田 軍，李懷賓，楊曉明，張姝婧

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青龍溝金礦露天轉(zhuǎn)地下采場(chǎng)礦石貧化評(píng)估*

田 軍1，李懷賓2，楊曉明2，張姝婧2

(1.東北大學(xué) 深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.東北大學(xué) 采礦地壓與控制研究中心，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

為了研究采場(chǎng)的貧化問(wèn)題，提出了一種ELOS(超挖深度)的量化指標(biāo)，以青龍溝采區(qū)北礦段為工程背景，采用Mathews穩(wěn)定性圖法，計(jì)算得出上盤超挖深度較小，均小于0.5 m；下盤超挖深度隨著采場(chǎng)長(zhǎng)度的增加變化為0.7~1.6 m；通過(guò)數(shù)值計(jì)算，采場(chǎng)上盤超挖深度較小且變化不明顯，而下盤超挖深度變化較顯著，變化范圍為0.64~1.07 m。圖表法和數(shù)值模擬法得出的結(jié)果具有一致性，結(jié)果表明：在采場(chǎng)開(kāi)挖時(shí)，下盤超挖較嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)采場(chǎng)下盤的支護(hù)。

貧化；超挖深度；Mathews圖表；數(shù)值模擬

礦產(chǎn)資源具有有限性和不可再生性，所以，優(yōu)化開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)資源、降低生產(chǎn)成本以及提高經(jīng)濟(jì)效益是礦山的重要目標(biāo)[1?2]。隨著礦產(chǎn)資源產(chǎn)量的逐漸增大，降低開(kāi)采過(guò)程中的損失與貧化對(duì)于礦山降低生產(chǎn)成本至關(guān)重要。礦山在生產(chǎn)過(guò)程中，不正確的采礦方法、開(kāi)采順序等都會(huì)致使大量的廢石混入礦堆，導(dǎo)致礦石貧化率增高，出礦品位相應(yīng)降低，加大采礦和礦石處理成本；因此，降低貧化率對(duì)于提高礦山的經(jīng)濟(jì)效益、充分利用礦產(chǎn)資源和延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限具有重要意義[3]。本文以青龍溝采區(qū)北礦段為研究對(duì)象，采用圖表和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)采場(chǎng)貧化進(jìn)行分析。

1 現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)

大柴旦礦業(yè)有限公司青龍溝采區(qū)北礦段上部為露天開(kāi)采，目前，露天開(kāi)采已經(jīng)結(jié)束，主要開(kāi)采青龍溝采區(qū)北礦段，即露天轉(zhuǎn)地下部分。青龍溝采區(qū)北礦段共探明4條礦體，其中M2礦體規(guī)模較大，圖1為青龍溝采區(qū)三維地質(zhì)模型。

青龍溝采區(qū)北礦段位于青龍溝復(fù)向斜的東南段，礦區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造和斷裂較發(fā)育，總體走向?yàn)镹NW~SSE，與區(qū)域主構(gòu)造方向一致，礦區(qū)侵入巖主要為塊狀構(gòu)造，中元古代地層為薄~中厚層狀構(gòu)造。青龍溝金礦主礦體(M2)位于16250N-16550N勘探線間，形態(tài)呈-東傾的簡(jiǎn)單板狀，向深部延伸時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)分支，傾向和走向上具有較好的穩(wěn)定連續(xù)性。礦體上盤為條帶狀大理巖，下盤為白云質(zhì)大理巖，礦體為蝕變的變質(zhì)砂巖。礦化區(qū)域厚度一般從數(shù)米至二十多米，厚度變化較大，礦體呈似層狀和透鏡狀，傾向NE，走向157°，傾角60°~90°，平均78°左右，礦體平均厚度約10 m。經(jīng)多年開(kāi)采，剩余礦體走向長(zhǎng)675 m，傾向最大延深174 m。

圖1 青龍溝采區(qū)三維地質(zhì)模型

根據(jù)青龍溝采區(qū)北礦段M2礦體的賦存特點(diǎn)，對(duì)急傾斜中厚礦體采用長(zhǎng)礦房干式充填采礦法進(jìn)行開(kāi)采(見(jiàn)圖2)，采場(chǎng)高度設(shè)計(jì)為20 m，該方法采用深孔連續(xù)爆破后退式落礦，對(duì)出礦形成的空區(qū)進(jìn)行連續(xù)干式充填。該采礦方法的優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)爆破落礦、出礦和連續(xù)充填空區(qū)，即隨采隨充。理論上，該采礦方法沒(méi)有采場(chǎng)長(zhǎng)度限制，這將減少切割天井?dāng)?shù)量，達(dá)產(chǎn)快、鉆孔、循環(huán)時(shí)間短，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 長(zhǎng)礦房連續(xù)干式充填采礦法

利用測(cè)線法對(duì)青龍溝采區(qū)北礦段礦巖進(jìn)行結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析，根據(jù)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，采用Q、RMR和GSI分類方法對(duì)礦巖質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后利用經(jīng)驗(yàn)公式獲得礦巖力學(xué)參數(shù)[4]，如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2 礦石貧化主要影響因素分析

