基于爆堆礦巖比例測定其出礦品位的試驗研究

武拴軍，朱 強，范永亮，張志貴，陳星明，鐘 敏

(1.金川集團有限公司龍首礦，甘肅 金昌 737100；2.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010)

無底柱分段崩落法放礦控制與管理特別是低貧化放礦和截止品位放礦的關鍵在于及時、準確控制出礦工作面的礦石品位。礦山在生產中，傳統方法常用化學分析法和經驗推斷預測法進行出礦品位的測定。其中，化學分析法周期長，對試驗或生產不能起到及時的指導作用；經驗推斷預測法雖然直觀、簡單、易行，但此法主要依靠人的主觀分析，準確性較差[1-6]。因此，尋求一種高效、安全、準確、簡單、實時的品位計算方法是擺在每位工程技術人員面前的課題，應引起重視加以解決。

1 爆堆礦巖比例測定出礦品位的原理及方法

爆堆礦巖比例測定出礦品位的原理是利用礦巖表面顏色不同區分出礦石與廢石，從而確定廢石混入率，并計算其當時的出礦品位。此方法首先需建立廢石混入率與出礦品位的關系。

根據《現代采礦手冊》[7]廢石混入率即為廢石重量與礦巖重量的比值，見式(1)。

(1)

式中：P—廢石混入率，%；R—采出礦石中的廢石混入量，t；T—采出的礦巖總量，t；αd—開采礦塊平均地質品位，%；α—采出礦石的平均品位，%；αw—圍巖中有用組分的平均含量，%。

放礦學中，松散礦巖塊度組成的測定方法之一為平面照相法，通過測定各級礦巖塊的水平投影面積與總面積的百分比關系得出其塊度組成[8]。利用此法思路，可測定出礦巖顏色差異較大的爆堆中礦巖面積大小。忽略礦巖厚度，即可根據面積、體重與重量的關系，計算出式(1)中廢石混入率的大小。

(2)

式中：P重量比—重量比計算出的廢石混入率，%；S廢—圈定的廢石總面積；S礦—圈定的礦石總面積；ρ廢—廢石的體重；ρ礦—礦石的體重。

礦石貧化率計算方法[2]如下：

(3)

式中：r—礦石貧化率，%。

若圍巖中不存在有用組分，廢石混入率可等于礦石貧化率，則可利用式(1)及式(3)計算出礦石的出礦品位與廢石混入率的關系，見式(4)。

α=αd×(1-P)

(4)

由式(4)可知，礦石的出礦品位與廢石混入率成線性關系，即可直接通過廢石混入率來計算出礦品位，從而實現利用爆堆礦巖比例測定其廢石混入率，計算其出礦品位。

2 爆堆礦巖比例測定甘肅某鎳礦出礦品位

2.1 甘肅某鎳礦概況

甘肅某鎳礦的地質平均品位為0.60%，屬于貧礦資源。由于受經濟等因素的影響，擬將原下向膠結充填法變更為無底柱分段崩落采礦法，以實現降低開采成本的目的。目前礦山正處于無底分段崩落法現場試驗階段。礦山采用“組合放礦”模式回收礦石，即依據不同的礦石回收條件，采用總量控制、低貧化以及截止品位等幾種放礦方式的組合。該放礦模式需嚴格控制其礦石品位，才能達到最佳的礦石回收效果，故現場能及時、準確地測定出礦品位顯得尤為關鍵。

礦山覆巖為膠結充填體，不存在有用組分，表面呈現灰白色；礦石表面呈現深黑色、黑褐色。礦巖顏色分明，滿足利用爆堆礦巖比例測定其出礦品位的前提條件。

2.2 礦巖比例測定方法的選擇

為獲取現場廢石混入率數據，借助平面照相法對其礦巖比例進行分析。目前平面照相法后續圖像處理一般采用兩種方法，其一為人工數據圈定，其二為計算機圖像處理。本文選用人工CAD面積圈定法和ArcGIS測定法兩種方法對圖像進行處理分析。

人工CAD面積圈定法是平面照相法拍攝的照片按比例不失真地放置于CAD界面，經過技術人員按礦巖顏色差異進行礦巖輪廓人工圈定，進而統計其礦巖面積。ArcGIS測定法用ArcGIS空間數據的重分類對圖像進行二值化處理，通過礦巖顏色差異采用固定閾值的變換方法將其變成二值圖像，再根據面積統計區分出礦巖比例。

為了驗證兩種方法的可行性及準確度，進行了以下試驗：在5%、10%、15%和20%四種不同廢石混入率的情況下配制爆堆礦石，礦巖攪拌靜置1 d后放出礦巖，利用人工CAD面積圈定法(見圖1)和ArcGIS測定法(見圖2)兩種方案重新統計其廢石混入率，分析與設定廢石混入率的差異。

(a)廢石混入率5% (b)廢石混入率10% (c)廢石混入率15% (d)廢石混入率20%圖1 利用人工CAD面積圈定法對放出礦巖進行面積圈定Fig.1 Area delineation of released ore by artificial CAD area circle method

