境外某残采矿山采矿方法的研究.pdf

S e r i a l No ． 5 4 9 J a n u a r y ． 2 01 5 现代矿业 M0DERN MI NI NG 总 第 5 4 9期 2 0 1 5 年 1月第 1 期 境外某残采矿山采矿方法的研究 木 姚高辉 胡凯建 1 ． 中色卢安夏铜业有限公司； 2 ． 北京科技大学土木与环境工程学院 摘要B a l u b a铜矿是一座 开采近 4 0 a的老矿 山， 由于矿体缓 薄、 形 态多变 ， 导致开采难度 大。通过分析该矿历史上的采矿技 术资料 ， 总结 了以往各采矿方法的优缺 点， 针对矿 山不同区域、 不同产状的矿体 ， 提 出了6种适用性较 强的采矿 方法。基 于模糊综合评判法 ， 建立采矿方案综合评 价指标体 系， 对井下五类矿体进行采矿方案优选。生产 实践表 明， 依据矿体的产状划分 东采 区矿 块 ， 分别配置最佳采矿方法， 不仅降低 了采切工程量， 而且保障 了矿山安全 高效运行 。 关键词 残矿 开采模糊综合评判 采选方法 Re s e ar c h o n t he M i n i ng M e t ho d o f a Ove r s e as Re s i d ua l M i ne Y a o G a o h u i H u K a i j i a n 1 ． L u a n s h y a C o p p e r Mi n e s P L C， C h i n a N o n f e r r o u s Me t a l Mi n i n g G r o u p C o ． ， L t d ． ； 2 ． S c h o o l o f C i v i l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t y o f S c i e n c eT e c h n o l o g y B e i j i n g Abs t r a c t Ba l u b a mi n e i s a n o l d mi n e whi c h ha s t h e mi ni ng h i s t o r y f o r a b o u t 4 0 y e a r s ， i t i s v e ry d i f - fic u l t t o mi n e t h e g e n t l y i n c l i n e d t h i n o r e b o d y wi t h v a r i a b l e mo r p ho l o gy ． Th e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t he e x i s t i n g mi n i n g me t h o d s a r e s u mma r i z e d b a s e d o n a n a l y z i n g t he e x s i s t i n g mi n i n g t e c h n i c a l r e f e r - e n c e， S O t h e s i x s u i t a b l e mi ni n g me t h o d a r e p r o p o s e d t o d e a l wi t h t h e d i f f e r e n t o c c u rre n c e o r e b o d i e s i n d i f f e r e n t r e g i o n s ．Ba s e d o n t h e f uz z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n me t h o d，t h e c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n i n - d e x s y s t e m o f mi n i n g s c h e me i s e s t a b l i s h e d S O a s t o ma k e o p t i mi z a t i o n s e l e c t i o n o n t he mi n i n g s c h e me o f t h