龍首礦崩落法采場上下盤礦石貧損控制措施及現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)*

李彥龍，譚寶會，龍衛(wèi)國，龔 臻，鐘立鵬，李 斌，張志貴

(1.金川集團(tuán)股份有限公司二礦區(qū)，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 621010；3.金川集團(tuán)股份有限公司龍首礦，甘肅 金昌 737100)

0 引言

無底柱分段崩落法自20世紀(jì)60年代引入我國以來，在地下金屬礦山中得到了廣泛應(yīng)用，尤其適用于礦巖穩(wěn)固的厚大陡立礦體開采[1-3]。該采礦方法的特點(diǎn)是在崩落覆巖下出礦，崩落的礦石直接與覆蓋層廢石混雜，因此在出礦過程中容易產(chǎn)生較大的礦石損失和貧化。據(jù)統(tǒng)計，在通常情況下無底柱分段崩落法的礦石損失率在15%～30%，貧化率在20%～30%，當(dāng)開采條件不佳或生產(chǎn)管理不到位時，回收指標(biāo)將會進(jìn)一步劣化。為了控制無底柱分段崩落法的礦石損失和貧化，近年來眾多學(xué)者從優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)[4-6]、改變放礦方式[7-9]、改進(jìn)采礦工藝[10-14]等方面進(jìn)行了一系列研究，使無底柱分段崩落法的回收指標(biāo)得到了顯著提升，同時也進(jìn)一步拓寬了該方法的應(yīng)用范圍，甚至可將其應(yīng)用于礦體傾角小、厚度小、礦體形態(tài)多變等復(fù)雜工況[15-17]。當(dāng)采用無底柱分段崩落法開采傾角較緩的礦體時，易在礦體的上盤和下盤部位產(chǎn)生較大的礦石損失和貧化，需要結(jié)合礦體實(shí)際條件制訂相應(yīng)的措施來控制礦石貧損。

本文以龍首礦西二采區(qū)無底柱分段崩落法開采為工程背景，分析了采場在上下盤礦石回采過程中貧損較大的原因，針對上下盤礦體賦存特點(diǎn)及開采特點(diǎn)提出了貧損控制措施，并在現(xiàn)場進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 工程概況

龍首礦是我國主要的鎳礦生產(chǎn)基地之一，西二采區(qū)是龍首礦的主力采區(qū)之一。該采區(qū)地表100 m以下見礦，礦體傾角70°～80°，局部地段礦體傾角僅為30°～50°；礦體厚度28～200 m，沿走向長463 m；礦巖較破碎，普氏系數(shù)f=0.8～7.0。該采區(qū)礦石品位僅為金川礦區(qū)富礦品位的三分之一，屬于貧礦資源，但由于鎳礦價值較高，礦山在建礦初期采用了雙中段同時開采的下向進(jìn)路式分層膠結(jié)充填法，以控制礦石的貧化和損失。該采區(qū)于2010年完成基建并投入生產(chǎn)，設(shè)計產(chǎn)能為165萬t/a，設(shè)計礦石貧化率為7%、損失率為5%，服務(wù)年限20 a。2016年鎳價大幅下跌，采用成本較高的膠結(jié)充填法回采低品位礦石的經(jīng)濟(jì)性較差，因此決定將上部中段由膠結(jié)充填法轉(zhuǎn)為無底柱分段崩落法。經(jīng)初步估算，采用無底柱分段崩落法后可使采礦成本降低30%以上，產(chǎn)能提高50%以上，采場的機(jī)械化程度也將得到進(jìn)一步提升。

經(jīng)研究，在該采區(qū)上部中段崩落法采場布置4個回采分段，分別位于1 595、1 580，1 565、1 546 m水平，進(jìn)路間距為15 m，崩礦步距為2.2 m，回采進(jìn)路尺寸為4.6 m×4.3 m(寬×高)。經(jīng)過一系列前期準(zhǔn)備，西二采區(qū)無底柱分段崩落法采場于2019年5月正式投入生產(chǎn)。圖1為西二采區(qū)采場布置示意圖。

圖1 龍首礦西二采區(qū)采場布置示意圖

盡管該采區(qū)礦體大都為厚大陡立礦體，有利于無底柱分段崩落法的礦石貧損控制，但在部分地段礦體傾角較緩(30°～50°)，在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)這些地段的礦體上盤部位產(chǎn)生了較大的礦石貧化，而在下盤部位產(chǎn)生了較大的礦石損失，需要分析其原因并提出合理的解決措施。

2 礦山上下盤礦石貧損原因分析

2.1 上盤礦石貧化原因分析

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查得知，西二采區(qū)無底柱分段崩落法采場在進(jìn)路掘進(jìn)時，通常會利用掘進(jìn)工作對礦體上盤邊界進(jìn)行探查和控制，當(dāng)進(jìn)路掘進(jìn)至礦體上盤的礦巖交界位置時停止掘進(jìn)，同時在上盤礦巖交界位置布置切割平巷，位置如圖2(a)所示。

