焦玉书-论我国铁矿工程项目设计新思路

中国矿业联合会高级资政焦玉书（教授级高工）2017年3月论我国铁矿工程项目设计新思路GoodIdea1.楔子2.大规模充填采矿法3.井下智能无人采场4.选厂建在井下——短流程生产5.现代化大型斜井胶带提升6.大型双箕斗深井提升7.无人驾驶汽车和列车运输8.合同采矿新模式9.世界规模最大的现代化选矿厂10.跋1.楔子近10多年，国家有关部委以及行业协会，围绕加快铁矿资源开发和促进行业健康发展做了大量工作。国内骨干矿山企业通过技术创新，攻克了我国贫（赤）铁矿高效开发等一系列技术难题，促进了铁矿石产量大幅度提升。中矿协近10多年来，国家有关部委以及行业协会，围绕加快铁矿资源开发和促进行业健康发展做了大量工作。国内骨干矿山企业通过技术创新，攻克了我国贫（赤）铁矿高效开发等一系列技术难题，促进了铁矿石产量大幅度提升。一、运行情况2003-2015年自产铁矿石产量变化情况14510115142413812912.9418.510.9242.0918.4510.2813.3922.115.8715.429.933.9-7.7-10010203040500200004000060000800001000001200001400001600002003200420052006200720082009201020112012201320142015原矿产量（万吨）增长率（%）2014年，达到年产铁矿石原矿15.14亿吨，创历史新高。2015年产量13.81亿吨。2016年12.82亿吨。近10多年，我国在国内外兴建了多座现代化露天和坑内矿，对拟建矿山进行了可行性研究设计，在全国矿业界同仁的努力下，创建了袁家村铁矿和大红山铁矿为代表的现代化矿山，在铁矿工程项目设计中形成了多项创新思路（goodidea）。这期间，我有幸参加了多项矿山工程设计审查，对铁矿工程设计创新感受很深，现摘要介绍几项，大家共享。2.大规模充填采矿现在矿山生产面临环境因素控制，矿山设计要考虑：⑴地表农田不破坏；⑵地表村庄不搬迁；⑶地表河流不改道；⑷地下水不受影响；⑸严格控制占用土地，特别是少占或不占耕地；按照这些项目要求，本来应采用露天开采的矿山也不得不改用地下开采，如西鞍山铁矿，现在拟用地下开采，目的是能保持地表原生态，这是鞍山市委、市政府要求的。现在国家六部委要求，矿山工程项目设计如不采用充填法要说明理由，山东省更明文规定，矿山一律采用充填法，已经多年采用崩落法的矿山，也要停止使用崩落法，而逐步改用充填法。如今采用充填法可以说是一种时尚，采用充填法在建矿山：⑴马城铁矿，年产2500万吨；地下开采，充填法。⑵田兴铁矿,地下开采,年产2000万吨,充填法。⑶常峪铁矿,地下开采,年产500万吨，充填法。⑷李楼铁矿,地下开采,年产750万吨，充填法。⑸张庄铁矿,地下开采,年产500万吨，充填法。⑹周油坊铁矿,地下开采,年产450万吨,充填法。⑺西鞍山铁矿,地下开采,年产3000万吨,充填法。⑻本溪思山岭铁矿,地下开采,年产1500万吨,充填法。⑼山东济宁铁矿，深井开采，地下1500m深见矿，年产3500万吨，拟用充填法。众多矿山用充填法，一般都是采用阶段空场嗣后充填采矿法。我认为，我国铁矿用充填法没经验，需要科技攻关的课题有：1.充填采矿法矿床合理结构，采场空间放矿后，矿房稳定性研究。以周油坊铁矿为例：采用深孔凿岩阶段空场嗣后充填采矿法，矿块长78m，矿块宽20m,矿块高（出矿、充填）120米，在矿房矿石放空后，充填之前，矿房空间为6万m³以上，此空间可否保持稳定？顶板和矿房两壁会不会出现变形？涉及岩石力学围岩稳定性预测预报。国外推广应用自然崩落法，涉及顶板暴露面积达到多大面积，矿岩才能自然崩落，我们充填矿房则正相反，我们要知道顶板暴露面积达到多大面积，顶板能保持稳定？此项研究涉及矿石岩石物理机械性质，岩层构造、节理裂隙发育程度、含水状况等多种因素，说实话，我们还缺少实践经验，有待开发技术攻关。