矿体赋存条件的三级矿量优化管理探析

国内外研究现状

２０世纪５０年代初参照原苏联人的经验，原冶金部规定三级矿量的保有期，开拓矿量保有期应保持在３年以上，采准矿量保有期为１年左右，回采矿量保有期为６个月左右，简称“３１６”［３］。后原冶金部又于１９６４年制定《有色金属矿山生产矿量计算暂行规程》以及１９８０年颁布《有色金属矿山地质测量条例》对矿山企业的储量管理起到了重要的指导作用。几十年来采矿工作者就矿山三级矿量的计算和管理做了大量的研究，也取得许多成果。２０世纪６０年代以来，我国地下矿山在编制年度采掘计划工作中就普遍开始了关于矿山三级矿量的计算。但是当时学术界关于三级矿量的各种观点存在很大的分歧，矿山企业和学术界关于三级矿量的计算方法并没有达成统一的观点，使得这一时期对三级矿量保有量的计算方面存在许多不足［４］。随着采矿方法的成熟和采矿设备的更新，三级矿量的计算与管理过程中存在的一些问题被逐渐克服。部分专家学者根据不同矿山的具体情况以及其相对应的采矿方法，从宏观的角度对各个矿山三级矿量进行优化管理，提出矿山企业在三级矿量管理过程中的两个不可缺少的原则。１）生产探矿对三级矿量管理的要求。根据矿床的地质条件和不同的采矿方法，取样编录所有已揭露矿床的井巷和采场，确定合适的生产探矿工程，确保其符合工业指标规定的矿体边界固定值。２）三级矿量必须满足开采顺序和回采时间的要求。就一个阶段而言，其开采顺序一般是自上而下、由远而近。某些局部矿块或矿柱也应在整体和时间上满足回采要求，对于不符合开采顺序的可采矿量不能列为三级矿量［５］。

基于矿体赋存条件的有效备采矿量优化模型

合理确定三级矿量保有量，这一问题在国内外已经进行了广泛的研究，许多方案已经取得了良好的效果。但随着采矿方法的改革、采矿设备的更新和采场参数的调整，国内许多矿山原有的三级矿量保有量不再符合现有采矿技术和采矿设备条件下矿山正常生产的要求，使得许多矿山在改善采矿方法和更新采矿设备的同时，不得不对原有的三级矿量保有量进行优化管理。例如，为了与采用的新式采矿设备相适应，程潮铁矿于２００１年初对其采场结构参数进行了调整，造成其三级矿量保有期限不合理。有关专家针对程潮铁矿采场结构参数调整和采矿设备的更新情况，采用超前时间系数的方法确定其三级矿量保有期限分别为：开拓矿量８．７年，采准矿量１４．２个月，备采矿量７．６个月［６］。保有期限对应的各级矿量较好的保证了矿山持续稳定的生产。但各个矿山的矿体赋存条件千差万别，现有的三级矿量计算方法并不能适用于所有矿山，直接套用其他矿山三级矿量保有量的优化方案显然并不科学。如大冶铁矿尖林山采区的三级矿量保有量不均衡，其备采矿量严重不足。有关学者针对尖林山采区的实际情况，提出通过合理的布置切割工程增加自由面和可回采进路来增加备采矿量，不仅解决了三级矿量不均衡的问题，还改善了采场的通风条件、降低了生产成本，取得了较好的生产成果［７］。可见各个矿山关于三级矿量的优化方案存在很大差别。各矿山的地质条件不可能完全相同，这对确定统一合理的三级矿量计算方案造成很大影响，尤其是复杂地质条件下的三级矿量管理又增加了很多不确定的因素。本文根据矿床的不同赋存条件，提出有效备采矿量的概念，对矿山的三级矿量保有量进行计算。有效备采矿量是指按照矿山所采用的采矿方法，符合矿山生产的开采顺序，并且能在计划的回采时间被及时回采的备采矿量。下面给出有效备采矿量的计算公式：Ｑ备＝ＳＤγ矿ＮｎＲ（１）式中：Ｑ备为有效备采矿量，ｔ；Ｓ为矿体水平面积，ｍ２；Ｄ为阶段内矿体平均厚度，ｍ；γ矿为矿石体重，ｔ／ｍ３；Ｎ为阶段内的采场（或进路）总数，个；ｎ为每月动用的平均采场（或进路）数，个；Ｒ为有效备采矿量系数，取１．１～１．５。有效备采系数Ｒ的取值与矿体水平面函数ｆ直接相关。此处矿体水平面函数ｆ指的是在矿体水平面积内的所有进路的平均长度，即：ｆ＝∑ＬｉＮｆ（２）式中，Ｌｉ为矿体水平面积内第ｉ条进路的长度，ｍ；Ｎｆ为矿体水平面积内的进路总条数。当ｆ较小时，矿块周转速度快，Ｒ值应适当取大一些以满足矿山持续均衡生产的要求；而当ｆ较大时，在确保矿山正常稳定生产的前提下，Ｒ值可以适当取小一些，尽量缩减三级矿量保有量。如图１所示某矿的矿体水平面图，该矿水平面函数较大，一个阶段的开拓和运输通风系统一旦形成就能获得较多的开拓矿量，所以确保矿山正常稳定生产的同时，应尽量减少三级矿量保有量以减少流动资金的占用和巷道的维护费用。

