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中蓝长化工程科技有限公司 湖南长沙 410117
摘要：宜昌磷矿是我国重要大型磷矿生产基地，已逐渐由浅部开采转为中深部开采，随着开采深度增加开采成本不断提高，对开采经济效益带来较大影响，迫切需要研究降本增效的综合措施．结合笔者单位众多项目设计实践，分析了成本增高的主要影响因素，在充分研究宜昌磷矿区开采技术条件和特性基础上，引进其它矿山开发新技术和新理念，从项目设计角度尤其是针对引起成本增高的主要因素提出一些具体降低开采成本的新技术措施和新思路，其中大部分已在建设项目中得到成功应用，供宜昌磷矿区中深部矿体待开发项目参考．
关键词：宜昌磷矿；中深部开采；降低成本；技术
宜昌磷矿是我国重要大型磷矿基地[1]，工业磷矿层主要分布在夷陵区、远安县和兴山县，开采年总规模已达1500万吨以上，随着浅部矿体资源开采消失，目前已逐渐转为中深部矿体开采．根据宜昌磷矿开采技术条件，中深部矿体开采与浅部相比，提升、排水、通风等费用均有较大增加，相应开采成本有较大幅度增高，根据多个项目对比分析一般约增加30~50元/吨．由于宜昌磷矿总体矿石品位偏低，矿石销售市场价格亦较低、盈利空间有限，开采成本提高不仅盈利能力降低，而且可能出现开采亏损，因此迫切需要研究降低中深部矿体开采成本的技术措施．
1宜昌磷矿区开采技术条件概况
1.1区域地质概况
宜昌磷矿在区域构造上位于扬子准地台北缘龙门—大巴山台缘褶皱带东端，磷矿主要产于黄陵背斜东翼北部和北翼的震旦系陡山沱组的地层中．黄陵背斜为近南北展布的宽缓窿起，轴向北东16°，南北长约73 km，东西宽约36 km，两翼不对称，东翼平缓，倾角15°以内，西翼较陡，倾角30°～40°．背斜核部为崆岭群的变质岩和侵入的岩浆岩；由背斜核部向四周依次分布的地层为南华系、震旦系、寒武系、陶奥系、志留系[1-2]．
1.2地形地貌特征
宜昌磷矿区位于我国二级阶地东端，属以中山为主的山区地貌景观．区内山峰耸立，险峻陡峭，遍布深沟狭谷，曲折迂回，地形复杂．总体地势为西北向东南梯级倾斜，矿区总地形相对高差约1 500 m，单一矿段或矿山地形相对高差一般为300 m～500 m．
1.3矿床地质特征[2]
宜昌磷矿为沉积型矿床，工业矿层赋存于陡山沱组中下部，工业矿层1～3层，中深部一般为2层，矿层间距一般为5 m～15 m．矿层倾角属缓倾斜，倾角一般为5°～12°．矿层厚度为薄至中厚，单层厚度一般为2 m～6 m．矿石中磷酸盐矿物以胶磷矿为主，工业类型主类属磷块岩矿石．矿石品级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级品均有分布，以Ⅱ、Ⅲ级品居多，各矿段或各矿山矿石P2O5含量一般为20%～25%．
1.4水文地质特征[3-4]
宜昌磷矿区位于湖北鄂西北山区，属亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛，具有典型山地气候特征，多年平均降雨量1 100 mm～1 200 mm．
