鏡鐵山樺樹溝井下礦低貧化放礦技術研究與應用

陳永祺 田宏海 程國華 馬彥平

(酒泉鋼(集團)有限責任公司技術中心，甘肅 嘉峪關 735100)

1 鏡鐵山礦無貧化放礦技術研究概況

鏡鐵山礦樺樹溝鐵礦于1956年勘探，1958年10月開工建設，1970年建成投產。礦區地質儲量4億t，由7個礦體組成，平均品位37.86%(其中V礦體平均地質品位28.63%)，采用無底柱分段崩落采礦方法，開采規模為年產鐵礦石500萬t。樺樹溝鐵礦經過40多a的生產實踐與技術積累，目前已形成了相對穩定的無底柱分段崩落法放礦工藝技術，回采貧化指標處于國內同類礦山先進行列。“十一五”期間綜合回采率指標達到84.63%，貧化率指標達到9.78%，“十二五”期間，綜合回采率指標達到84.32%，貧化率指標達到8.55%。

樺樹溝鐵礦曾在1993—1996年期間，進行了無貧化放礦工業試驗，取得回采率85.18%和貧化率7.64%的理想指標[1]，因無貧化放礦管理難度大，前期投入高等原因未能推廣應用，“十五”和“十一五”期間的貧化率指標一直處于10%的水平。進入“十二五”，鏡鐵山礦加大放礦工藝技術研究力度，將無底柱分段崩落法的放礦工藝技術方向調整為無貧化放礦方向，即在原截止品位放礦的基礎上，研究截止品位向低貧化放礦方式轉化的工藝技術，并進一步研究無貧化放礦的工藝技術。

無貧化放工藝技術實際上是礦巖在理想狀態下放礦，在樺樹溝礦區的工業試驗證明，無貧化放礦工藝技術理論與實際具有較大的差距。巖石的流動性往往好于礦石的流動性，致使放礦過程仍具有較高的貧化現象[2]；缺乏完善的質量監控與管理手段，放礦截止點難于掌握和控制；形成礦石覆蓋層時間較長，工程資金積壓較大，對礦山的生產具有一定的影響。鑒于以上原因，無貧化放礦技術未得到進一步推廣應用。

2 鏡鐵山礦低貧化放礦工藝技術研究

基于鏡鐵山礦無貧化放礦的實踐經驗，如何縮短截止品位放礦向低貧化放礦過渡的轉變時間，大大減少形成覆蓋礦石保護層的工程投入，并研究探索截止品位放礦方式向低貧化、無貧化放礦方式過渡的工藝技術，是鏡鐵山礦不斷努力的目標。經過對放礦基礎理論的深入研究，結合礦山多年放礦管理的豐富經驗，并注重礦巖流動性與覆蓋層殘留礦石利用的研究[3]，提出通過采取模擬放礦和工業試驗相結合的方法，研究與應用無底柱分段崩落法低貧化放礦工藝技術。

2.1 模擬放礦實驗研究

鏡鐵山礦委托西南科技大學制作了無底柱分段崩落法模擬試驗裝置，建成了鏡鐵山礦采礦放礦實驗室，并聯合開展了實驗室模擬放礦實驗工作。

結合礦山現有采礦結構參數，按照1∶100的比例制作了分段高度15 m×進路間距18 m放礦模型，見圖1。

圖1 放礦模型

(1)現有15 m×18 m結構參數下多分段多進路低貧化模擬放礦實驗。針對V礦體低貧化放礦工業試驗的技術方案，通過實驗室模擬放礦驗證其放礦效果。工藝技術方案為第1、第2分段留存部分礦石作為覆蓋層，從第3分段按設計低貧化指標進行控制，實驗過程見圖2～圖7。

