有限回采空間內(nèi)貧礦資源無底柱分段崩落法低貧損開采方案研究

譚寶會(huì) 王 虎 張志貴 王永定 龍衛(wèi)國(guó) 龔 臻 何建元 陳星明

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

無底柱分段崩落法因具有產(chǎn)能大、機(jī)械化程度高、應(yīng)用靈活以及安全性好等一系列優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于開采礦巖穩(wěn)固的厚大傾斜金屬礦床[1]。 但由于是在覆巖下進(jìn)行出礦,較高的礦石貧損率一直是該方法的一大缺點(diǎn)[2]。 據(jù)統(tǒng)計(jì),無底柱分段崩落法的礦石損失率通?？蛇_(dá)到15%～20%,而其損失率通常也可達(dá)到15%～30%[3]。 因此,如何降低無底柱分段崩落法礦山的損失貧化一直是礦業(yè)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。 近年來,隨著礦產(chǎn)資源需求量的大幅增大,無底柱分段崩落法也開始被應(yīng)用于破碎礦體、傾斜甚至緩傾斜礦體以及低品位礦體等復(fù)雜開采條件[4-6],使得礦石貧損的控制難度和要求進(jìn)一步提高。 為了降低無底柱分段崩落法的礦石貧損,多年來眾多學(xué)者在優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)[7]、改進(jìn)出礦控制方式[8]以及采礦工藝[9-10]等方面進(jìn)行了大量研究,并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,取得了一定的成效。 然而這些研究大多是在較為良好的礦石開采條件下開展,要么是礦體賦存條件較好,采場(chǎng)內(nèi)分段數(shù)目較多,有利于無底柱分段崩落法礦石轉(zhuǎn)段回收特性的發(fā)揮,能夠較好地控制礦石損失;要么是所回采的礦石品位較高或廢石易于分選,對(duì)于貧化具有較好的寬容度。 然而,當(dāng)無底柱分段崩落法采場(chǎng)回采空間十分有限且礦石品位較低時(shí),就會(huì)使礦石的回采及回收條件變得極為復(fù)雜,以往所取得的研究成果可能不再適用。

針對(duì)上述不足,本研究以龍首礦西二采區(qū)無底柱分段崩落法回采為例,設(shè)計(jì)出一種可以在有限回采空間內(nèi)(分段數(shù)目≤5 個(gè))實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源低貧損開采方案。 該方案以回采分段為單元,分別設(shè)置各分段的主要回采任務(wù)和目標(biāo),同時(shí)制定相應(yīng)的礦石回采和回收措施,從而在有限的回采空間內(nèi)構(gòu)成一種組合式礦石回采方案,可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)放頂形成覆蓋層、減少?gòu)U石混入以及充分回收礦石的目的。 同時(shí)以西二采區(qū)為工程背景,采用物理放礦模擬試驗(yàn)方法系統(tǒng)研究了該方案的礦巖移動(dòng)規(guī)律及礦石回收指標(biāo),并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)開展工業(yè)試驗(yàn),取得了良好的應(yīng)用成效,可為類似礦山提供參考。

1 有限回采空間內(nèi)的低貧損回采方案原理

由于無底柱分段崩落法采場(chǎng)礦石具有轉(zhuǎn)段回收的特點(diǎn),因此一般來說采場(chǎng)內(nèi)的分段數(shù)目越多,越有利于礦石的充分回收和貧化控制。 有研究表明[11],當(dāng)無底柱分段崩落法采場(chǎng)只回采1 個(gè)分段時(shí),其回采率僅為30%,回采2 個(gè)分段時(shí)回采率為50%,當(dāng)回采3 個(gè)分段時(shí)回采率才基本達(dá)到70%。 因此,為了保障基本的回采率,無底柱分段崩落法采場(chǎng)布置的分段數(shù)目通常不宜少于3 個(gè)。 然而,當(dāng)采用無底柱分段崩落法回采延深長(zhǎng)度較小的礦體時(shí),由于采場(chǎng)內(nèi)所能布置的分段數(shù)目十分有限,通常僅可布置3 ～5 個(gè)回采分段,此時(shí)將面臨覆蓋層安全高效形成、礦石貧損指標(biāo)控制等一系列技術(shù)難題,如果目標(biāo)礦體的品位較低,則會(huì)進(jìn)一步增大礦石的貧損控制難度。 為解決這些技術(shù)難題,本研究設(shè)計(jì)出一種可在有限回采空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)無底柱分段崩落法低貧損開采的技術(shù)方案,該方案以無貧化放礦理論為指導(dǎo),以回采分段為單元分別設(shè)定各分段的主要回采任務(wù)和目標(biāo),再根據(jù)各分段所承擔(dān)的任務(wù)和目標(biāo)有針對(duì)性地制定礦石回采方案。