當(dāng)?shù)V體上盤傾角較大時，將切割平巷布置在靠近上盤礦巖交界位置并不會過多地造成礦石貧化；然而當(dāng)?shù)V體上盤傾角較小時，若切割平巷位置過于靠近礦體上盤，則切割槽以及進(jìn)路中的前幾排甚至前十幾排炮孔都將直接打入上盤圍巖中；這些炮排爆破后，進(jìn)路頂板上部高度十分有限的礦石被崩落堆積在進(jìn)路底板上，礦石主要以正面殘留的形式存留在進(jìn)路底板而不被放出，出礦時放出散體主要從進(jìn)路頂板部位流出，所放出的大部分為崩落的上盤圍巖；為了保證后排炮孔有足夠的爆破補(bǔ)償空間，即便此時放出的是圍巖也要繼續(xù)出礦，通常來說放出量至少要達(dá)到步距崩落量的30%以實(shí)現(xiàn)松動出礦，這樣不僅增加了采礦成本，還會造成礦石貧化。圖2(b)為礦山在上盤部位出礦時放出的上盤圍巖。

2.2 下盤礦石損失原因分析

根據(jù)礦山崩落法采場炮排布置方案，各進(jìn)路的最后一排炮孔基本布置在進(jìn)路揭露的下盤礦巖分界位置，有時甚至還退采不到該位置[見圖3(a)]。當(dāng)?shù)V體下盤傾角較大時，這樣做并不會在下盤造成太多的礦石損失，但當(dāng)?shù)V體下盤傾角較小時，易導(dǎo)致較多的下盤三角礦體及上分段轉(zhuǎn)移礦量(主要為桃形礦柱+脊部殘留)無法得到回收，從而造成較多的礦石損失[見圖3(b)]。

圖3 礦山下盤實(shí)際退采位置及下盤礦石損失示意圖

3 上下盤礦石貧損控制措施

3.1 上盤礦石貧化控制措施

為了減少上盤廢石的崩落量和放出量，結(jié)合上盤礦石在下、廢石在上的空間關(guān)系，建議在后續(xù)采礦過程中根據(jù)礦體上盤傾角適當(dāng)將切割平巷位置向下盤方向后移，其原則是能夠保證切割平巷頂板以上有10 m左右的礦石，這樣切割槽及后續(xù)正排在按照崩落量的30%進(jìn)行松動出礦時，所放出的絕大部分將是礦石，如此不僅可以減少鑿巖量和爆破材料的消耗量，還降低了運(yùn)輸成本和礦石貧化。需要強(qiáng)調(diào)的是，切割平巷位置向下盤方向移動后，似乎造成了部分上盤三角礦體未能在本分段崩落回收，但這部分礦石不會損失，而會在下分段被崩落回收。切割平巷(切割槽)的布置如圖4所示。

圖4 切割平巷(切割槽)布置示意圖

3.2 下盤礦體貧損控制措施

當(dāng)?shù)V體下盤傾角較小時，中深孔布置方式顯然不能充分回收下盤礦石，要實(shí)現(xiàn)礦石的充分回收，還應(yīng)在下盤退采界限的基礎(chǔ)上繼續(xù)向后退采[見圖5(a)]，但并非越往后退采就能回收越多的礦石，而是存在一個合理的下盤退采界限(即確定合理切巖高度的問題)。圖5(b)為繼續(xù)退采時下盤各補(bǔ)孔炮排排面內(nèi)的礦巖分布情況。由圖5(b)可以看出，下盤礦體位于圍巖之上，因此炮排爆破后先放出的是廢石，后放出的才是礦石，排面內(nèi)的礦石被其上下左右以及正面5個方向的廢石包裹，回收條件十分復(fù)雜。已有研究表明，當(dāng)下盤切巖高度過大時，頂部礦石尚未放出，正面廢石即已摻雜進(jìn)來，致使放出的礦石很快達(dá)到截止品位而失去回收價值[18]。

目前確定下盤合理切巖高度的方法主要有邊界品位法和邊際盈虧平衡法[19-20]，但這兩種方法均需要通過復(fù)雜的理論計算才能確定下盤退采范圍，在礦體傾角和形態(tài)復(fù)雜多變的情況下可操作性不強(qiáng)。結(jié)合采區(qū)實(shí)際情況，提出將下盤退采界限確定在礦體與上分段底板交界處(即切巖高度達(dá)到分段高度的位置)；在實(shí)際回采過程中隨時觀察下盤切巖炮排的出礦情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一排炮孔回收的礦石貧化已較大時，便停止回采，以減少采礦投入，同時結(jié)合實(shí)際情況對下盤退采范圍做進(jìn)一步優(yōu)化。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以最大限度地實(shí)現(xiàn)下盤殘留礦石的充分、有效回收，而且操作簡單易行，便于采礦設(shè)計。

