鎮沅金礦無底柱分段崩落采礦法采場結構參數的確定

摘要：

鎮沅金礦設計采用無底柱分段崩落采礦法進行開采，為了提高礦石回收率，降低采礦損失率與礦石貧化率，保證礦山實現安全、高效、低成本回采，分別進行了單體模型放礦試驗、平面模型放礦驗證試驗和交叉進路放礦模擬試驗，以確定采場結構參數。按照單體模型放礦試驗確定的采場結構參數，進行平面模型放礦驗證試驗，確定礦石回收率、礦石貧化率和采礦損失率等指標。為了獲得較好的礦石回收指標，進行了交叉進路放礦模擬試驗，根據試驗結果，在礦石貧化率25 %的條件下，礦石回收率可達74.88 %～87.98 %。最終確定采場結構參數為分段高度×進路間距×崩礦步距=10 m×10 m×3.9 m，模擬結果可為現場工業試驗提供技術支撐與依據。

關鍵詞：無底柱分段崩落采礦法;采場結構參數;放礦試驗;礦石回收率;礦石貧化率

中圖分類號：TD853.36文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2022）05-0037-06doi：10.11792/hj20220507

引 言

在急傾斜中厚礦體的開采中，無底柱分段崩落采礦法是一種應用較廣的高效采礦方法[1]，而采用無底柱分段崩落采礦法時，分段高度、進路間距和崩礦步距是3個重要的采場結構參數[2]，這3個參數相互作用、相互影響，共同決定著無底柱分段崩落采礦法的采礦損失率和礦石貧化率。無底柱分段崩落采礦法的回采參數可通過室內試驗確定[3]。

云南黃金有限責任公司鎮沅分公司（下稱“鎮沅金礦”）位于云南省鎮沅彝族、哈尼族、拉祜族自治縣和平鎮老王寨。鎮沅金礦北西自丫口街，南東至庫獨木大寨，北東、南西分別以F3斷裂和九甲斷裂（F9）為界，長12 km，寬2.0～3.3 km，面積約35 km2;由浪泥塘、冬瓜林、老王寨、搭橋箐、庫獨木等5個礦段組成。目前，鎮沅金礦主要開采范圍為老王寨礦段的1 633 m、1 593 m中段和冬瓜林礦段的1 633 m、1 593 m中段，設計生產能力66 萬t/a，年產金1 800 kg。礦體厚度薄—中厚，一般為3～20 m，形態多變。鎮沅金礦對厚度大于 6 m的礦體主要采用無底柱分段崩落采礦法開采。本文根據鎮沅金礦礦體開采技術條件，確定進行單體模型放礦試驗、平面模型放礦驗證試驗和交叉進路放礦模擬試驗。通過不同的室內試驗確定最優的采場結構參數，進而降低采場的采礦損失率和礦石貧化率，以保證礦山實現安全、高效、經濟回采的目的[4]。

1 工程概況

鎮沅金礦老王寨礦段1 593 m中段8勘探線—16勘探線Ⅱ號礦體，由于破碎帶由不同的巖塊和角礫構成，礦體在不同的部位容礦巖石及圍巖存在差異。礦體自南東向北西分布，傾向南東，傾角50°～70°。礦體的形態總體呈藕節狀，形狀及產狀變化主要受構造影響，與容礦構造的斷面結構相對應，Ⅱ號礦體群礦石類型以硅質絹云板巖型和變質石英砂巖型為主。該區域礦體的整體穩定性較差，礦體上盤圍巖為深灰色含碳鈣質板巖，下盤圍巖以含碳鈣質板巖和變質雜砂巖為主，上、下盤圍巖片理發育，破碎松軟，穩定性差。礦體在8勘探線—16勘探線自南東向北西延伸約80 m，平均厚度10 m，金平均品位3.44 g/t，平均傾角約65°。通過對開采技術條件進行分析，確定采用沿走向布置的無底柱分段崩落采礦法開采，現需對其回采參數進行研究，并確定最優的采場結構參數[5]。

2 采場結構參數確定試驗

根據鎮沅金礦礦體開采技術條件，選擇進行單體模型放礦試驗、平面模型放礦驗證試驗和交叉進路放礦模擬試驗，以確定最優采場結構參數。

1）單體模型放礦試驗。分別進行礦石和廢石的單體模型放礦試驗，測定各個放出高度條件下的放出質量、放出體積和標志顆粒，再分別計算放出橢球體長半軸、短半軸、偏心率和放礦靜止角等，并按照礦石流動特性來確定分段高度、進路間距和崩礦步距等基本參數。

