長安金礦低貧損無底柱分段崩落法開采技術研究*

丁文俊，周宗紅，安東亮，侯廷凱,張 鑫，王 蘋

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院,云南 昆明 650093；2.云南德誠礦山設計工程有限公司，云南 昆明 650000；3.云南黃金礦業集團股份有限公司，云南 昆明 650000)

0 引言

無底柱分段崩落法自20世紀中期引進我國以來，由于其回采效率高、采場結構簡單等優點在我國金屬礦山中得到了廣泛應用。在采場結構和崩落礦巖流動規律方面，王友新等[1-5]進行了相關試驗，取得了很大進展。大部分金礦都采用充填采礦法開采，采用無底柱分段崩落法的較少，因此放礦理論研究也較少。目前國內采用無底柱分段崩落法的金礦主要有四方金礦、夏甸金礦、柏杖子金礦等。郭進平等[3]對四方金礦的研究得出，12.5 m分段下的最佳進路間距為14 m，最佳崩礦步距為3.1～3.3 m；周宗紅[6]通過端部放礦實驗得出，夏甸金礦分段高度為7～8 m、進路間距為8 m時，崩礦步距為1.2 m ；周顏軍[7]通過實驗得出，柏杖子金礦分段高度進路間距為15 m、崩礦步距為1.6 m時，礦石的回收效果最好。上述研究成果表明，采場結構參數對礦石損失貧化有直接影響[8]，合理的采場結構參數可達到高回收、低貧化的效果。然而長安金礦在露天轉地下開采過程中，由于采場結構參數選取不合理，導致礦石貧損率偏高，直接影響了礦山的經濟效益；為充分回收礦產資源，減少礦石的損失貧化，隨著1 450 m開拓工程的不斷推進，開展適合礦山現狀的采場結構參數優化研究顯得十分迫切。

在以往研究的基礎上，以長安金礦V5、V5-1復雜難采礦體為工程背景，根據礦體條件和開采方式提出了低貧損分段崩落法的新方案；針對采場結構參數偏小(分段高度7～9 m，進路間距8.33 m)的問題，通過物理相似模型實驗，研究端部半無限邊界條件下放出體形態的變化規律，以獲得分段高度、進路間距和崩礦步距的合理取值，從而確定適合該礦的最優采場結構參數。

1 礦山概況

長安金礦位于云南省金平縣城270°方向，總體地形南高北低，東西兩側高，中部低；礦段中部主要礦體有V5、V5-1，大致呈似層狀、透鏡狀向東北陡傾，礦體產出于F6斷層破碎帶東盤的蝕變巖帶中。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°)，0線局部反傾，傾角25°～85°，平均64°，傾向延伸403 m。V5礦體底板是西亞帶的白云質構造巖和部分東亞帶的砂泥質構造巖，頂板是東亞帶的砂泥質構造巖及少量正長巖(脈)。其他礦體頂底板主要為東亞帶的粉砂質、細砂質碎裂巖，局部為正長巖(脈)，V5礦體和V5-1礦體局部有夾石。

V5、V5-1礦體形態及局部剖面如圖1所示。

(a)2線局部剖面圖

礦山前期為露天開采，2017年11月，長安金礦露天開采結束，轉入地下開采，坑底標高為1 520 m；采用豎井開拓，劃分為1 500、1 450 m等中段。礦體呈薄、中厚、厚-緩傾斜、傾斜、急傾斜產出，礦巖穩固性屬于一般-差。主礦體采用無底柱分段崩落法開采，由于礦體產狀復雜多變，礦巖穩固性差，開采難度大，存在礦石損失貧化率高、生產成本高、安全條件差等突出問題。

2 端部放礦實驗

2.1 散體粒級的確定

基于照相面積法對現場礦石散體粒徑級配進行調查，得出各粒徑礦石級配百分比，按照相似比1∶50進行配比，各粒級質量分數見表1。

表1 各粒級質量分數

2.2 實驗材料制備及模型制作

礦石散體的標志性顆粒制備完成后，將其按一定順序擺放并進行定位(見圖2)。標志性顆粒間距為10 mm，布置在0°、45°、90°、135°、180°方向共5個剖面上。端部放礦模型如圖3所示。

