基于爆堆礦巖比例測(cè)定其出礦品位的試驗(yàn)研究

武拴軍，朱 強(qiáng)，范永亮，張志貴，陳星明，鐘 敏

(1.金川集團(tuán)有限公司龍首礦，甘肅 金昌 737100；2.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

無(wú)底柱分段崩落法放礦控制與管理特別是低貧化放礦和截止品位放礦的關(guān)鍵在于及時(shí)、準(zhǔn)確控制出礦工作面的礦石品位。礦山在生產(chǎn)中，傳統(tǒng)方法常用化學(xué)分析法和經(jīng)驗(yàn)推斷預(yù)測(cè)法進(jìn)行出礦品位的測(cè)定。其中，化學(xué)分析法周期長(zhǎng)，對(duì)試驗(yàn)或生產(chǎn)不能起到及時(shí)的指導(dǎo)作用；經(jīng)驗(yàn)推斷預(yù)測(cè)法雖然直觀、簡(jiǎn)單、易行，但此法主要依靠人的主觀分析，準(zhǔn)確性較差[1-6]。因此，尋求一種高效、安全、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)的品位計(jì)算方法是擺在每位工程技術(shù)人員面前的課題，應(yīng)引起重視加以解決。

1 爆堆礦巖比例測(cè)定出礦品位的原理及方法

爆堆礦巖比例測(cè)定出礦品位的原理是利用礦巖表面顏色不同區(qū)分出礦石與廢石，從而確定廢石混入率，并計(jì)算其當(dāng)時(shí)的出礦品位。此方法首先需建立廢石混入率與出礦品位的關(guān)系。

根據(jù)《現(xiàn)代采礦手冊(cè)》[7]廢石混入率即為廢石重量與礦巖重量的比值，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：P—廢石混入率，%；R—采出礦石中的廢石混入量，t；T—采出的礦巖總量，t；αd—開(kāi)采礦塊平均地質(zhì)品位，%；α—采出礦石的平均品位，%；αw—圍巖中有用組分的平均含量，%。

放礦學(xué)中，松散礦巖塊度組成的測(cè)定方法之一為平面照相法，通過(guò)測(cè)定各級(jí)礦巖塊的水平投影面積與總面積的百分比關(guān)系得出其塊度組成[8]。利用此法思路，可測(cè)定出礦巖顏色差異較大的爆堆中礦巖面積大小。忽略礦巖厚度，即可根據(jù)面積、體重與重量的關(guān)系，計(jì)算出式(1)中廢石混入率的大小。

(2)

式中：P重量比—重量比計(jì)算出的廢石混入率，%；S廢—圈定的廢石總面積；S礦—圈定的礦石總面積；ρ廢—廢石的體重；ρ礦—礦石的體重。

礦石貧化率計(jì)算方法[2]如下：

(3)

式中：r—礦石貧化率，%。

若圍巖中不存在有用組分，廢石混入率可等于礦石貧化率，則可利用式(1)及式(3)計(jì)算出礦石的出礦品位與廢石混入率的關(guān)系，見(jiàn)式(4)。

α=αd×(1-P)

(4)

由式(4)可知，礦石的出礦品位與廢石混入率成線性關(guān)系，即可直接通過(guò)廢石混入率來(lái)計(jì)算出礦品位，從而實(shí)現(xiàn)利用爆堆礦巖比例測(cè)定其廢石混入率，計(jì)算其出礦品位。

2 爆堆礦巖比例測(cè)定甘肅某鎳礦出礦品位

2.1 甘肅某鎳礦概況

甘肅某鎳礦的地質(zhì)平均品位為0.60%，屬于貧礦資源。由于受經(jīng)濟(jì)等因素的影響，擬將原下向膠結(jié)充填法變更為無(wú)底柱分段崩落采礦法，以實(shí)現(xiàn)降低開(kāi)采成本的目的。目前礦山正處于無(wú)底分段崩落法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段。礦山采用“組合放礦”模式回收礦石，即依據(jù)不同的礦石回收條件，采用總量控制、低貧化以及截止品位等幾種放礦方式的組合。該放礦模式需嚴(yán)格控制其礦石品位，才能達(dá)到最佳的礦石回收效果，故現(xiàn)場(chǎng)能及時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)定出礦品位顯得尤為關(guān)鍵。