圖2 裝料情況

圖3 第1分段放礦結束

圖4 第2分段放礦結束

圖5 第3分段放礦結束

圖6 第4分段放礦結束

圖7 第5分段放礦結束

根據實驗數據進行統計計算，結果見表1。回收率曲線見圖8。

表1 實驗數據統計匯總

圖8 礦石回收率曲線

模擬放礦實驗成果：①模擬實驗結果基本支持V礦體工業試驗方案。模擬實驗礦塊的總回收率為85.36%，與礦山現有的正常實際指標非常接近，這說明V礦體正在進行的低貧化放礦工業試驗所設計和采用的放礦方案能夠保證礦石的正常回收。V礦體按照現行的試驗方案，只要嚴格按照預定的截止出礦指標控制出礦，必要時再適當降低出礦時的巖石混入程度，在回采分段進入正常后是可以實現低于8%的巖石混入率目標的。②通過研究，除第1個放頂分段可以采用松動放礦的方式預留部分礦石作為覆蓋層外，其他分段不應留有過多的礦石做為放礦覆蓋層。③對V礦體低貧化放礦工業試驗方案的改進。根據模擬放礦的結果，對V礦體低貧化放礦工業試驗方案進行適當改進，即第1個分段采用松動放礦方式預留部分礦石作覆蓋層，其他放頂分段全部采用無貧化放礦方案或貧化率較低的低貧化放礦方案，同時盡可能崩落上部圍巖來形成覆蓋層，使礦石覆蓋層損失的風險和數量降至最低。

⑵過渡方式下的低貧化模擬放礦實驗。為在樺樹溝礦區推廣應用低貧化放礦技術，鏡鐵山礦在實驗室進行了現有結構參數15 m×18 m多分段多進路過渡式低貧化放礦模擬實驗，即第1個分段以正常回采的截止放礦巖石混入率30%～40%為覆蓋層條件，第2個分段截止放礦時巖石混入率20%～30%，第3個分段截止放礦時巖石混入率按15%～20%，第4、第5個分段截止放礦時巖石混入率均按10%的放礦條件。實驗統計數據如表2。

表2 低貧化放礦實驗統計數據

模擬放礦實驗成果：①按樺樹溝其他礦體截止放礦條件下，采用過渡方式進行低貧化放礦模擬實驗(立面放礦方式)，取得礦塊綜合回收率87.18%，貧化率15.28%的技術指標，礦石回收率指標較好。②第1分段按30%～40%截止巖石混入率放礦(模擬截止品位放礦覆蓋層條件)，第2分段按20%～30%截止巖石混入率放礦，第3分段按15%～20%截止巖石混入率控制，第4、第5分段按10%截止巖石混入率控制。第2分段綜合放礦取得礦石回收率97%，貧化率18.75%的指標。③第3分段按20%截止巖石混入率放礦時，綜合貧化率指標達到了15.74%，截止放礦時的巖石混入率設計偏高，按15%控制更合理。④第4、第5分段按10%的截止巖石混入率放礦，取得回采率84%左右，貧化率8%的技術指標，說明放礦進入正常分段后，回采貧化指標比較理想。⑤模擬放礦實驗僅僅是模擬樺樹溝礦區由截止品位放礦向低貧化放礦方式過渡的初步探索性研究，而模擬放礦采用了立面放礦的方式，如果按現行樺樹溝礦區平面放礦方式實驗(通過配礦實現礦巖的均勻移動，從而形成平面放礦方式)，將會取得更加理想的放礦效果與技術指標。

2.2 Ⅴ礦體低貧化放礦工業試驗

2.2.1 Ⅴ礦體工業試驗條件與開采現狀

(1)V礦體覆蓋層條件。V礦體14-6線于2001年投入生產，礦體賦存最高標高2 970 m水平，受近地表礦體節理裂隙發肓的影響，2 955 m分段作為放頂水平，開采至2 910 m水平。經過多分段開采，已經形成良好的覆蓋層。

V礦體6-2線于2012年投入生產，礦體賦存最高標高2 980 m水平，受近地表礦體節理裂隙發肓的影響，2 970 m分段和2 955 m分段作為開采放頂水平，約50%的礦石爆破后預留在覆蓋層。從地表沉降溝可以看出，V礦體放頂效果基本良好，但局部存在效果不理想的情況，如切割部位效果差，個別進路覆蓋層形成和保護不理想。