1.1 首采分段回采方案

對(duì)于首采分段,其主要任務(wù)和目的并非采礦,而是通過階梯式退采均勻擴(kuò)展采空區(qū),促使頂板圍巖及時(shí)冒落形成覆蓋層,同時(shí)該分段的出礦量需要嚴(yán)格控制在步距崩礦量的30%～40%,其作用有:① 通過放出部分崩落礦石,為頂板圍巖冒落提供空間;② 通過總量控制出礦確保采空區(qū)底板預(yù)留有足夠的散體礦石作為安全緩沖墊層,在出礦過程中確保出礦口始終處于封堵狀態(tài),預(yù)防空區(qū)頂板冒落帶來的沖擊危害。

1.2 中間分段回采方案

中間分段是指除了首采分段和最末分段以外的其余分段,這樣的分段在采場(chǎng)中一般有2 ～3 個(gè)。 在首采分段誘導(dǎo)頂板圍巖順利冒落形成覆蓋層后,中間分段便可以視為在正常條件下進(jìn)行礦石回采,其主要任務(wù)是充分、高質(zhì)量地進(jìn)行礦石回收。 因此,為了避免采用傳統(tǒng)截止品位放礦方式帶來較大的礦石貧化,在中間分段采用“見廢即?！钡牡拓毣诺V方式進(jìn)行放礦,即判斷廢石正常到達(dá)出礦口后便停止出礦,使得在截止品位放礦方式下需要以貧化形式放出的礦石暫時(shí)留在采場(chǎng)內(nèi),在下一步距或下一分段以純礦石的方式得到回收,從而減少無效貧化,提高礦石回收質(zhì)量[12]。 此外,首采分段通過總量控制放礦后在采場(chǎng)中留下的礦石隔離層也可以有效阻隔覆蓋層廢石提前混入,這也為中間分段實(shí)施低貧化放礦創(chuàng)造了便利條件。

1.3 最末分段回采方案

最末分段是采場(chǎng)中的最后一個(gè)回采分段,也是采場(chǎng)內(nèi)礦石最后的回收機(jī)會(huì),因此最末分段的回采目標(biāo)是要最大限度地實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)內(nèi)礦石回收。 當(dāng)?shù)V石品位較高時(shí),最末分段宜采用截止品位方式進(jìn)行出礦,以充分回收崩落礦石;當(dāng)?shù)V石品位較低時(shí),需要嚴(yán)格控制礦石貧化,則在最末分段可繼續(xù)采用低貧化方式進(jìn)行出礦,以嚴(yán)格控制礦石貧化。 除此之外,還可采取在相鄰進(jìn)路之間增設(shè)輔助進(jìn)路的方式,對(duì)最末分段無法轉(zhuǎn)段回收的殘留礦量(主要指桃形礦柱和脊部殘留)進(jìn)行回采,從而實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)內(nèi)礦石的充分回收,同樣地,輔助進(jìn)路的放礦控制方式根據(jù)礦石品位高低或貧化控制需求進(jìn)行確定。 研究表明,最末分段殘留礦石占分段礦量的25%～30%,通過在最末分段設(shè)置輔助回收進(jìn)路,可使采場(chǎng)總的礦石回收率提高5 ～8 個(gè)百分點(diǎn)[13]。

根據(jù)上述分析,可在有限的回采空間內(nèi),形成以回采分段為單元的無底柱分段崩落法低貧損開采方案,原理如圖1 所示。

圖1 有限回采空間內(nèi)無底柱分段崩落法低貧損回采方案Fig.1 Principle of low lean depletion stoping scheme of sublevel caving without pillar in limited stopi ng space

