小寺溝銅鉬礦無底柱分段崩落法崩礦步距優化

＊李樹青 孟航

（河北省國控礦業開發投資有限公司 河北 050000）

無底柱分段崩落法自20世紀60年代從瑞典引進以來，因其操作簡單，安全可靠，效率高，成本低在我國金屬礦山得到了廣泛應用[1]。然而在覆巖下放礦，礦石損失貧化率高，特別是分段高度、進路間距、崩礦步距三者匹配關系不當時，問題更為突出。許多學者對無底柱分段崩落法采場結構參數進行了大量的研究工作，取得了良好的成果[2-4]。

目前對崩礦步距的優化研究主要以實驗室相似材料試驗研究[5]、基于示蹤劑回收的現場試驗研究[6]以及基于放礦理論的數值模擬試驗研究[7]。郭進平應用實驗室相似物理實驗優化了四方金礦17m×20m結構參數下的崩礦步距[8]。董振民、行鵬飛分別進行了工業試驗和現場出礦跟班標定，確定了最優崩礦步距[9,10]。安龍聯合應用相似材料試驗方法和數值模擬方法，對梅山鐵礦18m×20m結構參數下的崩礦步距進行了優化研究[11]。周寶坤等基于響應曲面法對弓長嶺鐵礦采場結構參數進行了優化[12]。

本文以小寺溝銅鉬礦為工程背景，基于放礦橢球體理論和現場出礦試驗，對該礦無底柱分段崩落法15m～17m分段高度下的結構參數進行優化研究，改善放礦技術指標。

1.工程背景

(1)工程概況

小寺溝銅鉬礦開采礦體是以銅為主，鉬為副的銅鉬共、伴生礦體。鉬礦體主要賦存在接觸帶內側巖體內，銅礦體與鉬礦體緊密相依，位于鉬礦體下盤。鉬礦體：走向呈北40°～50°西方向展布，傾向南西，傾角50°～80°，走向長度2000m，厚度70m～760m，平均厚度150m。銅礦體：走向與鉬礦體基本一致，呈北45°～50°西方向展布，傾向南西，傾角55°～83°，走向長度1200m，厚度20m～87m，平均厚度38m。礦體頂底板巖石本身有輕微的蝕變作用，但巖質較為堅硬，鉬礦體內及銅鉬礦過渡地帶圍巖極不穩固。目前主要開采615m中段以上13線～14線之間的銅鉬礦體，礦石散體流動參數α=1.594、β=0.127；α1=1.668、β1=0.046。

(2)目前存在問題

礦山兩率指標高，大塊率高，出礦效率低。礦山貧化率指標偏高，目前礦山采礦綜合貧化率為19.83%，出礦品位偏低，采選成本偏高，企業效益下降；損失率偏高，目前平均損失率為30.56%，使礦山資源消耗過快，生產成本增加；大塊率高，大塊率一般為43.15%～49.84%，經常堵塞出礦口，出礦效率低，每天出礦量不足700噸，選廠生產只能斷斷續續進行，嚴重影響選廠的正常生產。

2.結構參數優化

無底柱分段崩落法主要結構參數由分段高度（H）、進路間距（B）和崩礦步距（L）三者構成。為使經濟技術指標最優化，需要三者合理搭配，但小寺溝礦業無底柱分段崩落法采礦分段高度，是利舊工程，利用原有采礦巷道做為分段巷道，分段高度固定為15m～17m，進路間距12.5m。因此，需要對崩礦步距進行調整，優化開采方案。

無底柱分段崩落法放礦時，垂直進路方向的放出體方程由隨機介質放礦理論[13]給出，即:

式中：

r、z為放出體坐標變量；

h為放出體高度。

(1)進路間距優化

根據式（1）可知，放出體與參數α有關。當α＞1/ln2時，放出體上部較寬而下部較窄；當α=1/ln2時，放出體為標準橢球體；當α＜1/ln2時，放出體上部較窄而下部較寬。因此，隨機介質放礦理論可適應放出體形態的多態性。對于非標準橢球體，合理的結構參數并非放出體五點相切，而可能是下三點相切（圖1）或上三點相切（圖2）的布置方式[14]。