e fiv e d i f f e r e n t k i n d s o f o r e b o d i e s ． Th e a pp l i c a t i o n s h o ws t h a t ，a c c o r d i n g t o t h e o c c u r e n c e o f t h e o r e b o d y， o r e b l o c k s o f t h e c a s t i n g mi n i n g a r e a a r e d i v i d e d， wh i c h a r e c o l l o c a t e d wi t h o p t i mi z a t i o n mi n i n g me t h - o d． T he r e f o r e， t h e mi n i n g me t h o d p r o p o s e d i n t h i s p a p e r c a n n o t o n l y r e d uc e t h e a mo u n t o f u n de r g r o u n d de v e l o p me n t ，b u t a l s o e n s ur e t he mi n e s a f e a n d e ffic i e n t o p e r a t i o n． Ke y wo r ds Re s i d u a l o r e mi ni ng，Fu z z y c o mp r e h e ns i v e e v a l u a t i o n，Mi ni ng a n d mi n e r a l p r o c e s s i n g me t h o d B u b a铜矿位于赞比亚卢安夏市 ， 是中色卢安夏 铜业有限公司整个矿 区的七个矿段之一， 1 9 7 3年投 产 ， 采用坑采方式开发地下硫矿资源。截止 2 0 1 3年 底 ， 矿 山 总 资 源 量 只 有 1 7 1 8 ． 9万 t ， 地 质 品位 2 ． o 9 ％ ， 生产运营已进入收尾阶段 。由于矿体空间形 态多变 ， 矿体底盘过渡带稳定性差 ， 给采矿工程布置 及采矿方法 的选择带来困难 。目前 ， 大部分采准工程 布置在矿体下盘相对稳固的底砾岩或泥质石英岩 中， 由于废石混入率高， 采切工程量大， 导致采矿回收率 与贫化率指标较差 j 。为了改善企业的经营状况， 分 国家“ 十二五 ” 科技支撑计划项 目 编号 2 0 1 2 B AB 0 8 B 0 2 。 姚高辉 1 9 8 3 一 ， 男， 博士， 1 0 0 0 2 9北京市朝阳区。 析总结该矿历年采矿生产技术指标， 依据赞比亚矿业 法规 ， 重新选择经济可行的采矿方法势在必行。 1 矿 山开采技术条件 B a l u b a 铜矿以中央运输大巷为界分为东采 区和 西采区 ， 西采区矿体倾角相对较陡 ， 基本上 已开采完 毕 ， 目前主要 回收西采区破碎难采矿体、 遗 留矿柱及 边角矿 ， 基本属于残采 阶段 J 。东采 区矿体受次一 级褶皱影响 ， 矿体产状复杂多变， 矿体倾角从褶皱轴 部的平缓矿体 小于 1 5 。 到两翼缓倾斜或倾斜矿体 一般在 1 5 。 以上 ， 厚度从 4 m的薄矿体到 1 5 m以 上 的厚大矿体。矿体北翼 的急倾斜厚大矿体 已被回 采 ， 目前该 区域集 中回采褶皱轴部 的平缓中厚矿体 4～l 5 m 及南翼缓倾斜或倾斜 中厚矿体 。 5 总第5 4 9期 现代矿业 2 0 1 5年 1月第 1 期 矿 区岩层表现为复杂的褶皱构造 ， 矿体上盘为 层状泥岩和石英岩 ， 为含矿板岩或片岩 ， 下盘为底砾 岩及泥质石英岩。经对各岩体进行 R MR和 Q系统 分类评价 ， 层状泥岩和石英 、 泥质板岩稳定性较 好 ； 含矿片岩稳定性较差 ； 底砾岩与泥质石英岩稳定性 一 般。矿床工程地质特征见表 1 。 表 1 矿床 工程地质特征描述 2 采矿方法 2 0 0 4 --2 0 0 8年曾试用多种采矿方法 ， 其 中倾斜 区域主要 以分段崩落法和分段空场法为主 ， 缓倾斜 区试用了分层充填法、 进路充填法、 点柱分层充填 法 、 切顶房柱充填法等 。