崩落法進(jìn)路布置及出礦量優(yōu)化研究

劉冬生，陸玉根

(1.河南金源黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，471400；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，243000)

0 引言

無底柱分段崩落法以其采礦工藝簡單、生產(chǎn)能力大的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于冶金礦山開采中，例如南京梅山鐵礦、昆鋼大紅山鐵礦等，這些礦山通過實(shí)驗(yàn)室放礦及現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)不斷摸索，均總結(jié)出了一套適合自身的最佳放礦方案，包括放礦結(jié)構(gòu)參數(shù)及放礦管理制度。但對黃金礦山，由于其特殊的礦體賦存，很少有礦山采用無底柱分段崩落法開采，鮮有論文對黃金礦山進(jìn)行放礦研究。放礦工作是無底柱分段崩落法的核心工作，直接決定著最終回采及貧化指標(biāo)。放礦試驗(yàn)是一種相似模擬試驗(yàn)，在幾何相似的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場的礦巖做模擬材料，模擬現(xiàn)場出礦。常用的室內(nèi)放礦試驗(yàn)包括單體試驗(yàn)和立體試驗(yàn)，通過單體放礦模擬試驗(yàn)可探索礦巖流動規(guī)律、揭示放礦橢球體的發(fā)育形態(tài)，通過立體放礦模擬試驗(yàn)可尋求最佳采場結(jié)構(gòu)參數(shù)組合（包括進(jìn)路口布置形式、分段高度、進(jìn)路間距、崩礦步距及放礦步距等），確定合理的出礦管理方式。河南祁雨溝金礦在生產(chǎn)中存在進(jìn)路布置及出礦量等問題，本文通過單體試驗(yàn)揭示其放礦橢球體形態(tài)，并進(jìn)行立體放礦試驗(yàn)，對比不同進(jìn)路布置及出礦量，通過理論及試驗(yàn)的方法，最終驗(yàn)證并確定合理的進(jìn)路口布置形式和放出量，以指導(dǎo)礦山生產(chǎn)。

1 礦山現(xiàn)狀及存在問題

河南金源黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司祁雨溝金礦于1976年建成投產(chǎn)，礦山采用地下開采，采礦能力為 3000 t/d，目前主要采用無底柱分段崩落法開采祁雨溝礦區(qū)J4號角礫巖體400～280 m之間的金礦體。礦山開拓方式為平硐＋主、副井開拓。井巷工程主要包括580 m主運(yùn)平硐、主井、副井、采區(qū)斜坡道、溜井、井下排水系統(tǒng)和硐室工程。目前，河南金源黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司祁雨溝金礦井下J4礦體無底柱分段崩落法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為15 m×15 m，即分段高度與進(jìn)路間距均為15 m，進(jìn)路尺寸規(guī)格為2.8 m×3 m，2 m3油鏟及電鏟配合裝礦卡車運(yùn)礦，采用爆破出礦量截止出礦。

無底柱分段崩落采礦法進(jìn)路布置應(yīng)上下交錯，呈菱形布置，以便最大程度回采進(jìn)路之間的礦量，并有效降低周邊廢石的混入。但是目前井下325 m水平以上各分段進(jìn)路口并未嚴(yán)格依照上下交錯菱形布置，大多為上下對齊布置，導(dǎo)致進(jìn)路出礦過早貧化，不易于控制覆蓋巖移動面的整體有序平穩(wěn)下降，使上部周邊廢石過早進(jìn)入貧化。另外，礦山井下采用爆破設(shè)計(jì)出礦量進(jìn)行截止放礦，從現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果來看，現(xiàn)場實(shí)際出礦量均在設(shè)計(jì)爆破礦量的115%左右。

