張秀華，周宗紅，丁文俊，劉永文，鄢 波

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093； 2.云南黃金集團(tuán) 金平長安礦業(yè)有限公司，云南 金平 661508)

目前，隨著礦產(chǎn)資源的不斷消耗，國內(nèi)(外)越來越多的礦山已經(jīng)從露天開采轉(zhuǎn)入地下開采，結(jié)合礦體賦存條件，一些礦山采用無底柱分段崩落法進(jìn)行礦石開采，在覆巖下進(jìn)行放礦，存在十分嚴(yán)重的礦石損失貧化問題[1]。為此，通過研究放礦過程中崩落礦巖的移動規(guī)律，優(yōu)化采礦結(jié)構(gòu)參數(shù)[2-5]和改善放礦方式，以求達(dá)到降低礦石損失貧化的目的。

眾多學(xué)者結(jié)合物理模擬試驗(yàn)，通過改進(jìn)放礦方式來降低礦石損失貧化。陶干強(qiáng)等[6]利用正交設(shè)計(jì)方法確定實(shí)驗(yàn)方案，開展了料壁導(dǎo)流放礦物理模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)放礦方式相比，優(yōu)化后的放礦方式明顯改善了礦石的損失貧化指標(biāo)；張秀鳳等[7]在礦山進(jìn)行了斜壁放礦試驗(yàn)，提出了通過控制礦巖流速和流向來降低礦石損失貧化的方法；金愛兵等[8]在梅山鐵礦分別采用3種不同放礦方式進(jìn)行相似材料模擬試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值模擬PFC2D，從正面和側(cè)面對礦石回采和廢石混入進(jìn)行模擬分析，得出3種出礦方式的最優(yōu)崩礦步距。此外，一些學(xué)者還通過研究低貧損無底柱分段崩落開采方法[9-13]、控制出礦截止品位[14]、優(yōu)化進(jìn)路布置與出礦量[15]來降低礦石的損失貧化。盡管有研究學(xué)者對放礦控制進(jìn)行了相關(guān)研究，但沒有結(jié)合礦山實(shí)際生產(chǎn)，沒有對數(shù)據(jù)的變化規(guī)律進(jìn)行更深一步的分析研究，效果依然存在不足。本論文以長安金礦實(shí)際情況作為研究對象，設(shè)計(jì)了3種多分段出礦方案并進(jìn)行相應(yīng)的室內(nèi)物理試驗(yàn)，通過對多個放礦指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，優(yōu)選放礦方案并提出了量化控制方法，通過現(xiàn)場控制試驗(yàn)，解決長安金礦露天轉(zhuǎn)地下開采過程中不易控制礦石損失貧化的問題。

1 工程概況

金平長安礦業(yè)有限公司長安礦段(以下簡稱長安金礦)，隸屬金平縣銅廠鄉(xiāng)銅廠村委員會管轄。礦體產(chǎn)出于F6斷層破碎帶東盤的蝕變巖帶中，礦體產(chǎn)狀復(fù)雜多變，呈薄-中、緩傾斜-急傾斜產(chǎn)出，下盤圍巖穩(wěn)固性中等—差，北部主礦體為V5、V5-1礦體。V5礦體走向約340°，地表走向長572 m，傾向北東東，傾角20°～90°，平均76°；V5-1礦體走向340°，走向長448 m，傾向北東(約 70°)，礦體局部發(fā)育夾石，開采易造成礦石損失率和貧化率增大。礦山1 520 m以上為露天開采，1 520 m以下轉(zhuǎn)入地下開采。露天開采轉(zhuǎn)入地下開采的過程中，為了安全生產(chǎn)，滿足擠壓爆破以及放礦的需要，需形成足夠厚度的礦巖做覆蓋層。礦山采用崩落上盤邊坡礦巖的方法形成覆蓋層(見圖1)，期間形成的覆蓋層厚度較小且不均勻，為保證合理的覆蓋層厚度，控制礦石損失貧化，故對長安金礦1 509～1 480 m分段進(jìn)行多分段放礦試驗(yàn)，以優(yōu)化放礦方式。

圖1 崩落邊坡形成覆蓋層Fig.1 Crumbling slope forming overburden

2 室內(nèi)物理相似模擬試驗(yàn)

