小寺溝銅鉬礦無底柱分段崩落法崩礦步距優(yōu)化

＊李樹青 孟航

（河北省國(guó)控礦業(yè)開發(fā)投資有限公司 河北 050000）

無底柱分段崩落法自20世紀(jì)60年代從瑞典引進(jìn)以來，因其操作簡(jiǎn)單，安全可靠，效率高，成本低在我國(guó)金屬礦山得到了廣泛應(yīng)用[1]。然而在覆巖下放礦，礦石損失貧化率高，特別是分段高度、進(jìn)路間距、崩礦步距三者匹配關(guān)系不當(dāng)時(shí)，問題更為突出。許多學(xué)者對(duì)無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了大量的研究工作，取得了良好的成果[2-4]。

目前對(duì)崩礦步距的優(yōu)化研究主要以實(shí)驗(yàn)室相似材料試驗(yàn)研究[5]、基于示蹤劑回收的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[6]以及基于放礦理論的數(shù)值模擬試驗(yàn)研究[7]。郭進(jìn)平應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室相似物理實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了四方金礦17m×20m結(jié)構(gòu)參數(shù)下的崩礦步距[8]。董振民、行鵬飛分別進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)出礦跟班標(biāo)定，確定了最優(yōu)崩礦步距[9,10]。安龍聯(lián)合應(yīng)用相似材料試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法，對(duì)梅山鐵礦18m×20m結(jié)構(gòu)參數(shù)下的崩礦步距進(jìn)行了優(yōu)化研究[11]。周寶坤等基于響應(yīng)曲面法對(duì)弓長(zhǎng)嶺鐵礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[12]。

本文以小寺溝銅鉬礦為工程背景，基于放礦橢球體理論和現(xiàn)場(chǎng)出礦試驗(yàn)，對(duì)該礦無底柱分段崩落法15m～17m分段高度下的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，改善放礦技術(shù)指標(biāo)。

1.工程背景

(1)工程概況

小寺溝銅鉬礦開采礦體是以銅為主，鉬為副的銅鉬共、伴生礦體。鉬礦體主要賦存在接觸帶內(nèi)側(cè)巖體內(nèi)，銅礦體與鉬礦體緊密相依，位于鉬礦體下盤。鉬礦體：走向呈北40°～50°西方向展布，傾向南西，傾角50°～80°，走向長(zhǎng)度2000m，厚度70m～760m，平均厚度150m。銅礦體：走向與鉬礦體基本一致，呈北45°～50°西方向展布，傾向南西，傾角55°～83°，走向長(zhǎng)度1200m，厚度20m～87m，平均厚度38m。礦體頂?shù)装鍘r石本身有輕微的蝕變作用，但巖質(zhì)較為堅(jiān)硬，鉬礦體內(nèi)及銅鉬礦過渡地帶圍巖極不穩(wěn)固。目前主要開采615m中段以上13線～14線之間的銅鉬礦體，礦石散體流動(dòng)參數(shù)α=1.594、β=0.127；α1=1.668、β1=0.046。

(2)目前存在問題

礦山兩率指標(biāo)高，大塊率高，出礦效率低。礦山貧化率指標(biāo)偏高，目前礦山采礦綜合貧化率為19.83%，出礦品位偏低，采選成本偏高，企業(yè)效益下降；損失率偏高，目前平均損失率為30.56%，使礦山資源消耗過快，生產(chǎn)成本增加；大塊率高，大塊率一般為43.15%～49.84%，經(jīng)常堵塞出礦口，出礦效率低，每天出礦量不足700噸，選廠生產(chǎn)只能斷斷續(xù)續(xù)進(jìn)行，嚴(yán)重影響選廠的正常生產(chǎn)。

2.結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

無底柱分段崩落法主要結(jié)構(gòu)參數(shù)由分段高度（H）、進(jìn)路間距（B）和崩礦步距（L）三者構(gòu)成。為使經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)最優(yōu)化，需要三者合理搭配，但小寺溝礦業(yè)無底柱分段崩落法采礦分段高度，是利舊工程，利用原有采礦巷道做為分段巷道，分段高度固定為15m～17m，進(jìn)路間距12.5m。因此，需要對(duì)崩礦步距進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化開采方案。

無底柱分段崩落法放礦時(shí)，垂直進(jìn)路方向的放出體方程由隨機(jī)介質(zhì)放礦理論[13]給出，即:

式中：

r、z為放出體坐標(biāo)變量；

h為放出體高度。

(1)進(jìn)路間距優(yōu)化

根據(jù)式（1）可知，放出體與參數(shù)α有關(guān)。當(dāng)α＞1/ln2時(shí)，放出體上部較寬而下部較窄；當(dāng)α=1/ln2時(shí)，放出體為標(biāo)準(zhǔn)橢球體；當(dāng)α＜1/ln2時(shí)，放出體上部較窄而下部較寬。因此，隨機(jī)介質(zhì)放礦理論可適應(yīng)放出體形態(tài)的多態(tài)性。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)橢球體，合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)并非放出體五點(diǎn)相切，而可能是下三點(diǎn)相切（圖1）或上三點(diǎn)相切（圖2）的布置方式[14]。

