云南疆锋铁矿采矿工艺优化的探索

马相松 魏建海

（昆明有色冶金设计研究院股份公司）

随着国家生态文明建设的推进，安全发展意识的提高，各行业更注重本质安全和环保的建设。采矿工艺是矿业企业的灵魂，它决定着生产工艺是否本质安全及绿色环保。对矿山的采矿工艺进行优化，使其符合国家的发展战略，更好“践行新发展理念、打造高质量矿山”，具有重要的意义。

1 项目简介

疆锋铁矿地处西南边陲，属西双版纳傣族自治州景洪市大勐龙镇管辖。矿区位于横断山系纵谷区南段，属低山丘陵区，海拔高670～750 m。植被发育，多为橡胶林。

疆锋铁矿矿体沿215°～220°方向“一”字形展开，带状分布。走向长约2 500 m，宽100～300 m。根据矿体的自然分布特征，矿区内划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个矿段，矿体沿该含矿带呈似层状～透镜状断续分布。矿体最大出露标高为735 m，最低埋深标高为85 m，矿体最大垂深为610 m。矿体形态比较复杂，分枝复合现象普遍，但总体呈似层状或透镜状沿NE～SW方向展布，与地层产状相近，倾向为120°～148°，倾角为60°～85°。矿体与围岩界线模糊，多呈渐变过渡。

疆锋铁矿Ⅰ号矿段和Ⅲ号矿段均有地表露头，2个矿段均采用露天开采，于2014年回采结束。

疆锋铁矿Ⅱ号矿段为隐伏矿体，埋深较深，仅能采用地下开采方式，地下开采原设计采用主、副竖井+斜坡道开拓方式，采用无底柱分段崩落法开采，采矿方法又细分为沿走向布置出矿进路和垂直走向布置2种方法。原设计分为3期开采，一期开采340～580 m标高的矿体，二期开采100～340 m标高矿体，三期开采100～74 m标高的矿体。

2 采矿工艺优化的必要性

2.1 环境保护

疆锋铁矿采矿权范围内，地表除Ⅰ号矿段与Ⅲ号矿段露天采坑外，其余基本为橡胶林或农田。矿区周围生态环境质量较好。

新的环保政策法规不再允许矿山发生大面积、大范围的地表沉降和塌陷［1］。疆锋铁矿唯有将无底柱分段崩落法优化为胶结充填法，才能达到控制地表变形的目的，最大限度地降低对地表自然环境的破坏。同时，部分尾矿和废石充入井下采空区，减少地表排废量，有利于环境保护，也符合国家“绿色矿山”的政策［2］。

2.2 安全生产

采用无底柱分段崩落法的矿山，中深孔落矿过程中易发生爆破推墙事故，也容易发生悬顶［3］，这些问题不仅影响矿山的正常生产，而且又增加了作业的危险性；该采矿方法属于独头巷道内作业，通风困难，易发生通风不足而引起炮烟中毒事故。实践中，该方法还容易发生后续炮孔变形进而引发大块的产生，迎头面容易发生冒顶和片帮。上述安全隐患极易引发安全事故。将无底柱分段崩落法改为充填采矿法，能很好地解决上述安全问题，提高矿山生产的安全性。

2.3 矿产资源合理利用

疆锋铁矿矿样中铁矿物以磁铁矿为主，可采用弱磁选工艺将其回收，属易选矿石，可选性较好，选矿成本较低。

对比国内几种采矿方法的损失率、贫化率，无底柱分段崩落法一般情况下损失率为25%～35%，贫化率为20%～25%。空场类嗣后充填工艺一般情况下损失率为20%～25%，贫化率为10～20%。尾砂胶结充填法一般情况下损失率为10%～20%，贫化率为5%～10%。

疆锋铁矿原设计采用的无底柱分段崩落法损失率高、贫化率大。如果改为充填工艺，损失率和贫化率均能大幅降低，既有利于提高资源利用率，也可以提高入选品位，降低选矿成本，提高铁精矿的品质。

2.4 绿色矿山建设

疆锋铁矿尾矿库选址困难，现有尾矿库库容小，仅为151万m³，无法满足疆锋铁矿井下大规模开采后的尾矿堆存需求。采矿工艺优化为充填法后，将尾矿尽量回填至井下采空区，既有利于解决矿山尾矿库库容不足的问题，又有利于矿山环境保护，减少尾矿堆存对地表自然环境的破坏。