宜昌磷矿主要矿层赋存在震旦系下统陡山沱组中下部，含矿岩系主要为白云岩组，上覆震旦系上统灯影组和寒武系等岩层，底板为南华系南沱组和前震旦系崆岭群等岩层．矿层和底板可看作为隔水层或相对隔水层，矿层直接顶板（白云岩）为岩溶裂隙水含水层，其厚度一般为30～60m，其上为陡山沱组第四段相对隔水层，其厚度一般为20 m～30 m，相对隔水层之上为震旦系上统灯影组巨厚岩溶裂隙含水层，其厚度一般为400 m～450 m，灯影组上部为寒武系下统石牌组和水井沱组隔水层，其厚度一般为100 m～120 m，该隔水层具有良好隔水性，可看作是矿床上部的隔水边界，隔断其上巨厚寒武系岩溶裂隙水含水层．对矿井涌水量影响较大的地层主要为灯影组岩层，尤其是其上段和中段地层，该层水文特性主要体现在：岩层整体上富水性弱～中等，但裂隙、溶蚀较发育，且发育不规则小溶孔或小溶洞．
宜昌磷矿各矿段或矿山多属缓倾单斜储水构造，周边一般没有明显的（水平）隔水边界和补给边界，不能构成单独水文地质单元．附近地表水一般不构成矿床的主要充水因素，主要充水含水层富水性弱－中等，地下水补给条件中等．地下水唯一补给源为大气降水渗入，迳流区与补给区基本一致．
矿床水文地质勘探类型多属“以溶蚀裂隙为主，顶底板直接充水，水文地质条件中等～复杂的岩溶充水矿床”．根据多个矿山涌水量估算及实际数据，单矿段井下涌水量一般为2×104 m3/d～4×104 m3/d．
1.5工程地质与环境地质特征
总体而言，宜昌磷矿区工程地质类型为：矿层及围岩以坚硬～半坚硬的碳酸盐岩为主，工程地质条件为中等～复杂类型．矿山地质环境质量为中等～不良类型[5]．
对中深部矿床而言，地压问题已有显现，埋深大于400 m～500 m时已出现“岩爆”现象，据矿山地质地勘资料以陡山沱组底部樟村坪段地层发生“岩爆”的可能性为最高，胡集段地层次之，其它地层更次之．热害问题尚不明显，按照本区年平均气温10.5 ℃、常温带深度为400 m、地热增温梯度取1.57 ℃/100m，矿层埋深为900 m～1 000 m时，矿坑地温为18 ℃～20 ℃，预计埋深大于1 400 m时，地温可达26 ℃．
2中深部开采引起采矿制造成本增高的主要原因
采矿制造成本分为原材料费用、燃料及动力费用、工资及福利费用及制造费用四部分[6]，通过多个项目设计及实际生产成本分析得出中深部开采按吨矿成本计：原材料费用（不考虑充填费用时）一般为12元/吨～15元/吨，与浅部开采相当或增幅不大；燃料与动力费用一般为25元/吨～40元/吨，比浅部开采增幅明显、增长3～6倍；工资及福利费用一般为25元/吨～30元/吨，与浅部开采相当或增幅不大；制造费用（含维简费18元/吨）一般为40元/吨～45元/吨，比浅部开采有一定增幅、增长30%～50%．
宜昌磷矿开采技术条件较适合采用房柱法（品位较高地段已逐渐发展为嗣后充填房柱法），已取得成熟的开采经验，中深部开采目前采矿工艺没有大的变动，原材料费消耗和劳动定员没有较大变动，因此原材料费用和工资及福利费用不会引起较大的变化．制造费用中除维简费，还包括折旧和维修费用等，因中深部开采比浅部开采吨矿投资增加、主系统设备材料增加等，相应制造费用有所增加，但增长幅度不大．
中深部开采成本增加的主要方面是燃料与动力消耗大幅度增长，其中以耗电为主，导致采矿制造成本较大幅度提高：
1）宜昌磷矿因矿层顶板存在有巨厚灯影组含水层，矿井涌水量大，进入中深部开采各矿段或矿山均属大水矿山，加上排水高差大，排水用电负荷占矿山总用电负荷比重大，根据多个矿山生产统计一般可达30%～35%或更大，是矿山各生产系统中最大耗电的系统，排水费用显著增加．假设单矿井正常涌水量为2×104 m3/d，排水高差500 m，初步估算年排水费用1 500万元，如年生产规模100万吨，则折合到吨矿排水费用为15元．
