基于有效开拓巷道的合理开拓工程研究

李俊超 许梦国 王 平 朱明德 谢 峰

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院;2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室)

矿山在开采过程中，必须首先建立满足采矿方法工艺流程的开拓系统，保有足够的开拓矿量［1-2］，达到矿山安全、连续生产的条件。不同的采矿方法、矿体赋存条件、开采技术条件、矿山规模，对矿山开拓矿量储备的要求也有差别，硬性地规定3 a保有期的开拓矿量已经失去了实际意义。传统的开拓矿量研究着重于开拓矿量保有期，只要求满足中段开拓时间［3-4］，忽视了开拓工程的影响。不考虑中段开拓工程的影响，不同矿山采用统一开拓工程指标，容易引起开拓矿量保有不足，造成中段开采后期开拓工作紧张的局面。不同的赋存条件，矿山的开拓工程差别很大。因此，有必要研究开拓工程与矿体赋存条件、开拓矿量与开拓工程量的关系，合理安排开拓工程，保证矿山开拓矿量稳定。

1 开拓矿量与有效开拓巷道

1.1 开拓工程与开拓矿量

开拓矿量是矿山生产的基础，是衡量矿山开采矿量储备情况的一个重要指标，其数值与矿体产状及开采技术条件有关。矿山中段开拓工程主要有巷道掘进、天溜井施工、硐室施工等，其工程量是矿山作业组织施工的依据。矿山开拓矿量的形成与产生是以开拓工程为前提的，开拓工程的完成标志着开拓矿量的一次性产生。

为了建立矿山开拓矿量与开拓工程量之间的联系，反映两者的内在关系，需做一些假设:①单一矿体，较规则，沿走向方向连续;②矿体走向长度近似于沿脉运输巷道长度;③井底车场、石门及穿脉经过围岩的长度为定值;④矿体开采技术条件良好，不考虑矿柱设计损失;⑤开拓工程以巷道长度为指标。

这里定义l为矿体沿走向长度，k为平均厚度，h为中段高度，c为井底车场和石门工程量，L为中段开拓巷道总工程量，Q为开拓矿量，ρ为平均密度，l1为穿脉运输巷道间距，lf为穿脉巷道经过围岩的工程量。研究以竖井开拓为例，其环形运输布置中段平面简图如图1所示。

图1 竖井开拓环形布置中段平面示意

1.2 说 明

(1)开拓工程。开拓工程用井底车场、石门、沿脉和穿脉工程量之和表示，结合矿体的产状，可以建立以矿体长度和矿体厚度为自变量的开拓工程量数学模型:

当k为常数，l为自变量时，对l求导，有

当l为常数，k为自变量时，对k求导，有

比较得到L'l＜L'k，说明矿体厚度对开拓工程量的影响比沿走向长度的影响更大。l远大于l1，其变化率L'k非常大，说明矿体厚度对开拓工程量起主要作用。

(2)开拓矿量。忽略矿体产状变化及矿体不均匀的影响，依据几何关系建立开拓矿量模型:

当k为常数，l为自变量时，对l求导，有

当l为常数，k为自变量时，对k求导，有

比较得到Q'l＜Q'k，说明矿体厚度对开拓矿量的影响大于矿体走向长度的影响，即厚度对开拓矿量的贡献更大。

(3)开拓工程与开拓矿量。将式(1)和式(4)联系起来，建立开拓工程和开拓矿量联系的数学表达式:

当开拓矿量Q一定时，对矿体厚度k求导，有

L'＜0，说明开拓矿量一定时，开拓工程函数为减函数，随着矿体厚度变大，开拓工程总量降低，即单位矿量所需的开拓工程更少。

1.3 有效开拓巷道

定义有效开拓巷道为穿脉经过矿体的部分，其工程称为有效开拓工程，用Ly表示，相对而言，未穿过矿体的巷道工程称为无效开拓工程。开拓工程利用率为有效开拓工程量与中段开拓工程量的比值，用α表示。

不同的矿体赋存条件(尤其是厚度)，所需的矿山开拓工程差异很大。开拓工程中，井底车场及石门、上下盘沿脉运输巷道均布置在围岩中，且远离矿体，穿脉运输辅助巷道靠近矿体，这些开拓工程不因矿体厚度的变化而产生太大改变，也未与矿体产生直接作用，对矿体产状变化是没有贡献的，对矿体是无效的。有效开拓巷道穿过矿体，其工程量随矿体厚度而改变，有效开拓工程越大，控制的开拓矿量也越多。矿体规则时，有效开拓工程为矿体厚度和穿脉巷道数量的乘积。开拓工程利用率反映了有效开拓工程的实际利用情况，表达式为式(9)，矿体规则时可以使用式(10):

