低品位厚大破碎礦體自然崩落法開采可行性分析

何德強(qiáng)，李永輝，江飛飛

(1.新疆亞克斯資源開發(fā)股份有限公司，　新疆 哈密市　839000； 2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙　410012； 3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，　湖南 長(zhǎng)沙　410012)

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低品位厚大破碎礦體自然崩落法開采可行性分析

何德強(qiáng)1，李永輝2,3，江飛飛2,3

(1.新疆亞克斯資源開發(fā)股份有限公司，新疆 哈密市839000； 2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙410012； 3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙410012)

摘要：針對(duì)黃山銅鎳礦30#低品位厚大破碎礦體(530 m以上區(qū)域)的特點(diǎn)，以及原設(shè)計(jì)無(wú)底柱分段崩落法無(wú)法正常開采的現(xiàn)狀和所面臨的技術(shù)難題，在大量前期調(diào)查、試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)此區(qū)域礦體自然崩落法開采的可行性進(jìn)行了深入的探討和分析，結(jié)果表明研究區(qū)域適合采用自然崩落法開采，并且是目前開采此區(qū)域較為經(jīng)濟(jì)有效的采礦方法。

關(guān)鍵詞：低品位厚大破碎礦體；自然崩落法；可行性分析

0引言

自然崩落法是一種借助拉底及削弱工程誘導(dǎo)礦巖體中的應(yīng)力發(fā)生變化，并借助巖體中的節(jié)理裂隙的發(fā)展而形成裂隙網(wǎng)，然后在自重作用下自然崩落，是一種不依賴鑿巖爆破落礦的高強(qiáng)度低成本的大規(guī)模地下采礦方法[1-2]。自然崩落法往往是針對(duì)礦塊或盤區(qū)進(jìn)行的，其成功開采實(shí)踐受多方面的影響，大體上可分為自然因素和工程因素2大類，其中自然因素主要包括地質(zhì)因素、礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、礦巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況、地應(yīng)力大小及分布情況等，工程因素主要為工程布置形式與施工方式等，由于影響自然崩落法開采的因素很多，導(dǎo)致其工程布置具有其特殊性，一旦開采失敗難以轉(zhuǎn)化為其他類型采礦方法或進(jìn)行補(bǔ)救，會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)和損失，因此為了有效控制風(fēng)險(xiǎn)，在開采實(shí)踐之前，必須進(jìn)行大量的前期可行性論證及研究工作，以降低風(fēng)險(xiǎn)，確保自然崩落法的成功開采實(shí)踐。

黃山銅鎳礦30#礦體為低品位厚大礦體，原設(shè)計(jì)采礦方法為無(wú)底柱分段崩落法，但由于其530 m以上區(qū)域礦巖結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，在實(shí)際施工過(guò)程中巷道易出現(xiàn)變形和垮塌，支護(hù)工作量大且支護(hù)難度和成本高，給工程進(jìn)度和井下作業(yè)安全造成了嚴(yán)重的威脅；另外，由于金屬價(jià)格的持續(xù)低迷，采用原設(shè)計(jì)采礦方法難以產(chǎn)生效益，也不利于礦山步入正常的生產(chǎn)軌道。因此，礦山通過(guò)與科研院所合作開展聯(lián)合攻關(guān)，以尋求更加符合安全高效需求的采礦方法，通過(guò)多方多次溝通，決定針對(duì)30#礦體(530 m以上區(qū)域)自然崩落法開采的可行性進(jìn)行深入研究。

1礦山開采技術(shù)條件分析

黃山銅鎳礦為新建礦山，30#礦體賦存在Ⅰ號(hào)基性—超基性巖體內(nèi)，呈隱伏狀產(chǎn)出，其530 m以上區(qū)域礦體長(zhǎng)240 m，平均厚度43 m，礦體傾角50°～65°，平均傾角61°，個(gè)別地段較緩，礦石平均品位為Cu 0.298%、Ni 0.461%，總體上礦體形態(tài)變化不大，屬低品位厚大礦體。礦體頂板巖性主要為斜長(zhǎng)角閃橄欖巖、輝長(zhǎng)蘇長(zhǎng)巖，底板巖性為角閃輝長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)蘇長(zhǎng)巖，局部為斜長(zhǎng)角閃橄欖巖。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，雖然大型構(gòu)造破碎帶發(fā)育較少，但中小型結(jié)構(gòu)面卻較為發(fā)育，給地下工程施工帶來(lái)了一定的不利影響，這一點(diǎn)在過(guò)去幾年的基建工程施工過(guò)程得到了很好的印證[3]。

