低品位厚大破碎礦體自然崩落法開采可行性分析

何德強，李永輝，江飛飛

(1.新疆亞克斯資源開發股份有限公司，　新疆 哈密市　839000； 2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙　410012； 3.國家金屬采礦工程技術研究中心，　湖南 長沙　410012)

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低品位厚大破碎礦體自然崩落法開采可行性分析

何德強1，李永輝2,3，江飛飛2,3

(1.新疆亞克斯資源開發股份有限公司，新疆 哈密市839000； 2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙410012； 3.國家金屬采礦工程技術研究中心，湖南 長沙410012)

摘要：針對黃山銅鎳礦30#低品位厚大破碎礦體(530 m以上區域)的特點，以及原設計無底柱分段崩落法無法正常開采的現狀和所面臨的技術難題，在大量前期調查、試驗和現場測試結果的基礎上，對此區域礦體自然崩落法開采的可行性進行了深入的探討和分析，結果表明研究區域適合采用自然崩落法開采，并且是目前開采此區域較為經濟有效的采礦方法。

關鍵詞：低品位厚大破碎礦體；自然崩落法；可行性分析

0引言

自然崩落法是一種借助拉底及削弱工程誘導礦巖體中的應力發生變化，并借助巖體中的節理裂隙的發展而形成裂隙網，然后在自重作用下自然崩落，是一種不依賴鑿巖爆破落礦的高強度低成本的大規模地下采礦方法[1-2]。自然崩落法往往是針對礦塊或盤區進行的，其成功開采實踐受多方面的影響，大體上可分為自然因素和工程因素2大類，其中自然因素主要包括地質因素、礦巖物理力學性質、礦巖結構面發育狀況、地應力大小及分布情況等，工程因素主要為工程布置形式與施工方式等，由于影響自然崩落法開采的因素很多，導致其工程布置具有其特殊性，一旦開采失敗難以轉化為其他類型采礦方法或進行補救，會造成資源的極大浪費和損失，因此為了有效控制風險，在開采實踐之前，必須進行大量的前期可行性論證及研究工作，以降低風險，確保自然崩落法的成功開采實踐。

黃山銅鎳礦30#礦體為低品位厚大礦體，原設計采礦方法為無底柱分段崩落法，但由于其530 m以上區域礦巖結構面較發育，在實際施工過程中巷道易出現變形和垮塌，支護工作量大且支護難度和成本高，給工程進度和井下作業安全造成了嚴重的威脅；另外，由于金屬價格的持續低迷，采用原設計采礦方法難以產生效益，也不利于礦山步入正常的生產軌道。因此，礦山通過與科研院所合作開展聯合攻關，以尋求更加符合安全高效需求的采礦方法，通過多方多次溝通，決定針對30#礦體(530 m以上區域)自然崩落法開采的可行性進行深入研究。

1礦山開采技術條件分析

黃山銅鎳礦為新建礦山，30#礦體賦存在Ⅰ號基性—超基性巖體內，呈隱伏狀產出，其530 m以上區域礦體長240 m，平均厚度43 m，礦體傾角50°～65°，平均傾角61°，個別地段較緩，礦石平均品位為Cu 0.298%、Ni 0.461%，總體上礦體形態變化不大，屬低品位厚大礦體。礦體頂板巖性主要為斜長角閃橄欖巖、輝長蘇長巖，底板巖性為角閃輝長巖、輝長蘇長巖，局部為斜長角閃橄欖巖。礦區地質構造較為簡單，雖然大型構造破碎帶發育較少，但中小型結構面卻較為發育，給地下工程施工帶來了一定的不利影響，這一點在過去幾年的基建工程施工過程得到了很好的印證[3]。

另外，礦區工程地質類型屬堅硬半堅硬為主的非層狀礦床，不良工程地質問題較單一，為工程地質條件簡單—中等的礦區。區內無地表水系和常年性河流，僅有切割不深的干谷分布，雨季形成暫時性洪流，雨后3～5 d即消失，礦區發生塌方、泥石流、滑坡的可能性小，其地下水的主要補給源為大氣降水，地下水交替作用極弱，因而總的來說水文地質簡單。此外，礦區位于戈壁灘上，且區內上方地表及其附近無道路、管線工程及民用建筑，因而地表允許崩落。

