長(zhǎng)安金礦低貧損無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采技術(shù)研究*

丁文俊，周宗紅，安東亮，侯廷凱,張 鑫，王 蘋

(1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093；2.云南德誠(chéng)礦山設(shè)計(jì)工程有限公司，云南 昆明 650000；3.云南黃金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，云南 昆明 650000)

0 引言

無(wú)底柱分段崩落法自20世紀(jì)中期引進(jìn)我國(guó)以來(lái)，由于其回采效率高、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)金屬礦山中得到了廣泛應(yīng)用。在采場(chǎng)結(jié)構(gòu)和崩落礦巖流動(dòng)規(guī)律方面，王友新等[1-5]進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，取得了很大進(jìn)展。大部分金礦都采用充填采礦法開(kāi)采，采用無(wú)底柱分段崩落法的較少，因此放礦理論研究也較少。目前國(guó)內(nèi)采用無(wú)底柱分段崩落法的金礦主要有四方金礦、夏甸金礦、柏杖子金礦等。郭進(jìn)平等[3]對(duì)四方金礦的研究得出，12.5 m分段下的最佳進(jìn)路間距為14 m，最佳崩礦步距為3.1～3.3 m；周宗紅[6]通過(guò)端部放礦實(shí)驗(yàn)得出，夏甸金礦分段高度為7～8 m、進(jìn)路間距為8 m時(shí)，崩礦步距為1.2 m ；周顏軍[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，柏杖子金礦分段高度進(jìn)路間距為15 m、崩礦步距為1.6 m時(shí)，礦石的回收效果最好。上述研究成果表明，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)礦石損失貧化有直接影響[8]，合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)可達(dá)到高回收、低貧化的效果。然而長(zhǎng)安金礦在露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)程中，由于采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取不合理，導(dǎo)致礦石貧損率偏高，直接影響了礦山的經(jīng)濟(jì)效益；為充分回收礦產(chǎn)資源，減少礦石的損失貧化，隨著1 450 m開(kāi)拓工程的不斷推進(jìn)，開(kāi)展適合礦山現(xiàn)狀的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究顯得十分迫切。

在以往研究的基礎(chǔ)上，以長(zhǎng)安金礦V5、V5-1復(fù)雜難采礦體為工程背景，根據(jù)礦體條件和開(kāi)采方式提出了低貧損分段崩落法的新方案；針對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)偏小(分段高度7～9 m，進(jìn)路間距8.33 m)的問(wèn)題，通過(guò)物理相似模型實(shí)驗(yàn)，研究端部半無(wú)限邊界條件下放出體形態(tài)的變化規(guī)律，以獲得分段高度、進(jìn)路間距和崩礦步距的合理取值，從而確定適合該礦的最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 礦山概況

長(zhǎng)安金礦位于云南省金平縣城270°方向，總體地形南高北低，東西兩側(cè)高，中部低；礦段中部主要礦體有V5、V5-1，大致呈似層狀、透鏡狀向東北陡傾，礦體產(chǎn)出于F6斷層破碎帶東盤的蝕變巖帶中。V5礦體走向約340°，地表走向長(zhǎng)572 m；傾向北東東，傾角20°～90°，平均76°。V5-1礦體走向340°，走向長(zhǎng)448 m，傾向北東(約70°)，0線局部反傾，傾角25°～85°，平均64°，傾向延伸403 m。V5礦體底板是西亞帶的白云質(zhì)構(gòu)造巖和部分東亞帶的砂泥質(zhì)構(gòu)造巖，頂板是東亞帶的砂泥質(zhì)構(gòu)造巖及少量正長(zhǎng)巖(脈)。其他礦體頂?shù)装逯饕獮闁|亞帶的粉砂質(zhì)、細(xì)砂質(zhì)碎裂巖，局部為正長(zhǎng)巖(脈)，V5礦體和V5-1礦體局部有夾石。

