我国矿产资源丰富，但人均占有量较低。随着浅部易采资源的开发利用，地下金属资源的开发逐步向纵深方向发展。20世纪及本世纪初，受勘探深度、采选技术经济条件、钢铁对矿石资源需求等因素影响，铁矿开采以露天开采为主。经过几十年的开采，我国冶金矿山大多数大中型露天矿山已经进入了中后期开采，露天保有的开采资源量越来越少，继续进行露天扩帮开采，剥离的大量废石恶化矿山及周边的生态环境和地质环境，而且随着露天开采深度的增加，成本及难度进一步加大，严重影响和制约露天矿山的生产能力和经济效益的提高［1-3］。露天转地下开采成为采矿业发展的趋势。
1地下选矿厂建设的意义
通过对矿产资源现状的分析，我国贫矿和难选矿多，尤其铁矿储量中，贫矿占铁矿总储量的98%。为此，几乎中国所有的铁矿山采出的矿石均要经过选矿才能利用。随着露天向地下开采方式的转变，如何降低采选总体成本、建设绿色、环保、智能矿山成为专家和学者们研究的重点。近些年来，在地下完成采选作业得到越来越多的关注。对于地下开采的矿山，将选矿厂直接建在地下深部，在地下完成选矿作业，具有重要的现实意义。(1)降低矿山生产成本，节省能耗。选矿厂建设在地下，地下开采的矿石可直接给入选矿系统，减少运输环节、减少矿石的无益提升，选矿厂尾矿浓缩后直接充填至采场采空区，避免了尾矿的无益提升，起到了降本降耗的目的。(2)节约土地，减少环境污染。选矿厂建设在地下，除必要的办公设施和机修设施需放置在地表外，选矿主体工艺和生产配套设施均放置在地下，节省了选矿厂的地表占地、省去了征地和地表选矿厂的建设与维护管理，减少了对生态和环境的影响。(3)为深部资源开发利用提供了有效途径。中国地表浅层的铁矿资源已越来越少，地球深部矿产资源的勘探开发将在不久的将来得以实现，随着矿产埋藏深度的加深，若采用传统地下采矿、地表选矿的方法，势必增加联合成本，那么深部地下开采将在市场竞争中失去优势。采用地下建设选矿厂，尽可能降低生产成本，将获得更大的经济效益。
2地下选矿厂建设的主要特点
(1)节省能耗。选矿厂建设在地下，只需把精矿提升至地表进行后续加工，尾矿就近回填至采空区，节能效果显著。(2)节省占地。除必要的办公设施和机修设施外，地面无选矿厂和尾矿库设施，省去征地及占地。(3)绿色环保。地面无选矿厂和尾矿库设施，减少了环境的污染。(4)智能、连续、无人化生产。地下采矿、矿井提升、地表选矿的传统生产模式，采矿和选矿可作为两个独立的生产部门存在，作业之间相互干扰较少，自动控制系统也都各成体系。地下建设选矿厂与传统模式不同，采矿、选矿衔接更为紧密，采选必须作为一个整体给予考虑。因此，高水平的自动控制系统是至关重要的，通过设备控制、过程控制、生产执行和经营管理，实现地表控制中心对地下生产的统一调度、统一管理、统一监控，真正实现采选全流程的智能化、自动化和无人化生产。(5)基建工程量大，施工复杂。地下建设选矿厂与地表建设选矿厂相比，省去了矿石主井提升系统、地表选矿厂建筑物，但增加了斜坡道开拓系统、管道井及选矿厂硐室工程量。另外，选矿厂硐室跨度及高度相对较大，施工及支护难度增加。
3地下选矿厂建设应注意的主要问题
(1)采矿方法。地下选矿厂建设应与采矿、充填相结合，因此只有应用充填采矿法的矿山，选矿厂尾矿能够回充至采空区，才能达到节省能耗和尾矿库的目的。(2)岩石性质。地下选矿硐室跨度及高度均较大，虽然可通过设计优化将硐室跨度和高度降至最优，但比常规破碎硐室仍大很多，硐室的跨度和高度对岩石的物理力学性质要求较高，一般来讲，地下选矿厂硐室的位置应选择在稳固岩体中，尽量避免岩石破碎、地应力高或软岩。(3)资源条件。建设地下选矿厂的矿山，应尽量选择有用矿物含量较高，且回收率不低的矿体，尽可能实现将选矿尾砂全部充填至采空区，铁矿资源在这方面优势较为明显。(4)工艺流程。地下选矿厂的建设应力求工艺流程最短，硐室数量最少。