苍山铁矿开拓系统及采矿方法优化.pdf

S e rie s No． 3 97 J u l y 2 0 0 9 金 穗 矿 山 METAL MI NE 总 第3 9 7期 2 0 0 9 年第 7期 苍 山铁 矿开拓 系统 及采矿方 法优化 柳志森 中钢集团山东矿业有限公司 摘要矿山建设过程中开拓系统和采矿方法的确定是一个不断优化的过程。为确保苍山铁矿项 目在建成 后能够安全、 经济、 高效运行 ， 达到预期的经济效益， 通过市场调研、 考察、 咨询、 查阅资料并进行论证等手段， 从项 目可研到具体实施过程中， 对井下开拓系统及采矿方法进行了一系列的调整和优化。通过调整优化开拓系统和采 矿方法， 形成了目前正在实施的开拓系统和采矿方法。经过一系列优化、 调整， 将先前开拓系统和采矿方法中不合 理的因素变为合理， 为企业今后的高效运行打下良好的基础。 关键词苍 山铁矿开拓 系统采矿方法优化 Op t i m i z a t i o n o f t h e De ve l o p m e n t S y s t e m a nd M i n i ng M e t ho d o f Ca ng s ha n I r o n M i n e L i u Z hi s e n S i n o S t e e l S h a n d o n g Mi n i n g C o ． ， L t d Ab s t r a c t，I I l e fi n a l d e t e r mi n a t i o n o f t h e d e v e l o p me n t s y s t e m a n d mi n i n g me t h o d i n mi n e c o n s t r u c t i o n i s a p r o c e s s o f g r a d u al o p t i mi z a t i o n ．T o e n s u r e C a n g s h a n P ro j e c t c a n r e al i z e a s a f e ， e c o n o m i c a n d e ffic i e n t o p e r a t i o n S O a s t o g a i n t h e e x p e c t e d b e n e fi t ， a s e ri e s o f a d j u s t m e n t s and o p t i m i z a t i o n s w e r e m a d e o n t h e u n d e r g r o u n d d e v e l o p m e n t s y s t e m a n d mi nin g m e t h o d b y m e ans o f ma r k e t s u r v e y ， i n v e s t i g a t i o n ， c o n s u l t a t i o n ， d a t a r e f e r e n c e a n d ar g u m e n t a t i o n d u ri n g t h e p ro j e c t f e a s i - b i l i t y s t u d y a n d i mp l e me n t a t i o n p e ri o d ．As a r e s u l t ，t h e d e v e l o p me n t s y s t e m and mi nin g me t h o d w h i c h a r e u n d e r i mp l e me n - t a t i o n n o w w e r e f o r me d ．