2 工程背景

金川龍首礦是我國(guó)鎳礦石的主要生產(chǎn)基地之一,西二采區(qū)是該礦的主力采區(qū)。 該礦區(qū)地表100 m 以下見礦,礦體傾角70°～80°,厚度28 ～200 m,沿走向全長(zhǎng)463 m,屬于厚大急傾斜礦體。 該礦區(qū)礦巖較為破碎,礦體普氏系數(shù)為2. 4 ～7. 0,圍巖普氏系數(shù)為0.8～6.5。 此外,西二采區(qū)礦石品位較低,僅為金川富礦品位的1/3 左右,屬于金川礦區(qū)的貧礦資源。 但由于鎳礦經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高,為了控制礦石貧損,礦山采用了下向水平分層膠結(jié)充填法進(jìn)行開采,設(shè)有1 554 m 和1 430 m 兩個(gè)中段同時(shí)開采,年產(chǎn)礦石165 萬t。

表1 試驗(yàn)物料塊度組成Table 1 Block composition of experimental materials

2016 年左右全球鎳價(jià)大幅下降,采用生產(chǎn)成本較高的充填法回采低品位礦石使得西二采區(qū)的采礦生產(chǎn)瀕臨虧損。 為了扭轉(zhuǎn)不利形勢(shì),礦山計(jì)劃將上部中段轉(zhuǎn)為采礦成本較低的無底柱分段崩落法,此時(shí)上部中段已形成了近30 m 厚的膠結(jié)充填體,下部中段形成了近50 m 厚的膠結(jié)充填體,擬用崩落法開采的礦體夾于上下兩個(gè)充填體之間。

經(jīng)過前期研究,最終確定出西二采區(qū)上部中段崩落法采場(chǎng)共可布置4 個(gè)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。 為了在2 種不同采礦方法轉(zhuǎn)換過渡期維持上部中段的產(chǎn)量,礦山規(guī)劃在1 595 m 分段以9#勘探線為界,其以東范圍進(jìn)行崩落法采準(zhǔn)工作,以西范圍則繼續(xù)采用充填法進(jìn)行回采,按計(jì)劃當(dāng)該范圍利用充填法回采至1 600 m 水平時(shí),9#勘探線以東的崩落法采場(chǎng)便可基本投入生產(chǎn),屆時(shí)再完全終止上部中段的充填采礦作業(yè)。 在回采1 580 m 分段時(shí),上部中段將全部轉(zhuǎn)為崩落法開采。 同時(shí),為了進(jìn)一步降低崩落法采礦成本,礦山計(jì)劃在首采分段誘導(dǎo)冒落頂板膠結(jié)充填體形成覆蓋層[14]。 西二采區(qū)充填法采場(chǎng)與崩落法采場(chǎng)分布如圖2 所示。

圖2 西二采區(qū)充填法采場(chǎng)與崩落法采場(chǎng)的分布Fig.2 Distribution of filling stope and caving stope in West No.2 Mining Area

可見,西二采區(qū)上部中段礦體高度只有67.5 m,無底柱分段崩落法采場(chǎng)內(nèi)僅可布置4 個(gè)回采分段,回采空間十分有限,并不利于礦石貧損控制,但對(duì)于西二采區(qū)這樣的低品位貴重礦產(chǎn)資源來說,無底柱分段崩落法貧化損失大的缺陷又必須克服。 在此工程背景下,有必要針對(duì)西二采區(qū)上部中段無底柱分段崩落法礦石回收條件,研發(fā)出科學(xué)、合理的礦石回采方案,實(shí)現(xiàn)西二采區(qū)貧礦資源低成本、高質(zhì)量回收的總體目標(biāo)。

3 西二采區(qū)無底柱分段崩落法低貧損開采方案

為了在西二采區(qū)崩落法采場(chǎng)僅有的4 個(gè)分段內(nèi)實(shí)現(xiàn)貧礦資源的充分、高質(zhì)量回收,根據(jù)各分段的回采任務(wù)及礦石回收條件,針對(duì)各分段分別制定礦石回收方案。

(1)1 595 m 分段回采方案。 1 595 m 分段作為崩落法采場(chǎng)的首采分段,其主要的回采任務(wù)是通過采礦安全順利地誘導(dǎo)頂板膠結(jié)充填體冒落形成覆蓋層。在此過程中,首采分段的礦石放出量需要嚴(yán)格控制在崩落量的30%～40%[15],預(yù)留在首采分段的礦石墊層不僅可以消除頂板冒落沖擊災(zāi)害,還可以有效阻隔冒落的膠結(jié)充填體提前混入礦石,從而為下部分段的貧化控制創(chuàng)造有利條件。 因此,在1 595 m 首采分段采取總量控制出礦方式。 由于膠結(jié)充填體強(qiáng)度較低,僅為天然礦巖體強(qiáng)度的1/5 ～1/10,而1 595 m 分段9#勘探線以東的回采面積可達(dá)到20 000 m2以上,根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)[16],如此之大的暴露面積足以誘導(dǎo)頂板膠結(jié)充填體冒落形成覆蓋層。 因此,可以認(rèn)為1 595 m 分段回采結(jié)束后,可順利誘導(dǎo)頂板膠結(jié)充填體冒落形成覆蓋層。