因此，不同的矿山应通过多方案比较，确定最优工艺流程。(5)建厂形式。地下选矿厂建设与地表建厂不同，地表建厂受地形限制，应充分利用地形条件，而地下选矿厂空间可无限利用，因此从工艺角度，地下选矿厂的建设应充分考虑自流，但自流建厂随下降高度的增加，井巷及斜坡道工程量也相应增加。(6)硐室布置。在确定了选别流程和主要设备后，设备配置形式和硐室的布置也是地下选矿厂设计应主要优化的方面。应通过不同的配置形式和硐室布置方案比较，从技术经济角度确定更优的配置。(7)大件运输。地下选矿厂的建设应充分考虑选矿设备在地下的大件运输问题，合理的大件尺寸可缩小斜坡道和井巷工程断面，减少工程量，同时还可降低卷扬和硐室内吊车起吊重量，节省投资。(8)安全措施。选矿厂的建设必须有事故情况下的应急处理措施，这一点无论地下选矿还是地表选矿均是一致的，但考虑问题的角度有所不同，以事故矿浆的排放为例，地表选矿厂将事故矿浆排至室外即可，但地下选矿厂需要将事故矿浆排至整个选矿厂最低点，否则将对其他硐室产生影响。
4地下选矿工艺设计研究
4．1建设条件
辽宁某铁矿位于鞍山市境内，保有储量约6317万t，推断储量约22000万t，适合建设大型采选工程项目。该铁矿床系沉积变质型的鞍山式铁矿，矿体走向延长2450m，一般厚度为20～73m，平均厚度为48．92m，矿体倾角为65°～90°，从矿体形式上看，适合采用嗣后充填采矿法采矿。该铁矿原矿全铁品位大于30%，且以磁铁矿为主，易于铁矿物回收，产生尾矿量小。矿体直接围岩以外围岩为变粒岩、角闪岩、阳起石英片岩，皆为稳固，抗风化力强，尤其变粒岩坚硬稳固抗风化力强。矿体内和上下盘硬岩层内皆适宜布置井巷及大型硐室工程。通过分析可知，该铁矿床适宜建设地下选矿的采选联合工程。
4．2矿石结构及矿物分析
矿石的主要类型有磁铁石英岩，角闪(绿泥)磁铁石英岩，假象赤铁石英岩等。矿石构造以条带状构造为主，同时发育揉皱状构造、角砾状构造等。矿石的结构以粒状变晶结构为主，同时发育交代结构、包含结构等。假象赤铁矿主要与磁铁矿构成连晶和混晶，少数呈单矿物产出。磁铁矿的形态比较简单，呈团聚粒构成铁质条带或呈单粒产出。原矿化学多元素分析结果见表1，原矿铁物相分析结果见表2。由表1、表2可知，原矿中的有用矿物主要是磁铁矿，磁铁矿中铁占76.33%，硅酸铁中铁占16.85%，含量较高，其次是碳酸铁中铁占5.62%;矿石中主要杂质为SiO2、Al2O3。
4．3选矿试验
通过对该铁矿的工艺矿物学研究，查明了铁矿石工艺矿物学特性，根据不同磨矿粒度的磁选试验和磁场强度试验，获得了较好的选别指标，试验推荐采用阶段磨矿、单一磁选细筛选别工艺处理磁铁矿。
4．4试验评述
(1)该铁矿矿石主要为磁铁矿，且硫、磷有害杂质含量较低，脉石成分单一，便于矿石的加工利用;矿石中可供选矿回收的铁主要以磁铁矿形式存在，占铁矿物的76．33%。因此，采用单一磁选工艺回收铁矿物是适合的。(2)试验推荐的阶段磨矿、阶段选别、最终细筛检查分级的单一磁选工艺流程是适合的，可作为此次设计的基本依据。试验中对选矿试验矿样的代表性和试验深度未有述及，建议具备条件后取代表性矿样再进行选矿试验。
4．5选矿工艺设计
4．5．1工艺流程的确定(1)破碎、1段磨矿。由于该铁矿选矿厂设置在地下，力求工艺流程最短、硐室数量最少是选矿设计的基本原则。目前，国内处理铁矿的破碎、磨矿工艺主要有3种，一是常规破碎、球磨工艺;二是粗碎、半自磨工艺;三是常规破碎、高压辊磨工艺。半自磨工艺优点是给矿粒度大，工艺环节少，工艺简单，减少设备台数和生产岗位工人数量，降低建设投资，同时可减少破碎作业对环境的污染。半自磨工艺在国外一直得到广泛的应用，近年来，国内的昆钢大红山铁矿、太钢袁家村铁矿、攀钢白马铁矿、鞍钢鞍千矿业等均采用了半自磨工艺。