需要通过采动围岩损伤演化机理与岩体渗流规律预测、阶段嗣后充填法开采灾变失稳预测与控制、低成本新型胶结材料研发与高浓度料浆自流输送等关键技术攻关，解决大型铁矿床规模化采矿的阶段嗣后充填法采矿的超大采场安全、充填体稳定性、充填法采矿岩移规律与地质灾害监测及防控等问题。2.同时，研究开发低成本、高浓度胶结充填材料和自流充填工艺与技术，降低充填成本，提高采矿效益；建立废石不出坑、尾砂不入库、废水不外流的绿色矿山。既开发利用贫铁矿资源，又实现难采资源的安全、环保和高效的开发和利用。研究内容：大型贫铁矿复杂工程地质条件与赋存环境研究、嗣后充填采矿超大采场灾变监测与优化控制、阶段嗣后充填法采矿岩移规律与灾害控制、低成本高强度新型充填料研发与充填料配比优化、高浓度泡沫砂浆充填料浆特性与自流输送工艺研究。采用充填法后又提出了新问题，需要打破传统思想观念，进行深入研究与试验。1.采矿顺序新理念过去采矿顺序传统的做法都自上而下顺序开采，现在地下矿用充填法，可保持地表塌陷尽可能晚的出现变形，而解决采用自上而下开采顺序。以唐山地区河钢矿业公司马城铁矿为例。该矿用地下开采，年产2500万t/a，采用充填法，矿山由-900m和-540m二个主水平，由下向上回采，这里出现了新矛盾，矿山地质勘探高级资源储量，探明的和控制的级别，全赋存在矿体上部，而下部都是推断的资源量，而矿山首采区则从-900m下部开始，首采区均为推断级如何做为备采矿量？这是当前的主要矛盾，我与国土资源部储量司的领导，商谈这个问题，他们很惊奇，对地质勘探如何为生产服务，怎样与生产相结合，现在地勘部门也无招法，这是一个值得关注和研究的问题。我们还应考虑资源储量差异系数问题现行采矿设计规范规定，基础储量设计的差异系数取0.7-0.9，即若地质报告中100万吨基础储量，矿山设计只按70万吨-90万吨考虑，推断级差异系数取0.3——0.5.以前矿山设计采用可信度系数的称呼，“333”级取60%，“332”级取70%，现在地质规范中没有此项规定。今后规划如何执行呢？很值得研究。我国铁矿资源储量有743.9亿吨，其中：资源量551.14亿吨，基础储量192.76亿吨，储量56.67亿吨。若按采矿设计规范；差异系数取0.4，则利用的资源储量为551.14×0.4+192.76×0.8=220.46+154.2=374.66亿吨，扣除宁乡式铁矿等类型矿床暂时不能利用的资源量，可利用的资源量保证开采年限太短。马城铁矿资源储量为10亿t,首采区城均为资源量，若取地质差异系数，可利用的资源量太少了。2.崩落界限在设计中，地表塌陷范围大小，与崩落角有关，用崩落法与用充填法崩落角有何区别呢？田兴铁矿用充填法，地表农田没有买地，村庄也没搬家。深井开采的地表塌陷如何考虑？现在用充填法，对1000米—1800米的深井矿，地表塌陷能发展到何种程度？都值得研究。岩石移动范围圈定(岩石移动范围)δ0δ0δ0δ0α=40°表土层γ'=70°β'=60°β=55°LL移动带表土层陷落带表土层陷落带上盘移动带开采的最低水平陷落线陷落线移动带γ=65°β'=60°β=55°γ'=60°γ=55°δ'=80°δ=75°δ'=80°δ=75°δ0δ0δ0δ0δ0δ0α=40°表土层γ'=70°β'=60°β=55°LL移动带表土层陷落带表土层陷落带上盘移动带开采的最低水平陷落线陷落线移动带γ=65°β'=60°β=55°γ'=60°γ=55°δ'=80°δ=75°δ'=80°δ=75°δ0δ0陷落带及移动带界线a—垂直走向剖面α大于γ及γ/情况；b—垂直走向剖面α小于γ及γ/情况；c—沿走向剖面α—矿体倾角；γ/—下盘陷落角；β/—上盘陷落角；δ/—走向端部陷落角；γ—下盘移动角；β—上盘移动角；δ—走向端部移动角；δ0—表土移动角；L—危险带3.智能采矿无人采场大台沟铁矿设计走瑞典基律纳铁矿的路子，拟试用智能采矿无人采场。