V5、V5-1礦體形態(tài)及局部剖面如圖1所示。

(a)2線局部剖面圖

礦山前期為露天開(kāi)采，2017年11月，長(zhǎng)安金礦露天開(kāi)采結(jié)束，轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采，坑底標(biāo)高為1 520 m；采用豎井開(kāi)拓，劃分為1 500、1 450 m等中段。礦體呈薄、中厚、厚-緩傾斜、傾斜、急傾斜產(chǎn)出，礦巖穩(wěn)固性屬于一般-差。主礦體采用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采，由于礦體產(chǎn)狀復(fù)雜多變，礦巖穩(wěn)固性差，開(kāi)采難度大，存在礦石損失貧化率高、生產(chǎn)成本高、安全條件差等突出問(wèn)題。

2 端部放礦實(shí)驗(yàn)

2.1 散體粒級(jí)的確定

基于照相面積法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)礦石散體粒徑級(jí)配進(jìn)行調(diào)查，得出各粒徑礦石級(jí)配百分比，按照相似比1∶50進(jìn)行配比，各粒級(jí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。

表1 各粒級(jí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)材料制備及模型制作

礦石散體的標(biāo)志性顆粒制備完成后，將其按一定順序擺放并進(jìn)行定位(見(jiàn)圖2)。標(biāo)志性顆粒間距為10 mm，布置在0°、45°、90°、135°、180°方向共5個(gè)剖面上。端部放礦模型如圖3所示。

圖2 每層標(biāo)志性顆粒擺放位置示意圖

圖3 端部放礦模型

2.3 達(dá)孔量圖繪制

根據(jù)標(biāo)志性顆粒達(dá)孔量數(shù)據(jù)表，繪制0°～180°剖面1～15層的標(biāo)志性顆粒達(dá)孔量曲線，如圖4-圖7所示(圖中Q表示達(dá)孔量，cm3；H表示層高，cm；R表示標(biāo)志性顆粒距中軸線的距離，cm)。

圖4 0°剖面達(dá)孔量圖

圖5 45°剖面達(dá)孔量圖

圖6 90°剖面達(dá)孔量圖

圖7 180°剖面達(dá)孔量圖

根據(jù)達(dá)孔量圖繪制的礦石放出體形態(tài)如圖8所示。

(a)0°～180°

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論[9]，端部放出體曲面方程為

(1)

式中：ω=(α+α1)/2，H為放出體高度；α、β為垂直進(jìn)路方向的散體流動(dòng)參數(shù)；α1、β1為沿進(jìn)路方向的散體流動(dòng)參數(shù)；k為壁面影響系數(shù)。

將圖8的放出體形態(tài)用Matlab進(jìn)行非線性回歸擬合，得到礦石散體流動(dòng)參數(shù)值：

α=1.916 6，β=0.408 9，

α1=1.072 4，β1=0.465 8，k=0.02。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，放出體的最大寬度在上半部分而不是中間，且放出體形態(tài)上下并不對(duì)稱，為類橢球體而非標(biāo)準(zhǔn)的橢球體。α>1/ln2=1.442 6，放出體上寬下窄；α=1/ln2，放出體中部最寬；α<1/ln2，放出體上窄下寬。由圖8的擬合結(jié)果可知：α=1.916 6>1/ln2，放出體上寬下窄，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

3 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

3.1 分段高度優(yōu)化

分段高度根據(jù)鑿巖設(shè)備、礦體賦存條件及礦石損失貧化等因素確定[7]，其主要受鑿巖設(shè)備能力的限制。分段高度大，采切工程量相應(yīng)減小，但分段高度的增加受鑿巖技術(shù)、礦體賦存條件以及礦石損失貧化等因素的限制。

長(zhǎng)安金礦階段高度為50 m，1 500 m中段以上礦體已經(jīng)開(kāi)掘，分段高度為7～9 m。1 500～1 450 m中段采用YGZ-90導(dǎo)軌式接桿鑿巖機(jī)，一般炮孔深度控制在15～18 m較為合適(分段高度為10～12 m)。由于階段高度為50 m，因而分段高度可選擇的參數(shù)有8.33、10.00、12.50 m。