圖1 放出體下三點(diǎn)相切示意圖

圖2 放出體上三點(diǎn)相切示意圖

在圖1、2中，放出體R1、R2、R3的方程分別為：

當(dāng)放出體下三點(diǎn)相切布置時(shí)，R1與R2在A點(diǎn)相切（圖1），則R1和R2在A點(diǎn)的切線的斜率相等，為：

當(dāng)放出體上三點(diǎn)相切布置時(shí)，R2與R3在F點(diǎn)相切（圖2），則R2和R3在F點(diǎn)的切線的斜率相等，為：

因?yàn)棣?1.594＞1/ln2，放出體為非標(biāo)準(zhǔn)橢球體，其合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)為放出體三點(diǎn)相切布置方式。當(dāng)α=1.594、β=0.127、H=15m時(shí)，進(jìn)路間距B=12.48m；當(dāng)α=1.594、β=0.127、H=17m時(shí)，進(jìn)路間距B=12.54m。因此，分段高度的合理范圍為12.48m～12.54m。原進(jìn)路間距12.5m在最優(yōu)范圍之內(nèi)，基于充分利用現(xiàn)有工程的原則，進(jìn)路間距不進(jìn)行調(diào)整，仍使用原參數(shù)。

(2)崩礦步距優(yōu)化

如圖3所示，放礦時(shí)，沿進(jìn)路方向的放出體方程為[15]：

圖3 放出橢球體示意圖

式中：

A1、β1為沿進(jìn)路方向的隨機(jī)介質(zhì)放礦理論散體流動(dòng)參數(shù)；

y、z為放出體坐標(biāo)變量。

放出體最大寬度ymax為：

代入α1=1.668、β1=0.046計(jì)算可得，ymax=2.81m。

放出體軸偏角實(shí)測(cè)可得θ=5°，放礦步距計(jì)算公式為：

式中：θ為放出體流軸與端壁夾角。則放礦步距最優(yōu)解為2.8m。最優(yōu)崩礦步距為：

式中：k為巖石松散系數(shù)，一般取1.3～1.5。計(jì)算可得最優(yōu)崩礦步距范圍是1.8～2.2m。

3.現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

在665m中段鉬采場(chǎng)、615m中段銅采場(chǎng)和650m中段銅采場(chǎng)分別設(shè)計(jì)崩礦步距為1.8m、2.0m和2.2m。中深孔鑿巖采用雪撬式鑿巖臺(tái)架，配YGZ-80型回轉(zhuǎn)式重型鑿巖機(jī)，鉆鑿扇形中深孔，釬頭直徑有60mm、90mm兩種。出礦運(yùn)搬設(shè)備型號(hào)為ZL30E礦用裝載機(jī)，該設(shè)備鏟斗寬度為2456mm，鏟取深度為1148mm。采場(chǎng)進(jìn)路寬度為4.0m，載重10噸礦用汽車運(yùn)輸?shù)V巖。

原中深崩礦設(shè)計(jì)，90mm孔大塊率高，一般為43.15%～49.84%，爆下礦石流動(dòng)性差，經(jīng)常堵塞出礦口，出礦效率低；60mm孔大塊率極少，粉礦占比大，炸藥單耗高，礦石過度破碎。通過對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，爆破效果得到了極大改善，推墻懸頂、眉線破壞現(xiàn)象極少發(fā)生，大塊率明顯降低，提高了出礦效率。礦巖破碎效果良好，同時(shí)也降低了爆破振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響。改進(jìn)前后參數(shù)如表1所示。

表1 中深孔設(shè)計(jì)參數(shù)

615中段銅礦體11#采場(chǎng)中，進(jìn)路掘進(jìn)、中深孔施工、裝藥爆破、出礦等工序全部按照新設(shè)計(jì)的技術(shù)要求進(jìn)行施工。經(jīng)過30多天的爆破、出礦，大塊率比原設(shè)計(jì)低，大塊率達(dá)到22.75%，平均下降了42.74%，二次破碎時(shí)間大大縮短，出礦效率大幅提高，該采場(chǎng)出礦量可達(dá)1600t/d，炸藥單耗為0.39kg/t，兩率指標(biāo)控制良好（如表2）。

表2 小寺溝礦業(yè)采場(chǎng)主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

此后又在665m中段鉬采場(chǎng)和650m中段銅采場(chǎng)相繼將崩礦步距調(diào)整為2.0m，均取得了成功。應(yīng)用新的設(shè)計(jì)參數(shù)后，混入采出礦石的廢石量降低，進(jìn)而降低了礦石貧化率。礦石的貧化率計(jì)算公式為：

式中：ρ為礦石貧化率，%；α為工業(yè)儲(chǔ)量礦石品位，%；α＇為采出礦石（包括廢石）的品位，%。

礦石貧化率的降低，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。以電解銅市場(chǎng)價(jià)按6.8萬元計(jì)，在采、選其他指標(biāo)不變的前提下，礦石入選品位每增加0.001%，每年可增加收入106萬元。按小寺溝銅鉬礦貧化率由之前的平均19.83%降至試驗(yàn)采場(chǎng)貧化率14.93%計(jì)算，只貧化率一項(xiàng)指標(biāo)就可為公司增加收入5000萬元，效益可觀。

4.結(jié)論

本文根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)放礦理論計(jì)算結(jié)果，得到該分段高度下最優(yōu)進(jìn)路間距仍為12.5m，最優(yōu)放礦步距為2.8m，同時(shí)考慮最優(yōu)崩礦步距與最優(yōu)放礦步距之間的關(guān)系，得到崩礦步距范圍為1.8m～2.2m。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)放礦試驗(yàn)，崩礦步距為2.0m時(shí)損失率、貧化率低，出礦效率高，各放礦技術(shù)指標(biāo)良好。