圖2 每層標志性顆粒擺放位置示意圖

圖3 端部放礦模型

2.3 達孔量圖繪制

根據標志性顆粒達孔量數據表，繪制0°～180°剖面1～15層的標志性顆粒達孔量曲線，如圖4-圖7所示(圖中Q表示達孔量，cm3；H表示層高，cm；R表示標志性顆粒距中軸線的距離，cm)。

圖4 0°剖面達孔量圖

圖5 45°剖面達孔量圖

圖6 90°剖面達孔量圖

圖7 180°剖面達孔量圖

根據達孔量圖繪制的礦石放出體形態如圖8所示。

(a)0°～180°

2.4 實驗結果分析

根據隨機介質理論[9]，端部放出體曲面方程為

(1)

式中：ω=(α+α1)/2，H為放出體高度；α、β為垂直進路方向的散體流動參數；α1、β1為沿進路方向的散體流動參數；k為壁面影響系數。

將圖8的放出體形態用Matlab進行非線性回歸擬合，得到礦石散體流動參數值：

α=1.916 6，β=0.408 9，

α1=1.072 4，β1=0.465 8，k=0.02。

分析實驗結果可知，放出體的最大寬度在上半部分而不是中間，且放出體形態上下并不對稱，為類橢球體而非標準的橢球體。α>1/ln2=1.442 6，放出體上寬下窄；α=1/ln2，放出體中部最寬；α<1/ln2，放出體上窄下寬。由圖8的擬合結果可知：α=1.916 6>1/ln2，放出體上寬下窄，與實驗結果吻合。

3 采場結構參數的確定

3.1 分段高度優化

分段高度根據鑿巖設備、礦體賦存條件及礦石損失貧化等因素確定[7]，其主要受鑿巖設備能力的限制。分段高度大，采切工程量相應減小，但分段高度的增加受鑿巖技術、礦體賦存條件以及礦石損失貧化等因素的限制。

長安金礦階段高度為50 m，1 500 m中段以上礦體已經開掘，分段高度為7～9 m。1 500～1 450 m中段采用YGZ-90導軌式接桿鑿巖機，一般炮孔深度控制在15～18 m較為合適(分段高度為10～12 m)。由于階段高度為50 m，因而分段高度可選擇的參數有8.33、10.00、12.50 m。

不同分段高度、進路間距的最大孔深為：

a.分段高度×進路間距=8.00 m×8.33 m，最大孔深10.40 m；

b.分段高度×進路間距=10.00 m×8.33 m，最大孔深13.00 m；

c.分段高度×進路間距=10 m×10 m，最大孔深12.74 m；

d.分段高度×進路間距=12.5 m×10.0 m，最大孔深16.9 m；

e.分段高度×進路間距=12.5 m×12.5 m，最大孔深18.39 m。

綜合鑿巖設備、礦體賦存條件和采掘成本、礦石損失貧化情況可知：12.5 m的分段高度偏大，鑿巖困難；分段高度8.33 m與10 m比較，礦石損失率略低，但多1個分段，采切工程量大。通過多分段實驗可以發現，第一分段崩落的礦石回收率偏低，須在第二分段轉段回收，至第三分段才能充分回收，因此需要布置3個以上分段才能滿足低損失率的要求[10]。綜合分析，1 500～1 450 m中段的分段高度取10 m。

3.2 進路間距優化

對礦石散體流動區域[2]進行分析，可以得到不同放礦方式的進路間距計算公式：

(2)

式中：H為分段高度；b為放礦口寬度；μ為調整系數，與廢石漏斗在進路頂板的出露密度有關(采用無貧化放礦方式時，μ=0；采用截止品位放礦方式時，μ=0.75；采用低貧化放礦方式時，μ=0.40)；α1=1.072 4；β1=0.465 8。

將測得的礦石散體流動參數(α1=1.072 4，β1=0.465 8)以及采場結構參數(H=10 m，b=2.6 m)代入式(2)，得

(3)

不同放礦方式的進路間距見表2。

表2 不同放礦方式的進路間距

當分段高度確定后，根據端部放礦實驗得到長安金礦不同放礦方式的進路間距，按照使其損失貧化率最低的原則來確定進路間距。考慮到散體流動特性和回采進路穩定性，上下分段回采進路應交錯呈菱形布置，使下分段盡量回收上分段回采巷道間的脊部殘留礦石。從損失貧化角度考慮，根據類似礦山經驗[6-7]，沿垂直礦體走向布置回采巷道，采用10 m的進路間距，符合分段高度10 m條件下的放礦要求，以此指導礦山實際生產。圖9為優化后的無底柱分段崩落法采場結構參數示意圖。