2.1 模型的制備

結(jié)合長安金礦地下開采的實(shí)際情況，對1 509～1 480 m分段進(jìn)行覆巖下多分段放礦試驗(yàn)；1 500 m分段高度為9 m，進(jìn)路間距為12.5 m，1 490 m和1 480 m的分段高度、進(jìn)路間距均為10 m；崩礦步距為1.5～1.7 m。放礦模型為鋼質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，比例尺為1∶50，經(jīng)計(jì)算模型尺寸為：長×寬×高=125 cm×15 cm×76 cm，放礦口尺寸為5.2 cm×5.2 cm；分段高度18、20 cm，進(jìn)路間距20、25 cm，放礦步距為4.5、5 cm，進(jìn)路垂直礦體走向布置，進(jìn)路和步距片都用1 mm厚的鐵皮制作。為了觀察礦巖流動過程，模型正端面采用亞克力板制作。模型共有3個分段，放礦模型如圖2所示。全文統(tǒng)一將1 500、1 490、1 480 m分段表示為第1、2、3分段。

圖2 立體放礦模型圖Fig.2 Stereoscopic release model diagram

2.2 試驗(yàn)材料的制備

將從礦山采集的礦石在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行相似處理，礦石散體按比例1∶50進(jìn)行粒徑配比，通過現(xiàn)場調(diào)查計(jì)算，散體粒級和相應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示，得到試驗(yàn)用的礦石散體；由于長安金礦的圍巖沒有磁性，不易后期分離稱重，故將試驗(yàn)所需覆蓋層廢石用磁鐵礦石代替，并將廢石散體用油漆染成紅色，方便觀察散體流動現(xiàn)象。裝礦完成圖如圖3所示。

表1 各粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of each particle grade

圖3 裝礦完成圖Fig.3 Completion of ore loading

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

首采分段分別按崩礦量的40%、50%和60%出礦，其余礦石留作覆蓋層，在下部分段回收。放礦截止品位1.07 g/t，當(dāng)次截止貧化率為60.95%。第1分段放出的礦石質(zhì)量分別達(dá)到對應(yīng)進(jìn)路承擔(dān)礦量時(shí)，封住放礦口繼續(xù)進(jìn)行下一分段的出礦；當(dāng)放出的廢石質(zhì)量達(dá)到當(dāng)次放出礦巖總量的58.42%時(shí)，停止放礦；再繼續(xù)下一分段的出礦，直至全部分段完成出礦。各分段放礦結(jié)束圖如圖4所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

放礦結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)各分段及所有分段的礦石質(zhì)量、廢石質(zhì)量和礦巖總質(zhì)量。由于本次試驗(yàn)裝填的廢石是有磁性的磁鐵礦石，需要對廢石質(zhì)量進(jìn)行相應(yīng)的折算，試驗(yàn)得到的廢石質(zhì)量與折算系數(shù)0.857的積為本次試驗(yàn)廢石的放出量，地質(zhì)品位按2.74 g/t，廢石混入品位為0.2～0.8 g/t，平均按0.5 g/t計(jì)算。分別計(jì)算各試驗(yàn)方案下首采分段和下部分段的礦石視在回收率、貧化率、廢石混入率、回貧差等放礦指標(biāo)，其處理結(jié)果如表2所示。

表2 各分段不同方案下的放礦指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of the release index under different schemes of each segment

依據(jù)表2中的分析數(shù)據(jù)可知，在采用相同的放礦方式情況下，3個方案各分段的礦石視在回收率的變化趨勢基本相同，但方案2中因脊部殘留礦石在放礦轉(zhuǎn)移過程中發(fā)生嚴(yán)重貧化和損失，導(dǎo)致方案2的整體礦石視在回收率低于其他方案；從累計(jì)和整體觀察得出礦石視在回收率，方案3(111.05%)回收情況最佳，方案1(96.78%)次之，方案2(96.35%)的回收效果最差。