I n t h e s e ri e s o f a d j u s t m e n t s a n d o p t i m i z a t i o n s ， t h e i r r a t i o n a l f a c t o r s i n v o l v e d w e r e r e g u l a t e d i n t o r a - t i o n al o n e s ， l a y i n g a g o o d f o u n d a t i o n f o r t h e p r o j e c t f u t u r e e ffic i e n t o p e r a t i o n ． Ke y wo r d s C a n g s h a n I r o n Mi n e ，D e v e l o p me n t s y s t e m ，Mi n i n g me tho d，Op t i mi z a t i o n 1 矿体赋存条件 苍山铁矿矿床为 一 中型 “ 鞍山式 ” 贫铁矿 床。 矿体分布范围在 3 2与5 6 线范围内， 1 0 n l 水平至 一 3 5 0 i n水平之 间。矿体呈背斜状 ， 背斜轴 走向约 1 4 。 ， 两翼倾角从脊部平缓到 3 O 。 ～ 5 2 。 。背斜控制长 度 2 4 0 0 in， 宽 6 0 0 8 0 0 in， 埋深为 9 01 5 0 m， 矿体 底板标高为 一 3 5 0 in水平。 矿段范围共圈出矿体3个， 其中②、 ③号矿体规 模较大， ② 一1矿体为零 星的小矿体 。矿体赋存 于 石闫背斜第一含矿带 Ⅱ及 Ⅲ含矿层 中， 其形态 、 产 状、 规模受其控制。矿 区范 围内， 铁矿 石资源储 量 7 5 3 0 ． 5 9 万 t ， T F e 平均品位 3 2 ． 3 7 ％ ， S F e平均品位 2 4． 9 3％ 。 ②号矿体为矿段内的主矿体之一， 占矿床查明 资源储量的6 0 ． 7 ％ ， 赋存 于 Ⅱ号含矿层 内， 并受其 控制。矿体有 2 9 个钻孔控制， 分布于 3 0 5 8 勘探 线 0 ～一 3 1 0 in标高间， 长 2 5 9 2 in， 延伸 7 0 0 in， 埋 深在 1 1 0 2 3 0 m。 矿体呈鞍状， 走 向 2 9 0 。 ， 无明显 的倾伏现象 ， 两 翼倾 角 3 O 。～5 2 。 。单 一 探矿 工 程控 制最 大厚 度 2 8 ． 8 9 In， 最小厚度 4 ． 2 2 In， 平均厚度 1 2 ． 0 3 m， 厚度 变化系数4 8 ． 3 ％， 矿体形态简单。 ③号矿体位于②号矿上盘， 两者间距一般 l 0 2 0 In， 最大3 0 in， 其相对规模较小， 占矿床查明资源 储量 的 3 9 ． 1 ％。矿体有 2 4钻孔控制 ， 分布于 3 0 5 6勘探线 2 0一一 2 6 5 in标高间 ， 长 2 4 9 2 in， 延伸 6 3 5 m， 埋深 9 01 7 0 m。 矿体呈鞍状， 走向2 9 0 。 ， 北翼倾角 5 0 。 ， 南翼倾 角3 O 。 ， 与②号矿体产状基本一致。矿体厚度在 3 ． 2 3一l 7 ． 7 1 In间变化 ， 平均厚度 9 ． 5 3 in， 厚度变化 柳 志森 1 9 6 6 一 ， 中钢集团山东矿业有限公 司技 术计 划部 ， 经理 ， 高 级工程师 ， 2 7 7 7 0 0山东省临沂市苍 山县 。 总第 3 9 7期 金 矽 2 0 0 9年第 7期 系数在 4 9 ． 1 ％ ， 矿体形态简单 。 ② 一1 矿体分布于 4 0～ 4 4勘探线 一 7 0～一 2 5 0 m标高问， 赋存 Ⅱ含矿带②矿体下盘 。矿体长 3 9 8 m， 延深 1 2 0 m， 厚度 1 ． 9 4 1 1 1 ， 呈透镜状产出 ， 为沿走 向延长较小的零星矿体。该矿体由单一探矿工程控 制 ， 探求资源储量 1 2 ． 4 3万 t 。 2 可研阶段对 开拓系统及采矿方法的选择 苍 山铁矿矿石资源量达 7 5 3 0 ． 5 9万 t ， 属 中型 铁矿床 ， 根据矿床赋存条件和现阶段铁矿石市场行 情 ， 建设规模确定为采选 2 0 0万 t ／ a 。 根据矿床地质条件和选用的采矿方法及回采设 备性能参数， 并参照类似矿山的经验， 确定开采中段 高度为 5 0 1T I ， 自上 而下划 分为 7个 中段 ， 依 次是 一 4 0 m ，一 9 0 m ， 一 1 4 0 m ，一 1 9 0 m ， 一 24 0 m ， 一 2 9 0 m， 一3 4 0 m中段 ， 其中 一 4 0 m， 一 9 0 m， 一1 4 0 m中段一期开采。