应用实例

金山店铁矿包括张福山和余华寺两个矿区。余华寺矿区原为焦作分矿，２００１年１０月与金山店铁矿合并，成为金山店铁矿的一个矿区。张福山矿区以０２５＃勘探线为界分为东、西两个区，０２５＃勘探线以东称为东区，０２５＃勘探线以西称为西区。金山店铁矿张福山西区于１９６８年开工建设，１９７９年基本建成并试生产，１９８８年正式投产，核定规模１００万ｔ／ａ。１９９６年开始建设接续工程，开采－２００～－４１０ｍ间的矿体，２００１年１０月开始建设东区工程。东、西区设计规模合计为１５０万ｔ／ａ。由于东区上部矿体规模小，产状较为复杂，再加上工农关系等因素，东区－２７０ｍ水平以上未能如期开采。２００３年进行改扩建工程设计，将张福山和余华寺两个独立的矿山整合成一体。金山店铁矿余华寺矿区地下开采一期工程７０年代开始建设，设计规模４０万ｔ／ａ，１９９１年正式投产，１９９６年达产。金山店铁矿生产规模从１５０万ｔ／ａ扩大到３００万ｔ／ａ。在张福山已有中央主井以正北８０ｍ处新建一条主井，担负３００万ｔ／ａ矿石和４５万ｔ／ａ废石提升任务。张福山矿床位于金山店侵入岩体南缘罗咸益、张福山和罗同云一带。矿化范围西起３线，东至５２线，长３５００ｍ，南北宽１００～６００ｍ，共分布大小１００个矿体，其中规模较大的有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ号矿体，Ⅰ和Ⅱ号矿体占矿床探明储量的９０％以上。Ⅰ号矿体规模最大，分布于３～４４线间，东西走向长２６９０ｍ，矿体走向ＮＥ７７°～ＳＥ１２６°，倾向ＳＥ１７２°～ＳＷ２０３°，倾角为６０°～８５°。赋存标高＋１１０～－１０００ｍ，真厚度０．１８～８３．９６ｍ，平均２５ｍ。Ⅱ号矿体位于Ⅰ号矿体下盘，相距１５～１２０ｍ，分布于２６～４３线之间，东西走向长１０２０ｍ，走向近东西，一般倾向南，倾角为５０°～８１°矿体厚度０．７～１３１．３１ｍ，平均２６．４ｍ，呈上薄下厚，东厚西薄趋势。矿体形态复杂，平面上呈条带状、半月形或透镜状，剖面上呈脉状、弯弓状和不规则大透镜状。以下根据张福山西区的情况进行具体分析，其矿体水平面函数如图２所示（图略）。张福山西区－３４０～－４１０阶段６～２５线之间的Ｉ号矿体，走向近东西，倾向南，倾角较陡，一般为６５°～７５°。阶段生产勘探范围内矿体厚度最小３～４ｍ，最大６０ｍ，平均厚度Ｄ为３９．７ｍ，，矿体水平面积Ｓ为５５９４０ｍ２，矿石体重γ矿为３．７６ｔ／ｍ３，阶段内的进路总数Ｎ为１２８条，每月动用的平均进路数ｎ为６条，Ｒ取１．４，则有效备采矿量为：Ｑ备＝５５９４０×３９．７×３．７６１２８×６×１．４＝５４７９８４（ｔ）（３）　　金山店铁矿矿体狭长，矿体赋存形态复杂，矿体围岩不稳固、矿石强度低、构造性破坏多，在这种情况下为了减少流动资金占用和巷道维护费用，人们希望三级矿量的保有期限更短一些［８］。但其矿体水平面函数ｆ较小，单条进路的平均可采矿量少，矿块周转速度必然很快，根据原方案计算的备采矿量为４３万吨并不能满足金山店铁矿持续均衡生产需要。Ｒ取较大值１．４，计算所得５４．８万吨的备采矿量显然更加科学，有助于实现矿山的可持续发展。