基于爆堆矿岩比例测定其出矿品位的试验研究

武拴军，朱 强，范永亮，张志贵，陈星明，钟 敏

(1.金川集团有限公司龙首矿，甘肃 金昌 737100；2.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010)

无底柱分段崩落法放矿控制与管理特别是低贫化放矿和截止品位放矿的关键在于及时、准确控制出矿工作面的矿石品位。矿山在生产中，传统方法常用化学分析法和经验推断预测法进行出矿品位的测定。其中，化学分析法周期长，对试验或生产不能起到及时的指导作用；经验推断预测法虽然直观、简单、易行，但此法主要依靠人的主观分析，准确性较差[1-6]。因此，寻求一种高效、安全、准确、简单、实时的品位计算方法是摆在每位工程技术人员面前的课题，应引起重视加以解决。

1 爆堆矿岩比例测定出矿品位的原理及方法

爆堆矿岩比例测定出矿品位的原理是利用矿岩表面颜色不同区分出矿石与废石，从而确定废石混入率，并计算其当时的出矿品位。此方法首先需建立废石混入率与出矿品位的关系。

根据《现代采矿手册》[7]废石混入率即为废石重量与矿岩重量的比值，见式(1)。

(1)

式中：P—废石混入率，%；R—采出矿石中的废石混入量，t；T—采出的矿岩总量，t；αd—开采矿块平均地质品位，%；α—采出矿石的平均品位，%；αw—围岩中有用组分的平均含量，%。

放矿学中，松散矿岩块度组成的测定方法之一为平面照相法，通过测定各级矿岩块的水平投影面积与总面积的百分比关系得出其块度组成[8]。利用此法思路，可测定出矿岩颜色差异较大的爆堆中矿岩面积大小。忽略矿岩厚度，即可根据面积、体重与重量的关系，计算出式(1)中废石混入率的大小。

(2)

式中：P重量比—重量比计算出的废石混入率，%；S废—圈定的废石总面积；S矿—圈定的矿石总面积；ρ废—废石的体重；ρ矿—矿石的体重。

矿石贫化率计算方法[2]如下：

(3)

式中：r—矿石贫化率，%。

若围岩中不存在有用组分，废石混入率可等于矿石贫化率，则可利用式(1)及式(3)计算出矿石的出矿品位与废石混入率的关系，见式(4)。

α=αd×(1-P)

(4)

由式(4)可知，矿石的出矿品位与废石混入率成线性关系，即可直接通过废石混入率来计算出矿品位，从而实现利用爆堆矿岩比例测定其废石混入率，计算其出矿品位。

2 爆堆矿岩比例测定甘肃某镍矿出矿品位

2.1 甘肃某镍矿概况

甘肃某镍矿的地质平均品位为0.60%，属于贫矿资源。由于受经济等因素的影响，拟将原下向胶结充填法变更为无底柱分段崩落采矿法，以实现降低开采成本的目的。目前矿山正处于无底分段崩落法现场试验阶段。矿山采用“组合放矿”模式回收矿石，即依据不同的矿石回收条件，采用总量控制、低贫化以及截止品位等几种放矿方式的组合。该放矿模式需严格控制其矿石品位，才能达到最佳的矿石回收效果，故现场能及时、准确地测定出矿品位显得尤为关键。

矿山覆岩为胶结充填体，不存在有用组分，表面呈现灰白色；矿石表面呈现深黑色、黑褐色。矿岩颜色分明，满足利用爆堆矿岩比例测定其出矿品位的前提条件。

2.2 矿岩比例测定方法的选择

为获取现场废石混入率数据，借助平面照相法对其矿岩比例进行分析。目前平面照相法后续图像处理一般采用两种方法，其一为人工数据圈定，其二为计算机图像处理。本文选用人工CAD面积圈定法和ArcGIS测定法两种方法对图像进行处理分析。

人工CAD面积圈定法是平面照相法拍摄的照片按比例不失真地放置于CAD界面，经过技术人员按矿岩颜色差异进行矿岩轮廓人工圈定，进而统计其矿岩面积。ArcGIS测定法用ArcGIS空间数据的重分类对图像进行二值化处理，通过矿岩颜色差异采用固定阈值的变换方法将其变成二值图像，再根据面积统计区分出矿岩比例。

为了验证两种方法的可行性及准确度，进行了以下试验：在5%、10%、15%和20%四种不同废石混入率的情况下配制爆堆矿石，矿岩搅拌静置1 d后放出矿岩，利用人工CAD面积圈定法(见图1)和ArcGIS测定法(见图2)两种方案重新统计其废石混入率，分析与设定废石混入率的差异。

(a)废石混入率5% (b)废石混入率10% (c)废石混入率15% (d)废石混入率20%图1 利用人工CAD面积圈定法对放出矿岩进行面积圈定Fig.1 Area delineation of released ore by artificial CAD area circle method

