龙首矿崩落法采场上下盘矿石贫损控制措施及现场工业试验*

李彦龙，谭宝会，龙卫国，龚 臻，钟立鹏，李 斌，张志贵

(1.金川集团股份有限公司二矿区，甘肃 金昌 737100；2.西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010；3.金川集团股份有限公司龙首矿，甘肃 金昌 737100)

0 引言

无底柱分段崩落法自20世纪60年代引入我国以来，在地下金属矿山中得到了广泛应用，尤其适用于矿岩稳固的厚大陡立矿体开采[1-3]。该采矿方法的特点是在崩落覆岩下出矿，崩落的矿石直接与覆盖层废石混杂，因此在出矿过程中容易产生较大的矿石损失和贫化。据统计，在通常情况下无底柱分段崩落法的矿石损失率在15%～30%，贫化率在20%～30%，当开采条件不佳或生产管理不到位时，回收指标将会进一步劣化。为了控制无底柱分段崩落法的矿石损失和贫化，近年来众多学者从优化结构参数[4-6]、改变放矿方式[7-9]、改进采矿工艺[10-14]等方面进行了一系列研究，使无底柱分段崩落法的回收指标得到了显著提升，同时也进一步拓宽了该方法的应用范围，甚至可将其应用于矿体倾角小、厚度小、矿体形态多变等复杂工况[15-17]。当采用无底柱分段崩落法开采倾角较缓的矿体时，易在矿体的上盘和下盘部位产生较大的矿石损失和贫化，需要结合矿体实际条件制订相应的措施来控制矿石贫损。

本文以龙首矿西二采区无底柱分段崩落法开采为工程背景，分析了采场在上下盘矿石回采过程中贫损较大的原因，针对上下盘矿体赋存特点及开采特点提出了贫损控制措施，并在现场进行了工业试验，取得了良好的应用效果。

1 工程概况

龙首矿是我国主要的镍矿生产基地之一，西二采区是龙首矿的主力采区之一。该采区地表100 m以下见矿，矿体倾角70°～80°，局部地段矿体倾角仅为30°～50°；矿体厚度28～200 m，沿走向长463 m；矿岩较破碎，普氏系数f=0.8～7.0。该采区矿石品位仅为金川矿区富矿品位的三分之一，属于贫矿资源，但由于镍矿价值较高，矿山在建矿初期采用了双中段同时开采的下向进路式分层胶结充填法，以控制矿石的贫化和损失。该采区于2010年完成基建并投入生产，设计产能为165万t/a，设计矿石贫化率为7%、损失率为5%，服务年限20 a。2016年镍价大幅下跌，采用成本较高的胶结充填法回采低品位矿石的经济性较差，因此决定将上部中段由胶结充填法转为无底柱分段崩落法。经初步估算，采用无底柱分段崩落法后可使采矿成本降低30%以上，产能提高50%以上，采场的机械化程度也将得到进一步提升。

经研究，在该采区上部中段崩落法采场布置4个回采分段，分别位于1 595、1 580，1 565、1 546 m水平，进路间距为15 m，崩矿步距为2.2 m，回采进路尺寸为4.6 m×4.3 m(宽×高)。经过一系列前期准备，西二采区无底柱分段崩落法采场于2019年5月正式投入生产。图1为西二采区采场布置示意图。

图1 龙首矿西二采区采场布置示意图

尽管该采区矿体大都为厚大陡立矿体，有利于无底柱分段崩落法的矿石贫损控制，但在部分地段矿体倾角较缓(30°～50°)，在生产中发现这些地段的矿体上盘部位产生了较大的矿石贫化，而在下盘部位产生了较大的矿石损失，需要分析其原因并提出合理的解决措施。

2 矿山上下盘矿石贫损原因分析

2.1 上盘矿石贫化原因分析

经现场调查得知，西二采区无底柱分段崩落法采场在进路掘进时，通常会利用掘进工作对矿体上盘边界进行探查和控制，当进路掘进至矿体上盘的矿岩交界位置时停止掘进，同时在上盘矿岩交界位置布置切割平巷，位置如图2(a)所示。