導(dǎo)致礦石貧化的影響因素很多，通常貧化是這些因素共同作用的結(jié)果。這使得很難檢測(cè)單一變量對(duì)貧化的影響。影響礦石貧化的主要原因可以分為3大類：鉆孔和爆破問(wèn)題，不合適的采場(chǎng)尺寸設(shè)計(jì)和地質(zhì)條件問(wèn)題。

2.1 鉆孔和爆破

鉆孔和爆破問(wèn)題包括鉆孔精度和單位耗藥量。鉆孔精度是由于鉆孔位置、鉆孔傾角、鉆孔偏斜和鉆孔長(zhǎng)度錯(cuò)誤等造成的。鉆孔和爆破問(wèn)題對(duì)礦石貧化的影響很難預(yù)測(cè)，因?yàn)闆](méi)有足夠的數(shù)據(jù)來(lái)比較鉆孔精度和超挖深度之間的關(guān)系。此外，鉆孔的不良性能也會(huì)導(dǎo)致各種各樣的結(jié)果，包括鉆孔損失、鉆孔間距的變化等。圖3顯示了鉆孔精度差的可能影響，藍(lán)色是計(jì)劃中的鉆孔，紅色是可能錯(cuò)誤的鉆孔。由于這些鉆孔誤差作用的持續(xù)累積，爆破的對(duì)稱性也會(huì)發(fā)生變化，可能導(dǎo)致礦石貧化或礦石損失。

圖3 鉆孔精度的影響

2.2 采場(chǎng)尺寸設(shè)計(jì)

由于采場(chǎng)尺寸設(shè)計(jì)造成的貧化，意味著采場(chǎng)邊界的確定使得貧化幾乎是不可避免的，當(dāng)采出的礦量相同時(shí)，采場(chǎng)尺寸可以設(shè)計(jì)成不同情況，礦石貧化也會(huì)隨之變化。

2.3 地質(zhì)條件

地質(zhì)條件主要包括地應(yīng)力和采場(chǎng)圍巖條件，礦石貧化通常是由這2個(gè)因素相互作用造成的，如軟弱巖體的垮塌、冒落等。地質(zhì)問(wèn)題與采場(chǎng)尺寸設(shè)計(jì)密切相關(guān)，因?yàn)榱己玫牟蓤?chǎng)尺寸，可以減小礦石貧化程度。

3 礦石貧化評(píng)估

在開(kāi)采過(guò)程中，礦石貧化是不可避免的。貧化又分為計(jì)劃內(nèi)貧化和計(jì)劃外貧化。計(jì)劃外貧化是由采場(chǎng)冒落或圍巖混入而導(dǎo)致的，計(jì)劃內(nèi)貧化則是由包含在礦體內(nèi)或采場(chǎng)邊界范圍內(nèi)隨回采而混入的廢石造成的(見(jiàn)圖4)。

圖4 計(jì)劃內(nèi)和計(jì)劃外貧化

依據(jù)以往的研究，礦石貧化可以用不同的方式進(jìn)行定義，例如，長(zhǎng)時(shí)間對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得廢石和礦石的比例具有重要的意義，然而，這不是評(píng)估采場(chǎng)開(kāi)采是否成功的最優(yōu)方式，如果只比較廢石和礦石的比例，即使是開(kāi)采非常失敗的采場(chǎng)，當(dāng)坍塌的材料恰好是相鄰的采場(chǎng)礦石時(shí)，也可以具有較低的貧化率。英屬哥倫比亞大學(xué)的Brady(1998)引入“等效線性超挖深度()一詞來(lái)量化貧化的程度[5]，是指從采場(chǎng)邊界以外的體積除以相應(yīng)面的面積(見(jiàn)圖5)，這是一個(gè)很好的檢驗(yàn)采場(chǎng)開(kāi)采是否成功的方法，因?yàn)樗灰蕾囉诓蓤?chǎng)的體積，只與邊界的表面積的有關(guān)?？梢杂霉?1)計(jì)算，目前，青龍溝采區(qū)北礦段處于露天轉(zhuǎn)地下的接替階段，還沒(méi)有進(jìn)行開(kāi)采，無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采場(chǎng)上下盤的超挖體積，所以本文采用經(jīng)驗(yàn)圖表和數(shù)值

圖5 ELOS計(jì)算示意圖

模擬法來(lái)計(jì)算值。

3.1 圖表法

Mathews穩(wěn)定圖法是由Mathews等人于1980年首先提出的用于1000 m以內(nèi)硬巖礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)的方法。其中，Potvin(1988)、Potvin和Milne(1992)、Nickson(1992)通過(guò)對(duì)加拿大地下礦山350多個(gè)案例進(jìn)行分析，提出一個(gè)新的穩(wěn)定性圖表，充分考慮了影響采場(chǎng)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，穩(wěn)定性被定性地評(píng)估為穩(wěn)定、潛在的不穩(wěn)定或塌陷3種情況。估算圍巖超挖深度的穩(wěn)定圖表的設(shè)計(jì)過(guò)程是以穩(wěn)定數(shù)′和水力半徑這2個(gè)因子為基礎(chǔ)進(jìn)行的。