2 單體放礦試驗(yàn)研究

單體放礦試驗(yàn)可探索礦巖流動規(guī)律，揭示放礦橢球體發(fā)育形態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場端壁放礦特征，試驗(yàn)在相似端壁情況下進(jìn)行，下部預(yù)留一出礦口（相當(dāng)于采場進(jìn)路），利用鏟斗將模型內(nèi)礦巖逐步鏟出，同時，將預(yù)裝入的標(biāo)志顆粒進(jìn)行回收。根據(jù)標(biāo)志顆粒被放出的順序，可以將不同放出高度下的放出體圈出，據(jù)此可求得端壁條件下各種發(fā)育高度的放出體。試驗(yàn)采用鋁片制作放礦進(jìn)路口，進(jìn)路口尺寸按目前井下出礦進(jìn)路口1:100比例制作，按2.8 cm×3.0 cm的尺寸計(jì)算本礦石條件下的橢球體發(fā)育參數(shù)。

根據(jù)記錄的耙出顆粒數(shù)據(jù)，分別推導(dǎo)出不同高度上的橢球體及橢球體缺的大致形狀，并記錄其偏心率及半軸值。圖1為出礦口橫剖面及縱剖面放出的近似橢球體缺，表1為放出體在不同高度上的偏心率及半軸值。

圖1 單體試驗(yàn)出礦口（2.8 cm×3.0 cm）放出體/cm

表1 2.8 cm×3.0 cm出礦口放出體發(fā)育參數(shù)

由圖1可知，放礦橢球體為上部大下部小的橢球體缺，近似半橢球體，其長軸與玻璃面存在一定的傾角（流軸角），經(jīng)過測量大約為 5°，這是由于觀察面上存在摩擦力造成的。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，隨著放礦高度的增大，即放出體高度的增大，放出橢球體的長半軸值、縱半軸值、橫半軸值也隨之增大，且存在近似線性增長的趨勢。在相同的放出體高度下，放出橢球體的長半軸值大于縱半軸值及橫半軸值，橫半軸值大于縱半軸值。放出橢球體的長半軸值約為其縱半軸值的3.0～4.5倍，放出橢球體的長半軸值約為其橫半軸值的2.5～3.0倍，放出橢球體的橫半軸值約為其縱半軸值的1.2～1.5倍。

3 立體放礦試驗(yàn)研究

目前礦山325 m水平以上采用上下進(jìn)路口一一對應(yīng)的排列方式，如圖2所示。由于放礦橢球體呈瘦長型，發(fā)展方向主要是沿著放礦口快速向上部發(fā)展，而在放礦口兩側(cè)則受到限制，導(dǎo)致進(jìn)路口上部兩側(cè)礦石放不出來，即上部過早貧化，兩側(cè)礦石未完全回收，上部廢石提前進(jìn)入貧化。

圖2 進(jìn)路口一一對應(yīng)排列方式

根據(jù)圖1中橢球體發(fā)育情況進(jìn)行橢球體排列，見圖3。由圖3可知，在分段高度與進(jìn)路寬度都為15 m時，采用上下交錯布置進(jìn)路口的方式可使得放出橢球體在橫剖面近似兩兩相切，兩兩相切的幾何意義在于放礦口放出橢球體在豎向和橫向同時到達(dá)貧化，即產(chǎn)生最大回采率的同時貧化最低，此種情況上為最佳排列組合方式。

圖3 菱形進(jìn)路布置的橢球體排列

本文采用立體放礦試驗(yàn)?zāi)M分析進(jìn)路口交錯布置和對齊布置的放礦規(guī)律。立體試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋壤秊?1:100，采用木質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，共布置 5個分段，每個分段3～4條進(jìn)路，每條進(jìn)路布置4個步距，各步距均采用可抽出式鐵皮制作，模型分別見圖 4和圖5。