另外，礦區(qū)工程地質(zhì)類型屬堅(jiān)硬半堅(jiān)硬為主的非層狀礦床，不良工程地質(zhì)問(wèn)題較單一，為工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單—中等的礦區(qū)。區(qū)內(nèi)無(wú)地表水系和常年性河流，僅有切割不深的干谷分布，雨季形成暫時(shí)性洪流，雨后3～5 d即消失，礦區(qū)發(fā)生塌方、泥石流、滑坡的可能性小，其地下水的主要補(bǔ)給源為大氣降水，地下水交替作用極弱，因而總的來(lái)說(shuō)水文地質(zhì)簡(jiǎn)單。此外，礦區(qū)位于戈壁灘上，且區(qū)內(nèi)上方地表及其附近無(wú)道路、管線工程及民用建筑，因而地表允許崩落。

在礦山開采技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，可知由于研究范圍內(nèi)礦石品位低、礦巖總體不穩(wěn)固、金屬價(jià)格低迷等因素的影響，導(dǎo)致原設(shè)計(jì)采礦方法無(wú)法正常進(jìn)行，因此有必要對(duì)采礦方法進(jìn)行相應(yīng)的變更及專項(xiàng)研究，以保證采礦作業(yè)的安全和資源的合理利用與回收。另外，區(qū)內(nèi)上方地表允許崩落，為自然崩落法的開采提供了可能，接下來(lái)有必要針對(duì)影響自然崩落法成功開采的自然因素進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)、調(diào)查、測(cè)試與分析，從而對(duì)區(qū)域內(nèi)自然崩落法的可行性進(jìn)行合理的綜合評(píng)價(jià)。

2相關(guān)調(diào)查、試驗(yàn)與測(cè)試

2.1礦巖物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)直接影響礦巖體的整體特性，其性質(zhì)對(duì)于礦巖崩落的形成與發(fā)展具有重要的作用，因此有必要對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的各類型巖石進(jìn)行相應(yīng)的物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查可知，范圍內(nèi)的巖石主要有細(xì)碧玢巖、橄欖輝石巖及部分地段的綠泥滑石千糜巖，其中細(xì)碧玢巖和橄欖輝石物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較好，因此可取樣加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，而部分綠泥滑石千糜巖不易于加工成規(guī)則形狀的巖樣，因此可進(jìn)行點(diǎn)載荷試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定其力學(xué)性質(zhì)。

黃山銅鎳礦30#礦體(530 m以上區(qū)域)典型礦巖物理力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2工程地質(zhì)調(diào)查

礦巖體中的結(jié)構(gòu)面對(duì)于裂隙網(wǎng)的形成與發(fā)展具有不可或缺的作用，同時(shí)結(jié)構(gòu)面的特性也直接影響著礦巖體的整體力學(xué)特性，因此在了解區(qū)域地質(zhì)的基礎(chǔ)上，需要對(duì)研究范圍內(nèi)的礦巖體進(jìn)行細(xì)致的工程地質(zhì)調(diào)查，以充分了解礦巖體中的結(jié)構(gòu)面的發(fā)育及分布情況，為自然崩落的可行性分析提供現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)依據(jù)。