礦山覆巖為膠結(jié)充填體，不存在有用組分，表面呈現(xiàn)灰白色；礦石表面呈現(xiàn)深黑色、黑褐色。礦巖顏色分明，滿足利用爆堆礦巖比例測(cè)定其出礦品位的前提條件。

2.2 礦巖比例測(cè)定方法的選擇

為獲取現(xiàn)場(chǎng)廢石混入率數(shù)據(jù)，借助平面照相法對(duì)其礦巖比例進(jìn)行分析。目前平面照相法后續(xù)圖像處理一般采用兩種方法，其一為人工數(shù)據(jù)圈定，其二為計(jì)算機(jī)圖像處理。本文選用人工CAD面積圈定法和ArcGIS測(cè)定法兩種方法對(duì)圖像進(jìn)行處理分析。

人工CAD面積圈定法是平面照相法拍攝的照片按比例不失真地放置于CAD界面，經(jīng)過(guò)技術(shù)人員按礦巖顏色差異進(jìn)行礦巖輪廓人工圈定，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)其礦巖面積。ArcGIS測(cè)定法用ArcGIS空間數(shù)據(jù)的重分類(lèi)對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，通過(guò)礦巖顏色差異采用固定閾值的變換方法將其變成二值圖像，再根據(jù)面積統(tǒng)計(jì)區(qū)分出礦巖比例。

為了驗(yàn)證兩種方法的可行性及準(zhǔn)確度，進(jìn)行了以下試驗(yàn)：在5%、10%、15%和20%四種不同廢石混入率的情況下配制爆堆礦石，礦巖攪拌靜置1 d后放出礦巖，利用人工CAD面積圈定法(見(jiàn)圖1)和ArcGIS測(cè)定法(見(jiàn)圖2)兩種方案重新統(tǒng)計(jì)其廢石混入率，分析與設(shè)定廢石混入率的差異。

(a)廢石混入率5% (b)廢石混入率10% (c)廢石混入率15% (d)廢石混入率20%圖1 利用人工CAD面積圈定法對(duì)放出礦巖進(jìn)行面積圈定Fig.1 Area delineation of released ore by artificial CAD area circle method

考慮到實(shí)際膠結(jié)充填體在潮濕狀態(tài)下的顏色會(huì)變深，可能會(huì)影響人眼或計(jì)算機(jī)的識(shí)別準(zhǔn)確性，故試驗(yàn)?zāi)M了干燥及潮濕兩種狀態(tài)下的放礦過(guò)程。經(jīng)測(cè)定，其干燥試驗(yàn)狀態(tài)下，礦石平均密度為2.50 g/cm3，廢石平均密度為1.70 g/cm3。由于礦石及膠結(jié)充填體存在一定吸水性，在潮濕試驗(yàn)狀態(tài)下礦石平均密度為2.69 g/cm3，廢石平均密度為2.14 g/cm3。

(a)廢石混入率5% (b)廢石混入率10% (c)廢石混入率15% (d)廢石混入率20%圖2 利用ArcGIS測(cè)定法對(duì)放出礦巖進(jìn)行面積圈定Fig.2 Area delineation of the released ore based on the ArcGIS method

Table 1 The waste rock mixing rate and its deviation value in two conditions using Equation (2) /%

由表1可知：對(duì)于干燥礦巖，采用人工CAD面積圈定法與ArcGIS測(cè)定法統(tǒng)計(jì)計(jì)算的廢石混入率與設(shè)定值偏差在4%～7%，且能準(zhǔn)確反映出廢石混入率增加的趨勢(shì)，故兩種方法均為可用的測(cè)定方法。對(duì)于潮濕狀態(tài)的崩落礦巖，人工CAD面積圈定法與ArcGIS測(cè)定法仍具有較高的識(shí)別精度，計(jì)算廢石混入率的偏差范圍與干燥狀態(tài)基本相當(dāng)，證明礦巖在潮濕狀態(tài)下兩種測(cè)定方法均可使用。

就人工CAD面積圈定法與ArcGIS測(cè)定法進(jìn)行比較，兩種方法的測(cè)定精度基本相當(dāng)，前者的處理數(shù)據(jù)的效率比后者約慢十倍，且工作量大，后者受照片質(zhì)量影響較大，但后者具有快速、方便、省時(shí)、省力等突出優(yōu)點(diǎn)，故優(yōu)先推薦ArcGIS測(cè)定法進(jìn)行爆堆礦巖比例的測(cè)定。