不同分段高度、進(jìn)路間距的最大孔深為：

a.分段高度×進(jìn)路間距=8.00 m×8.33 m，最大孔深10.40 m；

b.分段高度×進(jìn)路間距=10.00 m×8.33 m，最大孔深13.00 m；

c.分段高度×進(jìn)路間距=10 m×10 m，最大孔深12.74 m；

d.分段高度×進(jìn)路間距=12.5 m×10.0 m，最大孔深16.9 m；

e.分段高度×進(jìn)路間距=12.5 m×12.5 m，最大孔深18.39 m。

綜合鑿巖設(shè)備、礦體賦存條件和采掘成本、礦石損失貧化情況可知：12.5 m的分段高度偏大，鑿巖困難；分段高度8.33 m與10 m比較，礦石損失率略低，但多1個(gè)分段，采切工程量大。通過(guò)多分段實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，第一分段崩落的礦石回收率偏低，須在第二分段轉(zhuǎn)段回收，至第三分段才能充分回收，因此需要布置3個(gè)以上分段才能滿足低損失率的要求[10]。綜合分析，1 500～1 450 m中段的分段高度取10 m。

3.2 進(jìn)路間距優(yōu)化

對(duì)礦石散體流動(dòng)區(qū)域[2]進(jìn)行分析，可以得到不同放礦方式的進(jìn)路間距計(jì)算公式：

(2)

式中：H為分段高度；b為放礦口寬度；μ為調(diào)整系數(shù)，與廢石漏斗在進(jìn)路頂板的出露密度有關(guān)(采用無(wú)貧化放礦方式時(shí)，μ=0；采用截止品位放礦方式時(shí)，μ=0.75；采用低貧化放礦方式時(shí)，μ=0.40)；α1=1.072 4；β1=0.465 8。

將測(cè)得的礦石散體流動(dòng)參數(shù)(α1=1.072 4，β1=0.465 8)以及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)(H=10 m，b=2.6 m)代入式(2)，得

(3)

不同放礦方式的進(jìn)路間距見(jiàn)表2。

表2 不同放礦方式的進(jìn)路間距

當(dāng)分段高度確定后，根據(jù)端部放礦實(shí)驗(yàn)得到長(zhǎng)安金礦不同放礦方式的進(jìn)路間距，按照使其損失貧化率最低的原則來(lái)確定進(jìn)路間距。考慮到散體流動(dòng)特性和回采進(jìn)路穩(wěn)定性，上下分段回采進(jìn)路應(yīng)交錯(cuò)呈菱形布置，使下分段盡量回收上分段回采巷道間的脊部殘留礦石。從損失貧化角度考慮，根據(jù)類似礦山經(jīng)驗(yàn)[6-7]，沿垂直礦體走向布置回采巷道，采用10 m的進(jìn)路間距，符合分段高度10 m條件下的放礦要求，以此指導(dǎo)礦山實(shí)際生產(chǎn)。圖9為優(yōu)化后的無(wú)底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。

圖9 優(yōu)化后的無(wú)底柱分段崩落法

3.3 崩礦步距優(yōu)化

根據(jù)放礦原理，放礦步距范圍可根據(jù)放出體沿進(jìn)路方向短軸長(zhǎng)度來(lái)確定[11-13]。根據(jù)相似實(shí)驗(yàn)繪出的放出體形態(tài)，沿進(jìn)路方向不同高度的放出體短半軸長(zhǎng)度見(jiàn)表3。

表3 沿進(jìn)路方向不同高度的放出體短半軸長(zhǎng)度

根據(jù)放出體形態(tài)可知，放出體最大水平寬度是分段高度的2倍時(shí)為最優(yōu)崩礦步距。由表3可知，高度40 cm時(shí)放礦步距為4.69 cm，按照放礦模型比例可得出礦山實(shí)際尺寸為2.35 m。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得長(zhǎng)安金礦的松散系數(shù)為1.6，可得出崩礦步距為1.47 m；考慮到礦山的實(shí)際情況，采用1.5 m的崩礦步距較為合理。