当矿体上盘倾角较大时，将切割平巷布置在靠近上盘矿岩交界位置并不会过多地造成矿石贫化；然而当矿体上盘倾角较小时，若切割平巷位置过于靠近矿体上盘，则切割槽以及进路中的前几排甚至前十几排炮孔都将直接打入上盘围岩中；这些炮排爆破后，进路顶板上部高度十分有限的矿石被崩落堆积在进路底板上，矿石主要以正面残留的形式存留在进路底板而不被放出，出矿时放出散体主要从进路顶板部位流出，所放出的大部分为崩落的上盘围岩；为了保证后排炮孔有足够的爆破补偿空间，即便此时放出的是围岩也要继续出矿，通常来说放出量至少要达到步距崩落量的30%以实现松动出矿，这样不仅增加了采矿成本，还会造成矿石贫化。图2(b)为矿山在上盘部位出矿时放出的上盘围岩。

2.2 下盘矿石损失原因分析

根据矿山崩落法采场炮排布置方案，各进路的最后一排炮孔基本布置在进路揭露的下盘矿岩分界位置，有时甚至还退采不到该位置[见图3(a)]。当矿体下盘倾角较大时，这样做并不会在下盘造成太多的矿石损失，但当矿体下盘倾角较小时，易导致较多的下盘三角矿体及上分段转移矿量(主要为桃形矿柱+脊部残留)无法得到回收，从而造成较多的矿石损失[见图3(b)]。

图3 矿山下盘实际退采位置及下盘矿石损失示意图

3 上下盘矿石贫损控制措施

3.1 上盘矿石贫化控制措施

为了减少上盘废石的崩落量和放出量，结合上盘矿石在下、废石在上的空间关系，建议在后续采矿过程中根据矿体上盘倾角适当将切割平巷位置向下盘方向后移，其原则是能够保证切割平巷顶板以上有10 m左右的矿石，这样切割槽及后续正排在按照崩落量的30%进行松动出矿时，所放出的绝大部分将是矿石，如此不仅可以减少凿岩量和爆破材料的消耗量，还降低了运输成本和矿石贫化。需要强调的是，切割平巷位置向下盘方向移动后，似乎造成了部分上盘三角矿体未能在本分段崩落回收，但这部分矿石不会损失，而会在下分段被崩落回收。切割平巷(切割槽)的布置如图4所示。

图4 切割平巷(切割槽)布置示意图

3.2 下盘矿体贫损控制措施

当矿体下盘倾角较小时，中深孔布置方式显然不能充分回收下盘矿石，要实现矿石的充分回收，还应在下盘退采界限的基础上继续向后退采[见图5(a)]，但并非越往后退采就能回收越多的矿石，而是存在一个合理的下盘退采界限(即确定合理切岩高度的问题)。图5(b)为继续退采时下盘各补孔炮排排面内的矿岩分布情况。由图5(b)可以看出，下盘矿体位于围岩之上，因此炮排爆破后先放出的是废石，后放出的才是矿石，排面内的矿石被其上下左右以及正面5个方向的废石包裹，回收条件十分复杂。已有研究表明，当下盘切岩高度过大时，顶部矿石尚未放出，正面废石即已掺杂进来，致使放出的矿石很快达到截止品位而失去回收价值[18]。

目前确定下盘合理切岩高度的方法主要有边界品位法和边际盈亏平衡法[19-20]，但这两种方法均需要通过复杂的理论计算才能确定下盘退采范围，在矿体倾角和形态复杂多变的情况下可操作性不强。结合采区实际情况，提出将下盘退采界限确定在矿体与上分段底板交界处(即切岩高度达到分段高度的位置)；在实际回采过程中随时观察下盘切岩炮排的出矿情况，当发现某一排炮孔回收的矿石贫化已较大时，便停止回采，以减少采矿投入，同时结合实际情况对下盘退采范围做进一步优化。该方法的优点是可以最大限度地实现下盘残留矿石的充分、有效回收，而且操作简单易行，便于采矿设计。

