谈谈我国地下铁矿设计的创新之路
谈谈我国地下铁矿设计的创新之路
摘要：自改革开放，设计院企业化与市场经济接轨以来，从领导到设计人员逐渐转变设计思路，承担许多设计项目，取得很大的成绩，但由于受过去计划经济的影响，走老路和墨守旧框框的弊病，仍十分严重。我认为有必要在总结经验和教训基础上，迎接挑战，走我国地下铁矿设计的创新之路。
关键词：地下铁矿；设计；创新
Abstract: since the reform and opening up, design institute and enterprise of market economy since, from the leadership to the design staff gradually transforms the design train of thought, assume many design project, gained very great success, but due to the influence of past planned economy, walk along old road and the old set pattern malady, still very serious. I think it necessary to sum up experience and lesson foundation, meet a challenge, walk along our country underground mine design innovation road.
Key words: underground mine design; innovation;
我国地下铁矿现状及未来展望
我国十二大钢铁集团公司（鞍钢、首钢、本钢、武钢、包钢、宝钢、酒钢、唐钢、攀钢、山东莱钢、江苏沙钢和南京钢铁集团），铁矿石自给量仅占50%左右，其余均靠进口铁矿石维持。国内铁矿山建设严重滞后，造成钢铁工业因过度依靠进口矿，成本增加，整体效益呈逐年下降趋势。在利用两种资源政策前提下，不应忽视国内铁矿资源的合理开发。
我国铁矿资源量约为631亿吨，排名世界前五名，属铁矿资源大国。但我国铁矿资源特点多为贫矿，平均品位TFe25~30%,需选矿加工成铁精矿方可利用。尚未开发的铁矿床，尚存在埋藏较深，水文地质条件复杂等特点，大都需采用地下开采。另外，我国各大钢铁集团的重点矿山大都为露天开采，处于深凹开采阶段，面临向地下开采过程问题。也就是今后铁矿山设计项目属难采的地下开采的矿山，设计单位必须有清醒的认识。
为适应铁矿山设计市场的新形势，我们必须强化地下开采设计队伍的建设，认真研究地下铁矿设计的新思路、新举措和新方法，实现思路更新，走创新之路。
转变设计理念，树立设计新思路
我院技术骨干，大都在上世纪六十年代至八十年代，参与了我国十大地下铁矿的设计工作，这些矿山已达产多年，已成为钢铁公司的骨干矿山，详见表
1。本世纪初我国自主设计的地下铁矿列于表2。
众所周知，鞍山院为承担酒钢镜铁山和梅山铁矿设计，从上世纪六十年代至八十年代，从瑞典引进先进的采矿技术和设备，形成自己的设计思路，在国内处于领先地位，在设计中采用如下的先进技术：
大型多绳箕斗竖井提升技术；
增大阶段高度，设置主运输水平；
广泛采用高效率的无底柱分段崩落法；
采掘设备大型化、无轨化；
多级机站通风；
竖井采用钢绳罐道。
该设计思路概括为设备大型化、采矿高效化、运输和提升自动化。
表1 我国自主设计已达产的大型地下铁矿
进入21世纪，我院承担的矿山设计任务发生了变化，设计思路也要与时俱进，才能适应市场，维持设计院的生存，必须尽快掌握新技术，才能完成设计任务。我院必须在以下方面，有所作为：
（1）竖井提升要突破旧框框
长期以来，我院习惯在设计中采用单箕斗（带平衡锤）竖井提升，矿山生产实际证明，采用双箕斗提升是可行的，两中段过渡时，上中段通过采区溜井将矿石溜至主运输水平。同一台多绳提升机，需采用双箕斗提升，提升能力将提高30~40%，是增产节能重大举措。
（2）对混合提升竖井，应重新认识
许多老同志，对混合井反感，而有色系统设计院近年来在设计中广泛采用混合井。采用混合井的好处是减少开拓井筒数量，地面总图布置紧凑，井下车场减少井巷工程量。其缺点有二，一是井筒内隔离困难易磨蚀，二是井口入风粉尘超标。目前前者可用防腐材料解决（如玻璃钢），后者可用密闭解决。我院目前在开拓设计中，开拓竖井数量偏多，造成矿山基建投资偏大，且基建时间拖长。
（3）由于新项目，地质条件复杂，埋藏深，再加上地面尾矿库选址困难，或因安全、环保要求，往往要求将选厂尾矿就近充进地下采空区，因此，深孔崩矿嗣后充填采矿方法应运而生，解决此问题。
