镜铁山矿倾斜矿体上盘边角矿回采方案研究

龚文柏 吴万君

（酒钢集团宏兴股份公司镜铁山矿，甘肃嘉峪关735100）

无底柱分段崩落法具有采矿工艺简单、技术成熟、效率高、成本低、安全性好等优点，尤其适用于急倾斜厚大矿体开采，在国内外有着广泛的应用［1-3］。由于热液型矿床以及部分沉积变质型矿床受原始地形或地质构造作用影响，导致急倾斜矿体倾角发生变化。当急倾斜矿体变为倾斜矿体时，若还按照急倾斜矿体的回采方式布置采切工程，将会在矿体上盘或者下盘处留下三角形的边角矿，从而产生较大的矿石损失率［4-5］。

针对倾斜矿体的上盘或下盘处三角形边角矿残留问题，部分学者采用了特殊的技术措施进行回收。李元辉等［6］根据数值模拟结果分析了矿体下盘倾角与下盘矿石残留量的关系，通过技术经济分析方法研究了下盘岩石的最佳开掘高度；孙毅民等［7］采用充填采矿法回收了三道湾子金矿的上下盘残矿；马春华等［8］采用空场嗣后充填与充填采矿法相结合的采矿方法回采了倾斜厚矿床的上盘破碎矿体；刘娜等［9］针对小汪沟铁矿下盘残矿回收问题，提出了分段之间设置一条垂直于回采巷道的下盘沿脉进路的方法，有效回收了下盘残留体；史海明等［10］采用扇形炮孔逐孔起爆技术回收了上盘三角区域矿体；刘娜等［11］针对倾斜矿体分段崩落法开采下盘矿石损失问题，提出了下盘崩落矿石无覆岩时空场下放矿、有覆岩时开掘斜堑沟回采的工艺流程，扩大了下盘崩落矿石的移动范围，以此来实现增大采场结构参数与控制矿石下盘损失的目标；李英碧等［12］采用“垂直分区”、“组合放矿”等工艺优化了中深孔炮孔布置参数，缓解了矿石损失和贫化严重的问题；于伟［13］通过在孝义铝土矿原开采工艺的基础之上增加反铲和穿孔爆破工序，避免了出现三角矿体开采问题；陈勃等［14］通过优化采场退采方向、切割槽位置、分段联络巷道布置等措施提高了矿石回收率。综上所述，现有研究主要是从开采工艺、采场结构参数、巷道布置形式、炮孔布置方案等方面减少矿石损失或避免出现三角形边角矿的残留问题。

上述研究对于镜铁山矿I#矿体开采具有一定的借鉴意义，但在解决该矿I#矿体上盘边角矿回收难题时，需要结合该矿的具体回采工艺，研究设计脉内和沿矿岩边界两种分段沿脉巷布置形式。本研究采用层次分析法优选出可行的倾斜矿体上盘边角矿回采方案，为镜铁山矿开采作业提供一定的技术参考。

1 矿山概况

镜铁山矿桦树沟铁矿床属于火山沉积变质热液叠加成因矿床［15］，I#和Ⅱ#矿体为主矿体，其中 I#矿体局部倾角变缓，为本次研究的对象。I#矿体呈似层状产出，倾角一般为65°，局部为46°，深部较陡。矿体走向长1 403.72 m，延深240～650 m，厚度为2～101 m，平均35.76 m。

桦树沟矿区矿石和围岩稳定，采用无底柱分段崩落法开采［16-17］，其主要工艺特点为：中段高度60 m，分段高度15 m，凿岩联巷（沿脉巷）沿矿脉走向布置在各分段的上盘脉内，凿岩进路（穿脉巷）每隔12 m垂直于矿脉走向，上下分段的穿脉巷呈棱形布置。回采采用中深孔爆破方式，切割拉槽后由穿脉端部向上盘沿脉巷方向退采，穿脉退采至沿脉巷附近时，沿着沿脉巷一侧向矿块另一侧退采。井巷掘进主要采用Boomer 282掘进台车，中深孔凿岩采用SimbaH1354深孔台车，崩落矿石运搬采用LH409E电动铲运机。