(2)1 580 m 分段回采方案。 對(duì)于1 580 m 分段,其9#勘探線以東屬于第二分段回采,其上部已經(jīng)形成覆蓋層,因此該區(qū)域可以視作是在正常條件下進(jìn)行礦石回采,其主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)礦石低貧化、高質(zhì)量回收。 因此,該區(qū)域采用正?！耙姀U即?！钡牡拓毣诺V方式進(jìn)行出礦。 1 580 m 分段9#勘探線以西則屬于首采分段,其主要任務(wù)是誘導(dǎo)冒落形成覆蓋層,因此該區(qū)域采取的是總量控制方式出礦,出礦量控制在崩落量的30%～40%。

(3)1 565 m 分段回采方案。 在回采1 565 m 分段時(shí),其上部的覆蓋層已經(jīng)完全形成,整個(gè)分段進(jìn)路上部均具有轉(zhuǎn)段回收礦量,因此該分段是采場(chǎng)中礦石回收條件最好的分段,其主要回采任務(wù)是實(shí)現(xiàn)礦石低貧化、高質(zhì)量回收。 為了控制貧化,該分段采取正?！耙姀U即?！钡牡拓毣诺V方式,減少無效貧化,實(shí)現(xiàn)礦石的高質(zhì)量回收。

(4)1 546 m 分段回采方案。 1 546 m 分段是崩落法采場(chǎng)中的最后一個(gè)分段,顯然,在最末分段采取截止品位放礦方式可以最大限度地回收礦石,但考慮到西二采區(qū)的貧礦資源對(duì)貧化極為敏感,因此在最末分段依然采用正?！耙姀U即停”的低貧化放礦方式。同時(shí),還可在最末分段相鄰回采進(jìn)路之間增設(shè)輔助回采進(jìn)路回收殘留礦石(主要是桃形礦柱和脊部殘留)。 但由于西二采區(qū)礦巖破碎,加之最末分段布置在1 546 m 水平,該水平恰好是上部中段礦體和下部中段充填體的接觸面,接觸面上廣泛存在充填沉縮空洞,這些因素的存在增大了輔助進(jìn)路的實(shí)施難度,屆時(shí)需要根據(jù)最末分段的實(shí)際采礦情況確定是否具備施工輔助進(jìn)路的條件。

綜上分析,本研究針對(duì)西二采區(qū)無底柱分段崩落法采場(chǎng)僅有的4 個(gè)回采分段,設(shè)計(jì)出一種以分段為回采單元的組合式低貧損回采方案,力求在該采區(qū)上部中段實(shí)現(xiàn)崩落法的低成本、高質(zhì)量回收。

4 放礦試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本研究組合式低貧損回采方案在貧損控制方面的有效性,前期已設(shè)計(jì)并制作了一件單分間立體放礦模型,對(duì)該方案和傳統(tǒng)截止品位放礦方案進(jìn)行對(duì)比研究,初步驗(yàn)證了該方案在貧損控制方面的優(yōu)越性能[13]。 但由于單分間模型精度有限,對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采礦條件的還原度也有待提升,因此本研究在已有成果的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并制作了一件多分間、多分段、多步距的立體放礦模型。 針對(duì)西二采區(qū)上部中段礦體的實(shí)際開采條件開展具有更高仿真度的放礦試驗(yàn),以進(jìn)一步掌握所提出的低貧損開采方案的礦巖移動(dòng)規(guī)律及礦石回收指標(biāo),為現(xiàn)場(chǎng)采礦試驗(yàn)提供更為可靠的技術(shù)參考。

4.1 模型設(shè)計(jì)