在同種條件下礦石視在回收率與貧化率的差值反映了礦石回收效果的好壞，回貧差值越大說明礦石回收效果越好。結(jié)合表2對各方案的回貧差進(jìn)行對比，方案1礦石視在回收率雖然不是最低，但其礦石貧化率卻是最低；方案3礦石視在回收率達(dá)到最高，其貧化率也相應(yīng)增加到最高，相比較于方案2(85.61%)，方案1(87.83%)與方案3(97.65 %)回貧差較高。從廢石混入率角度分析，方案1總體的廢石混入率(10.95%)均低于方案2(13.14%)與方案3(16.40%)?；诖耍瑥幕刎毑罱嵌葘Ρ确治隹芍桨?優(yōu)于方案2，從廢石混入率對比分析可知方案1優(yōu)于方案2與方案3。

通過試驗(yàn)對第1分段分析可知，方案1放出礦量約為40%，方案2約為50%，方案3約為60%，方案1留下5 715 g礦石作為礦石墊層，大于方案2(4 712 g)與方案3(3 751 g)留設(shè)的礦石墊層；第1分段的放出礦量主要取決于后排爆破的需要，通過現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)的確認(rèn)，在保證后排爆破補(bǔ)償空間需要的前提下，放出礦量的40%為最優(yōu)。停止出礦時(shí)方案3放出廢石量偏多，當(dāng)次貧化率高達(dá)63%，遠(yuǎn)大于方案1(25%)與方案2(43%)，且高于當(dāng)次截止貧化率(60.95%)，由于放出廢石過多，導(dǎo)致覆蓋層下降較快，礦巖接觸面起伏較大，不利于后續(xù)分段出礦和控制損失貧化。

綜合考慮各放礦指標(biāo)以及覆蓋層厚度的情況，最終優(yōu)選出方案1為最優(yōu)方案。方案1能最大限度地降低礦石貧化，減少礦巖混雜，緩解覆蓋層厚度不足的問題。此次放礦模擬試驗(yàn)，除第1分段放出礦量占崩礦量的百分比不同之外，其余礦巖物理力學(xué)性質(zhì)和放礦步驟都相同，故試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果具有可比性。

4 礦石損失貧化與放出礦量的變化規(guī)律

根據(jù)方案1中第2分段4#進(jìn)路礦石當(dāng)次品位、當(dāng)次貧化率隨放出礦量的變化情況，制作了相應(yīng)的散點(diǎn)圖，見圖5?？梢钥闯?，礦石當(dāng)次品位隨著放出礦量的增加而降低，其變化趨勢大體可以分為三個階段：第一階段為放礦初始階段，由于放出的為純礦石，當(dāng)次品位沒有發(fā)生變化，保持穩(wěn)定；第二階段為廢石混入階段，隨著正面和頂部廢石的混入，礦石當(dāng)次品位逐漸降低；第三階段為放礦結(jié)束階段，隨著廢石的大量混入，當(dāng)次品位開始快速下降，直至當(dāng)次截止品位，放礦結(jié)束。

圖5 第2分段4#進(jìn)路礦石當(dāng)次品位、當(dāng)次貧化率變化情況 Fig.5 Variation of current grade and current depletion rate of ore in the second section 4# approach

試驗(yàn)中廢石顆粒平均粒徑大于礦石顆粒平均粒徑，當(dāng)放出礦巖內(nèi)廢石占比較大時(shí)，進(jìn)路口眉線處礦巖下降不規(guī)律也將導(dǎo)致礦石波動變化顯著。從圖5中可知，放出礦量為34%時(shí)，開始出現(xiàn)貧化，當(dāng)次貧化率呈非線性增加。對第2分段4#進(jìn)路擬合分析，礦石當(dāng)次品位、當(dāng)次貧化率均呈非線性相關(guān)，擬合公式如下：

C=-0.0006X2+0.0161X+2.6807

(1)

ρ=0.0221X2-0.5884X+2.1636

(2)

式中：C—礦石當(dāng)次品位，g/t；ρ—當(dāng)次貧化率，%；X—放出礦量，%。

兩者的礦石當(dāng)次品位、當(dāng)次貧化率擬合顯著性指標(biāo)P值如表3所示，表3反映了平方和的數(shù)字特征，當(dāng)α=0.05時(shí)，F(xiàn)=190.71765>F0.95(2，22)=3.44，或P值小于0.05，相關(guān)系數(shù)R2非常接近1，說明其擬合效果顯著。

