黃金礦山急傾斜薄礦脈開采工藝及發(fā)展趨勢

周佳琦，任玉東

(長春黃金研究院有限公司)

引 言

中國正在開采的黃金礦山中，急傾斜薄礦脈占很大比重，開采此類礦體一直存在諸多亟待解決的問題。這些問題大多是由于礦體賦存條件的特殊性、不可改變性造成的。

急傾斜薄礦脈是中國稀貴金屬的一種重要且常見的產(chǎn)出形式，尤其在中國地下開采的黃金礦山、鎢錫礦山中分布廣泛。據(jù)國內(nèi)學者統(tǒng)計：近半數(shù)的黃金礦山礦體呈薄礦脈產(chǎn)出，且絕大多數(shù)為含金石英脈[1]。也有國外學者指出：全球范圍內(nèi)的薄礦脈占比較小，但卻非常重要[2]。

巖金礦山中急傾斜薄礦脈的開采技術(shù)特點是：多以含金石英脈或含金蝕變巖產(chǎn)出[3-6]，脈寬多小于4.0 m，平均水平厚度為0.4～2.0 m，傾角為60°～75°，圍巖穩(wěn)固程度多屬于中等穩(wěn)固。急傾斜薄礦脈開采受限于礦脈厚度，一般難以實現(xiàn)大規(guī)模的機械化作業(yè)，采場內(nèi)作業(yè)多以YT-28、7655、YSP-45等型號的手持氣腿式鑿巖機作業(yè)為主，且有時不得不同時回采一些圍巖，導致礦石貧化率明顯增加，也使得后續(xù)選礦的成本大幅度提高[7]。而且在該類礦體的回采過程中，工人多直接暴露在采場頂板下作業(yè)，復(fù)雜的采場環(huán)境給采場安全管理和安全生產(chǎn)帶來了巨大挑戰(zhàn)。近年來，隨著科研工作者和一線生產(chǎn)者的共同努力，急傾斜薄礦脈開采中生產(chǎn)效率低、作業(yè)安全差、采礦損失貧化高等情況得到改善[8-10]。本文就黃金礦山中急傾斜薄礦脈的采礦工藝發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題展開探討，為急傾斜薄礦脈開采的持續(xù)發(fā)展提供借鑒。

1 國內(nèi)薄礦脈巖金礦山開采現(xiàn)狀

據(jù)相關(guān)學者統(tǒng)計，中國2 574個黃金礦床中的中小型礦床約2 022個，占比約79.4 %[11]。有學者就國內(nèi)百余座急傾斜薄礦脈礦山的開采方法進行統(tǒng)計，超過70 %的礦山采用淺孔留礦采礦法和削壁充填采礦法[1]進行回采。其余根據(jù)礦巖穩(wěn)固性條件的不同，有一定比例的礦山采用干式充填采礦法、上向或下向水平分層膠結(jié)充填采礦法，個別高海拔礦區(qū)及少部分礦山也有采用中深孔落礦的分段空場采礦法，以及其他采礦方法[12-13]。習慣將采礦方法按照采空區(qū)處理方式的不同，分為空場采礦法、充填采礦法和崩落采礦法三大類[14]，因此文中對留礦采礦法、中深孔落礦采礦法等空場采礦法，削壁充填、干式或膠結(jié)等充填采礦法，以及小分段崩落采礦法等具有代表性的急傾斜薄礦脈中較為常見的幾類開采方法依次進行介紹。

1.1 留礦采礦法

留礦采礦法是應(yīng)用最廣泛、歷史最悠久的采礦方法之一。該方法一般用于開采中等穩(wěn)固以上的急傾斜薄礦脈，其核心工藝是自下而上分層回采，每次將1/3左右的崩落礦石放出，其余礦石暫留采場內(nèi)作為下分層回采的工作平臺，且暫留礦石可以起到支撐采場兩幫的作用，待上采結(jié)束后再由底部結(jié)構(gòu)大量放礦。留礦采礦法工藝簡單、管理方便，因此在巖金礦床開采中應(yīng)用最為廣泛。山東乳山金礦[15]、海南山金抱倫金礦[16]、福建邱村金礦[17]、內(nèi)蒙古金陶金礦二礦區(qū)[18]及遼寧二道溝金礦[19]都采用該方法進行回采。