圖4 上下進(jìn)路一一對應(yīng)放礦模型

圖5 上下進(jìn)路交錯布置放礦模型

立體試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)為：采場結(jié)構(gòu)為15 cm×15 cm，即分段高度與進(jìn)路間距均為15 cm，進(jìn)路尺寸為2.8 cm×3 cm，炮孔排距為1.3 cm，一次2排分段起爆，即崩礦步距為 3.94 cm。出礦量均按進(jìn)路口爆破量115%出礦。經(jīng)計(jì)算得到兩種放礦模型的放礦數(shù)據(jù)，見表2、表3。由表2、表3可知，進(jìn)路上下交錯布置方式的回采及貧化綜合指標(biāo)（回貧差為47.6%）顯著優(yōu)于進(jìn)路上下對齊布置方式的指標(biāo)（回貧差為20.18%）。

表2 進(jìn)路上下交錯布置

表3 進(jìn)路上下對齊布置

出礦量按進(jìn)路口爆破量100%出礦，進(jìn)行上下分段進(jìn)路交錯布置與上下對齊布置的立體試驗(yàn)，其余參數(shù)不變。經(jīng)計(jì)算得到兩種放礦模型的放礦數(shù)據(jù)，見表4、表5。由表4、表5可知，上下交錯布置方式的回采及貧化綜合指標(biāo)（回貧差為49.74%）顯著優(yōu)于上下對齊布置方式的指標(biāo)（回貧差為26.82%）。

表4 上下交錯布置(出礦量100%)

表5 上下對齊布置(出礦量100%)

同時，對比表2和表4，以及表3和表5，從數(shù)據(jù)中可以看出，無論是進(jìn)路上下交錯布置還是上下對齊布置，出礦量為爆破量100%的回采率均低于出礦量115%的回采率，但其廢石混入率較低，綜合回貧差高于出礦量115%，從回收及貧化綜合指標(biāo)（回貧差）來看，出礦量100%的參數(shù)優(yōu)于出礦量115%的參數(shù)。

理論及立體試驗(yàn)表明，在分段高度與進(jìn)路寬度都為15 m時，采用上下交錯布置進(jìn)路的方式可使得放出橢球體在橫剖面近似兩兩相切，此種情況上為最佳排列組合方式，同時其回采及貧化指標(biāo)要優(yōu)于進(jìn)路上下對齊布置的指標(biāo)；分別按照出礦量100%與115%進(jìn)行對比試驗(yàn)，出礦量為爆破量的100%時回采及貧化指標(biāo)優(yōu)于出礦量115%的指標(biāo)。據(jù)此指導(dǎo)礦山生產(chǎn)，在325 m以下各分段將上下分段進(jìn)路呈交錯布置，同時嚴(yán)格放礦管理，控制超量出礦。

4 結(jié)論

（1）本文以河南祁雨溝金礦目前生產(chǎn)中存在的進(jìn)路布置及出礦量問題為研究對象，通過單體試驗(yàn)揭示其放礦橢球體形態(tài)，并進(jìn)行立體放礦試驗(yàn)，對比不同進(jìn)路口布置及放礦量，通過理論及試驗(yàn)的方法，最終驗(yàn)證并確定了合理的進(jìn)路布置形式和放礦量。

（2）通過單體試驗(yàn)揭示了祁雨溝金礦橢球體發(fā)育特征，推導(dǎo)出不同高度上的橢球體及橢球體缺的大致形狀，并計(jì)算出了偏心率及半軸值。根據(jù)其橢球體形態(tài)，在分段高度與進(jìn)路寬度都為15 m時，采用上下交錯布置進(jìn)路的布置方式可使得放出橢球體在橫剖面近似兩兩相切，此種情況下理論上為最佳排列組合方式。

（3）通過立體試驗(yàn)表明，上下交錯布置的回采及貧化綜合指標(biāo)（回貧差）顯著優(yōu)于上下對齊的指標(biāo)（回貧差）。同時分別按照出礦量100%與115%進(jìn)行對比試驗(yàn)，出礦量為爆破量的100%的回采及貧化指標(biāo)優(yōu)于出礦量115%的指標(biāo)。據(jù)此指導(dǎo)礦山生產(chǎn)，在325 m以下各分段將上下分段進(jìn)路呈交錯布置，同時嚴(yán)格放礦管理，控制超量出礦。