崩落法进路布置及出矿量优化研究

刘冬生，陆玉根

(1.河南金源黄金矿业有限责任公司，471400；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，243000)

0 引言

无底柱分段崩落法以其采矿工艺简单、生产能力大的特点广泛应用于冶金矿山开采中，例如南京梅山铁矿、昆钢大红山铁矿等，这些矿山通过实验室放矿及现场工业试验不断摸索，均总结出了一套适合自身的最佳放矿方案，包括放矿结构参数及放矿管理制度。但对黄金矿山，由于其特殊的矿体赋存，很少有矿山采用无底柱分段崩落法开采，鲜有论文对黄金矿山进行放矿研究。放矿工作是无底柱分段崩落法的核心工作，直接决定着最终回采及贫化指标。放矿试验是一种相似模拟试验，在几何相似的基础上，采用现场的矿岩做模拟材料，模拟现场出矿。常用的室内放矿试验包括单体试验和立体试验，通过单体放矿模拟试验可探索矿岩流动规律、揭示放矿椭球体的发育形态，通过立体放矿模拟试验可寻求最佳采场结构参数组合（包括进路口布置形式、分段高度、进路间距、崩矿步距及放矿步距等），确定合理的出矿管理方式。河南祁雨沟金矿在生产中存在进路布置及出矿量等问题，本文通过单体试验揭示其放矿椭球体形态，并进行立体放矿试验，对比不同进路布置及出矿量，通过理论及试验的方法，最终验证并确定合理的进路口布置形式和放出量，以指导矿山生产。

1 矿山现状及存在问题

河南金源黄金矿业有限责任公司祁雨沟金矿于1976年建成投产，矿山采用地下开采，采矿能力为 3000 t/d，目前主要采用无底柱分段崩落法开采祁雨沟矿区J4号角砾岩体400～280 m之间的金矿体。矿山开拓方式为平硐＋主、副井开拓。井巷工程主要包括580 m主运平硐、主井、副井、采区斜坡道、溜井、井下排水系统和硐室工程。目前，河南金源黄金矿业有限责任公司祁雨沟金矿井下J4矿体无底柱分段崩落法采场结构参数为15 m×15 m，即分段高度与进路间距均为15 m，进路尺寸规格为2.8 m×3 m，2 m3油铲及电铲配合装矿卡车运矿，采用爆破出矿量截止出矿。

无底柱分段崩落采矿法进路布置应上下交错，呈菱形布置，以便最大程度回采进路之间的矿量，并有效降低周边废石的混入。但是目前井下325 m水平以上各分段进路口并未严格依照上下交错菱形布置，大多为上下对齐布置，导致进路出矿过早贫化，不易于控制覆盖岩移动面的整体有序平稳下降，使上部周边废石过早进入贫化。另外，矿山井下采用爆破设计出矿量进行截止放矿，从现场调研结果来看，现场实际出矿量均在设计爆破矿量的115%左右。

2 单体放矿试验研究

单体放矿试验可探索矿岩流动规律，揭示放矿椭球体发育形态。根据现场端壁放矿特征，试验在相似端壁情况下进行，下部预留一出矿口（相当于采场进路），利用铲斗将模型内矿岩逐步铲出，同时，将预装入的标志颗粒进行回收。根据标志颗粒被放出的顺序，可以将不同放出高度下的放出体圈出，据此可求得端壁条件下各种发育高度的放出体。试验采用铝片制作放矿进路口，进路口尺寸按目前井下出矿进路口1:100比例制作，按2.8 cm×3.0 cm的尺寸计算本矿石条件下的椭球体发育参数。

根据记录的耙出颗粒数据，分别推导出不同高度上的椭球体及椭球体缺的大致形状，并记录其偏心率及半轴值。图1为出矿口横剖面及纵剖面放出的近似椭球体缺，表1为放出体在不同高度上的偏心率及半轴值。

图1 单体试验出矿口（2.8 cm×3.0 cm）放出体/cm

表1 2.8 cm×3.0 cm出矿口放出体发育参数

由图1可知，放矿椭球体为上部大下部小的椭球体缺，近似半椭球体，其长轴与玻璃面存在一定的倾角（流轴角），经过测量大约为 5°，这是由于观察面上存在摩擦力造成的。

根据表1数据，随着放矿高度的增大，即放出体高度的增大，放出椭球体的长半轴值、纵半轴值、横半轴值也随之增大，且存在近似线性增长的趋势。在相同的放出体高度下，放出椭球体的长半轴值大于纵半轴值及横半轴值，横半轴值大于纵半轴值。放出椭球体的长半轴值约为其纵半轴值的3.0～4.5倍，放出椭球体的长半轴值约为其横半轴值的2.5～3.0倍，放出椭球体的横半轴值约为其纵半轴值的1.2～1.5倍。