留礦采礦法底部結(jié)構(gòu)可分為以平底結(jié)構(gòu)為主，依靠裝巖機[10,15]、鏟運機[17]出礦的無底柱結(jié)構(gòu)；以電耙集礦漏斗出礦[20]的漏斗結(jié)構(gòu)；以及人工放礦至礦車內(nèi)的普通漏斗結(jié)構(gòu)[20]三大類型。上述3種底部結(jié)構(gòu)中以無底柱結(jié)構(gòu)鏟運機或裝巖機出礦方式最為高效，但也面臨著出礦穿之間及沿脈中礦石清理不干凈的問題[20]。遼寧二道溝金礦等針對此類問題曾采用縮短出礦穿距離、通過底部廢石分層置換等方式，提高了礦石回收率，達到了顯著成效[19]。但是，留礦采礦法最突出的問題是在圍巖穩(wěn)固性差、礦脈厚度小、礦脈形態(tài)突變時采礦回采率低、礦石貧化率大，部分礦山的采礦回采率僅能達到50 %～70 %，礦石貧化率往往高達30 %～70 %[21]。這是由于留礦采礦法無論是在上采過程中放礦還是大量放礦時，礦石滑動形成的反作用力帶動不穩(wěn)固的圍巖垮落，常常造成礦房內(nèi)結(jié)拱或放礦口堵塞等問題，導致部分礦石難以放出，增加了采礦損失率和礦石貧化率[21-22]。此外，由于崩落礦石屬于散體，對采場的支撐作用極為有限，隨礦房上采高度增加，應(yīng)力集中加劇，圍巖條件變差，常導致無法回采至設(shè)計標高，因此采礦回采率通常低于設(shè)計值[21]。近些年，如遼寧二道溝金礦等礦山采用靜態(tài)留礦采礦法[19]，將多余礦石通過順路溜井放出，一定程度上緩解了上述問題，改善了礦石貧化率及采礦損失率等技術(shù)經(jīng)濟指標。

1.2 中深孔落礦采礦法

在黃金礦山急傾斜薄礦脈開采中，絕大多數(shù)都采用淺孔落礦，如淺孔留礦采礦法、削壁充填采礦法及各類膠結(jié)充填采礦法等，而較少使用中深孔進行落礦，因此本文將以中深孔進行落礦的采礦方法歸為一類。中深孔落礦采礦法通過采用中深孔進行落礦，通常效率較高，如內(nèi)蒙古包頭鑫達金礦的中深孔分段鑿巖階段空場采礦法[12]，生產(chǎn)能力可達250 t/d，而該礦山采用淺孔留礦采礦法的生產(chǎn)能力僅能達到55 t/d；青海山金采用的中深孔嗣后廢石充填采礦法[13]生產(chǎn)能力可達103.3 t/d。

急傾斜薄礦脈在采用中深孔進行開采時，分段高度可達8～20 m[12-13]，結(jié)合采礦臺車、遙控鏟運機等機械化設(shè)備，開采效率高，采場回采周期短，鑿巖支護等施工都在有支護的巷道內(nèi)進行，安全性相對較高，但為了創(chuàng)造分段鑿巖空間，往往需要掘進較長的脈內(nèi)鑿巖巷道等輔助工程，尤其是分段高度較低，分段數(shù)量較多時，采切比通常較大，需要礦山合理規(guī)劃三級礦量。此外，中深孔落礦采礦法對礦體賦存條件要求通常較高，一般要求礦體規(guī)整，尤其是傾向上要求連續(xù)且變化小，圍巖中等穩(wěn)固以上，必要時要采取一定的支護手段，以免導致較高的礦石貧化率。

總體而言，急傾斜薄礦脈開采中的中深孔落礦采礦法是一種通過高效落礦、集礦、出礦，進而形成規(guī)?；?yīng)來獲得單位時間內(nèi)經(jīng)濟效益最大化的一種采礦方法，也是未來發(fā)展趨勢之一。

1.3 削壁充填采礦法

削壁充填采礦法主要應(yīng)用于開采急傾斜極薄礦脈，是一種礦巖分采分爆的開采方法。該方法的核心工藝是礦廢分離，分采分爆，通過二次爆破的形式，將礦石與圍巖分離，礦石經(jīng)手選通過順路溜井放出，崩落廢石留在礦房內(nèi)作為下分層工作平臺，根據(jù)圍巖碎脹系數(shù)，一般采用“采一削二”的經(jīng)驗進行削廢。該方法工序較多，所需作業(yè)人員數(shù)量大，因此工藝相對復(fù)雜，但對比留礦采礦法的礦巖混采方式，該方法在回采極薄礦脈時能夠顯著提高出窿礦石質(zhì)量，降低后續(xù)破碎、磨礦等選礦成本，尤其在回采高品位稀貴金屬時往往能夠獲得不錯的綜合效益，因此國內(nèi)如遼寧二道溝金礦[23]、內(nèi)蒙古金陶金礦[24]等黃金礦山仍在使用。