本次物理放礦模擬試驗(yàn)結(jié)合西二采區(qū)上部中段實(shí)際開采條件,設(shè)計(jì)的立體放礦模型如圖3 所示。 該模型比例為1 ∶100,為了便于試驗(yàn)觀察,模型正面為1 cm 厚的透明有機(jī)玻璃,其余三面為2 cm 厚的實(shí)木板材,回采進(jìn)路及步距插片均采用厚度為2 mm 的鐵片制作。 模型共包含4 個(gè)放礦分段,從上至下分別對(duì)應(yīng)實(shí)際中的1 595、1 580、1 565、1 546 m 分段,其中第1分段設(shè)計(jì)4 條回采進(jìn)路;第2 分段設(shè)計(jì)7 條回采進(jìn)路,在圖3(b)中左側(cè)3 條進(jìn)路代表9#勘探線以東回采范圍(屬于第2 分段回采),右側(cè)3 條進(jìn)路代表9#勘探線以西回采范圍(屬于首采分段),中間1 條進(jìn)路為東、西過渡帶進(jìn)路;第3 分段包含8 條進(jìn)路;第4分段包含7 條回采進(jìn)路。 模型進(jìn)路高度為4.1 cm,寬度為4.2 cm,每條回采進(jìn)路設(shè)置1 個(gè)切割槽步距和8 個(gè)正排步距,其放礦步距分別為4.8 cm 和2.4 cm,首采分段正排邊孔角為40°,其余分段正排邊孔角為45°。

圖3 放礦試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)圖及實(shí)物照片(單位:cm)Fig.3 Design drawing and physical photos of ore-drawing experimental model

相較于普通的平面模型和單分間立體模型,本次試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的模型為真正意義上的立體放礦試驗(yàn)?zāi)Ｐ?因而其試驗(yàn)結(jié)果具有更高的精度和可信度,對(duì)礦山現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的指導(dǎo)性也更強(qiáng)。 但由于模型中共包含了26 條放礦進(jìn)路以及270 個(gè)步距插片,如此繁多的進(jìn)路及步距插片也增大了試驗(yàn)難度和復(fù)雜性。

研究表明,在無底柱分段崩落法中礦石和廢石的散體粒度對(duì)于放礦過程中的礦巖移動(dòng)規(guī)律有顯著影響,而礦巖之間的微小密度差異對(duì)礦巖移動(dòng)規(guī)律的影響較小[17]。 因此,為了便于觀察礦巖移動(dòng)過程以及篩分放出的礦石和廢石,本次試驗(yàn)采用白云巖顆粒代表礦石散體,密度為1.36 g/cm3,采用磁鐵礦石顆粒代表廢石散體,密度為2.34 g/cm3。 試驗(yàn)散體物料的塊度組成見表1。

4.2 試驗(yàn)過程

由于本研究物理放礦模型系統(tǒng)比較復(fù)雜,為了避免放礦過程出現(xiàn)人為操作失誤,試驗(yàn)前對(duì)模型中的分段、進(jìn)路以及步距進(jìn)行編號(hào),確保整個(gè)放礦過程能夠有序操作。 放礦試驗(yàn)嚴(yán)格按照從上至下逐分段的回采順序進(jìn)行,在同一分段內(nèi)各進(jìn)路保持平行退采。

在第1 分段出礦時(shí),步距放出量嚴(yán)格控制在步距裝礦量的30%～40%;第2 分段左側(cè)3 條進(jìn)路及中間過渡帶1 條進(jìn)路均采取低貧化放礦控制方式進(jìn)行出礦,放礦時(shí)正常見到廢石便停止出礦,對(duì)于右側(cè)3 條進(jìn)路則按照步距裝礦量的30%～40%進(jìn)行控制出礦;第3 分段整體按照“見廢即?！钡牡拓毣绞竭M(jìn)行出礦,同時(shí)需要放出那些在提前滲透至出礦口的細(xì)小廢石,以減少其在下部分段放礦時(shí)繼續(xù)對(duì)礦石摻混;第4 分段同樣采取正常“見廢即?！钡牡拓毣绞竭M(jìn)行出礦,考慮到前期研究結(jié)果已表明在最末分段采用輔助進(jìn)路回采殘留礦石可使總的回采率提高5% ～8%[13],加之本次試驗(yàn)過程較為復(fù)雜,因此最末分段不再進(jìn)行輔助進(jìn)路回采殘留礦石試驗(yàn)。

