极薄矿体采矿经济模型及应用*

刘恩彦,刘福春,熊有为,雷显权,刘艳红

(1.长沙有色冶金设计研究院有限公司,湖南 长沙 410019;2.深井矿山安全高效开采技术湖南省工程研究中心,湖南 长沙 410019)

0 引言

金、钨及锡等稀贵金属,常赋存于极薄矿脉,其厚度常小于0.8 m[1]。对于该类矿体资源,国内常采用浅孔留矿法、削壁充填法及分段空场法开采[2-3]。如茅坪钨矿[4]、鑫达金矿[5]等采用浅孔留矿法,其采矿成本约为30元/t,生产能力约为50 t/d,贫化率约为60%;三河铅锌矿[6]、瑶岗仙钨矿[7]等采用削壁充填法,其采矿成本约为60元/t,生产能力约为20 t/d,贫化率约为20%;首云铁矿[8]、鑫汇金矿[9]等采用分段空场法,其采矿成本约为20 元/t,生产能力约为100 t/d,贫化率约为80%。

通过上述案例的技术经济比较,可发现采场采幅、矿石品位及贫化率等指标对采场回采的经济效益有极大的影响。因此,对于极薄矿脉,采用经济方法评价采矿工艺参数的合理性是极其重要的。

本文以广西某钨矿极薄矿体回采为工程背景,建立以采幅和矿石品位为核心参数的经济模型,评价极薄矿脉的可回采性,为矿山设计合理的回采参数提供依据。

1 工程技术条件

1.1 工程地质条件

广西某钨矿具工业价值的矿脉有81条,脉幅一般为0.1～1.5 m,工业矿脉平均脉幅为0.42 m,平均倾角为70°,顶底板围岩主要为灰岩,矿岩硬度系数f=8～12,整体稳定性较好。

石英脉状矿体产状变化复杂,常见有缩小膨胀、错动弯曲和分支复合等现象,变化方向具有极大的不确定性。

1.2 矿脉分布特征

对该钨矿正回采生产中段的矿脉进行统计和分析,见图1和表1。由图1和表1可知,该中段共有13条穿脉,其中脉幅小于0.3 m 的矿量占该中段矿量的32%,脉幅在0.3～0.4 m 的矿量占该中段矿量的25%,脉幅大于0.4 m 的矿量占该中段矿量的43%。

表1 矿量分布比例

图1 矿脉分布

分析矿脉分布特征可发现,0.4 m 厚度以下的矿体约占55%,比重较大,如不回采会造成矿产资源的损失,但进行矿体开采又可能无法产生足够的经济效益,造成亏损。因此,需要通过技术经济综合评价该部分矿体的可回采性,为该部分极薄矿体的开采提供依据。

1.3 采矿方法

该矿主要采用浅孔留矿法方法[10],如图2 所示。采场沿走向布置,长为50 m,宽为矿体水平厚度,同时为满足人员、设备作业空间需求,采场最小宽度为1.0 m,高50 m,顶柱厚3 m,底柱厚5 m,间柱厚6 m。主要采切工程为沿脉运输巷、人行通风天井、采场联络道、充填井等。采用自下而上分层回采,分层高度为2.5 m,在每分层开展凿岩、通风、出矿、平场及松石处理等作业。

图2 浅孔留矿法(单位:m)

2 采矿经济模型

极薄矿体的厚度基本在0.8 m 以下,故回采过程中还需要开挖大量围岩。如采幅过小,则采场生产能力小,生产中段所布采场数多,同时井下的生产人员及设备也需要增加,增加矿山生产管理的难度;如采幅增大,则增加回采贫化率,开挖废石量增多,使运输成本增加,影响采矿经济效益。因此,通过经济技术指标建立采矿经济模型,综合比较确定合理采幅,是保障采矿作业取得最佳经济效益的关键措施。

2.1 采幅系数

为便于采矿过程中采幅的优化设计,本文定义采幅系数Km,即为采场宽度与矿体厚度的比值,其计算公式为:

式中,Km为采幅系数;wk为矿体厚度,m;w为采场厚度,m。

极薄矿体回采过程中,采幅系数的增大会增加废石的混入,从而增加矿石贫化率,其计算公式为:

式中,β为矿石贫化率。

2.2 综合地质品位

该矿为多金属矿床,主金属为钨,锡为伴生金属,为便于计算,根据等值原理将伴生金属换算为主金属钨,并计算矿块的综合地质品位。

伴生金属品位换算公式[11]为:

式中,K为伴生金属品位换算系数;ε1为钨回收率,%;ε2为锡回收率,%;p1为钨价格,元/t;p2为锡价格,元/t。

矿块综合地质品位计算公式为:

式中,α为矿块综合地质品位,%;αW为钨平均品位,%;αS为锡平均品位,%。

2.3 经济模型

针对极薄矿体,矿体厚度及品位对可采矿量的圈定范围影响极大,需要采用盈亏平衡法计算不同采幅系数的单位矿石收益,得出矿石贫化率、矿石品位及采幅系数的数学模型,寻求获取最大利益的临界点,进一步确定最适合的采幅。

单位矿石的综合生产成本主要为采矿成本、运输成本、抛废成本和其他成本,其计算公式为:

式中,C为综合生产成本,元/t;C1为采矿成本,元/t;C2为运输成本,元/t;C3为抛废成本,元/t;C4为其他成本,元/t。

单位矿石的经济效益主要为金属销售收入和废石加工收入,其计算公式为:

式中,P为经济效益,元/t;P1为金属销售收入,元/t;P2为废石加工收入,元/t;pf为废石价格,元/t。

根据盈亏平衡法[12],当单位矿石的综合生产成本和经济效益相等时(C=P),即可求得临界点。因此,采矿经济模型为:

3 采矿经济模型的应用

根据调研统计,该矿的采矿成本为280元/t,运输成本为25元/t,抛废成本为15元/t,其他成本为10元/t;钨回收率为80%,销售价格为20 万元/t,锡回收率为65%,销售价格为13万元/t,废石销售价格为60元/t。因此,可建立适用该矿的采矿经济模型:

3.1 经济模型的变化规律

3.1.1 综合地质品位对采幅系数的影响

采幅系数和综合地质品位呈线性关系,随着综合地质品位的增加而增大,如图3所示。当矿脉综合品位为0.6%时,矿块采幅系数为3.11;当矿脉综合品位为1.2%时,矿块采幅系数为6.05;当矿脉综合品位为1.8%时,矿块采幅系数为9.21。

图3 采幅系数变化规律

3.1.2 综合地质品位对贫化率指标的影响

综合地质品位对于极薄矿体回采中可接受的贫化率指标有极大影响,两者呈指数关系,如图4所示。当矿脉综合品位为0.5%时,矿块回采时的最大贫化率为59.05%;当矿脉综合品位为1.0%时,矿块回采时的最大贫化率为80.13%;当矿脉综合品位为1.5% 时,矿块回采时的最大贫化率为86.88%;当矿脉综合品位为2.0%时,矿块回采时的最大贫化率为90.21%。

图4 贫化率变化规律

3.1.3 综合地质品位和脉幅对采幅的影响

采幅是极薄矿体开采的重要技术参数,主要受矿体脉幅和综合地质品位的影响,矿体脉幅越大,综合地质品位越高,则采幅越大,如图5 所示。其中,综合地质品位对采幅的影响较高,而脉幅对采幅的影响相对较低,尤其是低品位区间,综合地质品位是占主导地位的,当矿脉处于高品位区间时,综合地质品位和脉幅的影响效果趋于一致。

图5 品位和脉幅对采幅的影响规律

3.2 采矿经济模型的应用

以该矿的生产中段为主体研究对象,开展脉幅、矿石品位等生产指标的调研统计分析。并选取20个典型的矿脉,采用上述采矿经济模型进行具体分析。选取采幅参数,结合该矿采矿方法要求的采场结构参数要求,对试验采场进行综合评价,确定最适宜的采幅参数,如表2所示。

表2 采幅参数

其中4260等5个采场的采幅过小,无法同时满足技术和经济方面的要求,故不具备开采价值。如3624采场,其平均脉幅为0.48 m,综合地质品位为0.27%,按采矿经济模型选取的采幅为0.6 m,而采场回采的最小设计宽度为1.0 m,未满足采矿技术标准,故该采场不宜开采。而2446等15个采场,在具备经济效益的条件下,根据现场采矿工程需求,推荐了适宜的采幅,如4911 采场,其平均脉幅为0.7 m,综合地质品位为0.55%,按采矿经济模型选取的采幅为1.9 m,结合现场采矿方法设计要求,确定该采场的采幅为1.5 m。

4 结论

(1) 分析广西某矿的工程技术条件,其脉状矿体产状变化复杂,平均脉幅为0.42 m,其中0.4 m厚度以下的矿体约占55%,主体采矿方法为浅孔留矿法。

(2) 采用矿石综合地质品位、脉幅及采幅等经济技术指标,定义采幅系数,采用盈亏平衡法,建立采矿经济模型。

(3) 矿体脉幅和综合地质品位对采幅均有影响。当矿脉品位较低,综合地质品位影响较大;当矿脉品位较高,综合地质品位和脉幅的影响效果相差不大。

(4) 根据该矿的经济技术指标调研结果,建立适宜该矿的采矿经济模型,并结合采矿方法的采场结构参数要求,综合评价选取的典型试验采场,确定最适宜的采幅参数。