由于采准工程内有效揭露的矿体倾角存在缓化问题，原上盘沿脉巷内的中深孔难以控制上盘三角形边角矿体边界，因此在原上盘沿脉巷与矿岩边界中间另外布置了一条脉内沿脉巷，称为上盘脉内双沿脉巷布置，如图1所示。该布置形式多施工了一条脉内沿脉巷，明显增加了采准工程量，提高了采切比，延长了采准工期。因此，有必要根据桦树沟矿区的回采工艺特征，针对上盘三角形边角矿回收问题提出相应的回采方案。

2 倾斜矿体上盘边角矿回采方案

针对现有的上盘脉内双沿脉巷方案优化问题，主要有两种解决方案：①加强穿脉巷的控矿能力，穿脉巷两端分别控制矿体上下盘边界，各分段沿脉巷沿上盘矿岩边界布置；②加强沿脉巷的控矿能力，优化沿脉巷距离上盘矿岩边界的位置及其中深孔布置方式，即在合理位置布置一条沿脉巷，并优化中深孔排面中边孔角度，使上盘残留的三角形边角矿更易于崩落并回收［3］。本研究设计的回采方案论述如下。

2.1 脉内布置沿脉巷方案

为尽可能对沿脉巷上盘残留的三角边角矿进行中深孔控矿，尽量减少穿脉巷向上盘方向的延伸长度，并兼顾凿岩设备运行效率对孔深和边孔角度的要求，确定单沿脉巷与矿体边界的距离为22.5 m，上下分段沿脉巷在水平投影方向的距离为15 m［3］，如图2所示。

结合图2，中深孔布置方案具体进行如下设计：

（1）穿脉巷内中深孔布置范围为距离上盘矿岩边界约38 m左右处至矿体上盘矿岩边界，更靠近下盘区域的中深孔与矿山原有设计方案相同。

（2）下分段穿脉巷在上盘方向超出上分段穿脉巷的部分（约15 m）布置7排中深孔，排距2.2 m，边孔角为55°。

（3）沿脉巷内中深孔排面为非对称布置形式，排距2.2 m。为减小下分段崩落三角区域矿石的难度，尽可能在本分段崩落，因此靠近上盘方向的边孔角应适当减小，本研究设计了15°、30°、45°3种上盘边孔角方案，下文将对各方案的技术经济参数进行详细分析和研究。

（4）穿脉内的中深孔排面高度也各不相同，其控矿原则为：孔底应控制到上分段沿脉巷回采后边孔下方留下的矿体，排面线高度随着向上盘方向靠近而逐步抬高［3］。

2.2 沿矿岩边界布置分段沿脉巷方案

为便于计算，取上盘变缓的矿体倾角为45°，分段高度和进路间距仍保持不变，向上盘方向延长穿脉巷的长度，使穿脉巷更加接近上盘矿岩边界。分段沿脉巷沿矿岩边界布置，巷内不布置中深孔，三角区域的矿石主要由穿脉巷的中深孔控制，靠近上盘区域的中深孔为排面角度不等的倾斜排列方式，如图3所示。中深孔布置方案具体论述如下：

（1）穿脉巷内中深孔布置范围为距离上盘矿岩边界约38 m左右处至矿体上盘矿岩边界，更靠近下盘区域的中深孔与矿山原有设计方案相同。

（2）由远离上盘矿岩边界方向向后对各排中深孔进行依次编号，其中1～10排中深孔控矿至上分段两穿脉脊部，孔口排面间距为2.2 m；a～g排控矿至上分段沿脉巷，孔口排面间距为2.0 m，主要为回收三角区域的矿石而布置［3］。

（3）1～5排为垂直排，6～10及a～g排为排面角度递减的倾斜排。

3 倾斜矿体上盘边角矿回采方案初步评价

根据以上不同回采方案的对比分析，沿矿岩边界布置分段沿脉巷方案和脉内布置沿脉巷方案的主要优缺点比较见表1。

根据倾斜矿体回采方案设计，选用一定区域的矿体进行技术经济分析计算，并对提出的4种倾斜矿体上盘边角矿回采方案即脉内布置分段沿脉巷方案（边孔角15°）（方案Ⅰ），脉内布置分段沿脉巷方案（边孔角30°）（方案Ⅱ），脉内布置分段沿脉巷方案（边孔角45°）（方案Ⅲ）和沿矿岩边界布置分段沿脉巷方案（方案Ⅳ）进行综合比较。