描述采場(chǎng)條件的穩(wěn)定性系數(shù)′定義為[6]：

式中：′為修正后的巖體質(zhì)量系數(shù)；為巖石應(yīng)力系數(shù)，由完整巖石單軸抗壓強(qiáng)度c與采場(chǎng)最大主應(yīng)力1的比值確定，參照文獻(xiàn)[7]進(jìn)行求解；為節(jié)理方位修正系數(shù)，其值由采場(chǎng)面傾角與主要節(jié)理組的傾角之差來(lái)度量，參照文獻(xiàn)[8]進(jìn)行求解；為設(shè)計(jì)采場(chǎng)暴露面的重力調(diào)整系數(shù)，反映重力對(duì)采場(chǎng)巖體穩(wěn)定性的影響，參照文獻(xiàn)[9]進(jìn)行求解。、、值見(jiàn)表2。

表2 穩(wěn)定性系數(shù)N′計(jì)算值

采場(chǎng)的水力半徑可以通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

=/(3)

式中,為待分析采場(chǎng)的幫壁或者采空面的橫截面積；為待分析采場(chǎng)幫壁或者采空面的周長(zhǎng)。

利用穩(wěn)定性圖對(duì)青龍溝采區(qū)北礦段采場(chǎng)上下盤超挖深度進(jìn)行評(píng)估，已知采場(chǎng)高20 m，上盤和下盤的穩(wěn)定性系數(shù)′分別為：14.03和3.81，采場(chǎng)長(zhǎng)度取12 m、24 m和36 m。分別進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)圖6)，計(jì)算結(jié)果列于表3。上盤超挖深度較小且均小于0.5 m；下盤超挖深度隨著采場(chǎng)長(zhǎng)度的增加變化為0.7~1.6 m。這說(shuō)明當(dāng)采場(chǎng)開(kāi)挖時(shí)，下盤超挖較嚴(yán)重，應(yīng)對(duì)下盤進(jìn)行支護(hù)，防治大量廢石混入礦石堆。

3.2 數(shù)值模擬法

為了驗(yàn)證上述經(jīng)驗(yàn)圖表法的準(zhǔn)確性，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)采場(chǎng)圍巖超挖深度進(jìn)行計(jì)算分析。

表3 采場(chǎng)上下盤超挖深度值

(1) 數(shù)值模型建立。本文充分考慮3Dmine、MIDAS/GTS和FLAC3D在建模、網(wǎng)格劃分和計(jì)算分析等方面的優(yōu)越性，建立了數(shù)值計(jì)算模型。模型尺寸：X方向長(zhǎng)800 m，Y方向長(zhǎng)1400 m，Z方向大約高900 m(地表起伏無(wú)確定值)，共有228684個(gè)節(jié)點(diǎn)，1355319個(gè)單元體，如圖7所示。模型邊界采用位移約束，模型四周限制水平方向的位移，模型底邊界限制X、Y和Z方向的位移，模型上部邊界設(shè)置成自由面，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。

圖7 數(shù)值計(jì)算模型

(2) 數(shù)值模擬結(jié)果及分析。圖8列出采場(chǎng)寬10 m、長(zhǎng)12，24 m和36 m時(shí)的塑性區(qū)云圖。采場(chǎng)圍巖的塑性區(qū)體積通過(guò)fish語(yǔ)言編寫(xiě)的顯示程序計(jì)算出來(lái)。利用公式(1)計(jì)算圍巖超挖深度，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，隨著采場(chǎng)走向長(zhǎng)度的增加采場(chǎng)圍巖超挖深度隨之增大，其中采場(chǎng)上盤超挖深度增加不明顯；圖表法和數(shù)值模擬法得出的結(jié)果具有一致性。

表4 采場(chǎng)圍巖超挖深度

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用(超挖深度)量化礦石的貧化，通過(guò)圖表法和數(shù)值模擬法對(duì)采場(chǎng)礦石貧化進(jìn)行評(píng)估，主要得出以下結(jié)論：

(a) 采場(chǎng)長(zhǎng)度12 m；(b) 采場(chǎng)長(zhǎng)度24 m；(c) 采場(chǎng)長(zhǎng)度36 m

(1) 運(yùn)用Mathews穩(wěn)定性圖表，計(jì)算得出上盤超挖深度較小且均小于0.5 m；下盤超挖深度隨著采場(chǎng)長(zhǎng)度的增加變化為0.7~1.6 m。

(2) 通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出，采場(chǎng)上盤超挖深度較小(約0.28 m)且變化不明顯，而下盤超挖深度變化較顯著，變化范圍為0.64~1.07。圖表法和數(shù)值模擬法得出的結(jié)果具有一致性，結(jié)果表明：在采場(chǎng)開(kāi)挖時(shí)，下盤超挖較嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)下盤的支護(hù)。

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(2018?08?30)

田 軍(1962—)，男，遼寧建平人，高級(jí)工程師，主要從事巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)工作。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0600803)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474052)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(N150102001).