考慮到實際膠結充填體在潮濕狀態下的顏色會變深，可能會影響人眼或計算機的識別準確性，故試驗模擬了干燥及潮濕兩種狀態下的放礦過程。經測定，其干燥試驗狀態下，礦石平均密度為2.50 g/cm3，廢石平均密度為1.70 g/cm3。由于礦石及膠結充填體存在一定吸水性，在潮濕試驗狀態下礦石平均密度為2.69 g/cm3，廢石平均密度為2.14 g/cm3。

(a)廢石混入率5% (b)廢石混入率10% (c)廢石混入率15% (d)廢石混入率20%圖2 利用ArcGIS測定法對放出礦巖進行面積圈定Fig.2 Area delineation of the released ore based on the ArcGIS method

Table 1 The waste rock mixing rate and its deviation value in two conditions using Equation (2) /%

由表1可知：對于干燥礦巖，采用人工CAD面積圈定法與ArcGIS測定法統計計算的廢石混入率與設定值偏差在4%～7%，且能準確反映出廢石混入率增加的趨勢，故兩種方法均為可用的測定方法。對于潮濕狀態的崩落礦巖，人工CAD面積圈定法與ArcGIS測定法仍具有較高的識別精度，計算廢石混入率的偏差范圍與干燥狀態基本相當，證明礦巖在潮濕狀態下兩種測定方法均可使用。

就人工CAD面積圈定法與ArcGIS測定法進行比較，兩種方法的測定精度基本相當，前者的處理數據的效率比后者約慢十倍，且工作量大，后者受照片質量影響較大，但后者具有快速、方便、省時、省力等突出優點，故優先推薦ArcGIS測定法進行爆堆礦巖比例的測定。

2.3 測定方法優化

ArcGIS測定法計算其爆堆礦巖比例是可行且較優的，但式(2)考慮了礦巖的體重問題，使得現場操作較為不便，故需對其方法進一步優化。

關于廢石混入率的計算，一般認為廢石占爆堆的面積比與體積比基本相當；甚至認為式(5)面積比可以等同于式(2)重量比，為此本文針對此問題進行了進一步分析。

(5)

式中：P面積比—面積比計算出的廢石混入率，%；S廢—圈定的廢石總面積；S礦—圈定的礦石總面積。

表2 利用ArcGIS測定法進行面積比計算廢石混入率及其偏差值

由表2可知：

1)甘肅某鎳礦利用面積比計算出的廢石混入率與實際值存在較大的偏差。利用面積比來代替重量比，對礦巖體重相差不大的礦山可近似使用，對礦巖體重差異較大的礦山不適用。試驗證明這種近似的做法不具有通用性，準確性較差。

2)干燥情況下其偏差率均值在37.03%左右，潮濕情況下其偏差率均值在27.88%左右。分析認為干燥及潮濕兩種狀態下其偏差值存在一定差異，主要由于礦巖的吸水性能不同，使得礦巖體重差值發生一定的變化。礦石的吸水性遠小于廢石的吸水性，使得干燥狀態下的偏差率高于潮濕狀態下的偏差率。故處于不同含水率下的礦石其偏差值也不盡相同。

3)干燥與潮濕狀態下，利用面積比計算出的廢石混入率與實際值差值較大，但其偏差率變化較小。故礦山在現場運用時，可對面積比計算出的廢石混入率進行修正，即可近似計算出實際廢石混入率，而無需再考慮礦巖的體重問題。

經分析，對式(5)進行修正：

(6)

式中：P—實際廢石混入率，%；β—偏差率均值，%。

將干燥及潮濕兩種狀態下的偏差率均值代入式(6)，得出根據面積比計算出的廢石混入率。

表3 ArcGIS測定法測得的面積比進行修正計算的廢石混入率及其偏差值

圖3 ArcGIS分析法修正后的廢石混入率與設定廢石混入率變化圖Fig.3 Change of waste rock mixing rate and set waste rock mixing rate after ArcGIS analysis

從表3及圖3中可以看出：修正后的廢石混入率與設定廢石混入率偏差率均值在4%～7%，偏差率誤差基本在可接受范圍內，此方法是可行的。

根據甘肅某鎳礦礦巖特性及其平均品位Ni為0.6%，代入式(4)，即可得出其出礦品位計算式(6)。

現場試驗時，可直接進行面積比計算出廢石混入率，利用公式進行修正，從而計算其出礦品位。不同含水狀態下，其修正偏差率值也不盡相同，故修正系數需根據礦山實際情況進行調整。

3 結語及展望

依據甘肅某鎳礦的礦巖特性，利用平面照相法分析其爆堆礦巖比例，人工CAD面積圈定法和ArcGIS測定法兩種方法均是可行的，優先推薦使用ArcGIS測定法。為便于現場操作，進一步對ArcGIS測定法進行優化，對其面積比進行修正，使得直接利用面積比計算出實際廢石混入率，并計算出甘肅某鎳礦的出礦品位。

值得注意的是，試驗數據采集是有限的，現場實際含水情況對其偏差系數有一定的影響，故礦山現場試驗甚至推廣至其他礦山時，還需結合礦山實際對其偏差系數進行修正，力求經驗公式的準確性，從而真正起到出礦品位的計算和指導礦山生產的作用。