石人沟铁矿分期空场嗣后充填法的选择

石人沟铁矿分期空场嗣后充填法的选择

1矿体地质特征石人沟采石矿产于太古边界上的马兰峪群片麻岩中。磁铁石英岩矿体与角闪斜长片麻岩岩层相互平行产出,开采范围内有M0～M4号5层矿体,属多层矿,矿体内夹层为黑云角闪斜长片麻岩、含铁斜长片麻岩、磁铁石英岩及中基性岩脉。矿体走向近南北,向西倾斜,倾角50°～70°,平均倾角60°,属急倾斜矿体,矿体最大斜深达910m,走向长约2700m。该矿为鞍山式变质铁矿,矿石自然类型为石英岩型磁铁矿石。岩石普氏硬度系数f=6～10,矿石普氏硬度系数f=10～12,矿体与围岩均比较稳固。2开拓、采矿、充填采矿石人沟铁矿于1975年7月建成投产,采用露天开采,矿山设计规模150万t/a,矿山经过近30a的生产,目前露天开采已结束,石人沟铁矿露天转地下开采分三期进行建设。地下一期工程开采范围为南区(16号勘探线以南)0～-60m中段,规模为年产铁矿石60万t,竖井开拓,建有主井、副井和南风井各1条,采用浅孔留矿法采矿。地下二期工程开采范围为北区(16号勘探线以北)-16～-60m中段之间矿体,规模为年产铁矿石70万t,斜井开拓,建有主斜井、措施井、北风井各1条,采用浅孔留矿法采矿。一、二期工程开采已进入尾声。地下三期工程开采范围为-60～-180m中段的矿体,规模为年产铁矿石200万t,2005年设计采用主井、副井、辅助斜坡道开拓方案,主井为新掘三期主井,副井为新掘三期副井,无底柱分段崩落法采矿,并进行了基建工作。受尾矿库及地表错动界线范围内征地困难等因素的影响,2008年在开拓系统不变的情况下将采矿方法由无底柱分段崩落法调整为分段空场嗣后充填采矿法。目前基建工程即将结束。3采矿法的选择3.1尾矿库分段崩落法根据石人沟铁矿的矿体赋存条件和矿山开采现状,三期工程适合的采矿方法有无底柱分段崩落法、阶段强制崩落法、上向水平分层充填法和分段空场嗣后充填法等。我国从上世纪50年代就开始广泛使用崩落采矿法,而且发展很快。目前无底柱分段崩落采矿法在我国已经是一种被广泛应用的采矿方法,该采矿方法是一种技术先进,生产安全,经济效益较好的高效率采矿方法。充填采矿法在上世纪50年代起步,60年代由于水砂充填、胶结充填工艺的试验推广,在我国大型骨干有色金属矿山相继应用,70年代末到80年代,由于铲运机等无轨设备的引进,把充填法的效率提高到一个新的水平。随着我国铁矿石市场的持续走强,生产灵活、矿石损失贫化小、效率高的阶段空场嗣后充填法、分段空场嗣后充填法在黑色矿山也逐渐得到了应用。2005年根据当时的矿山建设条件,设计选择采矿成本较低的无底柱分段崩落法,2008年受尾矿库及地表错动界线范围内征地困难等因素的影响,无底柱分段崩落法已不适合石人沟铁矿三期工程,需对采矿方法进行调整,调整采矿方法时需解决以下几个困扰石人沟铁矿的问题:(1)尾矿库征地难度大、征地建设费用巨大。石人沟铁矿为一个采选联合企业,矿山设计规模200万t/a,矿山最终产品为单一铁精矿,经计算,每年产出尾矿95.68万t。矿山尾矿库位于矿区西部5km处的西大峪山沟内,设计库容3050m3,有效库容2300万m3,目前已使用1800m3,由于附近小选厂、小矿山的排尾、排矸,剩余有效库容165万m3,按三期工程年排尾量45～60万m3计算,现有尾矿库仅能使用约3a,但三期工程服务年限为26a,矿山马上面临扩容征地问题。根据目前土地政策、当地形势及占地乡村的态度,征地的难度及费用相当大。(2)尾矿库运营费用大。尾矿输送距离为5km,沿途经过几个村庄,每年补偿费用达数百万元,每2a尾矿库坝加高的工程费、补偿费达数十万元。尾矿库的管理和运行费用会更高,加重了企业负担。(3)采场地表征地费用高。采用无底柱分段崩落法开采,最终引起地表塌陷,矿山必须事先进行征地,迁移地表错动界线范围内的民居,且地表有大量的栗子树,其征地费用、补偿费用巨大。根据上述影响矿山开采的因素,初步将采矿方法调整为分段空场嗣后充填法,并对2种采矿方法进行了技术经济综合比较。3.22不同采矿方法的使用条件(1)矿石的金融资源地表允许塌落,矿体上部无较大水体和流砂;一般为中等价值以下的矿石,品位不高,并允许一定的损失和贫化;矿石不会结块自燃的中厚和厚矿体;对矿体赋存条件、矿岩物理力学性质具有广泛的使用范围,尤其对上盘围岩能成大块自然冒落和矿体中等稳固的矿床最为理想。