《MetaResource》：From Cut-and-Fill to Longhole Open Stoping: A Case Study in Backfill Reticulation Optimisation and Integrated Operations Management
编辑推荐：
为提高年矿石产量并降低采矿成本，南非Black Mountain Mine（BMM）引入了长孔采矿法（longhole mining method）。现有为分层充填采场（cut-and-fill stopes）设计的水力充填（hydraulic fill）回填
为提高年矿石产量并降低采矿成本，南非Black Mountain Mine（BMM）引入了长孔采矿法（longhole mining method）。现有为分层充填采场（cut-and-fill stopes）设计的水力充填（hydraulic fill）回填系统无法满足新的矿山寿命期（life-of-mine，LOM）计划。研究人员启动回填系统升级项目，以提高回填产量，实现长孔采场的及时充填。对现有系统的分析识别出地下分配系统（underground distribution system，UDS）在安全、性能、可靠性和过度停机方面的问题，其中后者占系统总停机时间的47%。短期干预解决了紧迫的安全和生产问题，随后实施综合工程升级以改善系统性能。回填系统优化过程聚焦于采用水力建模（hydraulic modelling）改进UDS，识别系统最脆弱部件，并分析这些位置的主导磨损机制。与此同时，回填系统利用率得到处理，矿山通过回填集成运营管理（backfill-integrated operations management）为长孔充填做好准备，包括人员培训以促进对回填系统的理解并推动跨部门知识共享。研究人员寻求结构化的预防性维护（preventive maintenance）方法，并制定全面的回填管理计划。本文将全面讨论成功降低系统停机时间并使平均月回填产量翻倍的步骤和过程。可应用于其他在产回填作业的关键经验包括：结构化UDS诊断方法的价值、按矿山计划优先安排升级、对水力挑战进行详细技术理解的需要，以及获得劳动力认同以实现和维持回填目标的关键作用。
研究背景：Black Mountain Mine（BMM）位于南非北开普省，其Deeps和Swartberg两个地下作业生产锌、铅、铜和银。Deeps历史上多水平同时开采，仅采用分层充填法（cut-and-fill，一种以分层回采和充填维护工作面的采矿方法）。随着矿山进入第三阶段开采，矿体更深、品位更低，生产表现下降，矿山启动向长孔空场法（longhole open stoping，一种以大规模采场和深孔爆破为特征的地下采矿方法）过渡，以提高产量并降低单位采矿成本。采矿方法变化对水力充填（hydraulic fill，以尾砂和水泥等制成并经管道输送的充填料）回填系统提出新要求：原为较小分层充填采场设计的系统无法满足修订后的矿山寿命期（life-of-mine，LOM）计划所要求的回填放置速率。现有系统还存在回填厂磁流量计（magmeter，基于电磁感应测量流量）受尾矿高磁铁矿浓度影响而严重高估流量、FY 2015–2016平均月吞吐仅达当年月度目标的50%、FY 2016–2017需提高110%才能实现近期矿石产量目标等问题；地下停机中47%由地下分配系统（underground distribution system，UDS）故障引起。UDS还存在安全、性能、可靠性和停机过多问题，磨损集中在钻孔底部、钻孔插入件、弯头及邻近直段，并涉及冲击、侵蚀、磨蚀以及疑似松弛流（slack flow，管道内非满管或部分充满流态）区的空蚀。研究人员因此开展回填系统升级，以提升安全性、生产率、可靠性、人员能力、可持续性、集成和故障管理，并为长孔充填做准备。