2.5 可持续发展

矿区10#与36#勘探线附近分别有六分场一队与布朗寨子，且距离较近，如果Ⅱ号矿段继续采用崩落法采矿，会导致地表发生大范围塑性变形、甚至塌陷。就需要对移动范围内的橡胶林进行征地并搬迁附近的村寨。随着社会经济的发展，无论是橡胶林征地费用，还是村寨搬迁的费用，均比10余年前高太多，矿山难以承担。

综上，疆锋铁矿采矿工艺优化是社会发展的必然，也是建设生态文明的必然。

3 采矿工艺优化的探索和实践

3.1 原采矿工艺

疆锋铁矿Ⅱ号矿体属于薄至中厚的急倾斜矿体，倾角为60°～85°，单工程矿体厚度为43.6～0.31 m。原设计推荐的采矿工艺为无底柱分段崩落法，细分为垂直走向布置回采进路和沿走向布置回采进路2种方法。

沿走向布置进路，采用无底柱分段崩落法开采5～15 m的中厚矿体。矿块沿矿体走向布置，矿块长度为90 m，每个矿块中部设置切割平巷和切割天井，每个矿块以切割平巷为分界线划分为2个回采单元布置回采进路进行回采。分段高度为15 m。采用进口中深孔凿岩台车钻凿上向中深孔崩矿，采用铲运机出矿。

垂直走向布置采用进路无底柱分段崩落法开采矿体厚度＞15 m的厚大矿体。矿块沿矿体走向布置，矿块长度为90 m，每个矿块垂直矿体布置6条回采进路，进路间距为15 m。回采进路下盘与分段沿脉运输平巷连接，上盘与布置在脉内靠近上盘的切割平巷连接。分段高度为15 m。采用中深孔凿岩台车钻凿上向中深孔崩矿，采用铲运机出矿。

3.2 采矿工艺优化与探索

为了探索更合适的采矿工艺，项目组从技术和经济2个方面进行分析，找到合适的采矿工艺类别。

首先从技术角度分析，疆锋铁矿Ⅱ号矿群赋存在大勐龙群下段第三层（Ptdm1-3），该地层受到燕山期花岗岩浆热液的交代作用形成大量矽卡岩。上部为灰绿色透辉石矽卡岩，夹黑色磁铁矿化透辉石矽卡岩（如Ⅱ1矿体）。中部为灰绿色透辉石矽卡岩，黑色磁铁矿化透辉石矽卡岩（如Ⅱ2-3矿体）夹少量浅灰色斜长变粒岩。下部为浅灰色斜长变粒岩，浅灰色—灰色二云石英片岩，深灰色二云斜长片岩夹灰绿色透辉石矽卡岩，局部夹灰白色大理岩透镜体。区内断裂众多，矿体分布不连续，结构复杂。Ⅱ号矿段埋深较大，围岩属于微风化段，岩体RQD值一般为75～90，岩石质量等级为Ⅱ级，岩体较完整，岩体质量分级指标——岩体质量指标M一般为0.15～0.25，岩体分类为Ⅲ类。矿体层伪顶板为变粒岩，直接顶板为矽卡岩，受构造的影响，节理裂隙发育，宽0.1～2 mm，大多充填钙质，少数无充填，但分布密度不匀，饱和抗压强度变化较大，平均软化系数＞0.85，属不易软化岩石、不易变形的刚性岩体。底板岩中裂隙发育，平均软化系数为0.79，属硬岩、不易软化岩石，顶、底板及矿层虽不具有塑性，但由于岩层为薄层状，且开采深度大，在顶板巨大压力作用下，经两帮传到底板后，使其产生变形隆起。据此分析认为，本项目围岩稳定性和坚硬程度足以支撑采用空场类采矿方法采矿，嗣后及时对采空区密闭并进行胶结充填治理，可以避免顶板压力产生的变形隆起和顶板大面积冒落，充填法还可以减小矿柱尺寸，增加回采率，提高资源综合回收利用率。因此，疆锋铁矿具有将无底柱分段崩落法优化为空场采矿嗣后充填的技术可行性［4］。

其次从经济的角度分析，原无底柱分段崩落法工艺采矿成本为98.77元/t。充填采矿法工艺采矿成本为76.61元/t，充填工艺折算到原矿的成本为29.66元/t，合计106.27元/t。从采矿成本对比分析看，优化前后的采矿制造成本差异不大。但从尾矿处置上存在一定的差异，矿山每吨原矿将产生约0.65 t尾矿，每吨原矿形成的采空区体积约为0.27 m³，充填料制备可以消耗尾矿量约为0.36 t，尾矿消耗比为55%。也就是说，优化后的充填采矿法大约可以消耗约一半的尾矿产量，大幅减少了外排尾矿，为企业长期可持续发展创造了更加有利的条件。根据2018年疆锋铁矿尾矿库扩容初步设计成果，建设投资为2 125万元，扩容库容为386万m³，尾矿库扩容单位投资为5.5元/m³。据此估算，尾矿充填可为矿山每年节约近200万元的尾矿库建设成本。另外，根据矿山实际生产数据，还可以节约每吨尾矿外排尾矿库产生的运营成本费用（约为4.0元/t），合计144万元/a。由此可见，采用胶结充填采矿工艺从经济效益上分析是完全可行的。