2.3 測(cè)定方法優(yōu)化

ArcGIS測(cè)定法計(jì)算其爆堆礦巖比例是可行且較優(yōu)的，但式(2)考慮了礦巖的體重問(wèn)題，使得現(xiàn)場(chǎng)操作較為不便，故需對(duì)其方法進(jìn)一步優(yōu)化。

關(guān)于廢石混入率的計(jì)算，一般認(rèn)為廢石占爆堆的面積比與體積比基本相當(dāng)；甚至認(rèn)為式(5)面積比可以等同于式(2)重量比，為此本文針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了進(jìn)一步分析。

(5)

式中：P面積比—面積比計(jì)算出的廢石混入率，%；S廢—圈定的廢石總面積；S礦—圈定的礦石總面積。

表2 利用ArcGIS測(cè)定法進(jìn)行面積比計(jì)算廢石混入率及其偏差值

由表2可知：

1)甘肅某鎳礦利用面積比計(jì)算出的廢石混入率與實(shí)際值存在較大的偏差。利用面積比來(lái)代替重量比，對(duì)礦巖體重相差不大的礦山可近似使用，對(duì)礦巖體重差異較大的礦山不適用。試驗(yàn)證明這種近似的做法不具有通用性，準(zhǔn)確性較差。

2)干燥情況下其偏差率均值在37.03%左右，潮濕情況下其偏差率均值在27.88%左右。分析認(rèn)為干燥及潮濕兩種狀態(tài)下其偏差值存在一定差異，主要由于礦巖的吸水性能不同，使得礦巖體重差值發(fā)生一定的變化。礦石的吸水性遠(yuǎn)小于廢石的吸水性，使得干燥狀態(tài)下的偏差率高于潮濕狀態(tài)下的偏差率。故處于不同含水率下的礦石其偏差值也不盡相同。

3)干燥與潮濕狀態(tài)下，利用面積比計(jì)算出的廢石混入率與實(shí)際值差值較大，但其偏差率變化較小。故礦山在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用時(shí)，可對(duì)面積比計(jì)算出的廢石混入率進(jìn)行修正，即可近似計(jì)算出實(shí)際廢石混入率，而無(wú)需再考慮礦巖的體重問(wèn)題。

經(jīng)分析，對(duì)式(5)進(jìn)行修正：

(6)

式中：P—實(shí)際廢石混入率，%；β—偏差率均值，%。

將干燥及潮濕兩種狀態(tài)下的偏差率均值代入式(6)，得出根據(jù)面積比計(jì)算出的廢石混入率。

表3 ArcGIS測(cè)定法測(cè)得的面積比進(jìn)行修正計(jì)算的廢石混入率及其偏差值

圖3 ArcGIS分析法修正后的廢石混入率與設(shè)定廢石混入率變化圖Fig.3 Change of waste rock mixing rate and set waste rock mixing rate after ArcGIS analysis

從表3及圖3中可以看出：修正后的廢石混入率與設(shè)定廢石混入率偏差率均值在4%～7%，偏差率誤差基本在可接受范圍內(nèi)，此方法是可行的。

根據(jù)甘肅某鎳礦礦巖特性及其平均品位Ni為0.6%，代入式(4)，即可得出其出礦品位計(jì)算式(6)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，可直接進(jìn)行面積比計(jì)算出廢石混入率，利用公式進(jìn)行修正，從而計(jì)算其出礦品位。不同含水狀態(tài)下，其修正偏差率值也不盡相同，故修正系數(shù)需根據(jù)礦山實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)語(yǔ)及展望

依據(jù)甘肅某鎳礦的礦巖特性，利用平面照相法分析其爆堆礦巖比例，人工CAD面積圈定法和ArcGIS測(cè)定法兩種方法均是可行的，優(yōu)先推薦使用ArcGIS測(cè)定法。為便于現(xiàn)場(chǎng)操作，進(jìn)一步對(duì)ArcGIS測(cè)定法進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)其面積比進(jìn)行修正，使得直接利用面積比計(jì)算出實(shí)際廢石混入率，并計(jì)算出甘肅某鎳礦的出礦品位。

值得注意的是，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集是有限的，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際含水情況對(duì)其偏差系數(shù)有一定的影響，故礦山現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)甚至推廣至其他礦山時(shí)，還需結(jié)合礦山實(shí)際對(duì)其偏差系數(shù)進(jìn)行修正，力求經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性，從而真正起到出礦品位的計(jì)算和指導(dǎo)礦山生產(chǎn)的作用。