巖體結(jié)構(gòu)面凋查一般可采用巖芯調(diào)查法和坑道調(diào)查法，而坑道調(diào)查法準(zhǔn)確程度要高得多，但其工作量也較大。本次采用坑道調(diào)查法，通過(guò)布置測(cè)線的方式，逐條測(cè)量結(jié)構(gòu)面的基距、產(chǎn)狀、持續(xù)性、張開度、粗糙度、充填或膠結(jié)情況、風(fēng)化或蝕變程度、滲水情況等。然后基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)，對(duì)調(diào)查結(jié)果分別進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)和分析，以得出礦巖體中優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、發(fā)育情況及特性。針對(duì)黃山銅鎳礦30#礦體(530 m以上區(qū)域)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和分析需要，結(jié)合礦體及上下盤巖體賦存狀況，調(diào)查范圍確定為114線～119線之間穿脈巷和部分沿脈巷，對(duì)露頭良好、具有代表性的區(qū)段進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，此次調(diào)查共布置測(cè)線15條，調(diào)查總長(zhǎng)度402.2 m，調(diào)查結(jié)構(gòu)面數(shù)量共計(jì)1378條，最終調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖1。

根據(jù)上述調(diào)查結(jié)果可知，礦巖體中的結(jié)構(gòu)面總體較為發(fā)育，其中礦體最為發(fā)育，其具有198°∠80°，101°∠77°，54°∠33°和139°∠78°這4組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面；上盤巖體中發(fā)育有51°∠86°，84°∠69°和7°∠34°這3組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面；而下盤巖體中則發(fā)育有38°∠82°和10°∠75°這2組結(jié)構(gòu)面。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，礦體中的平均結(jié)構(gòu)面線密度為2.81條/m，平均間距0.36 m，結(jié)構(gòu)面多呈微粗糙型張開狀態(tài)，普遍延伸較長(zhǎng)，巖壁表面干燥，中等分化。

表1　礦區(qū)典型礦巖物理力學(xué)特性

圖1　礦體及上下盤巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3原巖應(yīng)力測(cè)試

原巖應(yīng)力是地殼中未受到工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，其主要由自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力等耦合而成，在自然崩落法開采研究中，原巖應(yīng)力是促使礦體在誘導(dǎo)工程下發(fā)生自然崩落的內(nèi)在和根本因素，地應(yīng)力的大小和分布情況對(duì)于自然崩落法的可行性研究具有決定性的作用，但由于地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性，其大小往往很難以通過(guò)解析解的方式進(jìn)行計(jì)算或通過(guò)模型進(jìn)行模擬，獲得地應(yīng)力最為有效的方式是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量[4-5]。

為了弄清黃山銅鎳礦30#礦體所在區(qū)域的地應(yīng)力大小和分布情況，采用空心包體應(yīng)變測(cè)量技術(shù)對(duì)可行性研究范圍及其附近區(qū)域進(jìn)行了地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，運(yùn)用數(shù)字式空心包體應(yīng)力計(jì)成功進(jìn)行了鉆孔套芯應(yīng)力解除，其最終測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果分析可知，530 m中段和450 m中段的原巖應(yīng)力分布總體規(guī)律是一致的，其最大主應(yīng)力分別為24.9 MPa和29.5 MPa，且方向均為近水平方向；最小主應(yīng)力分別為9.6 MPa和13.1 MPa，且方向均為近垂直方向。礦山總體的地應(yīng)力大小和分布符合一般的應(yīng)力分布規(guī)律，即水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力且最大主應(yīng)力往往是垂直應(yīng)力的2倍以上，各主應(yīng)力大小隨著深度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。

3研究區(qū)域自然崩落法開采可行性分析

3.1技術(shù)可行性分析

(1) 根據(jù)典型巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，范圍內(nèi)礦巖總體的物理力學(xué)特性較好，能夠滿足一般工程施工的需要，但局部地段存在著綠泥滑石千糜巖，雖然對(duì)于工程施工會(huì)造成一定的影響，但其存在有利于礦體自然冒落。另外，含礦巖石(橄欖輝石巖)的力學(xué)特性較好，對(duì)礦體崩落成較小的礦石塊度有一定的影響，但同時(shí)若發(fā)生崩落出現(xiàn)粉礦的概率則相對(duì)較小。