(2)地下联合开采的安矿石和围岩破碎、稳固性较差、品位较高的富矿体;稀有、贵金属矿床;矿体形态变化较大,很不规则,分支复合现象严重,含夹石多的矿床;地表有建筑物、铁路、公路、水体、农田、果园、村庄等需要保护,不允许塌落;露天地下联合开采,露天开采需要安全保证;有发热、自燃、火灾、放射性等危害的矿床;地压较大、赋存深度较深的矿体;矿体垂深很大,需在垂直方向上分数区段同时开采的矿床;因某种原因,需由上而下回采的矿床。3.32两种采矿方法的优点2种采矿方法最根本的区别在于采空区的处理、矿石的损失贫化以及开采成本。(1)矿块构成要素无底柱分段崩落法随着矿石的回采,有计划地强制或自然崩落矿体上盘围岩来充填采空区,以控制和管理地压,空区崩落后地表形成塌陷坑。石人沟铁矿三期工程无底柱分段崩落法矿块构成要素见表1。该采矿方法的优点是结构简单,灵活性比较大,不留矿柱;回采工艺简单,便于使用高效的无轨自行凿岩、装运设备,实现采掘综合机械化;在巷道中作业,覆盖层下放矿,生产比较安全;劳动生产率较高,矿块生产能力大;生产管理较简单,原矿开采成本较低。其缺点是损失和贫化率较高,放矿管理要求严格;在独头巷道内作业,通风条件较差,需要有专门的局扇辅助通风;地表存在大型露天采坑,井下涌水量大,排水费用高。井下涌水量预测见表2。(2)种充填法采矿方法的比较分段空场嗣后充填法是采用充填料充填采空区,达到支撑围岩、控制岩移的目的,可有效保护地表的自然环境,减少购地搬迁费用。石人沟铁矿三期工程分段空场嗣后充填法矿块构成要素见表3。该采矿方法优点是回采工艺相对成熟,便于使用高效的无轨自行凿岩、装运设备,实现采掘综合机械化;矿石的损失、贫化低;选厂生产的尾砂和矿山生产的废石用以充填井下,可以实现尾砂和废石不排放或少排放;充填体可以阻隔一部分大气降水渗入井下,减小地下涌水外排。其缺点是生产工艺复杂,多了一道充填工艺,故原矿开采成本较高。井下涌水量预测见表4。3.42不同采矿方法的技术经济比较3.4.1崩落法的特点对石人沟铁矿三期供选用的2种采矿方法做了技术比较,结果见表5。从表5可以看出,分段空场嗣后充填法与无底柱分段崩落法相比,有以下特点:(1)矿石回采率提高7.59个百分点,采出品位提高1.61个百分点,精矿产量增加3.93万t/a,提高了资源利用率,按精矿售价800元/t计算,年多收入3144万元。(2)采场地表少征地8.37hm2,避免了村庄的搬迁。(3)尾矿得到了综合利用,尾矿库少占用土地7hm2,大幅减少了尾矿输送量。3.4.2分段空场祖后充填采矿法与无底柱分段崩落法的比较对石人沟铁矿三期供选用的2种采矿方法做了经济比较,结果见表6。从表6可以看出,分段空场嗣后充填法与无底柱分段崩落法相比,有以下特点:(1)采用分段空场嗣后充填法开采,充填体可以阻隔一部分大气降水渗入井下,减少地下涌水外排,大大减少了矿山排水费用。(2)采用分段空场嗣后充填采矿法矿山可比基建投资为4353万元,采用无底柱分段崩落法矿山可比基建投资为37175万元,前者比后者少32822万元,大大减轻了矿山基建期的经济负担。(3)分段空场嗣后充填采矿法比无底柱分段崩落法,年经营费高5160万元,但25a的分段空场嗣后充填采矿法净现值费用为30732万元,无底柱分段崩落法净现值费用为4353万元,前者比后者少15100万元(按贴现率10%计算)。综合以上比较可知,采用分段空场嗣后充填法,较无底柱分段崩落法资源利用率高、基建投资少、效益好、占地少、不搬迁村庄、尾矿得到综合利用、井下排水量小,因此推荐选用分段空场嗣后充填法。目前阶段空场嗣后充填法、分段空场嗣后充填法在我国的安庆铜矿、冬瓜山铜矿、红透山铜矿、张马屯铁矿、李楼铁矿等普遍应用,在生产实践中积累了大量经验,该采矿方法在国内已日趋完善。4采矿方法调整该矿三期开拓工程按照崩落法进行了基建,后将采矿方法调整为分段空场嗣后充填法,矿山需对三期已有开拓系统进行必要的调整,以满足采矿方法的要求。(1)采矿方法调整为分段空场嗣后充填法后,井下排水量大大减小,但井下进行充填作业,污水中含泥量大,需在采场附近增设采区沉淀池,以避免污染坑道,并减少水仓的清泥量。(2)矿山三期工程上部存在大量一、二期空区,为了确保三期工程投产后安全生产,应对一、二期存在的空区进行彻底详查,已确定其具体位置,在三期工程投产前对一、二期工程产生的采空区进行充填处理,充填必须密实。5崩落法采矿的地质条件(1)类似石人沟铁矿这样的内陆地区矿山,其矿山周边环境比较复杂,人口比较密集,由此带来的征地、搬迁等问题是采矿方法选择的决定性因素。(2)对于荒芜人烟的偏