有尾礦庫庫容小，僅為151萬m3，無法滿足疆鋒鐵礦井下大規(guī)模開采后的尾礦堆存需求。采礦工藝優(yōu)化為充填法后，將尾礦盡量回填至井下采空區(qū)，既有利于解決礦山尾礦庫庫容不足的問題，又有利于礦山環(huán)境保護，減少尾礦堆存對地表自然環(huán)境的破壞。

2.5 可持續(xù)發(fā)展

礦區(qū)10#與36#勘探線附近分別有六分場一隊與布朗寨子，且距離較近，如果Ⅱ號礦段繼續(xù)采用崩落法采礦，會導致地表發(fā)生大范圍塑性變形、甚至塌陷。就需要對移動范圍內(nèi)的橡膠林進行征地并搬遷附近的村寨。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，無論是橡膠林征地費用，還是村寨搬遷的費用，均比10余年前高太多，礦山難以承擔。

綜上，疆鋒鐵礦采礦工藝優(yōu)化是社會發(fā)展的必然，也是建設生態(tài)文明的必然。

3 采礦工藝優(yōu)化的探索和實踐

3.1 原采礦工藝

疆鋒鐵礦Ⅱ號礦體屬于薄至中厚的急傾斜礦體，傾角為60°～85°，單工程礦體厚度為43.6～0.31 m。原設計推薦的采礦工藝為無底柱分段崩落法，細分為垂直走向布置回采進路和沿走向布置回采進路2種方法。

沿走向布置進路，采用無底柱分段崩落法開采5～15 m的中厚礦體。礦塊沿礦體走向布置，礦塊長度為90 m，每個礦塊中部設置切割平巷和切割天井，每個礦塊以切割平巷為分界線劃分為2個回采單元布置回采進路進行回采。分段高度為15 m。采用進口中深孔鑿巖臺車鉆鑿上向中深孔崩礦，采用鏟運機出礦。

垂直走向布置采用進路無底柱分段崩落法開采礦體厚度＞15 m的厚大礦體。礦塊沿礦體走向布置，礦塊長度為90 m，每個礦塊垂直礦體布置6條回采進路，進路間距為15 m。回采進路下盤與分段沿脈運輸平巷連接，上盤與布置在脈內(nèi)靠近上盤的切割平巷連接。分段高度為15 m。采用中深孔鑿巖臺車鉆鑿上向中深孔崩礦，采用鏟運機出礦。

3.2 采礦工藝優(yōu)化與探索

為了探索更合適的采礦工藝，項目組從技術和經(jīng)濟2個方面進行分析，找到合適的采礦工藝類別。

首先從技術角度分析，疆鋒鐵礦Ⅱ號礦群賦存在大勐龍群下段第三層（Ptdm1-3），該地層受到燕山期花崗巖漿熱液的交代作用形成大量矽卡巖。上部為灰綠色透輝石矽卡巖，夾黑色磁鐵礦化透輝石矽卡巖（如Ⅱ1礦體）。中部為灰綠色透輝石矽卡巖，黑色磁鐵礦化透輝石矽卡巖（如Ⅱ2-3礦體）夾少量淺灰色斜長變粒巖。下部為淺灰色斜長變粒巖，淺灰色—灰色二云石英片巖，深灰色二云斜長片巖夾灰綠色透輝石矽卡巖，局部夾灰白色大理巖透鏡體。區(qū)內(nèi)斷裂眾多，礦體分布不連續(xù)，結構復雜。Ⅱ號礦段埋深較大，圍巖屬于微風化段，巖體RQD值一般為75～90，巖石質量等級為Ⅱ級，巖體較完整，巖體質量分級指標——巖體質量指標M一般為0.15～0.25，巖體分類為Ⅲ類。礦體層偽頂板為變粒巖，直接頂板為矽卡巖，受構造的影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，寬0.1～2 mm，大多充填鈣質，少數(shù)無充填，但分布密度不勻，飽和抗壓強度變化較大，平均軟化系數(shù)＞0.85，屬不易軟化巖石、不易變形的剛性巖體。底板巖中裂隙發(fā)育，平均軟化系數(shù)為0.79，屬硬巖、不易軟化巖石，頂、底板及礦層雖不具有塑性，但由于巖層為薄層狀，且開采深度大，在頂板巨大壓力作用下，經(jīng)兩幫傳到底板后，使其產(chǎn)生變形隆起。據(jù)此分析認為，本項目圍巖穩(wěn)定性和堅硬程度足以支撐采用空場類采礦方法采礦，嗣后及時對采空區(qū)密閉并進行膠結充填治理，可以避免頂板壓力產(chǎn)生的變形隆起和頂板大面積冒落，充填法還可以減小礦柱尺寸，增加回采率，提高資源綜合回收利用率。因此，疆鋒鐵礦具有將無底柱分段崩落法優(yōu)化為空場采礦嗣后充填的技術可行性［4］。