如果我院尽快掌握以上三项关键技术，也是对地下铁矿设计，在新形势下的创新。
地下充填是矿山解决无废开采，实现矿山循环经济的重大举措
近十年来，随着国内增产铁矿石的需要，过去认定埋藏深、水文地质条件复杂的铁矿床合理开采问题，已呈现在设计院面前。南京钢铁集团草楼铁矿就是一个实例。实践证明，该矿在200m第四纪内含充水流砂层下，采用高效率深孔崩矿嗣后充填采矿方法在技术上是成功的。为我国大型地下铁矿开采，采用胶结充填法，走出一条成功之路。现简述如下：
地面充填站设计是充填工艺设计的核心
草楼铁矿年产矿石200万t/a；干选尾矿产率14.12%，粒度-70mm，用于地面建筑工程；用于井下充填的尾矿量135.99t/h（干重），尾矿浓度ρ=11.88%，尾矿密度2.78t/ m³，该尾矿由磁选车间排出，全部用于充填井下采空区。
地面充填站的组成（详见附图1）：
地面充填站共设4套充填系统，每套系统由立式砂仓、水泥仓、高浓度搅拌槽以及相关辅助设施组成。
立式砂仓直径为Φ10m，有效容积1500 m³，砂仓本体采用钢结构。砂仓顶部设料位计，底部设造浆系统和放砂管路，放砂浓度70%左右，放砂浓度和流量均设仪表检测，放砂流量由电动调节阀门控制。
每个水泥仓有效容积为170 m³，采用现浇钢筋混凝土框架结构，其下部漏斗为钢结构。水泥仓顶部设除尘器、料位计，水泥仓底部设有双管螺旋给料机一台，该给料机采用变频控制，将低标号水泥送至高浓度搅拌槽。
高浓度搅拌槽将充填料搅拌均匀后由充填料管道放至充填钻孔，充填料经充填钻孔自溜至井下采空区。充填料管道设流量，浓度检测仪表以及流量控制。
采矿方法选择至关重要（见附图2）
按铁矿床赋存特点，储量大、矿体厚、急倾斜，尽量选用高效率高强度采矿方法，草楼铁矿就选用深孔崩矿嗣后充填采矿方法。而待形成采空区后再行充填，这就区别于有色矿山边采边充的低效率高成本采矿方法。
对井下充填体强度的要求
依据所选采矿方法的要求，为保证相邻第二步骤采场回采布置回采巷道和下中段回采的安全，采场底部10m均需要胶结充填，灰砂比（水泥：尾砂）为1:6，浓度70%左右，充填体强度3~4Mpa；为满足第二步骤回采时，第一步骤采场充填体直立不冒落，第一步骤其余部分也需胶结充填，灰砂比为1:10，浓度70%左右。第二步骤采场其余部分为尾矿填充，浓度70%，对其充填体无强度要求。
充填设施（包括地面充填站及井下管线）投资
按2005年设计估算计，草楼铁矿充填设施投资为：4454万元。分项详见表3.
表3 草楼铁矿充填设施投资构成表
从草楼铁矿充填设施设计文件分析，建筑工程投资占比重较高，约为50%左右，设备和电器仪表均为国产，在有色矿山已有多年生产实践，在铁矿中使用属成熟技术。
在铁矿应用充填的成本分析
按草楼铁矿2005年设计成本，每吨采出原矿成本为79.99元/t，其组成如下：
表4 矿石成本汇总表
从上表数据得知，充填作业成本约占每吨原矿总成本的10%左右。
表5中说明，水泥费用占充填作业成本的64.5%。
表5充填作业成本组成
＊充填作业所消耗低标号水泥的费用占充填作业成本的64.5%，尽快研究水泥替代物是降低成本的重点课题。
＊草楼矿年耗水泥4.1万吨。
（6）对地下铁矿应用胶结充填采矿方法的技术经济评价
综上所述，对地下铁矿采用深孔崩矿嗣后充填采矿方法，提出如下技术经济评价意见：
a、在大型地下铁矿采用胶结充填采矿方法，在技术上是可行的。它适用于埋藏深，水文地质条件复杂，矿石属易选品位精高的铁矿床，矿石TFe品位应在35~40%为宜。
b、一般地质条件的地下铁矿，是将尾矿充至井下采空区，还是另建尾矿库，应进行技术经济比较后再确定方案。
c、如果采出原矿品位过低，如草楼铁矿为27%，则因胶结充填加大矿山成本，而在市场竞争中处于被动局面，甚至与进口矿石相当或高于。近来由于原材料、工资、电力涨价，矿山目前成本远高于2005年水平，这应引起重视。
d、我国利用两种资源政策是长久之计，有些难采难选铁矿资源应暂缓开采，不应盲目在低价值铁矿山推广充填采矿方法。矿山设计和生产必须适应市场经济，才能兴盛发达。
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四、结束语
以上几方面，是本人浮浅的看法，有不妥之处，望专家多加指正批评。
参考文献
【1】《安徽草楼铁矿采矿方法优化论证》，2005年5月，中国有色工程设计研究院；
【2】《草楼铁矿初步设计》，2004年3月，邯郸华北冶建设计公司和马鞍山矿山研究院；
【3】《采矿设计手册》，1987年，中国建筑工业出版社。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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