需要說明的是,對(duì)于首采分段在出礦過程中若發(fā)現(xiàn)出礦量未達(dá)到步距裝礦量的40%時(shí)就有廢石放出,則應(yīng)立即停止出礦。 對(duì)于其余的低貧化放礦分段,為了判斷廢石正常到達(dá)出礦口,設(shè)定截止出礦時(shí)的瞬時(shí)貧化率為15%,對(duì)應(yīng)的體積廢石混入率為20%。 試驗(yàn)過程中對(duì)每個(gè)步距、每條進(jìn)路和每個(gè)分段的放出總量、放出礦石量以及放出廢石量進(jìn)行詳細(xì)記錄,再計(jì)算各分段及總的礦石回收指標(biāo)。 本次放礦試驗(yàn)過程如圖4 所示。

圖4 物理模擬放礦試驗(yàn)過程Fig.4 Physical simulation ore-drawing experimental process

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

為了確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,試驗(yàn)共進(jìn)行了2次,2 次試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)基本相同,見表2。 由于第2 分段左側(cè)3 條進(jìn)路(屬于第2 分段回采)和右側(cè)3 進(jìn)路(屬于首采分段回采)的回采條件不同,因此分別對(duì)礦石回收指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),表中所統(tǒng)計(jì)的廢石混入率為體積混入率。

表2 物理模擬放礦試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of physical model tests %

通過本次試驗(yàn)得出,第1 分段的礦石層高度為18.5 cm,放出礦石量為崩礦量的36.6%,符合“放出崩落量的30%～40%”這一預(yù)設(shè)目標(biāo),但在出礦尾期有少量廢石被放出,經(jīng)計(jì)算第1 分段的廢石混入率約為7.9%。 第1 分段礦石回收率在36.6%便有廢石放出的主要原因是:礦石層高度較低,加之首采分段沒有可以回收的轉(zhuǎn)段礦量,反而是在放礦過程中要產(chǎn)生脊部殘留、正面殘留以及靠壁殘留等,因而首采分段的礦石回收量較低,不會(huì)超過40%。

第2 分段左側(cè)3 條進(jìn)路上部具有比較正常的覆蓋層和礦石脊部殘留,礦石層高度達(dá)到28 cm 左右,該區(qū)域按照低貧化放礦方式進(jìn)行出礦后,礦石回收率達(dá)到86.9%,廢石混入率僅為4.1%。 第2 分段右側(cè)3 條進(jìn)路屬于首采分段,礦石層高度為20 cm,該區(qū)域礦石回收率為35.4%,廢石混入率為7.6%。 此外,在試驗(yàn)中觀察到中間過渡帶進(jìn)路出礦過程中的廢石首先來自右側(cè)高度較低的廢石層,各步距在出礦量達(dá)到崩落量的30%～40%時(shí)便有大量廢石放出,因此實(shí)際采礦中過渡帶進(jìn)路建議按照崩落量的30%～40%進(jìn)行控制出礦。

第3 分段上部形成了完整的覆蓋層以及脊部礦石殘留,礦石層高度接近30 cm,因此該分段是模型中礦石回收條件最好的分段,在采用“見廢即?！钡牡拓毣诺V模式下,該分段礦石回收率達(dá)到104.7%,廢石混入率僅為5.3%。 第4 分段作為采場(chǎng)中最后一個(gè)回采分段,其分段高度增加到19 cm,礦石層高度接近34 cm,為了控制貧化,繼續(xù)按照低貧化放礦方式進(jìn)行出礦,該分段礦石回收率為93.0%,廢石混入率僅為6.1%。

在試驗(yàn)過程中觀察到,各分段出礦時(shí)總是正面廢石要先于頂部廢石出現(xiàn)在出礦口,客觀上造成了步距放礦后存在“靠壁殘留”現(xiàn)象。 雖然首采分段也有一定量的“靠壁殘留”存在,但因其高度較低,僅為3 ～5 cm,不能有效擴(kuò)大后一步距純礦石放出體體積,因此首采分段步距純礦石放出量一直處于較低水平。 其余分段的“靠壁殘留”礦石高度可以達(dá)到1 個(gè)分段以上,使得絕大部分步距崩落礦石連同前一步距的“靠壁殘留”能夠一并以沒有貧化或貧化很低的狀態(tài)放出,從而有效增加了步距純礦石放出體體積。