2）进入中深部开采虽然地温暂不会引起热害而需增加额外通风量和降温费用，但因生产规模较大、需风量，加上通风线路长，需要大功率通风机，通风用电负荷占矿山总用电负荷比重较大，根据多个矿山生产统计一般可达20%～25%，是矿山各生产系统中仅次于排水耗电的系统，通风费用明显增加．
3）进入中深部开采因矿石提升高差增大，相应提升运输功率增大，提升运输用电负荷占矿山总用电负荷比重亦较大，根据多个矿山生产统计一般可达20%左右，提升运输费用也有较大的增加．
3降低宜昌磷矿中深部矿床开采成本的技术措施
3.1开采工艺
宜昌磷矿进入中深部开采时间不长，开采工艺的优化仍在探索与研究之中，从降低开采成本角度考虑，可采取以下措施[1，7]：
1）提高机械化装备和智能化水平
采用先进的、大型的采掘设备和提高自动化、智能化水平，既可提高安全本质又可较大幅度减少劳动定员，从而达到降低开采成本．
2）采切工程脉内布置
无轨采掘设备技术的应用机动灵活性增强，采用脉内布置采切工程和部分开拓工程不仅减少脉外掘进材料消耗、减少废石提升运输量，又可提高副产矿石比例．
3）推进充填或回填采矿技术
因矿石价格不高和充填料来源不足等原因，全面推进充填采矿技术目前条件尚不成熟，但条件适宜时采用部分嗣后胶结充填或废石回填不仅提高开采安全、提高回采率从而间接降低开采成本，而且因防止了顶板大面积冒落、较大幅度降低井下涌水量和排水费用（如能保持陡山沱组上部相对隔水层不破坏、井下涌水中的顶板涌水量可降低1/3以上）．
3.2排水
矿井涌水量大不仅排水设施投资大、排水费用高，而且由于涌水中含（颗粒态）磷等污染物高，废水处理投资大、费用高，因此降低井下涌水排水及处理费用主要包含三个方面：降低井下涌水量、降低排水总扬程、降低废水处理费用．防治水、排水及废水处理是系统工程，下面针对降低成本方面提出一些技术措施．
1）封堵或隔离导水通道
井下涌水量大主要原因是矿层顶板存在有巨厚灯影组含水层，除了地层裂隙渗水，一些地质导水构造或人为行成的导水通道也加剧了井下涌水量，甚至造成突水事故，因此需要采取措施封堵或隔离导水通道，如严格钻孔封堵、避免或减少井巷工程穿越导水地质构造、在导水断层两侧留设防水保安矿柱等．
2）井筒截流
中深部磷矿开采主要开拓井巷必须穿越矿层顶板巨厚灯影组含水层，矿井涌水主要也是来自顶板含水层，井筒涌水占矿井涌水总量比重较大，根据数个矿山生产统计一般可达井下总涌水量的1/4～1/3，如在井筒中结合施工排水、在主要含水层底部设置截水和排水泵站，可对矿层开采起到一定的疏干作用、降低总排水扬程和实现清水截流分排、降低污水处理费用．
3）疏干截流
根据宜昌磷矿水文地质特征，中深部矿体矿井涌水主要来自顶板巨厚灯影组含水地层，矿山多属缓倾单斜储水构造，结合地形条件和开拓运输系统布置，可考虑布置长排水平硐工程或疏干工程，对主要含水层进行放水疏干和拦截井下涌水量．宜昌磷矿区内地形陡峭，遍布深沟狭谷，地表河流或溪流密布、曲折迂回，矿区地表支流或溪流纵坡一般≥10‰。地形条件为实施长平硐排水提供了较有利的条件，一般平硐长3～4km，可降低标高150～200m。如某磷矿设计方案中，通过增加约3.6km长平硐工程而降低排水几何扬程约175m，当井下涌水量为2×104m3/d时，节省电费3年可收回工程投资，当井下涌水量为3×104m3/d时，节省电费2年内可收回工程投资。长排水平硐因可较大降低排水扬程从而可较低降低费用，因具有疏干作用可降低水灾隐患威胁、提高安全性，当与开拓主井相结合时还可较大降低矿石提升高度、降低运输费用。