(2)V礦體開采回采率、貧化率現狀。2013年V礦體開采地質品位27.79%，回采率為77.69%，貧化率為10.37%。

2.2.2 V礦體工業試驗方案

(1) 工業試驗地點：V礦體6-2線2 940、2 925和2 910 m水平。2 940 m水平作為第1個試驗水平(截止3月末已基本回采結束，原2 940 m水平以上生產組織方式為40%～50%放礦量，經過2 970 m、 2 955 m和2 940 m分段礦石預留，礦巖覆蓋層基本形成)，2 925 m水平作為第2個試驗水平，2 910 m水平作為第3個試驗水平，處于正常回采放礦水平。

(2)26-40穿為主要研究區域。考慮到6-2線東西兩端礦體較薄，對低貧化放礦技術工業試驗影響較大，因此，在考慮V礦體總體試驗的前提下，還應側重考查26-40穿放礦試驗效果。

(3)工藝技術路線：礦巖覆蓋層建立→放礦方式過渡→指標優化改進→工藝技術標準制定。

礦巖覆蓋層建立。V礦體因其地質品位較低，6-2線投產后即以2 955 m水平以上作為放頂分段， 2 940 m水平以低貧化試驗的方式控制放出礦量40%～50%回采(盡管各進路放礦量和貧化控制有出入，且局部也出現懸頂情況，但總體上控制良好)，礦巖覆蓋層已經形成。截止三月末2 940 m水平以上分段已基本回采結束， 2 940 m水平以上覆蓋層中儲存大約40萬t礦石，將2 940 m水平作為第1個試驗水平比較合理。

放礦方式過渡。截止品位逐步向低貧化放礦方式過渡，2 940 m水平以上已形成基本的覆蓋層，但考慮到大間距結構參數正常放出體高度的需求，在 2 925 m水平繼續控制放出礦石貧化，使2 910 m水平及以下具備良好的覆蓋層條件。

指標優化改進。現場統計分析回采貧化指標變化，結合實驗室模擬放礦驗證或實驗指導，調整放礦指標控制，研究針對V礦體覆蓋層條件下回采與貧化關系，逐步調整尋找穩定合理的放礦技術指標。

工藝技術標準制定。依據工業試驗取得的結果，制定低貧化放礦工藝技術標準，形成鏡鐵山礦放礦技術與成果。

(4)工業試驗步驟。①統計整理V礦體6-2線2 940 m水平以上各分段各放礦單元地質礦量回收、預留情況，詳細摸清放礦覆蓋層狀況，為2 925 m分段工業試驗提供依據。②2 925 m分段工業試驗基本放礦方式，截止放礦時巖石混入率按20%～30%控制，即截止放礦時品位為22%左右。各放礦單元要結合覆蓋層情況，總體控制放礦截止品位為22%以上。③2 910 m分段截止放礦時巖石混入率按10%～15%控制，即截止放礦時品位為23.5%～24.5%，總體控制在24%以上。④用便攜式測量儀精確測定控制掌子面放礦品位。根據儀器到貨時間，研究制定作業面測定品位技術標準(規定幾點測定、平均品位計算及截止放礦時巖石混入率對照表)，進行現場培訓并完善測定方法。正常情況下按放礦前、放礦量1/3、1/2、2/3和終止放礦5個點監測放礦過程圍巖混入情況，每班生產結束前也應檢測1次。⑤統計分析2 925 m、2 910 m分段單元放礦時礦石貧化變化情況，研究確定當貧化率達到8%時截止放礦品位及巖石混入率指標。⑥結合放礦實驗室模擬試驗研究，確定2 925 m、2 910 m水平截止放礦品位及巖石混入率。采取現場工業試驗與實驗室模擬實驗相結合的方法，確定合理的低貧化放礦截止品位與巖石混入率。⑦在工業試驗過程中，重點研究改善爆破效果的技術途徑，以杜絕懸頂控制推排為目標，研究改進炸藥性能提高爆破效果，立項研究提高切割效果的新工藝技術，基本上解決單元爆破效果差的技術難題，為低貧化技術的應用創造條件。⑧在解決放礦突出的技術問題，保證放礦效果的前提下，進一步研究降低貧化、提高回采率的技術及管理措施。⑨工業試驗項目總結，提出樺樹溝各礦體推廣應用的技術方案。

