丁文俊，周宗紅，安東亮，侯廷凱,張 鑫，王 蘋

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093；2.云南德誠礦山設(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

無底柱分段崩落法自20世紀(jì)中期引進(jìn)我國以來，由于其回采效率高、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)在我國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采，采用無底柱分段崩落法的較少，因此放礦理論研究也較少。目前國內(nèi)采用無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。然而長安金礦在露天轉(zhuǎn)地下開采過程中，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開拓工程的不斷推進(jìn)，開展適合礦山現(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)的問題，通過物理相似模型實(shí)驗(yàn)，研究端部半無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572 m；傾向北東東，傾角20°～90°，平均76°。V5-1礦體走向340°，走向長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

礦山前期為露天開采，2017年11月，長安金礦露天開采結(jié)束，轉(zhuǎn)入地下開采，坑底標(biāo)高為1 520 m；采用豎井開拓，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。主礦體采用無底柱分段崩落法開采，由于礦體產(chǎn)狀復(fù)雜多變，礦巖穩(wěn)固性差，開采難度大，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。

長安金礦階段高度為50 m，1 500 m中段以上礦體已經(jīng)開掘，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確定進(jìn)路間距?？紤]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)路方向短軸長度來確定[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度見表3。

表3 沿進(jìn)路方向不同高度的放出體短半軸長度

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)化后的無底柱分段崩落法基礎(chǔ)上，根據(jù)長安金礦V5、V5-1主礦體開采技術(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)地下開采過渡期內(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)，不僅可以解決無底柱分段崩落法覆蓋層的形成問題，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)，上部沒有覆蓋層，為滿足無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、減少廢石混入和低貧化放礦來保證礦石品位，依靠設(shè)置回收進(jìn)路和截止品位放礦來控制礦石損失。

5 結(jié)論

a.通過對(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，說明擬合效果較好。

b.通過端部放礦實(shí)驗(yàn)得到了長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)的無底柱分段崩落法，無論是采場(chǎng)構(gòu)成要素還是礦石回收方式，與傳統(tǒng)的無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，可有效解決長安金礦無底柱分段崩落法開采的礦石損失貧化問題。