盡管削壁充填采礦法有著出礦品位高、礦石貧化率低、采礦回采率高等優(yōu)點，但為控制空頂高度，避免吊腳圍巖過高、空頂高度過大的風險，一次落礦高度一般控制在0.8～1.5 m[25]，因此相對留礦采礦法普遍崩礦效率低。該方法另一個顯著特點是為更好地達到礦廢分離和回收高品位粉礦的效果，在落礦前往往要增加平場和鋪膠墊的工序。此外，該方法受限于采幅過小，多為1.0～1.5 m，普遍采用人工出礦方式，據(jù)統(tǒng)計，出礦這一環(huán)節(jié)最多可占整個回采周期的2/3。近年來，個別礦山為增加出礦效率，在落礦前先用混凝土施工一層平整的墊層[24,26]，再用電耙進行出礦，但混凝土養(yǎng)護也需一定時間，因此收效甚微。

削壁充填采礦法在礦廢分離過程中的二次爆破對圍巖造成二次擾動，檢撬浮石環(huán)節(jié)通常也花費較長時間。此外，該方法往往面臨充填料不足的問題，通常礦山多采用在下盤掏小硐補充充填料的方式來解決，但這一做法破壞了采場兩幫圍巖，對于采礦損失貧化指標的控制極為不利。一般來講，留礦采礦法生產(chǎn)能力多在40～80 t/d，而上述種種問題導致削壁充填采礦法生產(chǎn)能力多在10～30 t/d[8-9]，因此在一些圍巖條件較差的礦山，通常采用留礦采礦法在短時間內(nèi)結(jié)束一個礦塊的回采。

1.4 干式充填采礦法

干式充填采礦法[27-29]是充填采礦法的一種，在急傾斜薄礦脈開采中多指上向水平分層充填采礦法，其核心工藝是采用掘進毛石、露采剝離的廢石或選礦廠尾砂等干式充填料作為下分層回采的工作平臺。該方法與削壁充填采礦法類似，顯著問題是出礦環(huán)節(jié)占用較長回采周期[30]，尤其是采用人工出礦方式，導致生產(chǎn)能力較低。但近年來，隨著出礦設(shè)備的微型化、小型化發(fā)展，小型鏟運機[8]等出礦設(shè)備越來越廣泛地應(yīng)用在急傾斜薄礦脈的開采中，顯著提高了出礦效率和生產(chǎn)能力。

1.5 膠結(jié)充填采礦法

膠結(jié)充填采礦法與干式充填采礦法的回采工藝基本相同，一般來講，膠結(jié)充填采礦法多指上向水平分層或進路充填采礦法，采用1 ∶4～1 ∶15的尾砂膠結(jié)充填體作為下分層回采的工作平臺。該方法在一些圍巖破碎的急傾斜薄礦脈開采中有一定的應(yīng)用，如甘肅中金大店溝金礦[31]、內(nèi)蒙古柴胡欄子金礦[32]。但是，膠結(jié)充填采礦法與干式充填采礦法的顯著不同在于，在礦巖皆破碎的開采條件下，可采用下向進路采礦法[33]進行開采，通過膠結(jié)充填體構(gòu)建人工假頂，由上自下分層回采，工人在膠結(jié)充填體形成的人工假頂下作業(yè)，對比破碎礦體形成的頂板，安全程度大大增加。在急傾斜薄礦脈巖金礦山中，采用下向進路采礦法開采的有河南前河金礦[33]等，取得了不錯的經(jīng)濟技術(shù)指標。

1.6 小分段崩落采礦法

在圍巖極不穩(wěn)固的急傾斜薄礦脈黃金礦山開采中，一般采用小分段崩落采礦法。例如：河南前河金礦[34]礦體類型為破碎蝕變巖型，局部可達糜棱巖化，工程地質(zhì)條件極差，采用小分段崩落采礦法，生產(chǎn)能力可達93 t/d；甘肅昌馬金礦[35]上下盤圍巖為凝灰質(zhì)砂巖，受斷層壓碎作用，礦巖疏松破碎，容易自然冒落，采用小分段崩落采礦法，生產(chǎn)能力可達180 t/d。小分段崩落采礦法是分段崩落采礦法在薄礦脈開采中的適應(yīng)性變種方案[36]，即通過降低分段高度至5～10 m 來滿足對采礦損失貧化的控制。該方法繼承了崩落采礦法工藝簡單、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點，但礦石貧化率一般較高，多在20 %以上[34,37]，且在形成回采空間前需要掘進較多的鑿巖巷道并合理布置鑿巖巷道位置[37]，否則采礦損失貧化較難控制。