4）采取多级接力泵站并适当抬高一级泵站标高
矿床埋藏较深、倾斜延深垂高较大、矿坑涌水量较大，结合首采区段和基建范围等情况，采取多级接力泵站排水方式并适当抬高一级泵站标高，抽排水与拦截水相结合，有利于设备选择、降低排水综合扬程和总排水费用．
5）适当加大井下水仓容量和排水设施能力实施错峰排水
宜昌地区实行时段差异电价，目前工业用电电价大致为：每天峰（8 h）、平（7 h）、谷（9 h）时段分别为1.10元/度、0.65元/度、0.39元/度．谷时段电价只有平时段的60%、峰时段的36%。如果适当加大水仓容量和排水泵站及管道能力、实行错峰排水，即由三班排水改为二班或一班排水，则排水电费可大幅度降低．当然加大水仓容量和排水装置的能力需要增加投资，但其增加幅度相对不大且是一次性投入．
另外，根据《磷矿开采对黄柏河东支水环境的影响研究报告》（2014），矿井含磷污染物绝大部分为颗粒态磷，通过沉淀处理能有效去除总磷量．井下排水泵站水仓能起到沉淀池作用，通过加大井下水仓容量，延长沉淀时间和降低沉淀流速，加强水仓沉淀作用，可大大减少含磷污染物处理费用．
3.3通风
矿井通风是改善井下作业环境、保障人员身体健康和安全生产的关键生产系统之一．进入中深部开采单矿山规模均为大型或超大型，磷矿开采万吨需风量一般为1.3 m3/s～1.5 m3/s，如年开采规模200万吨时，矿井需风量一般为260 m3/s～300 m3/s．需风量大、通风线路长、风阻大，相应通风费用在生产成本中占有较大比重．优化通风系统、降低通风费用涉及到许多因素，下面结合设计实践针对降低通风费用提出一些措施．
1）提高机械化装备水平
提高机械化装备水平，可提高作业效率，减少工作面作业数，因而降低工作面需风量和降低矿井通风阻力．
2）适当控制柴油驱动设备使用
柴油驱动装运设备机动灵活性好，但因其产生尾气污染井下空气，在矿井需风量计算时需要按井下作业柴油发动机总功率校核通风量，某些矿山设计时因柴油驱动设备较大或较多，其需要的通风量会大于按作业面计算风量，因此需要适当控制柴油驱动设备的使用．
3）优化矿块结构提高有效风量
房柱法采矿工作面空间大，采场计算需风量较大，通过优化矿块结构参数或采取局部加强通风、控制通风等措施，提高有效风量利用率可降低采场需风量．
4）适当加大井巷断面或增设专用通风井
适当加大井巷断面或增设专用通风井，既是施工或系统的需要，也是降低通风阻力的有效途径．
5）应用分区通风技术方案
井巷通风阻力随井巷过风量的平方关系增长，采用分区通风技术方案，分散风流，单巷风量可较大幅降低，通风线路的长度也可较大幅度缩短，矿井通风阻力会大幅降低．
6）应用主要角联分支技术方案
在进风段和回风段采取措施使其形成角联网络，多条进风井共同进风，多条回风井共同承担总回风[8]。因各进风井巷或回风井巷断面、长度有差异，通过角联分支进行风流分风或汇合，可有效降低进风段和回风段的通风阻力，从而降低总通风阻力和通风功率。如某150万吨/年磷矿开采项目，采用中央（主副井）进风两翼（风井）回风的通风系统，总通风量210m3/s，其中东采区90m3/s、西采区120m3/s，东回风斜井断面14.2m2、长1800m，西回风竖井断面19.6 m2、长250m。通过采用回风段并联通风技术方案优化后，东、西风井风压由4200Pa、1950 Pa调为2560 Pa、2780 Pa，东、西风井理论风机功率由504kW、176 kW调为243 kW、320 kW，总理论风机功率降低117 kW。