3 立体放矿试验研究

目前矿山325 m水平以上采用上下进路口一一对应的排列方式，如图2所示。由于放矿椭球体呈瘦长型，发展方向主要是沿着放矿口快速向上部发展，而在放矿口两侧则受到限制，导致进路口上部两侧矿石放不出来，即上部过早贫化，两侧矿石未完全回收，上部废石提前进入贫化。

图2 进路口一一对应排列方式

根据图1中椭球体发育情况进行椭球体排列，见图3。由图3可知，在分段高度与进路宽度都为15 m时，采用上下交错布置进路口的方式可使得放出椭球体在横剖面近似两两相切，两两相切的几何意义在于放矿口放出椭球体在竖向和横向同时到达贫化，即产生最大回采率的同时贫化最低，此种情况上为最佳排列组合方式。

图3 菱形进路布置的椭球体排列

本文采用立体放矿试验模拟分析进路口交错布置和对齐布置的放矿规律。立体试验模型的比例为 1:100，采用木质框架结构，共布置 5个分段，每个分段3～4条进路，每条进路布置4个步距，各步距均采用可抽出式铁皮制作，模型分别见图 4和图5。

图4 上下进路一一对应放矿模型

图5 上下进路交错布置放矿模型

立体试验模型参数为：采场结构为15 cm×15 cm，即分段高度与进路间距均为15 cm，进路尺寸为2.8 cm×3 cm，炮孔排距为1.3 cm，一次2排分段起爆，即崩矿步距为 3.94 cm。出矿量均按进路口爆破量115%出矿。经计算得到两种放矿模型的放矿数据，见表2、表3。由表2、表3可知，进路上下交错布置方式的回采及贫化综合指标（回贫差为47.6%）显著优于进路上下对齐布置方式的指标（回贫差为20.18%）。

表2 进路上下交错布置

表3 进路上下对齐布置

出矿量按进路口爆破量100%出矿，进行上下分段进路交错布置与上下对齐布置的立体试验，其余参数不变。经计算得到两种放矿模型的放矿数据，见表4、表5。由表4、表5可知，上下交错布置方式的回采及贫化综合指标（回贫差为49.74%）显著优于上下对齐布置方式的指标（回贫差为26.82%）。

表4 上下交错布置(出矿量100%)

表5 上下对齐布置(出矿量100%)

同时，对比表2和表4，以及表3和表5，从数据中可以看出，无论是进路上下交错布置还是上下对齐布置，出矿量为爆破量100%的回采率均低于出矿量115%的回采率，但其废石混入率较低，综合回贫差高于出矿量115%，从回收及贫化综合指标（回贫差）来看，出矿量100%的参数优于出矿量115%的参数。

理论及立体试验表明，在分段高度与进路宽度都为15 m时，采用上下交错布置进路的方式可使得放出椭球体在横剖面近似两两相切，此种情况上为最佳排列组合方式，同时其回采及贫化指标要优于进路上下对齐布置的指标；分别按照出矿量100%与115%进行对比试验，出矿量为爆破量的100%时回采及贫化指标优于出矿量115%的指标。据此指导矿山生产，在325 m以下各分段将上下分段进路呈交错布置，同时严格放矿管理，控制超量出矿。

4 结论

（1）本文以河南祁雨沟金矿目前生产中存在的进路布置及出矿量问题为研究对象，通过单体试验揭示其放矿椭球体形态，并进行立体放矿试验，对比不同进路口布置及放矿量，通过理论及试验的方法，最终验证并确定了合理的进路布置形式和放矿量。

（2）通过单体试验揭示了祁雨沟金矿椭球体发育特征，推导出不同高度上的椭球体及椭球体缺的大致形状，并计算出了偏心率及半轴值。根据其椭球体形态，在分段高度与进路宽度都为15 m时，采用上下交错布置进路的布置方式可使得放出椭球体在横剖面近似两两相切，此种情况下理论上为最佳排列组合方式。

（3）通过立体试验表明，上下交错布置的回采及贫化综合指标（回贫差）显著优于上下对齐的指标（回贫差）。同时分别按照出矿量100%与115%进行对比试验，出矿量为爆破量的100%的回采及贫化指标优于出矿量115%的指标。据此指导矿山生产，在325 m以下各分段将上下分段进路呈交错布置，同时严格放矿管理，控制超量出矿。