在礦山開采技術條件的基礎上，結合現場實際情況，可知由于研究范圍內礦石品位低、礦巖總體不穩固、金屬價格低迷等因素的影響，導致原設計采礦方法無法正常進行，因此有必要對采礦方法進行相應的變更及專項研究，以保證采礦作業的安全和資源的合理利用與回收。另外，區內上方地表允許崩落，為自然崩落法的開采提供了可能，接下來有必要針對影響自然崩落法成功開采的自然因素進行大量的實驗、調查、測試與分析，從而對區域內自然崩落法的可行性進行合理的綜合評價。

2相關調查、試驗與測試

2.1礦巖物理力學性質實驗

礦巖的物理力學性質直接影響礦巖體的整體特性，其性質對于礦巖崩落的形成與發展具有重要的作用，因此有必要對研究區域內的各類型巖石進行相應的物理力學性質實驗。通過現場地質調查可知，范圍內的巖石主要有細碧玢巖、橄欖輝石巖及部分地段的綠泥滑石千糜巖，其中細碧玢巖和橄欖輝石物理力學性質相對較好，因此可取樣加工成標準試樣進行室內力學實驗，而部分綠泥滑石千糜巖不易于加工成規則形狀的巖樣，因此可進行點載荷試驗現場測定其力學性質。

黃山銅鎳礦30#礦體(530 m以上區域)典型礦巖物理力學特性實驗結果見表1。

2.2工程地質調查

礦巖體中的結構面對于裂隙網的形成與發展具有不可或缺的作用，同時結構面的特性也直接影響著礦巖體的整體力學特性，因此在了解區域地質的基礎上，需要對研究范圍內的礦巖體進行細致的工程地質調查，以充分了解礦巖體中的結構面的發育及分布情況，為自然崩落的可行性分析提供現實基礎依據。

巖體結構面凋查一般可采用巖芯調查法和坑道調查法，而坑道調查法準確程度要高得多，但其工作量也較大。本次采用坑道調查法，通過布置測線的方式，逐條測量結構面的基距、產狀、持續性、張開度、粗糙度、充填或膠結情況、風化或蝕變程度、滲水情況等。然后基于數理統計，對調查結果分別進行整理、統計和分析，以得出礦巖體中優勢結構面產狀、發育情況及特性。針對黃山銅鎳礦30#礦體(530 m以上區域)現場實際情況和分析需要，結合礦體及上下盤巖體賦存狀況，調查范圍確定為114線～119線之間穿脈巷和部分沿脈巷，對露頭良好、具有代表性的區段進行詳細調查，此次調查共布置測線15條，調查總長度402.2 m，調查結構面數量共計1378條，最終調查統計結果見圖1。

根據上述調查結果可知，礦巖體中的結構面總體較為發育，其中礦體最為發育，其具有198°∠80°，101°∠77°，54°∠33°和139°∠78°這4組優勢結構面；上盤巖體中發育有51°∠86°，84°∠69°和7°∠34°這3組優勢結構面；而下盤巖體中則發育有38°∠82°和10°∠75°這2組結構面。同時，根據現場調查可知，礦體中的平均結構面線密度為2.81條/m，平均間距0.36 m，結構面多呈微粗糙型張開狀態，普遍延伸較長，巖壁表面干燥，中等分化。

表1　礦區典型礦巖物理力學特性

圖1　礦體及上下盤巖體結構調查統計結果

2.3原巖應力測試

原巖應力是地殼中未受到工程擾動的天然應力，其主要由自重應力、構造應力、孔隙壓力等耦合而成，在自然崩落法開采研究中，原巖應力是促使礦體在誘導工程下發生自然崩落的內在和根本因素，地應力的大小和分布情況對于自然崩落法的可行性研究具有決定性的作用，但由于地應力狀態的復雜性和多變性，其大小往往很難以通過解析解的方式進行計算或通過模型進行模擬，獲得地應力最為有效的方式是進行現場測量[4-5]。

為了弄清黃山銅鎳礦30#礦體所在區域的地應力大小和分布情況，采用空心包體應變測量技術對可行性研究范圍及其附近區域進行了地應力現場測試，運用數字式空心包體應力計成功進行了鉆孔套芯應力解除，其最終測試結果見表2。

根據上述測試結果分析可知，530 m中段和450 m中段的原巖應力分布總體規律是一致的，其最大主應力分別為24.9 MPa和29.5 MPa，且方向均為近水平方向；最小主應力分別為9.6 MPa和13.1 MPa，且方向均為近垂直方向。礦山總體的地應力大小和分布符合一般的應力分布規律，即水平應力普遍大于垂直應力且最大主應力往往是垂直應力的2倍以上，各主應力大小隨著深度呈線性增長關系。