研究人员开展了数据驱动诊断、短期干预和长期工程升级相结合的研究与实施。通过回填量对账识别仪表误差，更换流量计并复核水泥配方强度；通过停机统计和UDS失效分析确定瓶颈；通过现场检查、失效分析、超声测厚和流态监测识别磨损机制与压力损失；设定安全、生产率、可靠性、人员、可持续性、集成、故障管理和间接效益目标；在不停产条件下实施安全旁路和薄弱环节改造；与Paterson & Cooke合作开展水力建模和UDS重新路由，确定维持钻孔底部满流（full flow，管道内充满流体）、将冲击区上移至钻孔插入件以上至少10 m，并通过水平管段摩擦损失在所有工况下保持钻孔内15 m浆体水头；开展钻孔设计、耐磨材料选择和预防性维护、故障调查、故障与冲洗程序及回填管理计划；同时通过培训、跨部门会议、跨岗位训练和职业发展促进劳动力认同。研究结论表明，数据驱动诊断、针对性工程升级与集成运营管理结合，可在一年内显著降低停机、提高回填产量并启动长孔采场充填。
技术方法概述：本研究为BMM的Deeps和Swartberg地下矿案例研究，无实验室样本队列；数据来源包括回填厂流量计读数、矿山计划团队根据测量采空区计算的计划回填量、停机记录、现场检查与失效分析、超声测厚、压力变送器和沉降床检测器监测及运行记录。主要方法包括：以回填量对账和停机统计诊断系统瓶颈；将磁流量计更换为声呐流量计（sonar-based flowmeter，利用声波测量流量）并复核水泥配方强度；识别UDS磨损机制；建立水力模型并重新路由；按钻机能力设计回填钻孔与扩孔；选择耐磨衬里材料；实施预防性维护、故障调查与冲洗程序；开展跨部门培训和职业发展。
研究结果：安全方面，通过将UDS移出非活动区和未支护地层区域，并完成岩土评估、支护与旁路，人员不再进入不安全区域，安全条件改善。生产率方面，FY 2016–2017年回填年放置量较FY 2015–2016增加80%；最后6个月平均月放置量较FY 2015–2016翻倍，表明系统未因实施过程受阻并快速受益于升级。可靠性方面，停机时间减少50%，达到目标；项目最后5个月接近85%，显示下一年可能超过初始目标。人员方面，为操作员、监督员和工程师组织培训，制定新程序和全系统手册；建立职业发展体系，使回填操作员依据地下管道安装、挡墙施工、地表厂运行和控制室管理等技能获得认可和晋升。可持续性方面，采用耐磨材料并建立预防性维护系统，UDS按LOM重新设计。集成方面，多学科培训及鼓励操作员同时学习地下和地表运行，促进各方参与。故障管理方面，建立回填管道故障程序、冲洗程序和管道故障调查程序。间接效益方面，UDS移出旧非活动区后，操作员无需进入这些区域，通风门可保持关闭，改善活动水平通风；UDS移出斜坡道并减少重大泄漏，显著降低水管理系统风险。UDS造成的停机比例降至18%，年回填放置量翻倍，矿山开始长孔采场充填。
讨论部分总结：系统分析，包括性能监测、磨损评估和水力诊断，是识别关键弱点和优先升级的前提；即时干预处理安全风险和运营瓶颈，长期工程方案满足LOM回填需求；定制管道、钻孔和耐磨部件设计需考虑流态和高应力区，以降低非计划故障风险；劳动力参与、培训、跨部门整合和结构化职业发展有助于形成所有权、协作和持续改进；预防性维护、监测工具和结构化故障响应程序支持主动管理、减少停机并提高可靠性；数据驱动决策与渐进式、针对性升级结合，可快速提高回填吞吐并为长孔空场法过渡做好准备。研究结论（Key Learnings）翻译：对回填系统进行系统分析，包括性能监测、磨损评估和水力诊断，对于识别关键弱点和优先升级至关重要。即时干预解决了安全风险和运营瓶颈，而长期工程方案确保系统能够满足LOM回填需求。针对管道、钻孔和耐磨部件的定制设计考虑了流动条件和高应力区域，降低了非计划故障风险。同样重要的是劳动力参与：培训、跨部门整合和结构化职业发展计划，以鼓励所有权、协作和系统运行的持续改进。预防性维护、监测工具和结构化故障响应程序的实施实现了主动管理、减少了停机并提高了可靠性。通过将数据驱动决策与增量、有针对性的升级相结合，项目快速提高了回填吞吐量，并使矿山为向长孔空场法过渡做好准备，证明了回填系统优化集成方法的价值。