最終,計(jì)算出本次放礦試驗(yàn)的總礦石回收率為75.6%,總廢石混入率為6.0%。 僅從回收率上來看,本次試驗(yàn)所得指標(biāo)雖然已處于較高水平,但并不特別理想,主要是由于最末分段本該采用截止品位放礦方式以最大限度地回收采場(chǎng)內(nèi)礦石,但西二采區(qū)貧礦資源對(duì)礦石貧化極為敏感,無法接受截止品位出礦帶來的較高貧化率,只能采用低貧化方式出礦,從而導(dǎo)致總體回收率降低了3 ～5 個(gè)百分點(diǎn)。 此外,考慮到采礦安全及成本等因素,暫時(shí)不考慮采用輔助進(jìn)路對(duì)最末分段的桃形礦柱及脊部殘留礦量進(jìn)行回收,這又將導(dǎo)致總體回收率降低5 個(gè)左右的百分點(diǎn)。

但該方案的最大優(yōu)勢(shì)是在相對(duì)充分回收礦石的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了西二采區(qū)貧礦資源的超低貧化回收,克服了采用傳統(tǒng)截止品位放礦時(shí)步距出礦40%～50%便會(huì)開始發(fā)生貧化的不足,使得更多的礦石能夠以純礦石的形式得到回收,最大限度提高了崩落法開采的礦石回收質(zhì)量,更符合西二采區(qū)貧礦資源高質(zhì)量回收的總體需求。 因此,從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全以及貧礦資源開采的特殊需求等因素綜合分析,該方案所獲取的回收指標(biāo)已屬較優(yōu)水平,可以在實(shí)踐中進(jìn)行推廣。

5 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

龍首礦西二采區(qū)上部中段崩落法采場(chǎng)于2019 年5 月正式投入生產(chǎn),截至目前(2022 年9 月)已從1 595 m 分段回采至1 565 m 分段,采場(chǎng)產(chǎn)能達(dá)到8萬t/月,年產(chǎn)量接近100 萬t,已成為龍首礦的主力采區(qū)。 為了嚴(yán)格控制回采過程中的礦石貧化,西二采區(qū)崩落法在放礦過程中采用了本研究所提“首采分段總量控制放礦、其余分段低貧化放礦”的組合式放礦方案。 西二采區(qū)的膠結(jié)充填體和礦石在手感、顏色和密度方面具有較為明顯的差異,二者易于區(qū)分,因而便于低貧化放礦方式的應(yīng)用。

各分段的現(xiàn)場(chǎng)出礦情況如圖5 所示。 圖5(a)是1 595 m 分段8#進(jìn)路第35 排炮孔出礦結(jié)束時(shí)的狀態(tài),此時(shí)共出礦44 鏟,占炮排崩落量35%,爆堆上未見廢石,出礦口處于封堵狀態(tài)。 圖5(b)是1 580 m 分段7#進(jìn)路22 排炮孔出礦結(jié)束時(shí)的狀態(tài)(位于9#勘探線以東,屬于第2 分段回采),此時(shí)出礦102 鏟,占炮排崩落量81%,爆堆上開始有冒落膠結(jié)充填體(爆堆上的淺白色塊體)被放出,表示廢石已到達(dá)出礦口。 圖5(c)是1 580 m 分段20#進(jìn)路26 排炮孔出礦結(jié)束時(shí)的狀態(tài)(位于9#勘探線以西,屬于首采分段回采),此時(shí)出礦54 鏟,占炮排崩落量42%,出礦口未出空,爆堆上未見廢石。 圖5(d)是1 565 m 分段8#排炮孔出礦終止時(shí)的狀態(tài),此時(shí)出礦134 鏟,占炮排崩落量106%,爆堆上開始有冒落膠結(jié)充填體放出,表示廢石已到達(dá)出礦口。

圖5 西二采區(qū)崩落法采場(chǎng)礦石回收情況Fig.5 Ore recovery of sublevel caving stope in West No.2 Mining Area

經(jīng)統(tǒng)計(jì),1 595 m 分段礦石回收率為28%,體積廢石混入率為4. 5%,在該分段有膠結(jié)充填體被放出,表明隨著采礦的進(jìn)行,頂板膠結(jié)充填體按預(yù)期冒落形成覆蓋層;1 580 m 分段9#勘探線以西范圍(屬于首采分段)礦石回收率為37.7%,體積廢石混入率為5.2%;1 580 m 分段9#勘探線以東范圍(屬于第2分段回采)礦石回收率為80.8%,體積廢石混入率為9.6%;1 580 m 分段9#勘探線東、西過渡帶進(jìn)路(即1 580 m 分段17#進(jìn)路)礦石回收率為43.9%,體積廢石混入率為4.0%;1 565 m 分段尚未完全回采結(jié)束,已回采區(qū)域的礦石回收率為103%,體積廢石混入率為8.5%。