⑴矿体为较坚硬的赤铁石英岩和磁铁石英岩，矿体完整性及稳定性较好⑵大台沟铁矿矿体埋藏很深，矿体控制最深处为2010.02m（标高-1787m），在-1800m标高以上资源量可达49.57亿t，其中-1250m以上为12.64亿t。平均品位Tfe：33.21%⑶矿山规模：在-1250m阶段矿山总设计规模为3000万t/a。⑷采矿方法：无底柱分段崩落法，拟试用自动化无人采场。⑸开拓系统：竖井开拓方案。装药铲运机4.选矿厂建在井下——地下采选一体化选矿厂进坑（井）短流程采矿、选矿现在我们采矿，都是长流程，即在地表建设选矿厂，采出的矿石岩石都是提升到地表，采出废石在地表贮存，矿石送选厂加工，选出的尾矿在地表尾矿库储存。短流程的概念是选矿厂建在井下，尤其当今环境压力大，要求建设绿色矿山，实现无废开采，不得不用填充法，选矿厂在井下建设，投资相对大些，但选出的尾矿不出坑，直接在井下送到采空区充填场废石也不出坑，用于井下充填料，只将选出的铁精矿泵送出井，短流程开拓晕死系统井筒设置与传统的长流程相比有很大差异，特别是大小矿床，更有优势性。乌克兰五一矿曾拟用短流程在井下建选矿厂，后因政治原因未能实现。马钢白象山铁矿，系大水矿床，在研究设计方案时，我与马钢矿业公司经理王文潇博士曾一起探讨在井下建选矿厂，王经理主动且大力支持，后此方案未能实现。还有一个想法，选矿工艺流设施建在地面，将破碎、筛分、磨矿建在井下，德国与瑞典专家曾有此主张。传统的地下矿提升方式，多用箕斗，罐笼或胶带输送机这一机械提升方式，如今国外一些学者专家则提出了用水力提升的新概念。德国普鲁萨格（Preussag)金属公司从1984年开始水力运输与提升矿石的研究与开发工作。它将巷道内高浓度浆体水平运输技术与传统的低浓度浆体竖井垂直提升技术结合起来，在井下采掘工作面附近将矿石粉碎并调成高浓度浆体，水平泵送到竖井，在井下用高压泵将高浓度矿浆直接而连续地注入水流中稀释。稀释后的矿浆经竖井垂直管道输送到地表。矿石经脱水后，送往选矿厂。试验结果和经济计算表明，水力提升矿石与机械提升相比，运输费用较低；如在新建矿山应用，还可减少井巷工程的投资。瑞典吕勒欧（Lulea)大学教授A,塞尔格伦1987年在第13届世界采矿大会上也提出了水力提升矿石的设想。即矿石在地下进破碎和磨矿，然后用泵场扬送到地面选矿厂，取代传统的机械提升系统和坑内排水系统。其基本设想如下图所示，从图中可知，地下矿的水力提升系统包括采矿作业和选矿加工作业两部分，即采出的矿石必须在井下先进行破碎和磨矿，然后把矿浆泵送提升到地表。水力提升的主要优点是，不需要开凿新的竖井就可增加提升能力，而用传统的机械方法增加提升能力，则不仅投资大，而且时间长。至于提升矿石的费用，水力提升也比机械提升低廉。吕勒欧大学曾以两种不同类型的矿山为例，对水力提升和机械提升的费用进行过对比研究【第一例】假定是一座年产40万t的浅生小型硫化矿，目前主运输水平在地表以下300m,矿井用斜坡道延深150m,即矿井总深度为450m,如图所示。水力提升系统的泵送费用（包括投资、能耗和维修费），使用隔膜泵时为1.18克朗/t,如使用离心泵时则为1.1克朗/t;若考虑人员工资，矿浆贮存，搅拌装置和管道等费用（估计为2克朗/t)，则水力提升总费用为3.1~3.2克朗/t。如采用传统的机械提升方式时，由汽车（或胶带机）运到300m主水平的费用估计为5~6克朗/t,机械提升到地表的电费约0.5克朗/t,即机械提升的总费用为5.5~6.5克朗/t.因此，水力提升费用比机械提升费用几乎降低一半。【第二例】假定是一座年产1900万t的大型铁矿，矿井深度为800m。如采用水力提升时，矿浆的泵送费用（包括投资）、能耗和维修费）为1.52克朗/t;人员工资、搅拌槽、岩硐和控制装置等费用估计为0.9克朗/t;井下磨矿的费用估计为1.2克朗/t；即水力提升的总费用为3.6克朗/t。根据有关资料，大型地下矿用传统机械提升矿石和排水的费用为3.5~3.7克朗/t。因此，在大型深矿井中，水力提升的总费用也仅仅相当于传统的机械提升费用。【第3例】研发地下采选