拟选定的计算回采区域为从上盘矿岩边界向下盘方向38 m，高度为一个分段15 m，宽度为进路间距12 m，靠近上盘方向为45°斜面，靠近下盘方向为垂直面，矿石体积为5 490 m3，密度按3.59 t/m3计，则矿石量为19 709.1 t。中深孔排距按2.2 m计算，计算区域沿脉巷内布置5排中深孔［3］。根据方案I～IV的工艺特征及初步对比（表1），其生产组织评价及技术经济指标见表2。表2中，桦树沟矿区Ⅰ-Ⅱ矿体膨化硝铵炸药单耗按0.85 kg/kt计算，膨化硝铵炸药单价按5.46元/kg计算。

4 基于AHP的倾斜矿体上盘边角矿回采方案优选

层次分析（AHP）法将研究对象作为一个系统，按照分解、比较判断、综合的思维方式进行决策，可将定性方法与定量方法有机结合起来，使复杂的系统分解，能将人们的思维过程数学化、系统化，适用于对无结构特性的系统评价以及多目标、多准则、多时期的系统评价［18-19］。

4.1 优选模型建立

层次结构优选模型一般包括目标层、准则层和方案层。目标层即为层次法优选的总目标；准则层由层次分析法优选过程中的评价原则组成，一般称为评价指标；方案层由被选择的各方案组成。本研究层次优选的目标层为倾斜矿体上盘边角矿回采方案。方案层为本文第三章提出的4种倾斜矿体上盘边角矿回采方案，即方案I～IV。根据表2中倾斜矿体上盘边角矿回采方案的评价指标，由此建立的基于AHP的倾斜矿体上盘边角矿回采方案优选模型如图4所示。

4.2 评价指标权重确定

结合已有研究成果［18-19］，“生产组织”和“技术经济”两个因素同样重要，即第一层准则层对目标层的权重均取0.5。

第二层准则层关于第一层准则层的权重两两判断矩阵见表3和表4。

第二层准则层对“生产组织”和“技术经济”的排序权重向量分别为

全部评价指标的最终权重为

4.3 评价指标属性值确定

方案层（P1、P2、P3和P4）关于第二层准则层（12个评价指标）的12个判断矩阵如下：

4.4 回采方案排序

对以上12个两两判断矩阵进行一致性检验后，计算得到的12个向量分别为

于是，评价指标矩阵为

方案层关于目标层的总合成排序向量为

W=U⋅w=[0.213,0.201,0.198,0.388]Τ，

即沿矿岩边界布置分段沿脉巷方案（方案Ⅳ）为最优方案。

5 工业化试验

镜铁山矿桦树沟矿区Ⅰ-II矿体为急倾斜厚大矿体，采用无底柱分段崩落法开采，目前进入2 655 m水平以下，中部局域矿体倾角变缓，上下水平矿岩边界错位20 m左右。形成的狭长薄矿体区域采用沿矿岩边界布置分段沿脉巷方案（方案Ⅳ）回采后，取得了良好效果。针对镜铁山桦树沟矿区倾斜矿体的三角区域，采用方案Ⅳ沿矿岩边界布置巷道，利用中深孔控矿技术和一种利用矿岩界线与爆破相结合的经济高效放顶方式（图5），达到了矿岩剥离的目的，形成了有效的矿石垫层及覆盖层，丰富了无底柱分段崩落法低贫化放矿技术，形成了科学合理的技术方法，为狭长薄矿体的工业化开采夯实了理论基础。该研究通过多回收矿石、降低贫化和减少工程量等措施直接经济效益能达到1 000万元/a左右。

6 结论

（1）针对镜铁山矿急倾斜矿体倾角缓化问题，为有效回收上盘三角区域矿体，从向上盘方向延长穿脉巷和改变沿脉巷内边孔角度两种不同的加强控矿思路出发，分别提出了沿矿岩边界布置分段沿脉巷和脉内布置分段沿脉巷两类适宜的回采方案。其中，脉内布置分段沿脉巷回采方案包括15°、30°、45°不同中深孔边孔角的3种方案，详细介绍了4种回采方案的实施方式。

（2）为对以上4种备选方案进行定量分析比较及回采方案优选，采用层次分析法构建了倾斜矿体上盘边角矿回采方案层次分析优选模型，得到4种回采方案的最终评价值分别为0.213、0.201、0.198和0.388。结果表明：沿矿岩边界布置分段沿脉巷方案为最优方案。优选出的方案在实践中取得了理想效果，经济效益显著，可满足该矿倾斜矿体上盘边角矿回采需求。