从 贫化控制和地压管理方 面考虑 ， 充填法是最佳方案 ， 但是根 据实际生产情 况 ， 由于回采与充填工艺不够合理 ， 大量的充填尾矿 混入采场 ， 充填水渗入岩层削弱了围岩稳 固性 ， 巷道 及采场垮 冒严重 ， 致使采场损失贫化加大 ， 生产管理 难度大， 出矿效率低， 生产成本高， 充填法并没有完 全体现其优势 ， 2 0 0 6年以后被淘汰。 2 0 1 2年 ， 矿山开展 了复杂难采矿体 的采矿方法 优化研究。对于完整性较好 的矿块 ， 因赞方员工生 产组织容易 ， 事故率低 ， 生产效率高 ， 采用分段空场 法一直延续至今 。对于残矿回收区域 ， 研究采用 灵活性强 、 操作简单 、 采切工程量小的采矿方法。 B a l u b a 矿体产状复杂多变， 大致可划分为 5类 ①平缓薄矿体 ， 倾 角 1 0 。 以下 ， 厚度 4 5 I n ； ②平缓 中厚矿体 ， 倾角 2 0 。 以下 ， 厚度 6～8 i n ； ③缓倾斜 中 厚矿体 ， 倾角 2 5 。一 3 5 。 ， 厚度大于 6 i n ； ④缓倾斜薄 矿体 ， 倾角 2 5 。 ～ 3 5 。 ， 厚度 3～ 4 i n ； ⑤倾斜薄及中厚 矿体 ， 倾角 4 0 。 以上 ， 厚度一般在 4 n l 以上。根据该 矿的生产技术水平， 赞比亚当地安全法规以及矿体 顶底盘稳固性等客观条件 ， 初步提出了以下 6种可 行的采矿方法 ， 见图 1 ～图 6 。 3基于模糊数学原理的采矿方案综合优选 采矿方案评价是一个系统工程 ， 建立评价指标 体 系是评价的基础工作 ， 其科学性和合理性直接影 6 矿体厚度 出矿联巷 图 1 单分段崩落进路 出矿 采矿 法 一 道 电 凿岩道 底盘运输道 图3 爆力运搬空场采矿法 图4 电耙铲运机联合出矿房柱法 图 5 伪倾斜预切顶护顶房柱法 l ～采区斜坡道 ； 2 -- 分层联 络道 ； 3 一切顶层联道 ； 4 -- 联络道 ； 5护顶锚索／ 锚杆 ； 6 一切顶层 ； 7 一底层出矿联道 ； 8 --溜井 ； 冀 冀 室 下 向 中 深 孔 矿 体 厚 度 ．。 燮 长 锚 m ＼ ＼ 矿 拄 窒 二 。 _／ 一 二 目 三 二 墨 凿岩出矿道 出矿进路 图 6 顶板预加 固分爆分 出分段空场法 响着评估结果的准确性。评价指标选取的原则是指 标尽量少 ， 能反映最主要和最全面的信息 。本次 建立的采矿方案综合评价指标体系选取 的定量考察 指标有 矿块生产能力 X 、 矿石贫化率 X z 、 矿石 损失率 、 采切 比 x 4 、 采矿成本 ； 非定 量 考察指标有 安全性 X 6 、 矿体适应条件 、 实施 姚 高辉胡凯建 境外某残采矿 山采矿方法的研究 2 0 1 5年 1月第 1 期 难易程度 X 8 。 3 ． 1 构造 比较标度 运用模糊数学理论构造 比较标准 ， 如表 2所示。 标准值 2 ， 4， 6 ， 8分别表示标准值 1 和 3 ， 3和 5 ， 5和 7 ， 7和 9之间的值 ； 若 f X 则 1 ／ f f ／ X 。 3 ． 2 各因素的权重分配向量 W 的确定 按照层次结构模型， 每一层元素都以相邻上一 D 1 1 0 ． 5 O ． 5 0． 3 3 2 2 0． 2 5 0． 3 3 2 1 1 0． 6 7 4 4 0． 5 0 ． 6 7 3 ． 2 ． 1 计算判断矩阵的最大特征根 将判断矩阵 D 的元素按行相乘 ， 得到各行元素 乘积 ， 计算 的 n次方根 ； 对 向量 W 正规化 ； 计 算判断矩阵的最大特征根 A 。 M 1 - I 1 W 3 6 0． 1 4 0 62 5 0． 1 4 0 62 5 0． 00 5 48 7 9 21 6 9 21 6 0． 001 0 9 9 0． 0 0 2 7 4 3 1 ． 5 6 5 0 8 5、 0 ． 7 8 2 5 4 2 0． 7 8 2 5 4 2 0． 5 21 6 9 5 3 ．1 3 0 1 6 9 3 ．1 3 0 1 6 9 0． 4 2 6 6 8 4 0 ． 4 78 3 9 6 2 3 3 ． 2 ． 2判断矩阵的一致性检验 为使判断结果更好地与实 际状况相吻合 ， 需进 行一致性检验。其公式为 ∑ 』 ， 1 0．1 4 4 6 8 4 0． 07 2 3 4 2 0． 0 7 2 3 4 2 0 ． 0 48 2 28 0． 28 9 3 6 7 0． 2 8 9 3 6 7 0． 0 3 9 4 4 5 0． 