2）平面模型放礦驗證試驗。按照單體模型放礦試驗確定的分段高度、進路間距和崩礦步距等基本參數，進行這些參數的平面模型放礦驗證試驗。將每次放出的物料稱量、分選，確定放礦試驗的礦石回收率、礦石貧化率和采礦損失率等指標。

3）交叉進路放礦模擬試驗。按照沿走向布置回采進路方式，先期進行平面模型放礦驗證試驗，然后再垂直走向布置穿脈工程，回收下盤殘留礦石，最終確定采場的采礦損失貧化指標。

2.1 單體模型放礦試驗

2.1.1 試驗方法

分別對礦石和廢石進行單體模型放礦試驗。該試驗可定量了解放出橢球體的發育情況，得到每一物料放出高度與偏心率的變化規律。同時，可觀察礦巖物料的流動特性和力學相似性，即放出漏斗和放礦靜止角等參數。

單體模型放礦試驗是在單體模型上進行的。將配制好的礦樣物料裝入模型，每裝5 cm高后布置1層固定編號的標志顆粒，同時在模型前壁（透明有機玻璃板）處撒上1條白灰線。標志層中的顆粒按預計的流動范圍和流軸位置規則排列。模型內裝料高度為65 cm，共裝10層標志顆粒。試驗開始放出物料時，要不斷地記錄放出量及標志顆粒的號碼次序，填寫在設計標志顆粒排列圖上，進而描繪出放出體的平面及縱剖面斷面圖，然后根據所制成的圖形得到放出體的各項參數。

2.1.2 試驗結果及分析

1）端部放礦放出體發育情況。通過對端部放礦放出礦石單體模型試驗的觀察與結果分析可以看出，端部放礦放出體發育可分為3個階段（如圖1所示）：

①第一階段為放出體發育初期階段。由于在放礦進路全寬均勻出礦，其放出體下部粗大、上部細小，放出體最寬處在放礦進路巷道處，礦石的流動限制在一個拋物拱范圍內，從而使放出體形態形成拋物狀松動拱結構[6]。這時放出高度一般不超過15 cm。

②第二階段為放出體呈近似橢球缺階段。當放礦高度12～16 cm時，松動拱轉化為松動體。隨著放出量的增加，放出體形態逐漸向橢球缺發展，形成近似橢球缺形態。4368E679-9811-4D03-B807-2586755A9846

③第三階段為放出體形成放出漏斗階段。當放出量進一步增加，放礦高度達到60 cm以上時，其放出體上部向礦巖端壁伸展發展，下部幾乎不再發生變化，并以放礦靜止角形成放出漏斗。

2）放出體形態及軸偏角。礦石放出體，可以近似為端壁所截的橢球體，放出體上部與理想橢球體相差不大，下部比理想橢球體要稍小一些。從實測的礦石放出體形態可以看出，放出體的長半軸、短半軸均隨著放出高度的增加而增加，并且基本遵循橢球體的發育模式，如圖2所示。

礦石放出體的流動軸線，由于受礦巖端壁的影響，松散礦石又受到礦壁摩擦作用而使其流動速度下降，使得放出體軸線向前偏斜，其平均偏斜度（也叫軸偏角）為3.67°左右。對于軸偏角，隨著放出體高度的增加，軸偏角有減小的趨勢。由于模型采用透明有機玻璃，軸偏角的試驗數據偏小。

3）放出體偏心率。放出體的偏心率隨放出量和放出高度的變化而變化。偏心率與放出高度之間的關系如圖3所示。由圖3可知，當放出高度超過20 cm 時，偏心率趨于平穩上升。由于各種礦巖散體性質的不同，偏心率穩定上升的過程也有一定的差距，但都呈現出相同的規律。

偏心率是表征放出體形態和大小的主要參數，也表征著物料流動特性。對比分析礦石和廢石的偏心率可知，礦石和廢石的偏心率相差不大，表明它們的散體性質也基本相似。

4）放出量與放出高度。分析放出量與放出高度之間的關系，可以用來初步估計其放出的礦石回收量。礦石單體模型放礦試驗放出量與放出高度的變化關系如圖4所示。由圖4可知：當放出高度較小時，放出量也較小，而且變化曲線也較平坦;隨著放出高度的增加，變化曲線也越陡，放出量也越多。