圖9 優化后的無底柱分段崩落法

3.3 崩礦步距優化

根據放礦原理，放礦步距范圍可根據放出體沿進路方向短軸長度來確定[11-13]。根據相似實驗繪出的放出體形態，沿進路方向不同高度的放出體短半軸長度見表3。

表3 沿進路方向不同高度的放出體短半軸長度

根據放出體形態可知，放出體最大水平寬度是分段高度的2倍時為最優崩礦步距。由表3可知，高度40 cm時放礦步距為4.69 cm，按照放礦模型比例可得出礦山實際尺寸為2.35 m。本次實驗測得長安金礦的松散系數為1.6，可得出崩礦步距為1.47 m；考慮到礦山的實際情況，采用1.5 m的崩礦步距較為合理。

4 低貧損分段崩落法新方案

有研究表明，采場結構和放礦方式是無底柱分段崩落法礦石損失貧化的主要影響因素，對崩落礦巖移動規律的影響也很大[6]。在優化后的無底柱分段崩落法基礎上，根據長安金礦V5、V5-1主礦體開采技術條件，該區域上部為露天坑底、上盤和端部邊坡，在露天轉地下開采過渡期內不能采用崩落邊坡圍巖形成正常的覆蓋巖層，擬采用“留礦石墊層+誘導冒落+設回收進路+低貧化+截止品位放礦”方案控制礦石的損失貧化。新回采方案示意圖如圖10所示。

圖10 新回采方案示意圖

新方案的技術要點為：

a.留礦石作為覆蓋層(1 518、1 509 m分段以露天坑作為爆破自由面，向邊坡方向退采，炮孔深度盡可能深一些，將邊坡礦石崩落作為覆蓋層)，不僅可以解決無底柱分段崩落法覆蓋層的形成問題，還可以有效降低礦石的損失貧化率，滿足分段崩落法擠壓落礦和安全生產的要求。

b.利用進路回采提供的空間，誘導礦巖冒落形成覆蓋層；降低放頂成本，保證1 490 m分段在礦石覆蓋巖層下出礦。由于礦巖穩固性為一般-差，節理裂隙發育，1 509、1 500 m分段回采后上盤邊坡圍巖逐漸自然冒落形成廢石覆蓋層。在生產過程中應密切關注覆蓋層形成情況，必要時強制崩落，在下部分段逐步回收礦石墊層。留1個分段厚度以上的礦石墊層能夠滿足無底柱分段崩落法安全和擠壓爆破需要，誘導冒落形成厚15～20 m的覆蓋層。

c.1 518～1 500 m分段礦石主要為頂底盤三角礦柱(露天臺階和坑底礦石)，上部沒有覆蓋層，為滿足無底柱分段崩落法需要，建議爆破后出30%左右的礦石，其余礦石留作墊層。

d.開掘下盤圍巖形成回收進路，充分回收殘留于采場下盤的礦量。

e.采用“低貧化放礦+截止品位放礦”組合方式，對下部有回收條件的進路采用低貧化放礦，對沒有回收條件的進路采用截止品位放礦[14]。在礦體厚度小的情況下，盡量形成空場出礦條件，先空后崩，依靠留礦石墊層、減少廢石混入和低貧化放礦來保證礦石品位，依靠設置回收進路和截止品位放礦來控制礦石損失。

5 結論

a.通過對放出體形態進行擬合得到礦石散體流動參數α=1.916 6>l/ln2，放出體上粗下細，與實驗結果一致，說明擬合效果較好。

b.通過端部放礦實驗得到了長安金礦不同放礦方式的進路間距，結合礦山實際情況，最終推薦采用的采場結構參數為：分段高度10 m，進路間距10 m，崩礦步距1.5 m。

c.由“留礦石墊層+誘導冒落+設回收進路的采場結構和截止品位+低貧化放礦”方式改進的無底柱分段崩落法，無論是采場構成要素還是礦石回收方式，與傳統的無底柱分段崩落法相比，都有較大改進。依靠“截止品位+低貧化放礦”方式和與之相適應的采場結構來降低礦石的貧化率，設置回收進路提高礦石回采率，可有效解決長安金礦無底柱分段崩落法開采的礦石損失貧化問題。