各中段矿石储量见表 1 。 表 1 各 中段储量 中段 矿石量／ 万 t 7 7． 9 8 1 2 6 7． 0 8 1 1 6 8． 3 O 1 6 3 6． 4 0 3 3 8 0． 8 3 7 5 3 0． 5 9 本矿床主要有用矿物是磁铁矿 ， 其他有用成分 整体含量很低 ， 缺乏工业利用 价值。根据相近矿 山 生产实践和选矿试验 ， 确定产品方案为 中间产品是 井下采出的 2 0 0万 t ／ a 原矿， 最终产品是 5 6万 t ／ a 、 品位为 6 6 ％的铁精粉。 2 ． 1 开拓系统选择 苍山铁矿矿床矿体均为一 隐伏地下 的盲矿体 ， 最浅部距离地表约 9 0 m， 最深部超过 4 0 0 m， 设计中 应采用地下开采方式 。考虑矿体赋存条件及基建投 资 ， 拟采用分期建设方案 ， 即 一1 4 0 m水平 以上为一 期 ， ⋯1 4 0 3 5 0 m段为二期 。 因矿体埋藏较深 ， 水平宽度较大 ， 比较适合 的开 拓方式就是竖井 斜坡道开拓方式 。 共设计 4条竖井 。其中 主井 1 条 ， 专用来提升 矿石； 副井 1 条 ， 用来提升废石 、 人员和材料并兼作 人风井 ； 回风井 2条， 专用于矿井 回风 ； 设计斜坡道 1 条 ， 用来运送大型无轨设 备； 另外 ， 为了加快基建 进度， 基建施工期 间应在矿体中央处开凿 1 措施井 ， 用以缩短基建工期。 ．40 ． 2 ． 2 采矿 方法选 择 矿床总体开采顺序确定为， 各 中段之 间自上而 下 ， 同一中段各矿块 房 之 间的开采顺序为从两翼 回风井至矿床中央的后退式开采 ， 同一矿块各分段 之间的开采顺序是 自上而下 崩落法 或 自下而上 空场法 。 根据矿体赋存条件和确定 的生产能力 ， 通过综 合比较确定采用崩落法。厚度较大的矿体采用分段 空场法回采 ； 厚度较薄 、 倾角较大的矿体采用浅孔留 矿法 ； 厚度较薄 、 倾角较小的矿体采用房柱法。根据 选用 的采矿方法确定苍 山铁矿上盘 、 下盘和侧翼岩 石移动角为 6 5 。 ， 塌落角为 7 0 。 ， 并 以此确定开采范 围的岩层移动范围和塌落界线。 3 初步设计 阶段前对开拓系统及采矿方法 的进一步优化 在初步设计 阶段前期 ， 根据铁矿石资源开发行 业现状及铁矿石交易行情 ， 针对可研 阶段开拓 系统 和采矿方法中存在的问题， 进一步对苍山铁矿开拓 系统及采矿方法进行优化。 3 ． 1 开拓系统优化 通过进一步工作 ， 对开拓系统重新进行 了选择 ， 采用斜坡道开拓与主竖井开拓进行 比较 ， 见表 2 。 表 2 斜坡道开拓与主竖井开拓对比 从表 2可以看出， 与竖井开拓系统相 比， 在矿体 埋深不大的情况下采用斜坡道开拓具有基建工程量 少 、 基建投资小、 基建时间短等优点， 特别是提前一 年投产可多获利 1 7 0 9 2万元。 同时斜坡道开拓采用无轨设备运输具有机动灵 活、 生产效率高、 管理 比较简单等优点。 通过以上 比较 ， 经优化论证确定采用斜坡道开 拓系统 。 3 ． 2采矿方法优化 针对可研阶段提 出的空场法、 房柱法嗣后崩落 围岩处理采空区的采矿方法， 在初步设计进行前进 一 步优化。根据国家有关土地 、 环保政策、 法规并结 合矿体赋存条件 ， 重新对苍山铁矿所采用 的采矿方 法进行综合分析 比较 ， 论证选择充填采矿法和对采 空区实施充填处理的可行性。 采用崩 落 法开 采 地 表 塌 陷及 移 动 范 围约 4 m m m 以十 柳志森 苍 山铁矿开拓 系统及采矿方法优化 2 0 0 9年第 7期 k m ， 合 4 0 0 h m ， 按 征地 费用 每 亩 l 0万元 计 ， 需 6 0 0 0 0 万元 ； 矿区地表塌陷及移动范围内有小闫庄、 西石门 2个村庄约 4 5 0户村 民需搬迁 ， 按每户搬迁 费用 2 0万元计 ， 需搬迁费用 9 0 0 0万元 ； 矿 区地表 塌陷及移动范围内有 2 0 6国道 9 0 0 m， 需要改道 ， 需 征地及建设费用 2 7 0 0万元 ； 矿 区地表塌陷及移动 范围内有国防光缆 1 1 0 0 m、 铁通光缆 1 3 0 0 m需要 移出重新铺设 ， 需要费用 1 5 0万元 。