2 國外薄礦脈黃金礦山開采現(xiàn)狀

有學者統(tǒng)計國外81個黃金礦山中采用留礦采礦法開采的比例僅16 %，分段空場采礦法比例高達48 %，由此可見，高效與安全是國外在開采此類礦體中的重點，因此在采礦方法選擇上傾向于使用機械化中深孔采礦法或充填采礦法[1]。

與國內(nèi)不同，國外學者按照落礦方式將采礦方法分為3類：中深孔采礦法、淺孔采礦法和連續(xù)采礦法[38-39]。

中深孔采礦法是生產(chǎn)效率較高、成本較低的一種采礦方法，并在機械化開采礦山中被廣泛應(yīng)用。例如：1976年加拿大的多幕礦山[40-41]采用高段深孔留礦采礦法，通過Alimas STH-5L爬罐作為平臺向兩側(cè)施工水平深孔，在寬1.5 m的薄礦脈采場上采出5萬t礦石，平均品位為4.5 g/t，該方法在澳大利亞New Celebration礦單采場生產(chǎn)能力可達250～300 t/d。法國的薩爾西尼金礦[42]采用分段空場采礦法，通過采用液壓鑿巖臺車和遙控鏟運機，勞動生產(chǎn)率提高50 %。

淺孔采礦法一般指使用鑿巖臺車或手持式鉆機鉆鑿淺孔進行采礦的開采方法總稱。在國外一般包含淺孔留礦采礦法、上向水平分層(進路)充填采礦法、削壁充填采礦法及房柱采礦法等[38-39]。

區(qū)別于炸藥崩礦方式，連續(xù)式采礦法指通過切割、劈、鋸、沖擊、劈石器或水力、熱力等方法落礦的一種開采方法。這類采礦方法的應(yīng)用取決于巖石條件、應(yīng)力和開采強度及相關(guān)成本的綜合評估。此類采礦方法主要包括圓盤切割機等掘進機開采法、長臂機械切割(用于煤礦)開采法、金剛石切割開采法及熱裂技術(shù)開采法等。澳大利亞北部Tanami金礦使用金剛石切割開采法進行開采，每小時可以切割1～3 m3。與削壁充填采礦法相比，能夠開采非常狹窄的礦體(小于1 m)，礦石貧化率較小，安全程度更高，效率更快，但金剛石線鋸損耗較大，成本較高。熱裂技術(shù)開采法是一種源于露天開采的新技術(shù)，曾被用于擴大爆破孔，該方法利用熱裂作用原理將巖石碎裂成小碎片(13 mm左右)，在開采極薄礦脈時可較好地控制礦石貧化率，但該方法目前應(yīng)用還不廣泛。

3 結(jié)論與展望

薄至極薄礦脈的采礦方法將向高機械化程度、高生產(chǎn)能力、高效率，低貧化、低損失、低勞動強度的“三高三低”方向發(fā)展，可具體概括為兩方面：機械化高效開采和連續(xù)無礦柱強化開采。

1)機械化高效開采。長此以往，鑿巖臺車、鏟運機等采礦設(shè)備受薄礦脈狹窄的開采空間限制難以發(fā)揮作用，但隨著安百拓、山特維克、張家口宣化華泰等設(shè)備公司專門為低矮空間或狹窄空間推出低矮型、微小型的采礦設(shè)備，為薄礦脈的機械化高效開采奠定了基礎(chǔ)。未來隨著信息化、智能化系統(tǒng)的引入，采礦設(shè)備的調(diào)度將更加及時，更加安全可靠，輔助時間大大縮短，效率得到進一步提升。

2)連續(xù)無礦柱強化開采。中小型低成本充填設(shè)備及系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用使得充填或嗣后充填采礦法在薄礦脈開采中應(yīng)用更加廣泛，結(jié)合薄礦脈群開采順序的合理規(guī)劃，可以減少間柱、頂?shù)字牧粼O(shè)，進而使臨近、平行、分支等形態(tài)的薄礦脈連續(xù)無礦柱強化開采成為可能。