圖1 放出體下三點相切示意圖

圖2 放出體上三點相切示意圖

在圖1、2中，放出體R1、R2、R3的方程分別為：

當放出體下三點相切布置時，R1與R2在A點相切（圖1），則R1和R2在A點的切線的斜率相等，為：

當放出體上三點相切布置時，R2與R3在F點相切（圖2），則R2和R3在F點的切線的斜率相等，為：

因為α=1.594＞1/ln2，放出體為非標準橢球體，其合理的結構參數應為放出體三點相切布置方式。當α=1.594、β=0.127、H=15m時，進路間距B=12.48m；當α=1.594、β=0.127、H=17m時，進路間距B=12.54m。因此，分段高度的合理范圍為12.48m～12.54m。原進路間距12.5m在最優范圍之內，基于充分利用現有工程的原則，進路間距不進行調整，仍使用原參數。

(2)崩礦步距優化

如圖3所示，放礦時，沿進路方向的放出體方程為[15]：

圖3 放出橢球體示意圖

式中：

A1、β1為沿進路方向的隨機介質放礦理論散體流動參數；

y、z為放出體坐標變量。

放出體最大寬度ymax為：

代入α1=1.668、β1=0.046計算可得，ymax=2.81m。

放出體軸偏角實測可得θ=5°，放礦步距計算公式為：

式中：θ為放出體流軸與端壁夾角。則放礦步距最優解為2.8m。最優崩礦步距為：

式中：k為巖石松散系數，一般取1.3～1.5。計算可得最優崩礦步距范圍是1.8～2.2m。

3.現場工業試驗

在665m中段鉬采場、615m中段銅采場和650m中段銅采場分別設計崩礦步距為1.8m、2.0m和2.2m。中深孔鑿巖采用雪撬式鑿巖臺架，配YGZ-80型回轉式重型鑿巖機，鉆鑿扇形中深孔，釬頭直徑有60mm、90mm兩種。出礦運搬設備型號為ZL30E礦用裝載機，該設備鏟斗寬度為2456mm，鏟取深度為1148mm。采場進路寬度為4.0m，載重10噸礦用汽車運輸礦巖。

原中深崩礦設計，90mm孔大塊率高，一般為43.15%～49.84%，爆下礦石流動性差，經常堵塞出礦口，出礦效率低；60mm孔大塊率極少，粉礦占比大，炸藥單耗高，礦石過度破碎。通過對爆破參數進行改進，爆破效果得到了極大改善，推墻懸頂、眉線破壞現象極少發生，大塊率明顯降低，提高了出礦效率。礦巖破碎效果良好，同時也降低了爆破振動對周邊環境的影響。改進前后參數如表1所示。

表1 中深孔設計參數

615中段銅礦體11#采場中，進路掘進、中深孔施工、裝藥爆破、出礦等工序全部按照新設計的技術要求進行施工。經過30多天的爆破、出礦，大塊率比原設計低，大塊率達到22.75%，平均下降了42.74%，二次破碎時間大大縮短，出礦效率大幅提高，該采場出礦量可達1600t/d，炸藥單耗為0.39kg/t，兩率指標控制良好（如表2）。

表2 小寺溝礦業采場主要技術指標對比表

此后又在665m中段鉬采場和650m中段銅采場相繼將崩礦步距調整為2.0m，均取得了成功。應用新的設計參數后，混入采出礦石的廢石量降低，進而降低了礦石貧化率。礦石的貧化率計算公式為：

式中：ρ為礦石貧化率，%；α為工業儲量礦石品位，%；α＇為采出礦石（包括廢石）的品位，%。

礦石貧化率的降低，大大提高了經濟效益。以電解銅市場價按6.8萬元計，在采、選其他指標不變的前提下，礦石入選品位每增加0.001%，每年可增加收入106萬元。按小寺溝銅鉬礦貧化率由之前的平均19.83%降至試驗采場貧化率14.93%計算，只貧化率一項指標就可為公司增加收入5000萬元，效益可觀。

4.結論

本文根據隨機介質放礦理論計算結果，得到該分段高度下最優進路間距仍為12.5m，最優放礦步距為2.8m，同時考慮最優崩礦步距與最優放礦步距之間的關系，得到崩礦步距范圍為1.8m～2.2m。經過現場放礦試驗，崩礦步距為2.0m時損失率、貧化率低，出礦效率高，各放礦技術指標良好。