2.2.3 V礦體工業試驗初步成果

(1)依據V礦體低貧化放礦技術方案，在2014年開展了工業試驗工作。截止2014年11月末，掌子面回采率指標累計完成50.09%(受中深孔爆破質量差的影響，推排率高達16%，懸頂率高達5%，嚴重影響回采貧化指標；正常爆破的中深孔，回采率指標均達到75%以上)，貧化率指達到8%。

各月份回采貧化率指標見表3。

表3 V礦體回采貧化指標統計

(2)建立了采場信息檔案，實施精細化放礦管理。在工業試驗過程中，針對采場推排懸頂頻繁嚴重影響放礦的問題，通過認真研究，采取了建立采場回采信息檔案的技術措施，將每一個放礦深孔排面(回采單元)的設計地質礦量、采出礦量、殘留礦量、回采貧化、推排及懸頂情況建立綜合臺帳和圖表，詳細統計登記，以指導下一分段回采放礦技術工作，實施回采放礦的精細化管理。

(3)應用高精度雷管改善了爆破效果。受炸藥質量波動的影響，推排懸頂現象較為普遍，嚴重影響了放礦效果與工業試驗工作。通過聯系民爆公司調整炸藥配方，改善炸藥黏性與爆力，并在重點部位采取了使用奧瑞凱高精度雷管提高爆破質量的措施，從回采情況來看，高精度雷管的應用對改善爆破效果起到了一定的作用。

(4)開展中深孔切割技術研究。針對V礦體切割部位切割效果較差的情況，通過調研國內外切割工藝技術，結合鏡鐵山礦切割工藝成熟技術，提出了采用中深孔一次爆破切割的工藝技術，并申報了國家發明專利。

(5)初步形成了低貧化放礦工藝技術標準。按現有結構參數和爆破工藝技術條件，工業試驗過程中進一步研究完善了爆破操作工藝技術、放礦過程低貧化品位檢測與控制技術、覆蓋層管理技術等標準，為低貧化放礦技術的推廣應用創造了條件。

3 低貧化放礦技術的推廣應用

鏡鐵山礦在低貧化放礦工藝技術研究取得初步成果的基礎上，于2014年下半年開始在樺樹溝井下各礦體推廣應用，取得了理想的放礦效果與顯著的經濟效益。

3.1 樺樹溝礦區推廣應用

通過2014年上半年低貧化放礦模擬實驗及V礦體工業試驗的初步成果，從2014年下半年開始，在樺樹溝井下各礦體推廣應用低貧化放礦工藝技術，總體技術方案為過渡式的放礦方式，即將放礦截止品位逐步提高，達到需求的貧化率指標，但各礦體貧化指標的控制根據覆蓋層情況略有差異。樺樹溝井下鐵礦應用低貧化放礦技術后，在回采率指標基本不變的情況下，貧化率指標呈現逐年降低的趨勢，基本達到了降低貧化率、提高輸出礦品位的目的。

樺樹溝井下鐵礦應用低貧化放礦技術后回采貧化指標的變化見表4。

表4 2013—2016年樺樹溝礦區回采貧化指標

3.2 取得的經濟效益

(1)2014樺樹溝完成采出礦石量452萬t，貧化率較2013年降低2.19個百分點，采出礦石品位提高0.28個百分點，選礦多回收鐵精粉1.74萬t，減少精礦采購成本522萬元，減少鐵路廢石運輸費用262萬元，當年創效784萬元。

(2)2015年樺樹溝鐵礦采出礦石量485萬t，貧化率較2013年降低2.89個百分點，采出礦石品位提高0.96個百分點，多回收鐵精粉6.4萬t，減少精礦采購成本 1 920萬元，減少鐵路廢石運輸費用371萬元，當年創效2 291萬元。

(3)2016年樺樹溝鐵礦采出礦石量480萬t，貧化率達到8.19%，較2013年降低2.51個百分點，采出礦石品位提高0.88個百分點，多回收鐵精粉5.8萬t，減少精礦采購成本1 740萬元，減少鐵路廢石運輸費用319萬元，當年創效2 059萬元。