以上采用崩落 法开采土地 占用 、 村庄搬迁 、 国道及光缆改道增加费 用合计 7 1 8 5 0万元 。 崩落采矿法基建及生产过程中产生的废石需要 在地表建废石场地堆放 ； 充填采矿法除在基建及投 产初期产生的废石需要在地表堆放外 ， 正常生产期 间产生 的废 石直接充 填到井 下采 空 区， 每年 节约 9 2 2 1 9 m 。 废石堆放场地 ， 按平均堆放高度 1 5 m计 ， 每年可节约土地约 0 ． 6 2 h m 。按征地费用 每亩 l 0 万元计算 ， 崩落法比充填法每年增加废石堆放 占地 费用 9 2万元 。 崩落采矿法在投产后需要建设永久尾矿库 ， 按 正常生产年产生尾矿 8 0万 m ， 尾矿平均堆放 高度 1 5 m计算 ， 每年需要堆放尾矿土地 5 ． 3 h m 。而采 用充填采矿法大部分尾砂直接充填到井下空 区， 每 年只需 2 h m 用于堆放剩余尾矿的土地。崩落采矿 法比充填采矿法每年尾砂排放多占用土地3 ． 3 h m ， 按征地费用每亩 1 0万元计算 ， 崩落法 比充填法每年 增加尾砂堆放 占地费用 5 0 0万元。 根据我国现行土地政策及苍山铁矿所在的苍山 县土地实际， 不可能为一个储量不足 8 0 0 0万 t 的贫 铁矿床开采提供总计 6 0 0 h m ， 其 中包括 4 6 7 h m 的 基本农 田的土地。 因崩落法采矿造成地表塌陷及移动 ， 汇水 面积 增大 ， 井下水量增大 ， 排水费用将大大提高 。 通过综合技术经济比较 ， 充填采矿法 比崩落采 矿法可增加效益 8 0 0 0 0万元 ， 可操作性 明显优于崩 落采矿法。 通过优化论证 ， 采矿方法从崩落法变为充填法 。 4 初 步设计 阶段对 开 拓 系统及 采矿 方法 的 进一步细化 4 ． 1 开拓系统细化 通过初选 ， 在初步设计阶段选择竖井开拓和斜 坡道开拓 2种开拓方式进行详细技术经济 比较。 主井开拓 系统 中包含主要开拓工程 主井 箕 斗井 、 1 条主溜井 、 井下破碎系统、 副井 罐笼井 、 2 条回风竖井 、 1条斜坡道 、 专用进风井。 斜坡道开拓 系统包含 的主要开拓工程 2条平 行双向主运输斜坡道 、 1 条副井 、 3条风井。 矿 山一期开采标高 一1 4 0 m 以上 ， 开采深度约 2 3 0 m， 服务年限 2 5 a ； 二期开采 一2 9 0 m 以上 ， 总服 务年限4 0 a ； 首采 中段均为 一1 4 0 m 中段 ； 考虑竖井 延伸 比较 困难 ， 因此竖井开拓系统 2条主副竖井均 掘进到底 ， 井底标 高分别为 一 4 0 0 m和 一 3 1 5 m； 井 下破碎系统布置在 一3 3 4 m水平 。比较结果详见表 3。 表 3 斜坡 道开拓与主竖井开拓比较 注 基 建 投 资 年 经 营 费用 只 比较 有 差 别 邵 分 。 通过进一步比较可以看出斜坡道开拓系统具有 基建工程量小 、 基建工期短 、 投资省等优点； 主井开 拓系统具有年经营费用低等优点。同时采用斜坡道 开拓系统提前半年投产可提前产 生经济效益 6 2 0 0 万元 ， 经过以上 比较 ， 确定仍采用斜坡道开拓系统。 4 ． 2 采矿方法进一步细化 矿区地表有公路 、 村庄 、 光缆等设施 ， 村庄搬迁、 公路光缆迁移费用较大； 同时矿区附近地形平坦 ， 尾 矿库、 废石场 占地面积大， 选址困难 。所 以采矿方法 必须选用充填采矿法。 在地表没有建筑物的矿段 ， 应采用空场法嗣后 充填采空区防止地表塌陷。 背斜轴部倾角小 于 5 。 的这部分矿体采用房柱 法开采 ； 矿体倾角大于 4 5 。 ， 这部分矿体采用分段凿 岩、 阶段出矿 的分段空 场法； 矿体倾角小 于 4 5 。 ， 采 用分段凿岩 、 分段出矿的空场法。 地表有公路、 村庄、 光缆等建 、 构筑物需要保护 的矿段 ， 采用上 向分层充填采矿法 ， 以减少 开采 、 爆 破对地表建、 构筑物的影响。 充填材料来源主要是选矿生产产生的尾砂 。