常规破碎、磨矿工艺和高压辊磨工艺，虽然在选矿成本上有优势，但相对于半自磨，这2种工艺均存在工艺复杂、破碎筛分系统流程长，皮带运输设施繁多，生产组织管理难度大，生产维护量大，粉尘污染严重，主体建构筑物多、占地面积大、初期建设投资高等缺点。因此，为尽可能的简化破碎流程、减少产尘作业、减少硐室数量，结合工程选矿厂布置在地下的特点，该设计确定采用粗碎、半自磨工艺更加合适。(2)2段磨矿。半自磨排矿经直线筛分级后，筛下产品粒度为－2．0mm，为使矿物充分解离，需进行再磨作业，再磨采用常规球磨还是立磨，进行了研究分析。首先，立磨作为超细磨磨矿设备，由于其独特的结构设计，使立磨在节能降耗方面优势明显。随着设备的大型化，技术的先进化，立磨的给料粒度范围和排料粒度范围已越来越宽，给料粒度可达到－10mm，排料粒度可达到1～200μm。立磨设备已应用在多个大型矿山，如攀钢白马铁矿、鞍钢关宝山铁矿、河钢庙沟铁矿等。其次，立磨在较粗的给矿粒度条件下，排矿粒度仍可很细，且不易产生过磨现象，球磨机在这方面不具优势。通常情况下，如果给矿粒度较粗，而磨矿粒度较细，则需要采用2段球磨或3段球磨才能完成，否则容易产生过磨和处理能力下降，影响生产和选别。该工程再磨磨矿给矿粒度为－2.0mm(－0.074mm35%)，最终磨矿细度为－0.074mm95%，根据选矿试验和类似矿山实际生产数据对立磨和球磨进行了选型对比，对比结果见表3。由表3可知，①在相同的给矿粒度和排矿粒度条件下，采用1段立磨即可满足设计要求，而球磨则需要2段，立磨流程更短;②立磨装机功率更小，节能效果明显;③立磨机设备体积更小，可节省占地空间。针对该工程而言，立磨工艺流程短，更加适合本工程地下建厂的实际情况，因此设计确定2段磨矿采用立磨工艺。(3)通过上述分析，确定的工艺流程见图1。4．5．2选矿硐室布置原则的确定对于地下选矿厂而言，各工艺硐室的标高设定不像地上选矿厂须受自然地坪标高的限制，因此原则上各工艺硐室之间能实现矿浆自流，则应考虑矿浆自流，以达到节能降耗、减少生产环节的目的，但为实现矿浆自流，各工艺硐室之间须有一定的高差，最终精矿和尾矿向上泵送高度增大，亦相应增加了竖井和斜坡道的工程量。为深入研究2种布置形式的优劣，设计从前期基建投资和后期运营两方面进行了自流建厂与平面建厂2个方案的技术经济比较，对比结果见表4。由表4可知，矿浆自流建厂方案比矿浆泵送建厂方案前期投资多800万元，但后期运行费用节省250万元/a，差额投资回收期为3．2a。自流建厂方案虽然增加了一定的前期投资，但工艺更加顺畅，生产操作简单，具有更好的技术经济性。因此，选矿硐室按矿浆自流布置更合理。4．5．3粗碎至半自磨给矿方式的确定选矿厂建设在地下，最终精矿和最终尾矿均产于地下，最终精矿通过管道输送至地表过滤，最终尾矿通过管道输送至尾矿充填制备站，充填至采空区。因该工程与地面选矿厂的主要区别之一是最终精矿和最终尾矿是以矿浆形式向上运输，而不是向下运输，采用皮带机向上提升矿石和采用管道向上输送矿浆均能满足向上输送的要求，为确定哪种形式更节省能耗，进行了比较分析。通过比较可知，采用皮带机提升矿石单耗为4．17×10－3kWh/(t•m)，采用管道输送矿浆提升矿石单耗为6．53×10－3kWh/(t•m)。由于皮带机有角度限制，皮带机提升矿石省功费距离，胶带机巷道工程量会增加，但随着高度的提高，地下斜坡道工程量及竖井高度均会减少，综合考虑，设计对矿石提升进行了2个方案的比较，以确定哪种给矿方式更合理。方案Ⅰ:粗碎产品直接给皮带机，先用皮带机向上提升，再将矿石卸入半自磨磨前储矿硐室，半自磨磨前储矿硐室下部采用振动给料机卸料，通过皮带机给入半自磨，这种配置方式多了2个转运环节，但硐室标高抬高。方案Ⅱ:粗碎产品直接进下部溜井(作为半自磨磨前储矿硐室)，溜井下部采用振动给料机卸料，通过皮带机给入半自磨，这种配置方式简单，转运环节少，但硐室标高下降。由表5可知，方案Ⅱ较方案Ⅰ建设投资多591万元，年经营费多20万元。