镇沅金矿无底柱分段崩落采矿法采场结构参数的确定

摘要：

镇沅金矿设计采用无底柱分段崩落采矿法进行开采，为了提高矿石回收率，降低采矿损失率与矿石贫化率，保证矿山实现安全、高效、低成本回采，分别进行了单体模型放矿试验、平面模型放矿验证试验和交叉进路放矿模拟试验，以确定采场结构参数。按照单体模型放矿试验确定的采场结构参数，进行平面模型放矿验证试验，确定矿石回收率、矿石贫化率和采矿损失率等指标。为了获得较好的矿石回收指标，进行了交叉进路放矿模拟试验，根据试验结果，在矿石贫化率25 %的条件下，矿石回收率可达74.88 %～87.98 %。最终确定采场结构参数为分段高度×进路间距×崩矿步距=10 m×10 m×3.9 m，模拟结果可为现场工业试验提供技术支撑与依据。

关键词：无底柱分段崩落采矿法;采场结构参数;放矿试验;矿石回收率;矿石贫化率

中图分类号：TD853.36文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2022）05-0037-06doi：10.11792/hj20220507

引 言

在急倾斜中厚矿体的开采中，无底柱分段崩落采矿法是一种应用较广的高效采矿方法[1]，而采用无底柱分段崩落采矿法时，分段高度、进路间距和崩矿步距是3个重要的采场结构参数[2]，这3个参数相互作用、相互影响，共同决定着无底柱分段崩落采矿法的采矿损失率和矿石贫化率。无底柱分段崩落采矿法的回采参数可通过室内试验确定[3]。

云南黃金有限责任公司镇沅分公司（下称“镇沅金矿”）位于云南省镇沅彝族、哈尼族、拉祜族自治县和平镇老王寨。镇沅金矿北西自丫口街，南东至库独木大寨，北东、南西分别以F3断裂和九甲断裂（F9）为界，长12 km，宽2.0～3.3 km，面积约35 km2;由浪泥塘、冬瓜林、老王寨、搭桥箐、库独木等5个矿段组成。目前，镇沅金矿主要开采范围为老王寨矿段的1 633 m、1 593 m中段和冬瓜林矿段的1 633 m、1 593 m中段，设计生产能力66 万t/a，年产金1 800 kg。矿体厚度薄—中厚，一般为3～20 m，形态多变。镇沅金矿对厚度大于 6 m的矿体主要采用无底柱分段崩落采矿法开采。本文根据镇沅金矿矿体开采技术条件，确定进行单体模型放矿试验、平面模型放矿验证试验和交叉进路放矿模拟试验。通过不同的室内试验确定最优的采场结构参数，进而降低采场的采矿损失率和矿石贫化率，以保证矿山实现安全、高效、经济回采的目的[4]。

1 工程概况

镇沅金矿老王寨矿段1 593 m中段8勘探线—16勘探线Ⅱ号矿体，由于破碎带由不同的岩块和角砾构成，矿体在不同的部位容矿岩石及围岩存在差异。矿体自南东向北西分布，倾向南东，倾角50°～70°。矿体的形态总体呈藕节状，形状及产状变化主要受构造影响，与容矿构造的断面结构相对应，Ⅱ号矿体群矿石类型以硅质绢云板岩型和变质石英砂岩型为主。该区域矿体的整体稳定性较差，矿体上盘围岩为深灰色含碳钙质板岩，下盘围岩以含碳钙质板岩和变质杂砂岩为主，上、下盘围岩片理发育，破碎松软，稳定性差。矿体在8勘探线—16勘探线自南东向北西延伸约80 m，平均厚度10 m，金平均品位3.44 g/t，平均倾角约65°。通过对开采技术条件进行分析，确定采用沿走向布置的无底柱分段崩落采矿法开采，现需对其回采参数进行研究，并确定最优的采场结构参数[5]。

2 采场结构参数确定试验

根据镇沅金矿矿体开采技术条件，选择进行单体模型放矿试验、平面模型放矿验证试验和交叉进路放矿模拟试验，以确定最优采场结构参数。

1）单体模型放矿试验。分别进行矿石和废石的单体模型放矿试验，测定各个放出高度条件下的放出质量、放出体积和标志颗粒，再分别计算放出椭球体长半轴、短半轴、偏心率和放矿静止角等，并按照矿石流动特性来确定分段高度、进路间距和崩矿步距等基本参数。

2）平面模型放矿验证试验。按照单体模型放矿试验确定的分段高度、进路间距和崩矿步距等基本参数，进行这些参数的平面模型放矿验证试验。将每次放出的物料称量、分选，确定放矿试验的矿石回收率、矿石贫化率和采矿损失率等指标。

3）交叉进路放矿模拟试验。按照沿走向布置回采进路方式，先期进行平面模型放矿验证试验，然后再垂直走向布置穿脉工程，回收下盘残留矿石，最终确定采场的采矿损失贫化指标。

2.1 单体模型放矿试验

2.1.1 试验方法

分别对矿石和废石进行单体模型放矿试验。该试验可定量了解放出椭球体的发育情况，得到每一物料放出高度与偏心率的变化规律。同时，可观察矿岩物料的流动特性和力学相似性，即放出漏斗和放矿静止角等参数。