3.3 优化后采矿工艺对比分析

采矿工艺优化后，460 m采区矿体平均厚度约为18 m，矿体走向长度短，矿石平均品位低，磁性铁占比小。经过多方案的比选分析认为应选择高效率低成本的采矿方法。460 m采区推荐采用30 m分段高度的分段空场嗣后充填法，见图1。其凿岩落矿工艺与大直径深孔侧向崩矿相同，凿岩钻具消耗低，充填水泥用量小，采矿成本低。

340 m采区采用一定安全措施的分段空场嗣后充填（图2）或边采边充的点柱式上向水平分层充填法（图3）或成本稍高的上向进路充填法（图4），均可以适用于340 m采区矿体的回采。因矿体下盘距离F4断层较近，采用分段空场嗣后充填法的安全性存在一定的风险，且不利于采区协调，贫损指标不易控制。上向进路充填法与机械化点柱式上向水平分层充填法回采工艺安全性较好，有利于采区协调和贫损指标控制。以上3种采矿方法采掘设备投资相当。通过对各种采矿方法的盘区工序循环图表的计算，3种采矿方法的生产能力基本没有差别，综合的盘区生产能力约为350～400 t/d。根据3种采矿方法的生产工艺，对疆锋铁矿矿体的采准系统进行布置，对爆破材料、支护材料、钻具材料、充填材料、轮胎及油类的消耗进行测算，其结果见表1。3种采矿方法的可比成本：上向进路充填法最高约为77.58元/t；机械化点柱式上向水平分层充填法次之，约为68.57元/t，而分段空场嗣后充填采的采矿成本最低，约为55.03元/t。

通过对340 m采区进行投资及生产成本的测算，3种采矿方法净现值基本相当，基本可以认为在经济上是相同的。

在安全性方面，3种采矿方法中上向进路充填法的安全性最高，机械化点柱式上向水平分层充填法次之，而分段空场法的安全性最差。但鉴于矿体属于Ⅲ～Ⅳ类岩石，而上、下盘围岩的稳固性受到断层的影响较大，因此，对于340 m采区具备空顶条件时，主要推荐采用机械化点柱式上向水平分层充填法开采，而对于矿体稳固性极差且不具备空顶条件的盘区采用上向进路充填法开采，以上2种采矿方法的采准系统布置相同，采矿工艺可以相互转换，对采切工程的制约较小。厚度10 m以下的单层矿体采用点柱式上向水平分层充填法或上向进路充填法时，其生产能力较低，采准工程量大，此时采用分段空场嗣后充填采矿法较为合适。

根据采矿工艺的深入优化和对比分析，疆锋铁矿Ⅱ号矿段优化为充填采矿法后，可以最大限度地确保地表不会发生大面积的沉陷，避免了地表的征地难题和高额的征地费用，同时还可以确保地下水不受到开采影响。上向进路充填法和机械化点柱式上向水平分层充填法均采用浅孔凿岩落矿，根据矿山生产的实践经验，采用浅孔爆破掘进的过程中爆破震动对地表的村庄无影响。

综上，为适应新的发展需求，疆锋铁矿在采矿工艺方面一直进行研究和探索，通过详细的对比和分析，将Ⅱ号矿段从最初的无底柱分段崩落法优化为分段空场嗣后充填法和点柱式上向水平分层充填法，技术上可行，经济上合理（表1）；既提高了资源的综合回收率，又有效地保护了地表不发生较大变形位移和沉降坍塌，进一步降低了对地表的破坏［5］；既能让部分尾矿和废石充入井下采空区、减少地表排废量，又保护了地表工业区的环境，增强了地下开采的安全性，同时也符合国家“绿色矿山”的产业政策，从源头上保障了企业的可持续发展。

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4 结 语

从上述分析可以看出，充填法工艺更符合国家产业政策的发展方向，既减少了外排尾矿和废石量［6］，又能有效治理采空区安全隐患，随着高产、高效现代化矿山生产的需要，这类充填水泥用量小且综合成本较低的采矿工艺必将会受到更多地下矿山开采企业的关注，运用前景广阔。