表2　原巖應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

(2) 根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果分析可知，礦體內(nèi)分布有3組發(fā)育良好的垂向結(jié)構(gòu)面，以及1組發(fā)育較緩的結(jié)構(gòu)面，滿足了自然崩落有一組水平節(jié)理的要求，在工程誘導(dǎo)和地應(yīng)力作用下，能夠較好的發(fā)展成三維的裂隙網(wǎng)，有利于礦石的不斷冒落，為自然崩落法有效實(shí)施提供了較為良好的、理想的地質(zhì)環(huán)境。而下盤巖體中的結(jié)構(gòu)面發(fā)育相對(duì)較弱，因此適合布置底部結(jié)構(gòu)等工程。

(3) 根據(jù)原巖應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可知，調(diào)查范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力方向?yàn)榻椒较?，在拉底過(guò)程中其夾制作用會(huì)在一定程度上妨礙礦石的崩落，同時(shí)由于最大主應(yīng)力方向與部分優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面成大角度相交，其對(duì)于結(jié)構(gòu)面的法向應(yīng)力作用會(huì)不利于節(jié)理裂隙在崩落過(guò)程中的擴(kuò)展和延伸，但在礦體邊界合適的位置布置一定的削弱工程，即可減小此部分應(yīng)力的不利作用。

根據(jù)上述自然崩落法可行性分析相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、調(diào)查和測(cè)試結(jié)果分析可知，研究區(qū)域的地質(zhì)、物理力學(xué)等條件能夠滿足自然崩落的基本條件，在工程布置和施工合理的情況下，輔助以必要的削弱工程，研究區(qū)域采用自然崩落法開采在技術(shù)上是安全高效和可行的。

3.2經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)過(guò)礦山地質(zhì)部門對(duì)研究范圍內(nèi)礦體的二次圈定可知，30#礦體(530 m以上區(qū)域)可采礦量約150萬(wàn)t，鎳金屬量6900 t，銅金屬量4950 t，按照當(dāng)前的金屬價(jià)格和選礦回收率計(jì)算，可知研究范圍內(nèi)的噸礦價(jià)值為211.2元，預(yù)計(jì)可創(chuàng)造產(chǎn)值31680萬(wàn)元。本次自然崩落法開采可行性中的成本計(jì)算包括掘進(jìn)攤銷、支護(hù)成本、采礦直接成本(包括車間經(jīng)費(fèi))、二次破碎、選礦成本等，按照當(dāng)?shù)氐牟牧蠁蝺r(jià)和礦山提供的施工單價(jià)對(duì)成本進(jìn)行估算，采用自然崩落法開采的單位礦石綜合成本為184.56元/t，研究區(qū)域內(nèi)的礦石全部回采的總成本為27684萬(wàn)元，則可實(shí)現(xiàn)銷售利潤(rùn)3996萬(wàn)元，凈利潤(rùn)3396.6萬(wàn)元(扣除15%的利稅)，并且能夠滿足礦山2～3 a的開采需求，對(duì)保證礦山進(jìn)入正常生產(chǎn)具有十分重要的過(guò)渡作用。

4結(jié)論

針對(duì)黃山銅鎳礦30#(530 m以上區(qū)域)低品位厚大破碎礦體自然崩落法可行性進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究工作，主要包括開采技術(shù)條件分析、礦巖物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)、工程地質(zhì)調(diào)查及原巖應(yīng)力測(cè)試等，根據(jù)實(shí)

驗(yàn)、調(diào)查及測(cè)試結(jié)果綜合分析可知，研究區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，在工程布置及施工合理，以及輔以必要削弱工程的情況下，礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況以及原巖應(yīng)力狀況總體而言在技術(shù)上是比較適合礦體崩落的。另外，從經(jīng)濟(jì)上分析可知，采用自然崩落法開采能夠創(chuàng)造較大的產(chǎn)值和利潤(rùn)，與原設(shè)計(jì)采礦方法難以盈利的狀況相比，具有較大的優(yōu)越性。因此，在研究區(qū)域礦石品位低、礦巖總體不穩(wěn)固、銅鎳金屬價(jià)格低迷等情況下，采用自然崩落法開采是可行的。

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作者簡(jiǎn)介：何德強(qiáng)(1986-)，男，新疆烏魯木齊人，助理工程師，主要從事礦山技術(shù)和生產(chǎn)管理工作，Email:365152694@qq.com。