从技术上，方案Ⅰ还有一个优点，可通过调整粗碎硐室和磨前储矿硐室间胶带机长度，来调整地下硐室在顺向的位置，以便寻找最优的岩石层。因此从技术经济上考虑，尽管选矿厂设置在地下，在半自磨前设置独立的磨前储矿硐室还是更加合理的。4．5．4大件运输尺寸和重量的确定与地表建设选矿厂不同，地下选矿厂设计中要充分考虑大件的运输、下放和后期的维护更换，且在考虑大件的过程中，不仅要考虑整个选矿厂的运输大件，还要对各个不同硐室的大件给予考虑。通过对不同硐室不同设备的分析，选矿主要设备大件部位和确定原则见表6。通过选择合理的选矿设备，确定合理的大件尺寸，可有效降低设备井和斜坡道的断面尺寸，减少基建工程量，同时可减小硐室内起重机规格，减少设备投资，对设备大件的深入了解和研究对地下选矿厂建设具有非常重要的意义。4．5．5地下选矿硐室事故排放方式的确定除设备大件外，地下选矿工艺设计另一个需要重点考虑的问题是硐室内的事故排放，与地表建选矿厂不同，地下选矿厂硐室呈高低错落布置，且硐室与硐室之间通过管道通廊和斜坡道联通，一旦某个硐室发生事故，将对下游硐室产生直接影响。因此，地下硐室事故排放尤为重要。经分析研究，采用以下3种方案解决问题:①在硐室内设置一定容积的矿浆事故池，矿浆事故池采用深－浅溢流堰式设计，深池内可储存一定容积的矿浆，当矿浆量较大时，深池内上部矿浆流至浅池，浅池上部溢流水通过地沟流至斜坡道，设备正常运转后深池矿浆返回工艺流程;②硐室入口处斜坡道采用低于硐室最低标高设计，这样既可保证各个硐室事故矿浆可流到外部斜坡道，又可保证斜坡道内水不倒灌硐室;③在整个选矿厂最底点设置单独矿浆事故池，此事故池容积可满足全厂停产时整个工艺流程管路及设备内矿浆的排放，也可满足厂内单个最大容量设备的矿浆排放(停车检修)。
4．6工程主要设计特点
(1)选矿厂规模为大型，采用粗碎—半自磨工艺，可降低建设费用，节省管理成本。(2)破碎机和立磨机选用进口、高效、节能大型设备，其他设备采用国内优质产品，降低生产成本。(3)设计采用粗碎—半自磨—湿式预选—立磨—弱磁选的阶段磨矿阶段选别工艺，实现“能抛早抛、能收早收”的原则，减少后续工艺的给矿量，达到了节能的目的。(4)采用半自磨工艺和立磨工艺，缩短选别工艺流程，减少物料输送环节及硐室数量，更适合地下建设选矿厂的特点。(5)根据矿浆自流建厂，减少泵送环节，节省能耗和后期运行维护费用。(6)半自磨磨矿前设置独立的磨前储矿硐室，降低物料下降高度，节能效果显著。(7)生产的铁精矿采用管道输送至地表过滤，铁尾矿浓缩后充填至采空区，缩短了尾矿的向上运输距离，节能效果显著。(8)充分考虑地下选矿厂的大件尺寸和大件运输方式，优化地下总图及井筒设计，减少基建投资。(9)选矿厂建设在地下，节约了地表占地、减少了环境污染，经济效益和社会效益巨大。
5结语
(1)对于地下建设的选矿厂应在满足工艺设计的前提下，使工艺流程最短，地下硐室数量最少，设备布置最紧凑。(2)方案比较是选矿设计的重要手段，通过多方案比较，可优化设计，达到减少基建投资和节能降耗的目的。(3)受岩石力学性质的影响，硐室与硐室的间距不是固定不变的，还要根据对厂址岩石力学的深入研究进行不断调整。(4)设计中不同粒度和浓度的矿浆，自流坡度不同，应对各生产环节需要自流输送的矿浆开展最小自流坡度的试验研究，对节省高差具有重要意义。(5)地下选矿厂的建设，应以较高的自动化控制水平作为保障，通过统一调度、统一管理、统一监控实现地下选矿的安全、可靠、无人化生产。(6)地下选矿厂建设是一项非常系统且复杂的工程，除上述内容外，地下选矿硐室的通风、防火、省级医学期刊防潮、岩石稳定性分析、地热处理、除尘降噪等均是影响地下选矿厂建设的关键因素，该工程的建设将对深度矿床的地下选矿厂建设具有重要的指导意义。
作者：陆欢欢 董一宁 宋宁波 单位：中冶京诚(秦皇岛) 工程技术有限公司