随着矿体厚度增大，有效开拓工程增多，α变大，开拓工程利用率越高。矿山可以采用有效开拓工程和开拓工程利用率对开拓系统进行评价，以进行矿山开拓组织安排的调整。

1.4 合理性验证

以金山店铁矿张福山西区－410 m中段为例，矿体规则，符合假设条件，可以对开拓工程表达式的实用性及合理性进行验证。这里只考虑沿脉和穿脉工程量，不计井底车场和石门，因此需要去掉各式中的c。将数据(见表1)代入式(7)中，可算得

表1 金山店铁矿相关参数

现场实际开拓工程量为4 744.3 m，计算开拓工程量为4 617.7 m，计算结果的误差仅为2.7%，说明当矿体规则及开采技术条件稳定的情况下，公式是合理的，能够反映实际情况。

2 金山店铁矿开拓系统

2.1 开采现状

金山店铁矿张福山矿区采用无底柱分段崩落法作为矿床开采的主导采矿方法，结构参数为中段高度70 m，分段高度14 m，进路间距16 m。矿山分东区和西区，2区生产下降不均衡，西区已达－340 m水平，距－410 m有4～5个分段，东区仍停留在－340 m中段－284 m、－298 m水平。西区为Ⅰ号矿体开采，－340 m水平正在回采，部分矿块进行切割和中深孔施工，－354 m水平主要进行采准工作。东区开采分为Ⅰ号矿体和Ⅱ号矿体2部分，－298 m水平正在进行回采作业，－312 m水平进行采准工作。

2.2 开拓系统现状

新主井井口标高+107.3 m，井筒净直径5.6 m，井底标高－828 m，担负矿石、废石提升任务。中央副井井筒净直径6.5 m，井口标高+107 m，井底标高－520 m，用以提升人员、材料，下放设备，最低服务至－410 m中段。采用中央副井、中央主井、西副井进风，东副井、西回风井、新主井分区出风的两级压抽结合通风系统［5］。采用集中式排水方式，－410 m中段中央副井旁设中央变电所及水泵房，－340 m中段的涌水通过泄水井到－410 m水仓，－410 m中段涌水通过中段运输大巷流至水仓，用水泵排至地表。－450～－590 m之间设置溜破系统，粉矿回收通过电梯井提升至皮带道。

2.3 －410 m以下开拓系统设计

采用充填法和无底柱分段崩落法共同开采矿体，其中东区不做改变，西区改为充填法，中段高度由70 m增加至90 m，设置－500、－590、－680 m 3个中段，－410m中段开采完毕立即转入－500 m中段。新主井提升矿石、废石，副井延伸至－817 m，可服务至－680 m，－750～－780 m之间新建一溜破系统，新增一东进风井，采用集中式排水，－680 m水平设置水仓和水泵房。

3 开拓系统分析

3.1 开拓矿量

西区生产在 －410 m中段进行，开拓矿量为－340 m剩余矿量、－340～－396 m之间矿量，保有713.3万t。东区开采服务在－340 m中段，开拓矿量为－284 m及－298 m分段剩余矿量、－298～－326 m之间矿量和－410 m中段开拓矿量总和，保有931.3万t。矿山开拓已经达到－410 m中段，东西区保有开拓矿量总和为1 644.6万t。

3.2 开拓矿量保有期

开拓矿量保有期Tk为

式中，K为矿石回采率，取82%;A为矿山年生产能力，万t/a;r为废石混入率，取22%。

按矿区年生产能力230万t，开拓矿量综合保有期为7.5 a，若依据目前东西区生产能力，西区开拓矿量保有期为4.7 a，东区开拓矿量保有期为14.0 a。目前东区正在加紧掘进工作，生产能力逐渐提高，直至达到设计规模。考虑到生产能力的变化，西区保有期为6.6 a，东区保有期为8.3 a。

3.3 开采下降速度

矿山年开采下降速度

依目前生产状况，西区下降速度可达13.6 m/a，生产能力降低后，下降速度为8.5 m/a。东区仍停留在投产阶段，下降慢，随着生产能力达到设计值，下降加快。综合东西区，矿山的下降速度为12.5 m/a，其值是合理的，但要平衡东西区生产，降低下降差距［6］，使其同步下降。