鏡鐵山礦采用低貧化放礦技術以來，貧化率降低2.5%，累計產生產經濟效益5 134萬元。

4 技術應用存在的主要問題與改進措施

4.1 存在的主要問題

(1)推排懸頂問題嚴重，仍是影響放礦回采貧化指標的重要因素。樺樹溝礦區井下爆破采用人工風動裝藥的工藝，一是受膨化炸藥質量不穩定影響，推排懸頂現象起伏明顯；二是受風動裝藥本身工藝制約，裝藥密度不受控制，往往形成不耦合裝藥造成推排懸頂的嚴重情況。

(2)切割工藝技術問題是樺樹溝礦區突出的技術難題。樺樹溝礦區井下采用切割小井與兩側扇形深孔聯合的切割工藝，受切割小井質量差，不能與小井兩側中深孔合理銜接，造成切割效果比較差，嚴重影響切割部位的回采貧化指標。同時，樺樹溝礦區井下切割部位大部分處于礦體下盤，由于切割巷與落礦中深孔礦體的不合理布置，造成切割部位下盤礦石的較大損失與貧化。

(3)覆蓋層管理方面還沒有完全形成放礦最小單元放出礦量與殘留礦量統一管理與有效利用的有機整體。受外協單位生產管理體制的制約，現場的放礦管理與覆蓋層管控不能與低貧化放礦工藝技術相適應，特別是未取得覆蓋層中殘留礦石對改善放礦效果的有效利用。

4.2 改進技術措施

(1)積極研究引進先進爆破工藝技術，應用井下炸藥混裝車等新工藝技術，解決人工裝藥質量不受控的問題，通過改善爆破質量，提高放礦效果，進一步提高礦石回采率，降低貧化率。

(2)研究與推廣應用切割新工藝技術，通過研究中深孔爆破切割技術，用中深孔替代人工掘鑿切割小井，提高切割質量與切割效率，并通過下盤切割技術的研究，有效降低礦石損失與貧化。

(3)推進精細化放礦管理技術研究，促進回采過程礦石損失貧化的降低。一是加強采場放礦檔案管理，詳細準確掌握覆蓋層狀況，為后續放礦提供技術支撐；二是研究與有效利用覆蓋層殘留礦石，改善覆蓋層條件，進一步提高放礦效果。

5 研究與應用成果

(1)通過模擬放礦試驗，總結出了無底柱分段崩落法由截止品位逐漸過渡至低貧化放礦的工藝技術，在樺樹溝全礦區推廣應用，取得了較好的經濟效益。

(2)初步研究了精細化放礦管理技術，通過采場放礦量控制、殘留礦石分析建檔與下分段回收方案制定實施、平面放礦技術深化應用等綜合措施的實施，有效控制了回采貧化指標。

(3)通過工業試驗，發現了影響回采貧化指標切割工藝存在的突出問題，提出了采用深孔爆破切割的工藝技術，申報了國家發明專利。目前已得到現場試驗與應用，取得了較好的切割效果。

(4)通過粉狀炸藥裝藥工藝技術的研究，申報了返粉接藥裝置的專利技術，提高了爆破質量，對改善放礦效果起到了積極的作用。

(5)通過實驗室放礦模擬實驗，提出了樺樹溝礦區更加合理的各個采場采礦結構參數。

[1] 劉興國,張志貴.無底柱分段崩落法不貧化放礦理論基礎(一)[J].金屬礦山,1995(10):5-9.

Liu Xingguo Zhang Zhigui.Theory basis of ore-drawing without dillution for sublevel caving methool (1)[J].Metal Mine，1995(10):5-9.

[2] 李本錄 張志貴 劉興國.鏡鐵山鐵礦無貧化放礦的試驗研究[J].中國礦業,1998,7(4):19-23.

Li Benlu,Zhang Zhigui,Liu Xingguo.Researches on the ore recovery law in un-dilution drawing test at Jingtieshan Iron Mine[J].China Mining,1998,7(4):19-23.

[3] 劉興國,張志貴.無底柱分段崩落法不貧化放礦理論基礎(二)[J].金屬礦山,1995(12):13-16.

Liu Xingguo,Zhang Zhigui.Theory basis of ore-drawing without dillution for sublevel caving methool (2)[J].Metal Mine，1995(12):13-16.