其次從經(jīng)濟的角度分析，原無底柱分段崩落法工藝采礦成本為98.77元/t。充填采礦法工藝采礦成本為76.61元/t，充填工藝折算到原礦的成本為29.66元/t，合計106.27元/t。從采礦成本對比分析看，優(yōu)化前后的采礦制造成本差異不大。但從尾礦處置上存在一定的差異，礦山每噸原礦將產(chǎn)生約0.65 t尾礦，每噸原礦形成的采空區(qū)體積約為0.27 m3，充填料制備可以消耗尾礦量約為0.36 t，尾礦消耗比為55%。也就是說，優(yōu)化后的充填采礦法大約可以消耗約一半的尾礦產(chǎn)量，大幅減少了外排尾礦，為企業(yè)長期可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造了更加有利的條件。根據(jù)2018年疆鋒鐵礦尾礦庫擴容初步設計成果，建設投資為2 125萬元，擴容庫容為386萬m3，尾礦庫擴容單位投資為5.5元/m3。據(jù)此估算，尾礦充填可為礦山每年節(jié)約近200萬元的尾礦庫建設成本。另外，根據(jù)礦山實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，還可以節(jié)約每噸尾礦外排尾礦庫產(chǎn)生的運營成本費用（約為4.0元/t），合計144萬元/a。由此可見，采用膠結充填采礦工藝從經(jīng)濟效益上分析是完全可行的。

3.3 優(yōu)化后采礦工藝對比分析

采礦工藝優(yōu)化后，460 m采區(qū)礦體平均厚度約為18 m，礦體走向長度短，礦石平均品位低，磁性鐵占比小。經(jīng)過多方案的比選分析認為應選擇高效率低成本的采礦方法。460 m采區(qū)推薦采用30 m分段高度的分段空場嗣后充填法，見圖1。其鑿巖落礦工藝與大直徑深孔側向崩礦相同，鑿巖鉆具消耗低，充填水泥用量小，采礦成本低。

340 m采區(qū)采用一定安全措施的分段空場嗣后充填（圖2）或邊采邊充的點柱式上向水平分層充填法（圖3）或成本稍高的上向進路充填法（圖4），均可以適用于340 m采區(qū)礦體的回采。因礦體下盤距離F4斷層較近，采用分段空場嗣后充填法的安全性存在一定的風險，且不利于采區(qū)協(xié)調(diào)，貧損指標不易控制。上向進路充填法與機械化點柱式上向水平分層充填法回采工藝安全性較好，有利于采區(qū)協(xié)調(diào)和貧損指標控制。以上3種采礦方法采掘設備投資相當。通過對各種采礦方法的盤區(qū)工序循環(huán)圖表的計算，3種采礦方法的生產(chǎn)能力基本沒有差別，綜合的盤區(qū)生產(chǎn)能力約為350～400 t/d。根據(jù)3種采礦方法的生產(chǎn)工藝，對疆鋒鐵礦礦體的采準系統(tǒng)進行布置，對爆破材料、支護材料、鉆具材料、充填材料、輪胎及油類的消耗進行測算，其結果見表1。3種采礦方法的可比成本：上向進路充填法最高約為77.58元/t；機械化點柱式上向水平分層充填法次之，約為68.57元/t，而分段空場嗣后充填采的采礦成本最低，約為55.03元/t。

通過對340 m采區(qū)進行投資及生產(chǎn)成本的測算，3種采礦方法凈現(xiàn)值基本相當，基本可以認為在經(jīng)濟上是相同的。

在安全性方面，3種采礦方法中上向進路充填法的安全性最高，機械化點柱式上向水平分層充填法次之，而分段空場法的安全性最差。但鑒于礦體屬于Ⅲ～Ⅳ類巖石，而上、下盤圍巖的穩(wěn)固性受到斷層的影響較大，因此，對于340 m采區(qū)具備空頂條件時，主要推薦采用機械化點柱式上向水平分層充填法開采，而對于礦體穩(wěn)固性極差且不具備空頂條件的盤區(qū)采用上向進路充填法開采，以上2種采礦方法的采準系統(tǒng)布置相同，采礦工藝可以相互轉換，對采切工程的制約較小。厚度10 m以下的單層礦體采用點柱式上向水平分層充填法或上向進路充填法時，其生產(chǎn)能力較低，采準工程量大，此時采用分段空場嗣后充填采礦法較為合適。

根據(jù)采礦工藝的深入優(yōu)化和對比分析，疆鋒鐵礦Ⅱ號礦段優(yōu)化為充填采礦法后，可以最大限度地確保地表不會發(fā)生大面積的沉陷，避免了地表的征地難題和高額的征地費用，同時還可以確保地下水不受到開采影響。上向進路充填法和機械化點柱式上向水平分層充填法均采用淺孔鑿巖落礦，根據(jù)礦山生產(chǎn)的實踐經(jīng)驗，采用淺孔爆破掘進的過程中爆破震動對地表的村莊無影響。

綜上，為適應新的發(fā)展需求，疆鋒鐵礦在采礦工藝方面一直進行研究和探索，通過詳細的對比和分析，將Ⅱ號礦段從最初的無底柱分段崩落法優(yōu)化為分段空場嗣后充填法和點柱式上向水平分層充填法，技術上可行，經(jīng)濟上合理（表1）；既提高了資源的綜合回收率，又有效地保護了地表不發(fā)生較大變形位移和沉降坍塌，進一步降低了對地表的破壞［5］；既能讓部分尾礦和廢石充入井下采空區(qū)、減少地表排廢量，又保護了地表工業(yè)區(qū)的環(huán)境，增強了地下開采的安全性，同時也符合國家“綠色礦山”的產(chǎn)業(yè)政策，從源頭上保障了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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4 結 語

從上述分析可以看出，充填法工藝更符合國家產(chǎn)業(yè)政策的發(fā)展方向，既減少了外排尾礦和廢石量［6］，又能有效治理采空區(qū)安全隱患，隨著高產(chǎn)、高效現(xiàn)代化礦山生產(chǎn)的需要，這類充填水泥用量小且綜合成本較低的采礦工藝必將會受到更多地下礦山開采企業(yè)的關注，運用前景廣闊。