3研究區域自然崩落法開采可行性分析

3.1技術可行性分析

(1) 根據典型巖石物理力學實驗結果分析可知，范圍內礦巖總體的物理力學特性較好，能夠滿足一般工程施工的需要，但局部地段存在著綠泥滑石千糜巖，雖然對于工程施工會造成一定的影響，但其存在有利于礦體自然冒落。另外，含礦巖石(橄欖輝石巖)的力學特性較好，對礦體崩落成較小的礦石塊度有一定的影響，但同時若發生崩落出現粉礦的概率則相對較小。

表2　原巖應力測試結果

(2) 根據工程地質調查結果分析可知，礦體內分布有3組發育良好的垂向結構面，以及1組發育較緩的結構面，滿足了自然崩落有一組水平節理的要求，在工程誘導和地應力作用下，能夠較好的發展成三維的裂隙網，有利于礦石的不斷冒落，為自然崩落法有效實施提供了較為良好的、理想的地質環境。而下盤巖體中的結構面發育相對較弱，因此適合布置底部結構等工程。

(3) 根據原巖應力測試結果可知，調查范圍內的最大主應力方向為近水平方向，在拉底過程中其夾制作用會在一定程度上妨礙礦石的崩落，同時由于最大主應力方向與部分優勢結構面成大角度相交，其對于結構面的法向應力作用會不利于節理裂隙在崩落過程中的擴展和延伸，但在礦體邊界合適的位置布置一定的削弱工程，即可減小此部分應力的不利作用。

根據上述自然崩落法可行性分析相關的基礎實驗、調查和測試結果分析可知，研究區域的地質、物理力學等條件能夠滿足自然崩落的基本條件，在工程布置和施工合理的情況下，輔助以必要的削弱工程，研究區域采用自然崩落法開采在技術上是安全高效和可行的。

3.2經濟效益分析

經過礦山地質部門對研究范圍內礦體的二次圈定可知，30#礦體(530 m以上區域)可采礦量約150萬t，鎳金屬量6900 t，銅金屬量4950 t，按照當前的金屬價格和選礦回收率計算，可知研究范圍內的噸礦價值為211.2元，預計可創造產值31680萬元。本次自然崩落法開采可行性中的成本計算包括掘進攤銷、支護成本、采礦直接成本(包括車間經費)、二次破碎、選礦成本等，按照當地的材料單價和礦山提供的施工單價對成本進行估算，采用自然崩落法開采的單位礦石綜合成本為184.56元/t，研究區域內的礦石全部回采的總成本為27684萬元，則可實現銷售利潤3996萬元，凈利潤3396.6萬元(扣除15%的利稅)，并且能夠滿足礦山2～3 a的開采需求，對保證礦山進入正常生產具有十分重要的過渡作用。

4結論

針對黃山銅鎳礦30#(530 m以上區域)低品位厚大破碎礦體自然崩落法可行性進行了大量的基礎研究工作，主要包括開采技術條件分析、礦巖物理力學實驗、工程地質調查及原巖應力測試等，根據實

驗、調查及測試結果綜合分析可知，研究區域內的地質條件較簡單，在工程布置及施工合理，以及輔以必要削弱工程的情況下，礦巖物理力學性質、結構面發育情況以及原巖應力狀況總體而言在技術上是比較適合礦體崩落的。另外，從經濟上分析可知，采用自然崩落法開采能夠創造較大的產值和利潤，與原設計采礦方法難以盈利的狀況相比，具有較大的優越性。因此，在研究區域礦石品位低、礦巖總體不穩固、銅鎳金屬價格低迷等情況下，采用自然崩落法開采是可行的。

參考文獻：

[1]文有道，李向東.金川Ⅲ礦區礦巖可崩性研究[J].礦業研究與開發,2007,27(05):4-5,16.

[2]張寶，李永輝，文興,等.黃山銅鎳硐厚大礦床礦巖可崩性研究[J].礦業研究與開發，2015，35(7)：1-4

[3]李向東，李永輝，萬兵,等.黃山銅鎳礦30號礦體(530以上)自然崩落法可行性研究[R].長沙:長沙礦山研究院有限責任公司,新疆亞克斯資源開發股份有限公司,2014.

[4]馬春德，李夕兵，陳楓,等.自然崩落法礦山深部地應力場分布規律的測試研究[J].礦冶工程.2010,30(06):10-14,22.

[5]蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社,2002:129-176.(收稿日期：2015-09-17)

作者簡介：何德強(1986-)，男，新疆烏魯木齊人，助理工程師，主要從事礦山技術和生產管理工作，Email:365152694@qq.com。