4 低貧損分段崩落法新方案

有研究表明，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)和放礦方式是無(wú)底柱分段崩落法礦石損失貧化的主要影響因素，對(duì)崩落礦巖移動(dòng)規(guī)律的影響也很大[6]。在優(yōu)化后的無(wú)底柱分段崩落法基礎(chǔ)上，根據(jù)長(zhǎng)安金礦V5、V5-1主礦體開(kāi)采技術(shù)條件，該區(qū)域上部為露天坑底、上盤和端部邊坡，在露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)渡期內(nèi)不能采用崩落邊坡圍巖形成正常的覆蓋巖層，擬采用“留礦石墊層+誘導(dǎo)冒落+設(shè)回收進(jìn)路+低貧化+截止品位放礦”方案控制礦石的損失貧化。新回采方案示意圖如圖10所示。

圖10 新回采方案示意圖

新方案的技術(shù)要點(diǎn)為：

a.留礦石作為覆蓋層(1 518、1 509 m分段以露天坑作為爆破自由面，向邊坡方向退采，炮孔深度盡可能深一些，將邊坡礦石崩落作為覆蓋層)，不僅可以解決無(wú)底柱分段崩落法覆蓋層的形成問(wèn)題，還可以有效降低礦石的損失貧化率，滿足分段崩落法擠壓落礦和安全生產(chǎn)的要求。

b.利用進(jìn)路回采提供的空間，誘導(dǎo)礦巖冒落形成覆蓋層；降低放頂成本，保證1 490 m分段在礦石覆蓋巖層下出礦。由于礦巖穩(wěn)固性為一般-差，節(jié)理裂隙發(fā)育，1 509、1 500 m分段回采后上盤邊坡圍巖逐漸自然冒落形成廢石覆蓋層。在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)密切關(guān)注覆蓋層形成情況，必要時(shí)強(qiáng)制崩落，在下部分段逐步回收礦石墊層。留1個(gè)分段厚度以上的礦石墊層能夠滿足無(wú)底柱分段崩落法安全和擠壓爆破需要，誘導(dǎo)冒落形成厚15～20 m的覆蓋層。

c.1 518～1 500 m分段礦石主要為頂?shù)妆P三角礦柱(露天臺(tái)階和坑底礦石)，上部沒(méi)有覆蓋層，為滿足無(wú)底柱分段崩落法需要，建議爆破后出30%左右的礦石，其余礦石留作墊層。

d.開(kāi)掘下盤圍巖形成回收進(jìn)路，充分回收殘留于采場(chǎng)下盤的礦量。

e.采用“低貧化放礦+截止品位放礦”組合方式，對(duì)下部有回收條件的進(jìn)路采用低貧化放礦，對(duì)沒(méi)有回收條件的進(jìn)路采用截止品位放礦[14]。在礦體厚度小的情況下，盡量形成空?qǐng)龀龅V條件，先空后崩，依靠留礦石墊層、減少?gòu)U石混入和低貧化放礦來(lái)保證礦石品位，依靠設(shè)置回收進(jìn)路和截止品位放礦來(lái)控制礦石損失。

5 結(jié)論

a.通過(guò)對(duì)放出體形態(tài)進(jìn)行擬合得到礦石散體流動(dòng)參數(shù)α=1.916 6>l/ln2，放出體上粗下細(xì)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，說(shuō)明擬合效果較好。

b.通過(guò)端部放礦實(shí)驗(yàn)得到了長(zhǎng)安金礦不同放礦方式的進(jìn)路間距，結(jié)合礦山實(shí)際情況，最終推薦采用的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：分段高度10 m，進(jìn)路間距10 m，崩礦步距1.5 m。

c.由“留礦石墊層+誘導(dǎo)冒落+設(shè)回收進(jìn)路的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)和截止品位+低貧化放礦”方式改進(jìn)的無(wú)底柱分段崩落法，無(wú)論是采場(chǎng)構(gòu)成要素還是礦石回收方式，與傳統(tǒng)的無(wú)底柱分段崩落法相比，都有較大改進(jìn)。依靠“截止品位+低貧化放礦”方式和與之相適應(yīng)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)降低礦石的貧化率，設(shè)置回收進(jìn)路提高礦石回采率，可有效解決長(zhǎng)安金礦無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采的礦石損失貧化問(wèn)題。