地 表重点保护部位下的采场空区及一步采场空区采用 分级尾砂与胶固粉按一定 比例配合进行胶结充填； 其他采场空区采用全尾砂充填。 5 矿 山建设 阶段 开拓 系统 及 采矿 方 法的 实 施 5 ． 1 开拓系统最终优化调整 比较主竖井开拓系统与斜坡道开拓系统优劣的 41 总第 3 9 7期 金 鬣 醇 2 0 0 9年第 7期 关键 因素为基建工期的长短 ， 若不考虑基建工期 的 长短， 竖井开拓系统 的基建投资增 加 1 3 7 4 ． 6 1万 元 ， 获得的收益为每年节省经营费用 3 9 9 ． 3 8万元 ， 差额投资收益率为 2 2 ． 5 1 ％ 静态 ， 竖井开拓系统 优于斜坡道开拓系统 ； 若考虑基建工期的长短 ， 竖井 开拓系统增加的基建投资相当于 7 5 7 4 ． 6 1万元 ， 获 得的收益仍为每年节省经营费用 3 9 9 ． 3 8万元 ， 差额 投资收益率为 5 ． 2 7 ％ 静态 ， 斜坡道开拓系统优于 竖井开拓系统。 综合考虑斜坡道汽车运输运距和费用关系， 以 及斜坡道开拓与主竖井开拓建设工期之间的关系 ， 最终的开拓系统是 一1 4 0 m至 一 4 0 m水平采用主 竖井开拓系统 ； 一 4 0 m中段以上采用斜坡道汽车运 输系统 ； 主竖井基建期间 ， 利用斜坡道在 一4 0 m中 段提前投产 ， 解决了主竖井开拓 系统基建 时间长不 能提前投产达产的问题 ； 一 4 0 m水平以下按辅助斜 坡道设计 。 开拓系统最终采用主竖井开拓 系统 ， 包括主井 箕斗井 ， 另外布置与主井提升相配套 的井下溜破 系统 、 副井 罐笼井 和 2条 回风井 、 斜坡道 、 专用进 风井 。 5 ． 2 采矿方法进一步优化 随着基建工程的展开， 斜坡道工程、 东 1 风井工 程到达矿体后 ， 在 一 4 0 m水平 、 7 m水平实现 了贯 通， 一 2 5 m分段 、 一1 3 m分段、 由副井施工的 一1 4 0 I 13中段脉内巷道施工已全 面展开。通过脉 内坑探 、 坑内钻探 ， 进一步摸清了矿体的赋存状态。 在前期的采矿方法选择中， 矿体 的赋存状态被 上接第 9页 [ 4 ] 阿特金森 B K ．岩石断裂力学 [ M] ．北京 地震出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 5 ] 袁海平． 诱 导条件下节理岩体流变 断裂理论 与应用研究 [ D] ． 长沙 中南大学 ， 2 0 0 6 ． [ 6 ] S c h u h z R A ．G r o w t h o f g e o l o g i c f r a c t u r e s i n t o l a r g e s t r a i n p o p u l a - t i o n s Re v i e w o f n o me n c l a t u r e，s u b c r i t i c a l c r a c k g r o wt h a n d s o me i mp l i c a t i o n s f o r r o c k e n g i n e e ri n g [ J ] ． I n t ．J ．R o c k Me e h ．Mi n ． S c i ． ， 2 0 0 0， 3 7 2 4 0 3 41 1 ． [ 7] H a i p i n g Y U A N，P i n g C A O， Wa n z h o n g X U．M e c h a n i s m s t u d y o n s u b c r i t i e al c r a c k g r o wth o f fl a b b y a n d i n t ri c a t e o r e r o c k[ J ] ． T r a n s a c t i o n s of No n f e r r o u s Me t a l s S o c i e t y o f C h i n a， 2 0 0 6， 1 6 3 7 2 3 - 7 2 7 ． [ 8 ] 温进涛．裂隙岩体能量分析损伤本构模型及其强度研究[ D] ． 