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Regression model analysis of variance table

從如上的擬合關(guān)系曲線中，在已知礦山地質(zhì)品位情況下，任意確定一個指標(biāo)，便可獲得與之相對應(yīng)的其它生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)。若將試驗(yàn)設(shè)計(jì)的放礦截止品位1.07 g/t代入公式(1)計(jì)算得到放出礦量約為67%，即放出礦石量3 107 g，再將其結(jié)果代入公式(2)計(jì)算得出當(dāng)次貧化率為62%。因此，建議礦山第2分段截止放礦時(shí)當(dāng)次貧化率控制在60%～65%，放出礦量控制在65%～70%，當(dāng)次截止品位為0.87～1.19 g/t，可有效地減少廢石混入，降低礦石貧化率。結(jié)合放出礦量與當(dāng)次礦石品位、當(dāng)次貧化率的擬合關(guān)系式，提出了對放出礦量進(jìn)行相應(yīng)的量化控制，從而有效地降低礦石損失貧化指標(biāo)，對實(shí)施現(xiàn)場出礦管理有重要意義。

5 現(xiàn)場控制方法

基于室內(nèi)試驗(yàn)得出的覆蓋層下放礦結(jié)論，提出現(xiàn)場量化控制方法。V5、V5-1礦體位于露天坑底北部，礦體之間存在大量礦化體，為有效降低礦石損失率及貧化率，1 518 m分段、1 509 m分段上部為崩落露天上盤邊坡形成的覆蓋層，由于覆蓋層厚度不均勻，塊度差異大，放出量控制在崩礦量的30%～40%。其下分段采用截止品位放礦的方法，可減少下部分段出礦時(shí)廢石混入，從而降低礦石貧化率。研究成果在1 518、1 509、1 500 m等分段得到實(shí)踐應(yīng)用，其現(xiàn)場控制放礦收到了良好的效果。

每條進(jìn)路安裝出礦移動監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控采場出礦，并在出礦過程中及時(shí)核對出礦量數(shù)據(jù)，嚴(yán)格按照計(jì)算的放出礦量控制出礦，嚴(yán)格按爆破量與出礦量核對實(shí)施，控制超量出礦；定期取樣化驗(yàn)，做到品位與礦量相結(jié)合，提高其礦石回收率。每次爆破崩礦步距后嚴(yán)格根據(jù)崩礦量及計(jì)劃按比例進(jìn)行出礦。達(dá)到試驗(yàn)方案1設(shè)計(jì)要求時(shí)應(yīng)立即停止出礦，隨后進(jìn)行下一次爆破及出礦，以減少礦石的損失貧化。同一采場各條進(jìn)路及相鄰采場進(jìn)路應(yīng)分次均衡出礦，確保礦石界面持續(xù)均勻下降。各條進(jìn)路的出礦量、品位須有專人進(jìn)行監(jiān)督、統(tǒng)計(jì)和管理，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整出礦量和出礦順序。

6 結(jié)論

1)按照1∶50的比例對長安金礦1 509～1 480 m分段進(jìn)行覆巖下多分段放礦試驗(yàn)，結(jié)果表明：方案1的視在回收率和回貧差均大于方案2；其留下的礦巖墊層厚度最大，且廢石混入率、礦石貧化率與方案2和方案3接近，通過數(shù)據(jù)對比分析得出方案1為最優(yōu)方案。

2)按照方案1得出的結(jié)論，首采分段按每次爆破后出40%的礦量，其余礦石留作礦石墊層在下部分段回收，有利于保持礦巖界面均勻下降，有效緩解覆蓋層厚度不足的問題。

3)分析方案1第2分段4#進(jìn)路可知，截止放礦時(shí)當(dāng)次貧化率控制在60%～65%，放出礦量控制在65%～70%，當(dāng)次截止品位在0.87～1.19 g/t，能夠有效地降低礦石貧化率。根據(jù)當(dāng)次品位與當(dāng)次貧化率隨放出礦量之間的擬合關(guān)系式，提出了對放出礦量進(jìn)行相應(yīng)的量化控制從而有效地降低礦石損失貧化，將其運(yùn)用于長安金礦1 518、1 509、1 500 m等分段，取得良好效果。