2.1.3 按礦石放出體形態確定結構參數

1）回采進路的布置形式。回采進路合理位置的選擇，取決于流動帶的形狀及最大限度地回收回采巷道之間礦柱的要求。菱形布置的回采巷道，放礦時廢石出現晚，礦石回收率大，礦石貧化率小，放礦效果好。在生產實踐中，不論采場垂直走向布置還是沿走向布置，一般上下分段的回采進路都呈菱形布置。

2）分段高度。分段高度往往受鑿巖設備鑿巖能力的限制。因此，分段高度大多根據鑿巖設備的鑿巖能力選取。但是，為了取得良好的放礦效果，分段高度應與放出橢球體的大小相適應。在放礦過程中，如果放出高度（此處可視為放出橢球體高）等于放礦層高度，說明上部已采分段的廢石已經混入。如果放礦層高度與回采巷道間距不相適應，放礦層過高將導致放出高度還未達到放礦層高度就發生貧化，使礦石損失增大;當放礦層過低，頂部貧化大，回采巷道之間殘留礦石增加。因此，確定最佳的放礦層高度是非常必要的。根據單體模型放礦試驗結果，確定分段高度為10 m。

3）進路間距。在分段高度確定的條件下，崩落礦石層的形狀與放出橢球體的形狀應相吻合。根據這一原則來確定進路間距，可用式（1）計算：

lh=2b+bh（1）

式中：lh為進路間距（m）;b為放出體短半軸長度（m）;bh為進路寬度（m）。

經計算：lh=10.11 m。

4）崩礦步距和放礦步距。當分段高度和進路間距確定后，主要起調整作用的采場結構參數為崩礦步距和放礦步距。放礦步距的最大值和最小值，可以依據最大放出橢球體的參數確定。其最大值應與放出橢球體短半軸的長度相等，這就避免了廢石過早混入造成的貧化，否則殘留礦堆高，礦石損失大;其最小值等于放出橢球體短半軸長度的一半時，礦堆損失減少，但礦石貧化率加大。因此，實際應用的崩礦步距介于上述最大值和最小值之間。

若無底柱分段崩落采礦法的端壁傾角為90°，最大的放礦步距可用式（2）計算：

lb=h21-ε2（2）

式中：lb為放礦步距（m）;h為放礦高度（m）;ε為放出橢球體的偏心率。

經計算：lb=3.87 m。

5）回采進路斷面的形狀及規格。回采進路的斷面一般有拱形和矩形2種。從放礦的角度考慮，矩形斷面要優于拱形斷面;從巷道的穩定性考慮，拱形斷面要優于矩形斷面。對采場放礦來說，回采進路的寬度是一個非常重要的參數，它直接影響松散礦石的流動。如果回采進路的寬度大，對放礦非常有利，但影響進路的穩固性。反之，回采進路的寬度過小，鏟運機只能在巷道中心裝礦，這樣松散礦石流動中心速度快，礦巖接觸面容易彎曲，礦石過早貧化。在生產實踐中，一般要以巷道的穩定性來考慮回采進路斷面的形狀及規格。因此，建議采用低拱形的斷面規格。

6）端壁傾角。從理論上分析，端壁傾角的大小取決于礦石塊度與廢石塊度的比值[7]。當礦石塊度比廢石塊度大時（二者比值大于1），應采用前傾端壁;當礦石塊度和廢石塊度大小相同時（二者比值等于1），采用垂直端壁;當礦石塊度比廢石塊度小時（二者比值小于1），可以考慮采用后傾端壁[8-9]。綜合各方面因素，且為了保護眉線口，推薦采用前傾端壁，即端壁傾角前傾85°。

7）鏟取方式及鏟取深度。為了有效回收礦石，必須建立合理的鏟取制度。如果固定在回采巷道中央或一側裝礦，流動帶下部寬度減小，廢石很快進入回采巷道，造成礦石過早貧化。同時流動帶寬度小，容易產生堵塞。理想的裝載寬度應和巷道寬度相同。而實際上，裝載機的裝載寬度都比較小。因此，必須規定沿整個巷道寬度按一定的順序輪流鏟取。