3.4 开拓系统分析

东西区生产状况差异很大，西区承担了主要的生产任务，下降较快，随着东区达产，西区下降减缓，东区下降将加快。依照生产计划，西区开拓矿量保有期为6.6 a，东区8.3 a。－500 m中段矿体开采，需完成井筒延伸、巷道掘进、硐室施工和设备安装，同时要进行一定矿量的开采准备工作，其所需时间为6.5 a左右。

－410 m以上矿体开采开拓矿量保有期已经和下中段矿体的开拓工程时间相近，考虑到开拓过程中的不确定性因素影响，可能出现工程难以按进度完成的状况。由此可见，矿山已经面临开拓矿量保有不足的局面。开拓矿量随开拓工程的完成而产生，矿量不足，说明开拓工程安排不合理。

4 开拓工程优化

开拓工程决定开拓矿量，其合理性影响着矿山生产的连续性。应对不同赋存条件矿山的开拓状况进行比较，依据有效开拓工程，优化矿山开拓工程，使开拓矿量保有量满足矿山生产需要。

4.1 金山店矿床地质

金山店铁矿矿田位于淮阳山字型构造的前弧西翼与幕阜山为主体的杨子纬向构造带间的过渡地带，张福山矿床位于矿田中部，金山店侵入杂岩体南缘中段。矿床为矽卡岩型铁矿床，发生了热力变质作用和接触交代变质作用。

Ⅰ号矿体西起3号勘探线以西，东至44号勘探线，东西长2 690 m，走向 NE77°～SE126°，倾向SE172°～SW203°，倾角50°～85°，赋存标高+110～－1 100 m，形态较简单，在平面上呈条带状展布，平均厚度24.79 m。Ⅱ号矿体的规模在矿床中仅次于I号矿体，位于Ⅰ号矿体东段北侧，两者相距15～120 m，东西长1 020 m，走向近东西，一般倾向南，倾角50°～81°，矿体赋存标高为70～－719 m，平均厚度26.36 m，具有上薄下厚、东厚西薄变化特征。

4.2 某铁矿矿床地质

某铁矿是一个大型接触交代(矽卡岩型)磁铁矿床，矿区地层出露较简单，主要为三叠系和部分下侏罗系，第四系仅在地表分布，大地构造上位于淮阳山字型构造前弧西翼近弧顶的部位。铁矿体大部赋存在花岗岩与闪长岩、大理岩的接触带上，28号至59号勘探线，分布范围东西长约2 200 m，赋存标高在+60～－1 055 m，一般为北西西走向，倾向南西，倾角一般为15°～46°，浅部倾角较陡(46°左右)，深部一般倾角较缓(15°～30°)，厚度一般在50～70 m左右。

4.3 开拓工程对比

将2个矿山典型中段的开拓工程和开拓矿量进行统计，具体数据见表2。

对比2矿山的开拓工程和开拓矿量，金山店铁矿的矿体厚度相比某实例矿山比较小，其有效开拓工程、开拓工程利用率、中段开拓矿量都比较小，而开拓工程却很大。

表2 开拓工程量和开拓矿量对比分析

4.4 开拓工程优化

矿体厚度越小，开拓工程利用率越低，单位开拓工程所控制的开拓矿量越少。同等生产能力，要保有同等开拓矿量，厚度小的矿山需多中段开采［7］，即完成多个中段的开拓工程。开采阶段数相同时，为了确保开拓矿量相等，保证矿山生产顺利进行及中段合理衔接，厚度小的矿体就要提早进行开拓工程，增大开拓工程组织。

金山店铁矿－340、－410m 2个中段同时开采，但开采不在同一竖直方向，从本质上是单中段开采方式。矿山矿体厚度较小，有效开拓工程比例小，单位开拓矿量所需的开拓工程量大。按目前的开拓工程安排，中段过渡将出现困难，为了生产的正常进行，矿山需加大开拓工程指标。

5 结论

通过对开拓工程和开拓矿量的分析，建立了两者之间的关系，具有一定的合理性与实用性。依据金山店铁矿的开拓系统及开采现状，其开拓矿量保有不足，开拓工程滞后。不同赋存条件，矿山的开拓系统利用情况和开拓工程差别很大，主要为有效开拓巷道的作用。使用有效开拓工程对金山店铁矿开拓工程优化的结果是:矿山应增加开拓工程计划，保有合理开拓矿量。

［1］ 解世俊.金属矿地下开采［M］.北京:冶金工业出版社，1986.

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