0 4 4 22 5 表 2比较标准及含义 层次元素为基准 ， 按上述 比较标度构造判断矩阵 D A m a x D1V i8 ． 0 4 6， 5 式中， i 1 ， 2， ⋯ ， n ． C RC I ／ R I ， 6 C 。 A 一n ／ n一1 ， 7 式中， C 为一致性检验指标 ； n为判断矩阵的阶数 ； R 为平均随机一致性指标 取值见表 3 。 表 3 平均 随机一致性指标取值 当 C 0 ． 1时， 认为矩阵 D 的一致性是可 以接 受的， 否则 ， 需要重新调整判断矩 阵， 直至满足一致 性检验为止 。 对本 文的判断矩 阵 D 进行一致 性检验 C 0 ． 0 0 4 6 2 40 ． 1 ， 说 明矩阵 D 的一致性是可以接受 的。因此 ， 正规化后 的向量 式 4 可以作 为权重 分配 向量 w。 3 ． 2 ． 3隶属矩阵的确定 3 ． 2 ． 3 ． 1 隶属函数法 定量指标可以分为收益性指标与消耗性指标两 类。对于收益性指标 ， 指标越大越好 ； 对于消耗性指 标 ， 指标越小越好 。目标相对隶属度公式 收益性指标 r y o ／ ma x y ； 8 4 消耗性指标 rai n y ／ y ， 9 式 中， i 1 ， 2 ， ⋯， m； 1 ， 2 ， ⋯， n ． 对其进行规格化 ， 得到 目标相对隶属度矩阵 7 3 l 6 6 ～ 3 1， 4 2 2 3 8 8 1 6 “ B “ 0 “ ● B “ 0 C ； 3 6 6 1 1 7 ． ，7 2 4 4 ． 0 一 墨 ； 一 墨 总第 5 4 9期 现代矿业 2 0 1 5年 1月第 1期 卜 ⋯ 3 ． 2 ． 3 ． 2二元对 比排序法 ’ 度划分成 4个等级 ， 按表 4的赋值方法赋值 。 表 4 非定量指标赋值 对于每个定性评价指标都可得到 凡元对 比排序 法的矩阵B b 其中 b f ／ f ／i ， 且满足 b f 1 ／ b ii ； 当 b ≥1时， 令 b 1 。对矩阵每行取最小值 ， 得 到 各方案对该指标的隶属度。将定性指标的隶属度与 定量指标的隶属度组合在一起 ， 得到所有评价指标 隶属度的模糊矩阵。 3 ． 3 不同产状矿体开采方案综合评判 针对倾角 2 5 。 一 3 5 。 ， 厚度大于 6 m的缓倾斜中厚 矿体开采 ， 技术上可行的方案有方案一 一 方案四和方 案六。因此 ， 可以从上述 3方案中进行优选。各类采 矿方案技术经济指标如表 5所示。 表 5 缓倾斜中厚矿体开采技术经济 比较 3 ． 3 ． 1 隶属度矩阵确定 3 ． 3 ． 1 - l 定量指标的隶属度矩阵 4 5 O 5 5 0 5 0 0 4 5 0 l 2 7 1 8 2 3 2 9 R1 5l 1 7 2 2 2 J 1 5 ． 6 1 4 1 1 2 ． 6 I 2 8 4 2 4 6 2 8 4 31 0 厂 0 ． 8 2 1 0 ． 91 0 ． 8 2 l l 0 ．9 4 1 0 ． 7 8 0 ． 6 2 l J 0 ．1 2 1 1 1 l f 0 ．1 7 0 ． 1 9 0 ． 2 4 1 0． 8 7 l 0． 8 7 0． 7 9 5 o 0 2 0 1 4 3 O ． O 6 3 1 0 0 ． 91 、 0 ． 9 0 0 ． 1 4 0 ． o 9 0． 7 9 3 ． 3 ． 1 ． 2 非 定量指标 隶属度确定 非定量指标有安全性、 矿体适应条件、 实施难易 8 程度 ， 各指标隶属度见表 6 。 表 6 非定量指标隶属度 安全性 3 ． 3 ． 1 ． 3 构造综合隶属度矩阵 R 0． 8 2 1 0． 91 0． 9 4 0． 1 2 0． 1 7 0． 8 7 1 O． 5 1 l l O． 1 9 l 1 0． 5 1 O． 7 8 l 0． 2 4 0． 8 7 1 1 0． 5 0． 91 0． 9 0 O ． 1 4 0． o 9 0． 7 9 0． 3 O． 3 0． 3 3 ． 3 ． 2 最优方案确定 由以上确定的权重 向量及隶属度矩阵可计算综 合评判 向量 为 PwT X R 0 ． 8 0 8 6 ， 0 ． 9 4 1 2 ， 0 ． 8 7 4 7 ， 0 ． 6 3 2 4 ， 0 ． 5 5 1 8 。显然， 对于缓倾斜中厚矿 体的开采 ， 方案二是最优的， 故首选采矿方法为分段 空场法 。 