此外，为了减少下盘矿石贫化还可在下盘切岩区段采取以下措施：①将下盘切岩炮排的边孔角由45°增大至55°，这样不仅可以使每排炮减少2个炮孔，而且还可减少废石的崩落量，从而降低贫化；②将下盘切岩区段的崩矿步距由2.2 m增大至2.4～2.6 m，从而使废石崩落堆积在进路底板后，能够更多地以正面残留的形式留在进路底板而不被放出；③在下盘切岩区段采取矿石和废石的分采分运，在崩矿步距出矿初期所放出的是纯废石，可将这些废石单独运出并排放在井下废弃巷道中，进一步降低运输成本。

4 现场工业试验

2021年底，西二采区无底柱分段崩落法采场1 580 m分段的回采工作接近尾声，而1 565 m分段回采作业面尚未准备就绪，预计在2022年的1-2月崩落法采场产能将无法正常接续。根据研究成果可知，目前矿山的下盘回采是不充分的(尤其是在矿体倾角较小部位)，也就是说还有相当一部分矿石残留在下盘。为了确保采场产能的正常接续，2021年12月初矿山对1 580 m分段已基本回采结束的1#-19#进路下盘退采范围逐一核实，并就退采不充分的进路是否具备补孔条件进行了现场勘察，最终确定在1 580 m分段的7#-12#进路以及17#-19#进路下盘进行补孔回收残留矿石，其中6#、7#、11#、12#、17#、18#进路可在下盘各补2排炮孔，8#和9#进路可在下盘各补1排炮孔，10#进路可在下盘补4排炮孔，共计可补孔18排。

下盘补孔回收残留矿石方案确定后，矿山立即组织开展补孔和残矿回收工作，至2022年2月底，所补的18排炮孔已全部回采结束，表1为18排下盘补孔的矿石回收情况。

表1 1 580 m分段部分进路下盘补孔出矿统计

由表1可知，在1 580 m分段进路下盘所补的18排炮孔共回收矿石20 456.5 t，平均每排炮孔回收矿石1 136 t，如若不是10#进路所补的47～50排炮孔连续发生悬顶只放出了370.5 t矿石，矿石回收总量和炮排平均出矿量还将进一步增大。经粗略计算，回收的矿石带来的直接经济效益在500万元以上，同时矿山在出矿过程中将放出的废石堆放在采场废弃巷道中，降低了运输成本。本次下盘补孔所回收的矿量远超矿山预期，不仅以相对较低的成本换取了显著的经济效益，而且对于崩落法采场的产量接续也起到了重要作用。

下盘补孔回收残留矿石的实践结果充分证明了本研究提出的下盘矿石损失控制措施的可行性和有效性，下一步矿山在1 565 m分段及1 546 m分段的开采设计和施工中，将对该矿石贫损控制措施进行更大范围的推广应用。

5 结论

a.分析结果表明，当龙首矿西二采区无底柱分段崩落法采场矿体倾角变小时，如按照当前的采矿设计方案开采，会在上下盘产生较大的矿石损失和贫化；矿石贫化主要发生在上盘，矿石损失主要发生在下盘，但是这种矿石损失和贫化是可以通过采取相应的技术措施来进行控制的。

b.研究提出，在上盘将切割槽位置向下盘方向后移，确保切割平巷顶板以上有10 m的矿体高度，便可保证切割槽和上盘炮排在松动出矿过程中放出的主要是矿石，未能在本分段回收的上盘三角矿体也不会损失，而会在下一分段得到回收；在下盘建议退采至矿体与上分段底板交界处，从而实现下盘残留矿石的充分回收，同时可通过增大边孔角度、增大崩矿步距以及矿废分采分运和废石不出井等措施来进一步降低下盘矿石贫化和采矿成本。

c.现场工业试验结果表明，通过在1 580 m分段下盘补18排炮孔，共回收矿石20 456.5 t，平均每排炮孔回收矿石1 136 t，以相对较低的成本获得了显著的经济效益，在提高采场矿石回收率的同时实现了采场产能的稳定接续，充分证明本研究提出的上下盘矿石贫损控制措施是可行的。