考虑到实际胶结充填体在潮湿状态下的颜色会变深，可能会影响人眼或计算机的识别准确性，故试验模拟了干燥及潮湿两种状态下的放矿过程。经测定，其干燥试验状态下，矿石平均密度为2.50 g/cm3，废石平均密度为1.70 g/cm3。由于矿石及胶结充填体存在一定吸水性，在潮湿试验状态下矿石平均密度为2.69 g/cm3，废石平均密度为2.14 g/cm3。

(a)废石混入率5% (b)废石混入率10% (c)废石混入率15% (d)废石混入率20%图2 利用ArcGIS测定法对放出矿岩进行面积圈定Fig.2 Area delineation of the released ore based on the ArcGIS method

Table 1 The waste rock mixing rate and its deviation value in two conditions using Equation (2) /%

由表1可知：对于干燥矿岩，采用人工CAD面积圈定法与ArcGIS测定法统计计算的废石混入率与设定值偏差在4%～7%，且能准确反映出废石混入率增加的趋势，故两种方法均为可用的测定方法。对于潮湿状态的崩落矿岩，人工CAD面积圈定法与ArcGIS测定法仍具有较高的识别精度，计算废石混入率的偏差范围与干燥状态基本相当，证明矿岩在潮湿状态下两种测定方法均可使用。

就人工CAD面积圈定法与ArcGIS测定法进行比较，两种方法的测定精度基本相当，前者的处理数据的效率比后者约慢十倍，且工作量大，后者受照片质量影响较大，但后者具有快速、方便、省时、省力等突出优点，故优先推荐ArcGIS测定法进行爆堆矿岩比例的测定。

2.3 测定方法优化

ArcGIS测定法计算其爆堆矿岩比例是可行且较优的，但式(2)考虑了矿岩的体重问题，使得现场操作较为不便，故需对其方法进一步优化。

关于废石混入率的计算，一般认为废石占爆堆的面积比与体积比基本相当；甚至认为式(5)面积比可以等同于式(2)重量比，为此本文针对此问题进行了进一步分析。

(5)

式中：P面积比—面积比计算出的废石混入率，%；S废—圈定的废石总面积；S矿—圈定的矿石总面积。

表2 利用ArcGIS测定法进行面积比计算废石混入率及其偏差值

由表2可知：

1)甘肃某镍矿利用面积比计算出的废石混入率与实际值存在较大的偏差。利用面积比来代替重量比，对矿岩体重相差不大的矿山可近似使用，对矿岩体重差异较大的矿山不适用。试验证明这种近似的做法不具有通用性，准确性较差。

2)干燥情况下其偏差率均值在37.03%左右，潮湿情况下其偏差率均值在27.88%左右。分析认为干燥及潮湿两种状态下其偏差值存在一定差异，主要由于矿岩的吸水性能不同，使得矿岩体重差值发生一定的变化。矿石的吸水性远小于废石的吸水性，使得干燥状态下的偏差率高于潮湿状态下的偏差率。故处于不同含水率下的矿石其偏差值也不尽相同。

3)干燥与潮湿状态下，利用面积比计算出的废石混入率与实际值差值较大，但其偏差率变化较小。故矿山在现场运用时，可对面积比计算出的废石混入率进行修正，即可近似计算出实际废石混入率，而无需再考虑矿岩的体重问题。

经分析，对式(5)进行修正：

(6)

式中：P—实际废石混入率，%；β—偏差率均值，%。

将干燥及潮湿两种状态下的偏差率均值代入式(6)，得出根据面积比计算出的废石混入率。

表3 ArcGIS测定法测得的面积比进行修正计算的废石混入率及其偏差值

图3 ArcGIS分析法修正后的废石混入率与设定废石混入率变化图Fig.3 Change of waste rock mixing rate and set waste rock mixing rate after ArcGIS analysis

从表3及图3中可以看出：修正后的废石混入率与设定废石混入率偏差率均值在4%～7%，偏差率误差基本在可接受范围内，此方法是可行的。

根据甘肃某镍矿矿岩特性及其平均品位Ni为0.6%，代入式(4)，即可得出其出矿品位计算式(6)。

现场试验时，可直接进行面积比计算出废石混入率，利用公式进行修正，从而计算其出矿品位。不同含水状态下，其修正偏差率值也不尽相同，故修正系数需根据矿山实际情况进行调整。

3 结语及展望

依据甘肃某镍矿的矿岩特性，利用平面照相法分析其爆堆矿岩比例，人工CAD面积圈定法和ArcGIS测定法两种方法均是可行的，优先推荐使用ArcGIS测定法。为便于现场操作，进一步对ArcGIS测定法进行优化，对其面积比进行修正，使得直接利用面积比计算出实际废石混入率，并计算出甘肃某镍矿的出矿品位。

值得注意的是，试验数据采集是有限的，现场实际含水情况对其偏差系数有一定的影响，故矿山现场试验甚至推广至其他矿山时，还需结合矿山实际对其偏差系数进行修正，力求经验公式的准确性，从而真正起到出矿品位的计算和指导矿山生产的作用。