理論上的最佳鏟取深度應根據散體力學中的最大主應力理論分析計算。在生產實踐中，由于裝載機或裝運機的實際鏟取深度尚不能達到計算的最佳值。因此，在生產中應盡可能地提高鏟取深度，增大放礦口的有效高度，以便獲得良好的放礦效果。

2.1.4 采場結構參數推薦

綜合上述分析和計算，按照礦石的流動規律和松散礦石的性質，推薦鎮沅金礦無底柱分段崩落采礦法的采場結構參數為：進路采用菱形布置，分段高度10 m，進路間距10～11 m，放礦步距3.9 m，進路斷面形狀規格為低拱形，端壁傾角前傾85°。4368E679-9811-4D03-B807-2586755A9846

2.2 平面模型放礦驗證試驗

合理的采場結構參數，就是分段高度、進路間距、崩礦步距的最佳配合，不能離開其中任意2個參數而孤立地去討論另一個參數的最佳問題。同時，需要用平面模型放礦驗證試驗來驗證所選采場結構參數的正確性和合理性，并得到相應放礦模擬試驗的采礦損失貧化指標。因此，平面模型放礦驗證試驗根據單體模型放礦試驗確定的采場結構參數進行驗證，即采用分段高度×進路間距×崩礦步距=10 m×10 m×3.9 m的采場結構參數。

2.2.1 模型設計

結合沿走向布置采場的實際情況，模型設計的相似模擬比CJ=50，礦體水平厚度為10 m，分段高度為10 m;共布置4個分段，每個分段在礦體下盤布置1條 回采進路。平面模型放礦驗證試驗采用的模型及參數設計如圖5所示。在平面模型放礦驗證試驗中，設計礦體傾角分別為70°、60°、55°、50°。

2.2.2 試驗結果及分析

由平面模型放礦驗證試驗結果可知，礦石貧化率為0時，礦石回收率達43.58 %～59.78 %，礦石回收率較高，說明單體模型放礦試驗選取的采場結構參數是合理的。同時，隨礦石貧化率增大，礦石回收率也逐步增高，但其增幅越來越小。當礦石貧化率達到25 %時，礦石回收率僅為61.87 %～81.14 %，這說明沿走向布置進路的無底柱分段崩落采礦法的礦石永久性損失比較多。從平面模型放礦驗證試驗終了狀況也可以看出，由于礦體傾角小于放礦靜止角，致使礦體下盤會有一定量的礦石永久性損失，并且礦體傾角越緩，下盤殘留礦石越多，礦石回收率也就越低（如圖6、圖7所示）。

2.3 交叉進路放礦模擬試驗

通過平面模型放礦驗證試驗可以看出，礦體傾角小于放礦靜止角，致使礦體下盤有殘留礦石損失。為了提高礦石回收率，進行了交叉進路放礦模擬試驗。

交叉進路放礦模擬試驗是在平面模型放礦驗證試驗的基礎上進行的。模型設計仍采用10 m×10 m×3.9 m的采場結構參數，相似模擬比CJ=50，礦體水平厚度為10 m，分段高度為10 m;共布置4個分段，每個分段礦體下盤沿走向布置1條回采進路的同時，再在垂直走向交叉布置1個放礦口;分別進行60°、55°、50° 3種礦體傾角試驗。

先按照平面模型放礦驗證試驗使該分段沿走向進路放礦，達到截止品位后停止，然后從垂直走向交叉布置的放礦口進行放礦，直到達到截止品位。依此類推，直到放完所有的出礦進路，一次試驗結束。

交叉進路放礦模擬試驗礦石回收率結果如表1所示，試驗實況如圖8所示。

由表1和圖8可知：沿走向進路放礦截止后，再進行垂直走向交叉布置放礦口放礦，當礦體傾角為50°～60°時，礦石回收率可增加5.97～8.17百分點，即增加到51.75 %～60.82 %;礦石貧化率25 %時的礦石回收率可增加9.18～13.01百分點，即增加到74.88 %～87.98 %。