此外，為了減少下盤礦石貧化還可在下盤切巖區(qū)段采取以下措施：①將下盤切巖炮排的邊孔角由45°增大至55°，這樣不僅可以使每排炮減少2個炮孔，而且還可減少廢石的崩落量，從而降低貧化；②將下盤切巖區(qū)段的崩礦步距由2.2 m增大至2.4～2.6 m，從而使廢石崩落堆積在進(jìn)路底板后，能夠更多地以正面殘留的形式留在進(jìn)路底板而不被放出；③在下盤切巖區(qū)段采取礦石和廢石的分采分運(yùn)，在崩礦步距出礦初期所放出的是純廢石，可將這些廢石單獨(dú)運(yùn)出并排放在井下廢棄巷道中，進(jìn)一步降低運(yùn)輸成本。

4 現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)

2021年底，西二采區(qū)無底柱分段崩落法采場1 580 m分段的回采工作接近尾聲，而1 565 m分段回采作業(yè)面尚未準(zhǔn)備就緒，預(yù)計在2022年的1-2月崩落法采場產(chǎn)能將無法正常接續(xù)。根據(jù)研究成果可知，目前礦山的下盤回采是不充分的(尤其是在礦體傾角較小部位)，也就是說還有相當(dāng)一部分礦石殘留在下盤。為了確保采場產(chǎn)能的正常接續(xù)，2021年12月初礦山對1 580 m分段已基本回采結(jié)束的1#-19#進(jìn)路下盤退采范圍逐一核實(shí)，并就退采不充分的進(jìn)路是否具備補(bǔ)孔條件進(jìn)行了現(xiàn)場勘察，最終確定在1 580 m分段的7#-12#進(jìn)路以及17#-19#進(jìn)路下盤進(jìn)行補(bǔ)孔回收殘留礦石，其中6#、7#、11#、12#、17#、18#進(jìn)路可在下盤各補(bǔ)2排炮孔，8#和9#進(jìn)路可在下盤各補(bǔ)1排炮孔，10#進(jìn)路可在下盤補(bǔ)4排炮孔，共計可補(bǔ)孔18排。

下盤補(bǔ)孔回收殘留礦石方案確定后，礦山立即組織開展補(bǔ)孔和殘礦回收工作，至2022年2月底，所補(bǔ)的18排炮孔已全部回采結(jié)束，表1為18排下盤補(bǔ)孔的礦石回收情況。

表1 1 580 m分段部分進(jìn)路下盤補(bǔ)孔出礦統(tǒng)計

由表1可知，在1 580 m分段進(jìn)路下盤所補(bǔ)的18排炮孔共回收礦石20 456.5 t，平均每排炮孔回收礦石1 136 t，如若不是10#進(jìn)路所補(bǔ)的47～50排炮孔連續(xù)發(fā)生懸頂只放出了370.5 t礦石，礦石回收總量和炮排平均出礦量還將進(jìn)一步增大。經(jīng)粗略計算，回收的礦石帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益在500萬元以上，同時礦山在出礦過程中將放出的廢石堆放在采場廢棄巷道中，降低了運(yùn)輸成本。本次下盤補(bǔ)孔所回收的礦量遠(yuǎn)超礦山預(yù)期，不僅以相對較低的成本換取了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且對于崩落法采場的產(chǎn)量接續(xù)也起到了重要作用。

下盤補(bǔ)孔回收殘留礦石的實(shí)踐結(jié)果充分證明了本研究提出的下盤礦石損失控制措施的可行性和有效性，下一步礦山在1 565 m分段及1 546 m分段的開采設(shè)計和施工中，將對該礦石貧損控制措施進(jìn)行更大范圍的推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

a.分析結(jié)果表明，當(dāng)龍首礦西二采區(qū)無底柱分段崩落法采場礦體傾角變小時，如按照當(dāng)前的采礦設(shè)計方案開采，會在上下盤產(chǎn)生較大的礦石損失和貧化；礦石貧化主要發(fā)生在上盤，礦石損失主要發(fā)生在下盤，但是這種礦石損失和貧化是可以通過采取相應(yīng)的技術(shù)措施來進(jìn)行控制的。

b.研究提出，在上盤將切割槽位置向下盤方向后移，確保切割平巷頂板以上有10 m的礦體高度，便可保證切割槽和上盤炮排在松動出礦過程中放出的主要是礦石，未能在本分段回收的上盤三角礦體也不會損失，而會在下一分段得到回收；在下盤建議退采至礦體與上分段底板交界處，從而實(shí)現(xiàn)下盤殘留礦石的充分回收，同時可通過增大邊孔角度、增大崩礦步距以及礦廢分采分運(yùn)和廢石不出井等措施來進(jìn)一步降低下盤礦石貧化和采礦成本。

c.現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，通過在1 580 m分段下盤補(bǔ)18排炮孔，共回收礦石20 456.5 t，平均每排炮孔回收礦石1 136 t，以相對較低的成本獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，在提高采場礦石回收率的同時實(shí)現(xiàn)了采場產(chǎn)能的穩(wěn)定接續(xù)，充分證明本研究提出的上下盤礦石貧損控制措施是可行的。