3.4提升运输
1）采用连续高效提升运输方式——胶带运输
胶带运输为连续运输方式，提升运输能力大、自动化控制程度高，安全高效环保，是提升运输成本最小的方式．宜昌磷矿一般均采用浅孔落矿方式，矿石块度、矿石性质都适合胶带运输，结合矿区地形条件和矿层赋存条件，胶带斜井作为主运输提升是较适宜的方式。原普通胶带运输适应斜井倾角≤15°，目前深槽胶带技术已达到斜井倾角25°～30°，我们称为大倾角胶带[9]。在笔者单位设计的宜昌磷矿新建矿山项目中，长水平胶带、长斜井胶带、大倾角胶带都取得成功应用．
2）适当选用较大容量（载重）的中段运输无轨卡车
地下卡车是宜昌磷矿较合适的中段运输设备，适当加大卡车载重，可减少运输设备数量和人员，可减少错车等所增加的井巷工程．
3）采用接力提升运输方式并适当抬高主井见矿标高
中深部开采提升高差大，而且因矿层倾角缓，矿层倾斜延深长、高差大，总的开采顺序自上而下，采用接力提升运输方式并适当抬高主井见矿标高，可避免矿石先下放再提升，有利于缩短提升综合高差．估算每百米高差提升运输成本一般为1.0元/吨～1.5元/吨，降低提升高差可较大幅度降低提升运输成本．
4）减少废石运输量并采取内排方式
宜昌磷矿属沉积型矿床，矿层整体上较稳定。进入矿层后宜尽量采用脉内布置井巷工程以减少废石量产生，并将废石内排附近采空区，减少废石提升运输量和缩短运输距离．
3.5其它措施
1）系统优化和创新设计方案降低投资
进入中深部开采工程投资明显增大，需要我们深入系统分析项目建设条件和特性，改变传统设计理念，积极引进新材料、新设备、新技术，优化和创新设计方案，降低项目工程投资，也就相应降低开采成本．
2）加强 “以矿养矿”措施
进入中深部开采，开采规模大，建设周期和达产时间较长，如能采取措施达到早见矿、多副产、早形成中间规模生产系统等“以矿养矿”的目的，以基建矿产收益抵冲部分建设投入，则可间接降低开采成本．
4结 语
宜昌磷矿有几个中深部开采矿山已在建设，还有一批探矿权待转采矿权，开采成本增高势必影响开采效益．如何降低开采成本是一个综合系统性问题，涉及众多因素和环节，必须引起勘探、设计、研究、生产及管理等各部门高度重视，加强研究和新技术开发，应用矿山建设新理念和新思路，采取综合性降本增效措施，其中设计方案优化和创新是非常重要和关键的环节．结合笔者单位承担的众多宜昌磷矿开发项目的设计实践和工作经验，在分析了宜昌磷矿的开采技术条件和特性的基础上，提出一些在项目设计中开采技术方面尤其是针对引起成本增高的主要因素方面的具体对策、措施和思路，其中大部分已成功应用，取得良好效果，有些如长平硐排水技术方案需要多部门协作落实，可供宜昌磷矿中深部矿体开采待建项目或其它类似条件中深部矿体开发降本增效提供参考．
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论文作者:吴少雄1,童阳春2?
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第27期
论文发表时间:2019/1/4
标签：磷矿论文; 宜昌论文; 矿层论文; 费用论文; 矿山论文; 深部论文; 风量论文; 《建筑学研究前沿》2018年第27期论文;