垂直走向放礦口放礦時的礦石回收率如表2所示;交叉進路放礦模擬試驗與平面模型放礦驗證試驗的礦石回收率對比曲線如圖9所示。

通過進行無底柱分段崩落采礦法室內放礦試驗，在測試相關礦巖物理力學性質的基礎上，采用單體模型放礦試驗，測定各個放出高度條件下的放出橢球體長半軸、短半軸、偏心率和放礦靜止角等，并按照礦石流動特性和放出橢球體的形態來確定分段高度、進路間距和崩礦步距等基本參數。然后按照單體模型放礦試驗確定的采場結構參數，進行平面模型放礦驗證試驗，確定礦石回收率、礦石貧化率和采礦損失率等指標。同時，為了獲得較好的礦石回收指標，還進行了交叉進路放礦模擬試驗。根據試驗結果，鎮沅金礦無底柱分段崩落采礦法采用分段高度×進路間距×崩礦步距=10 m×10 m×3.9 m的采場結構參數是合理和可行的，采用交叉進路放礦時能獲得較高的礦石回收率。

3 結 論

1）利用單體模型放礦試驗，測定出各個基本參數;然后按照單體模型放礦試驗所確定的采場結構參數，進行平面模型放礦驗證試驗，確定礦石回收率、礦石貧化率和采礦損失率等指標。

2）為了獲得較好的礦石回收指標，進行了交叉進路放礦模擬試驗，根據模擬試驗結果，在礦石貧化率25 %的條件下，礦石回收率可達到74.88 %～87.98 %。試驗結果為現場工業試驗下盤殘礦回收提供了技術支撐與依據。

[參 考 文 獻]

[1] 張文官，馮凱.蘇尼特金礦無底柱分段崩落采礦法的優化及應用[J].黃金，2021，42（10）：54-58.

[2] 李楠，常帥，常貫峰，等.無底柱分段崩落法回采參數優化[J].礦業研究與開發，2019，39（5）：1-5.

[3] 王友新，周宗紅，楊安國，等.無底柱分段崩落采礦法采場結構參數研究[J].黃金，2015，36（6）：29-32.

[4] 劉娜，任鳳玉，何榮興，等.無底柱分段崩落法損失貧化細部控制方法研究[J].金屬礦山，2016（11）：10-15.

[5] 陳清運，徐學軍，左宇軍，等.粉狀礦體無底柱分段崩落采礦法大結構參數研究[J].黃金，2010，31（4）：23-27.

[6] 陳烈，陳星明，袁僑坤，等.某礦無底柱分段崩落法的不同結構參數放礦試驗[J].礦業研究與開發，2019，39（8）：1-5.

[7] 宋超.邊孔角對無底柱分段崩落法放礦效果的影響[D].鞍山：遼寧科技大學，2019.

[8] 譚寶會，張志貴.某鐵礦無底柱分段崩落法礦石回采方式優化研究[J].金屬礦山，2013（11）：21-24，28.

[9] 董鑫，鄧紅衛.夏甸金礦無底柱分段崩落法采場參數優化[J].采礦技術，2009，9（3）：4-6，28.

Determination of mining parameters4368E679-9811-4D03-B807-2586755A9846

of pillarless sublevel caving method in Zhenyuan Gold Mine

Jiang Yongheng

（Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.）

Abstract：Zhenyuan Gold Mine was designed to be mined by pillarless sublevel caving method.In order to improve the recovery of ore，reduce the mining loss rate and ore dilution rate and ensure the mine to achieve safe，efficient and low-cost recovery，the monomeric ore discharge model test，planar model ore discharge verification test and cross approach ore discharge simulation test were respectively conducted to determine stope structural parameters.According to the structural parameters determined by the monomeric model ore discharge test，the planar model ore discharge verification test was conducted to determine the indicators of ore recovery rate and ore dilution rate，and mining loss rate.In order to obtain better indicators of ore recovery，a cross approach mining simulation test is carried out，and according to the test results，under the condition that the ore dilution rate is 25 %，the ore recovery rate can reach 74.88 %-87.98 %.The final stope structural parameter is determined：sublevel height×approach spacing×caving step spacing=10 m×10 m×3.9 m.The result can provide technical support and basis for on-site industrial tests.

Keywords：pillarless sublevel caving method;stope structural parameters;ore discharge test;ore recorery rate;ore dilution rate

收稿日期：2021-11-20; 修回日期：2022-02-18

基金項目：中國黃金集團有限公司科研項目（ZJKJ-2017-CK003）

作者簡介：姜永恒（1989—），男，遼寧朝陽人，工程師，碩士，從事金屬礦山采礦技術研究工作;長春市南湖大路6760號，長春黃金研究院有限公司采礦研究所，130012;E-mail：jiangyongheng@126.com4368E679-9811-4D03-B807-2586755A9846