武汉 中科院武汉 岩土力学研究所 ， 2 0 0 2 ． [ 9 ] 徐靖南， 朱维申． 压剪应力作用下共线裂纹的强度判定[ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 1 9 9 5， 1 4 4 3 0 6 - 3 1 1 ． 理想化 ， 没有考虑断层 的作用。从坑探 、 坑内钻探的 结果看 ， 矿体被大大小小的断层错动较严重 ， 连续性 较差 ， 揭露断层距离长短不一 ， 断距从几米到几十米 不等， 且规律性较差。 根据矿体的赋存状态 ， 在 一 4 0 m 以上水平 已实 施的采矿方法有铲运机出矿的房柱法 ， 采矿强度平 均达 2 0 0 t ／ d 。即将实施的采矿方法有电耙 出矿的 房柱法 、 分段出矿的分段空场法。 6结论 通过对苍山铁矿开拓系统的一系列优化 ， 将先 前系统设计中不合理的因素进行调整优化， 变为合 理， 为企业今后 的高效运行打下 良好的基础。 采矿方法从最初 的崩落法优化到充填采矿法 ， 并进行了采矿试验。相信通过进一步的采矿方法试 验 ， 必将能找到适合苍 山铁矿的经济 、 安全、 高效 的 采矿方法。 参考文献 [ 1 ] 尹贻林 ， 杨飞雪 ， 高喜珍． 工 程造价计价 与控制 [ M] ． 北京 中 国计划出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 褚永 ， 李玉平． 国际铁 矿石资源市场均衡 价格探讨[ J ] ． 金属 矿山 ， 2 0 0 8 2 1 3 1 5 ． [ 3 ] 杜国栋 ， 李晓， 韩现民 ， 等． 充填采矿法 引起 的地表变形数 值 模拟研究[ J ] ． 金属矿山 ， 2 0 0 8 1 3 9 43 ． [ 4 ] 解 世俊 ． 金 属 矿床 地下 开 采 [ M] ． 北 京 冶金 工 业 出版 社 ， 1 9 8 6． [ 5 ] 徐坤明 ， 姜丽颖 ． 运用密切值法对初 步设 计中的采矿方法进行 优选[ J ] ． 冶金矿山设计 与建设 ， 2 0 0 2 ， 3 4 1 1 0 1 2 ． 收稿 日期2 0 0 9 - 0 5 -0 9 [ 1 O ] 刘远明 ， 夏才初 ． 共 面闭合非贯通 节理岩 体贯通机制 和破坏 强度准则研究 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 1 O 2 0 8 6 - 2 0 91 ． [ 1 1 ] Z h a n g S X， T o n g G． X．I n f l u e n c e of i r r e g u l a r b o u n d a r y w e a k e n i n g o n th e b l o c k c a v i n g p r o c e s s ．I n te r n a t i o n a l J o u rnal of Ro c k Me c h a n i c s a n d Mi n i n g S c i e n c e s＆ Ge o me c h an i e s Ab s t r a c t s ，1 9 9 5， 3 2 2 1 3 5 1 4 2 ． [ 1 2 ] h a s c a C o n s u l t i n g G r o u p ．T h e o r y a n d b a c k g r o u n d [ M] ．[ S ． 1 ． ] I t a s c a C o n s u l t i n g Gr o u p，I n c ，2 0 0 2 ． [ 1 3 ] 袁海平 ， 曹平 ， 万文， 等．分级加卸 载条 件下软弱复杂矿 岩蠕变 规律研 究 [ J ] ．岩石力 学 与工程 学 报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 8 1 5 7 5 ． 1 5 8 1 ． [ 1 4 ] 潘长 良． 自然崩落法崩落速率 预测理论 与技术研究报告 [ R] ．长沙 中南工业大学 ， 1 9 9 0 ． 收稿 日期2 0 0 9 -0 5 -09