放礦模擬試驗(yàn)各分段礦石回收指標(biāo)與實(shí)際采礦各分段礦石回收指標(biāo)對(duì)比如圖6 所示。 由圖6 可知:現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中各分段的礦石回收指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)室獲得的結(jié)果極為接近,二者回收指標(biāo)的變化規(guī)律與趨勢(shì)也基本相同,說明物理放礦試驗(yàn)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)起到了很好的預(yù)測(cè)和指導(dǎo)作用。 進(jìn)一步分析認(rèn)為,各分段實(shí)際回收指標(biāo)略遜于試驗(yàn)指標(biāo)的主要原因是,礦體具有一定的傾角,在上盤和下盤部位切巖混采時(shí)導(dǎo)致混入了較多的廢石。 此外,西二采區(qū)礦巖松軟破碎,炮孔破壞、眉線破壞、推排及懸頂?shù)仁鹿蕰r(shí)有發(fā)生,不利于礦石的貧損控制。

圖6 物理試驗(yàn)回收指標(biāo)與現(xiàn)場(chǎng)采礦回收指標(biāo)對(duì)比Fig.6 Comparison of recovery indexes of physical experiments and on-site mining

現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐表明,西二采區(qū)崩落法采場(chǎng)通過在首采分段按照總量控制方式出礦,安全順利地誘導(dǎo)頂板冒落形成覆蓋層,其余分段通過低貧化方式控制出礦,在獲得較為理想礦石回收率的基礎(chǔ)上,將廢石混入率控制在了10%以內(nèi),使得崩落礦石最大限度地以純礦石方式得到回收,有效提升了礦石回收質(zhì)量。此外經(jīng)統(tǒng)計(jì),西二采區(qū)崩落法的采礦成本為95.78元/t,較原膠結(jié)充填法的采礦成本133.76 元/t 降低了37.98 元/t,降低幅度達(dá)28%左右。 總體而言,本研究提出的放礦控制方案在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后實(shí)現(xiàn)了西二采區(qū)貧礦資源低成本、高質(zhì)量回收的總體目標(biāo),表明該方案可有效滿足西二采區(qū)貧礦資源的安全高效開發(fā)需求。

6 結(jié) 論

(1)針對(duì)在有限回采空間內(nèi)采用無底柱分段崩落法回采低品位礦石時(shí)貧損控制難度大的問題,以龍首礦西二采區(qū)為例,提出了一種可以在有限回采空間內(nèi)(分段數(shù)目≤5 個(gè))實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源低貧損開采方案。該方案以回采分段為單元,分別設(shè)置各分段的主要回采任務(wù)和目標(biāo),即在首采分段總量控制出礦,在中間分段低貧化方式控制出礦,在最末分段低貧化出礦同時(shí)采用輔助進(jìn)路回收殘留礦石,從而在有限的回采空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)及時(shí)放頂形成覆蓋層、減少?gòu)U石混入以及充分回收礦石的目的。

(2)理論分析、物理模擬放礦試驗(yàn)表明,即便在暫時(shí)不考慮利用輔助進(jìn)路回收最末分段殘留礦石的情況下,所提采礦方案也可使西二采區(qū)崩落法采場(chǎng)的回收率達(dá)到75.6%,而貧化率僅為6.0%。 表明該方案在最大限度回收礦石的基礎(chǔ)上,有效克服了傳統(tǒng)截止品位出礦方式貧化大的不足。 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明,該方案在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后順利形成覆蓋層,同時(shí)各分段在按預(yù)期獲得較為理想礦石回收率的基礎(chǔ)上,使得廢石混入率控制在4.0%～9.6%,實(shí)現(xiàn)了西二采區(qū)貧礦資源低成本、高質(zhì)量回收的總體目標(biāo)。

(3)在下一步生產(chǎn)應(yīng)用中,需繼續(xù)做好上下盤礦巖混采區(qū)段的礦石貧損控制工作,進(jìn)一步解決由于礦巖破碎帶來的炮孔破壞、眉線破壞、推排及懸頂?shù)壬a(chǎn)問題,同時(shí)深入研究最末分段殘留礦石(桃形礦柱及脊部殘留礦量)的安全高效回收方案,以獲取更優(yōu)的礦石回收指標(biāo)。