3 ． 4 各种产状矿体的优选结果 同理 ， 采用模糊数学优选法分别对 B a l u b a矿其 他各类产状矿体进行采矿方案优选， 其结果如下 ① 平缓薄矿体的开采方案首选单分段崩落进路出矿采 矿法； ②平缓中厚矿体首选伪倾斜预切顶护顶房柱 法； ③缓倾斜薄矿体首选电耙铲运机联合 出矿房柱 法； 垒 顺 斜薄及中厚矿体首选分段空场法。 ● 0 O 0 姚 高辉胡凯建 境外某残采矿 山采矿方法的研究 2 0 1 5年 1月第 1期 3 ． 5 B a l u b a矿采矿方法优化 目前 ， B a l u b a铜矿西区已进入残采 阶段 ， 其遗 留 矿柱及边角矿极不规则 ， 实际开采过程 中选择灵活性 较大的单分段崩落法和爆力运搬空场法。东采区矿 体向斜轴部及南翼缓倾斜 区的 5 8 5 m Y矿块、 S S 3 6 一 S S 3 8 A 5 1 0～ 5 4 0 m 、 C L E U P P E R 2 0 0 2 4 5 m 及 G 和 T 4 1 0 ， 4 2 0 m 、 T 3 3 0～ 3 7 0 m 矿块 尚处在开拓阶 段 ， 而 4 8 0 m G和 U两个水平以下矿体还未布置开拓 工程。因此 ， 可以将前面的优选结果用于东采 区， 如 图7所示。 图 7 B Mu b a东采 区矿块划分及 采矿方法配置 5 8 5 m Y 7 5 3 9以东 的平缓薄矿适宜于单分段崩 落法 ； 5 8 5 m Y 7 5 3 9以西的平缓 中厚矿体适宜于伪倾 斜预切顶护顶房柱法 ； S S 3 6 一 S S 3 8 A 5 1 0～5 40 m 为倾 斜中厚矿体 ， 适用于分段空场法 回采 ； C L E U P P E R为 倾斜厚大矿体 ， 适用于分段空场法 ； T 3 3 0～ 3 7 0 m 为 缓倾斜薄及中厚矿体， 适用于分段空场法和爆力运搬 空场法； T和 G 4 1 0 4 2 0 m 矿体倾角 1 5 。～ 2 0 。 ， 设 计分段高度 1 0 m， 如果采用爆力运搬空场法 ， 采场分 段高度可提高至 1 5 m， 可 以减少采切工程量 ， G 4 1 0 4 2 0 m 矿块部分区域属于残矿 回收， 采用单分段崩 落法 ， 实行分爆分 出可以提高出矿品位。至于 4 8 0 m G和 U以下的缓倾斜薄矿体 ， 如果铜价达到 8 0 0 0 美 金／ t 时 ， 可以考虑采用电耙铲运机联合出矿房柱法 回 收。 2 0 1 2年以来 ， 矿山根据生产探矿情况及时调整 采矿方法 ， 并不断优化采矿设计 ， 每年节省采切工程 量 2 0 0 0 m以上 如图 8所示 。具体做法 由于矿体 沿走向起伏较大， 先利用已初步掌握的矿体平面图和 剖面图掘进底盘分段巷 ， 然后间隔 1 5 m掘进 5 m 的 采矿进路进行生产探矿， 待矿体顶底盘界限明确后， 优化原始采矿设计 ， 继续掘进采矿进路 ， 并根据 围岩 分布状况确定凿岩道位置。2 0 1 4年 ， B M u b a矿调整 产能到 1 2 5万 t ／ a ， 按照现有开拓工程布置及新的采 矿方法配 置 ， 东 区开拓矿 块采 切工 程量 预计 减少 1 0 ％ ～1 5 ％ ， 同时也能确保在复杂的开采技术条件下 满足 1 ． 3 0 ％的出矿品位要求。 g 砌 嘿 图 8 B M u b a矿历年掘进量及采切比 _ 一计划掘进量； 目一实际掘进量 ； 口 一采切比 4 结论 1 B a l u b a铜矿开采技术条件极其恶劣 ， 属于典 型的复杂难采矿体 ， 而且单一的采矿方法已无法满足 生产要求。因此， 重新梳理矿山的剩余资源量， 针对 不同区域、 不同产状 的矿体进行 了采矿方法研究 ， 是 一 项非常有意义的工作。 2 基于模糊数学综合评判法， 对五类矿体进行 采矿方案优选 ， 确定 了不 同产状 矿体 的最佳 开采方 案 ， 切合井下生产实际。 3 根据 B a l u b a矿体产状重新划分东采 区矿块 ， 并配置相应的优选采矿方法 ， 不仅可以改善采场技术 经济指标， 而且还大大降低 了采切工程量 ， 经济效益 显著。 参考文献 [ 1 ] 李 占炎． 巴鲁巴铜矿采矿 方法的优化研究[ J ] ． 矿业工程 ， 2 0 1 1 ， 9 3 2 7 - 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