極薄礦體采礦經濟模型及應用*

劉恩彥,劉福春,熊有為,雷顯權,劉艷紅

(1.長沙有色冶金設計研究院有限公司,湖南 長沙 410019;2.深井礦山安全高效開采技術湖南省工程研究中心,湖南 長沙 410019)

0 引言

金、鎢及錫等稀貴金屬,常賦存于極薄礦脈,其厚度常小于0.8 m[1]。對于該類礦體資源,國內常采用淺孔留礦法、削壁充填法及分段空場法開采[2-3]。如茅坪鎢礦[4]、鑫達金礦[5]等采用淺孔留礦法,其采礦成本約為30元/t,生產能力約為50 t/d,貧化率約為60%;三河鉛鋅礦[6]、瑤崗仙鎢礦[7]等采用削壁充填法,其采礦成本約為60元/t,生產能力約為20 t/d,貧化率約為20%;首云鐵礦[8]、鑫匯金礦[9]等采用分段空場法,其采礦成本約為20 元/t,生產能力約為100 t/d,貧化率約為80%。

通過上述案例的技術經濟比較,可發現采場采幅、礦石品位及貧化率等指標對采場回采的經濟效益有極大的影響。因此,對于極薄礦脈,采用經濟方法評價采礦工藝參數的合理性是極其重要的。

本文以廣西某鎢礦極薄礦體回采為工程背景,建立以采幅和礦石品位為核心參數的經濟模型,評價極薄礦脈的可回采性,為礦山設計合理的回采參數提供依據。

1 工程技術條件

1.1 工程地質條件

廣西某鎢礦具工業價值的礦脈有81條,脈幅一般為0.1～1.5 m,工業礦脈平均脈幅為0.42 m,平均傾角為70°,頂底板圍巖主要為灰巖,礦巖硬度系數f=8～12,整體穩定性較好。

石英脈狀礦體產狀變化復雜,常見有縮小膨脹、錯動彎曲和分支復合等現象,變化方向具有極大的不確定性。

1.2 礦脈分布特征

對該鎢礦正回采生產中段的礦脈進行統計和分析,見圖1和表1。由圖1和表1可知,該中段共有13條穿脈,其中脈幅小于0.3 m 的礦量占該中段礦量的32%,脈幅在0.3～0.4 m 的礦量占該中段礦量的25%,脈幅大于0.4 m 的礦量占該中段礦量的43%。

表1 礦量分布比例

圖1 礦脈分布

分析礦脈分布特征可發現,0.4 m 厚度以下的礦體約占55%,比重較大,如不回采會造成礦產資源的損失,但進行礦體開采又可能無法產生足夠的經濟效益,造成虧損。因此,需要通過技術經濟綜合評價該部分礦體的可回采性,為該部分極薄礦體的開采提供依據。

1.3 采礦方法

該礦主要采用淺孔留礦法方法[10],如圖2 所示。采場沿走向布置,長為50 m,寬為礦體水平厚度,同時為滿足人員、設備作業空間需求,采場最小寬度為1.0 m,高50 m,頂柱厚3 m,底柱厚5 m,間柱厚6 m。主要采切工程為沿脈運輸巷、人行通風天井、采場聯絡道、充填井等。采用自下而上分層回采,分層高度為2.5 m,在每分層開展鑿巖、通風、出礦、平場及松石處理等作業。

圖2 淺孔留礦法(單位:m)

2 采礦經濟模型

極薄礦體的厚度基本在0.8 m 以下,故回采過程中還需要開挖大量圍巖。如采幅過小,則采場生產能力小,生產中段所布采場數多,同時井下的生產人員及設備也需要增加,增加礦山生產管理的難度;如采幅增大,則增加回采貧化率,開挖廢石量增多,使運輸成本增加,影響采礦經濟效益。因此,通過經濟技術指標建立采礦經濟模型,綜合比較確定合理采幅,是保障采礦作業取得最佳經濟效益的關鍵措施。

2.1 采幅系數

為便于采礦過程中采幅的優化設計,本文定義采幅系數Km,即為采場寬度與礦體厚度的比值,其計算公式為:

式中,Km為采幅系數;wk為礦體厚度,m;w為采場厚度,m。

極薄礦體回采過程中,采幅系數的增大會增加廢石的混入,從而增加礦石貧化率,其計算公式為:

式中,β為礦石貧化率。

2.2 綜合地質品位

該礦為多金屬礦床,主金屬為鎢,錫為伴生金屬,為便于計算,根據等值原理將伴生金屬換算為主金屬鎢,并計算礦塊的綜合地質品位。

伴生金屬品位換算公式[11]為:

式中,K為伴生金屬品位換算系數;ε1為鎢回收率,%;ε2為錫回收率,%;p1為鎢價格,元/t;p2為錫價格,元/t。

礦塊綜合地質品位計算公式為:

式中,α為礦塊綜合地質品位,%;αW為鎢平均品位,%;αS為錫平均品位,%。

2.3 經濟模型

針對極薄礦體,礦體厚度及品位對可采礦量的圈定范圍影響極大,需要采用盈虧平衡法計算不同采幅系數的單位礦石收益,得出礦石貧化率、礦石品位及采幅系數的數學模型,尋求獲取最大利益的臨界點,進一步確定最適合的采幅。

單位礦石的綜合生產成本主要為采礦成本、運輸成本、拋廢成本和其他成本,其計算公式為:

式中,C為綜合生產成本,元/t;C1為采礦成本,元/t;C2為運輸成本,元/t;C3為拋廢成本,元/t;C4為其他成本,元/t。

單位礦石的經濟效益主要為金屬銷售收入和廢石加工收入,其計算公式為:

式中,P為經濟效益,元/t;P1為金屬銷售收入,元/t;P2為廢石加工收入,元/t;pf為廢石價格,元/t。

根據盈虧平衡法[12],當單位礦石的綜合生產成本和經濟效益相等時(C=P),即可求得臨界點。因此,采礦經濟模型為:

3 采礦經濟模型的應用

根據調研統計,該礦的采礦成本為280元/t,運輸成本為25元/t,拋廢成本為15元/t,其他成本為10元/t;鎢回收率為80%,銷售價格為20 萬元/t,錫回收率為65%,銷售價格為13萬元/t,廢石銷售價格為60元/t。因此,可建立適用該礦的采礦經濟模型:

3.1 經濟模型的變化規律

3.1.1 綜合地質品位對采幅系數的影響

采幅系數和綜合地質品位呈線性關系,隨著綜合地質品位的增加而增大,如圖3所示。當礦脈綜合品位為0.6%時,礦塊采幅系數為3.11;當礦脈綜合品位為1.2%時,礦塊采幅系數為6.05;當礦脈綜合品位為1.8%時,礦塊采幅系數為9.21。

圖3 采幅系數變化規律

3.1.2 綜合地質品位對貧化率指標的影響

綜合地質品位對于極薄礦體回采中可接受的貧化率指標有極大影響,兩者呈指數關系,如圖4所示。當礦脈綜合品位為0.5%時,礦塊回采時的最大貧化率為59.05%;當礦脈綜合品位為1.0%時,礦塊回采時的最大貧化率為80.13%;當礦脈綜合品位為1.5% 時,礦塊回采時的最大貧化率為86.88%;當礦脈綜合品位為2.0%時,礦塊回采時的最大貧化率為90.21%。

圖4 貧化率變化規律

3.1.3 綜合地質品位和脈幅對采幅的影響

采幅是極薄礦體開采的重要技術參數,主要受礦體脈幅和綜合地質品位的影響,礦體脈幅越大,綜合地質品位越高,則采幅越大,如圖5 所示。其中,綜合地質品位對采幅的影響較高,而脈幅對采幅的影響相對較低,尤其是低品位區間,綜合地質品位是占主導地位的,當礦脈處于高品位區間時,綜合地質品位和脈幅的影響效果趨于一致。

圖5 品位和脈幅對采幅的影響規律

3.2 采礦經濟模型的應用

以該礦的生產中段為主體研究對象,開展脈幅、礦石品位等生產指標的調研統計分析。并選取20個典型的礦脈,采用上述采礦經濟模型進行具體分析。選取采幅參數,結合該礦采礦方法要求的采場結構參數要求,對試驗采場進行綜合評價,確定最適宜的采幅參數,如表2所示。

表2 采幅參數

其中4260等5個采場的采幅過小,無法同時滿足技術和經濟方面的要求,故不具備開采價值。如3624采場,其平均脈幅為0.48 m,綜合地質品位為0.27%,按采礦經濟模型選取的采幅為0.6 m,而采場回采的最小設計寬度為1.0 m,未滿足采礦技術標準,故該采場不宜開采。而2446等15個采場,在具備經濟效益的條件下,根據現場采礦工程需求,推薦了適宜的采幅,如4911 采場,其平均脈幅為0.7 m,綜合地質品位為0.55%,按采礦經濟模型選取的采幅為1.9 m,結合現場采礦方法設計要求,確定該采場的采幅為1.5 m。

4 結論

(1) 分析廣西某礦的工程技術條件,其脈狀礦體產狀變化復雜,平均脈幅為0.42 m,其中0.4 m厚度以下的礦體約占55%,主體采礦方法為淺孔留礦法。

(2) 采用礦石綜合地質品位、脈幅及采幅等經濟技術指標,定義采幅系數,采用盈虧平衡法,建立采礦經濟模型。

(3) 礦體脈幅和綜合地質品位對采幅均有影響。當礦脈品位較低,綜合地質品位影響較大;當礦脈品位較高,綜合地質品位和脈幅的影響效果相差不大。

(4) 根據該礦的經濟技術指標調研結果,建立適宜該礦的采礦經濟模型,并結合采礦方法的采場結構參數要求,綜合評價選取的典型試驗采場,確定最適宜的采幅參數。