单体模型放矿试验是在单体模型上进行的。将配制好的矿样物料装入模型，每装5 cm高后布置1层固定编号的标志颗粒，同时在模型前壁（透明有机玻璃板）处撒上1条白灰线。标志层中的颗粒按预计的流动范围和流轴位置规则排列。模型内装料高度为65 cm，共装10层标志颗粒。试验开始放出物料时，要不断地记录放出量及标志颗粒的号码次序，填写在设计标志颗粒排列图上，进而描绘出放出体的平面及纵剖面断面图，然后根据所制成的图形得到放出体的各项参数。

2.1.2 试验结果及分析

1）端部放矿放出体发育情况。通过对端部放矿放出矿石单体模型试验的观察与结果分析可以看出，端部放矿放出体发育可分为3个阶段（如图1所示）：

①第一阶段为放出体发育初期阶段。由于在放矿进路全宽均匀出矿，其放出体下部粗大、上部细小，放出体最宽处在放矿进路巷道处，矿石的流动限制在一个抛物拱范围内，从而使放出体形态形成抛物状松动拱结构[6]。这时放出高度一般不超过15 cm。

②第二阶段为放出体呈近似椭球缺阶段。当放矿高度12～16 cm时，松动拱转化为松动体。随着放出量的增加，放出体形态逐渐向椭球缺发展，形成近似椭球缺形态。4368E679-9811-4D03-B807-2586755A9846

③第三阶段为放出体形成放出漏斗阶段。当放出量进一步增加，放矿高度达到60 cm以上时，其放出体上部向矿岩端壁伸展发展，下部几乎不再发生变化，并以放矿静止角形成放出漏斗。

2）放出体形态及轴偏角。矿石放出体，可以近似为端壁所截的椭球体，放出体上部与理想椭球体相差不大，下部比理想椭球体要稍小一些。从实测的矿石放出体形态可以看出，放出体的长半轴、短半轴均随着放出高度的增加而增加，并且基本遵循椭球体的发育模式，如图2所示。

矿石放出体的流动轴线，由于受矿岩端壁的影响，松散矿石又受到矿壁摩擦作用而使其流动速度下降，使得放出体轴线向前偏斜，其平均偏斜度（也叫轴偏角）为3.67°左右。对于轴偏角，随着放出体高度的增加，轴偏角有减小的趋势。由于模型采用透明有机玻璃，轴偏角的试验数据偏小。

3）放出体偏心率。放出体的偏心率随放出量和放出高度的变化而变化。偏心率与放出高度之间的关系如图3所示。由图3可知，当放出高度超过20 cm 时，偏心率趋于平稳上升。由于各种矿岩散体性质的不同，偏心率稳定上升的过程也有一定的差距，但都呈现出相同的规律。

偏心率是表征放出体形态和大小的主要参数，也表征着物料流动特性。对比分析矿石和废石的偏心率可知，矿石和废石的偏心率相差不大，表明它们的散体性质也基本相似。

4）放出量与放出高度。分析放出量与放出高度之间的关系，可以用来初步估计其放出的矿石回收量。矿石单体模型放矿试驗放出量与放出高度的变化关系如图4所示。由图4可知：当放出高度较小时，放出量也较小，而且变化曲线也较平坦;随着放出高度的增加，变化曲线也越陡，放出量也越多。

2.1.3 按矿石放出体形态确定结构参数

1）回采进路的布置形式。回采进路合理位置的选择，取决于流动带的形状及最大限度地回收回采巷道之间矿柱的要求。菱形布置的回采巷道，放矿时废石出现晚，矿石回收率大，矿石贫化率小，放矿效果好。在生产实践中，不论采场垂直走向布置还是沿走向布置，一般上下分段的回采进路都呈菱形布置。

2）分段高度。分段高度往往受凿岩设备凿岩能力的限制。因此，分段高度大多根据凿岩设备的凿岩能力选取。但是，为了取得良好的放矿效果，分段高度应与放出椭球体的大小相适应。在放矿过程中，如果放出高度（此处可视为放出椭球体高）等于放矿层高度，说明上部已采分段的废石已经混入。如果放矿层高度与回采巷道间距不相适应，放矿层过高将导致放出高度还未达到放矿层高度就发生贫化，使矿石损失增大;当放矿层过低，顶部贫化大，回采巷道之间残留矿石增加。因此，确定最佳的放矿层高度是非常必要的。根据单体模型放矿试验结果，确定分段高度为10 m。

3）进路间距。在分段高度确定的条件下，崩落矿石层的形状与放出椭球体的形状应相吻合。根据这一原则来确定进路间距，可用式（1）计算：

lh=2b+bh（1）

式中：lh为进路间距（m）;b为放出体短半轴长度（m）;bh为进路宽度（m）。

经计算：lh=10.11 m。

4）崩矿步距和放矿步距。当分段高度和进路间距确定后，主要起调整作用的采场结构参数为崩矿步距和放矿步距。放矿步距的最大值和最小值，可以依据最大放出椭球体的参数确定。其最大值应与放出椭球体短半轴的长度相等，这就避免了废石过早混入造成的贫化，否则残留矿堆高，矿石损失大;其最小值等于放出椭球体短半轴长度的一半时，矿堆损失减少，但矿石贫化率加大。因此，实际应用的崩矿步距介于上述最大值和最小值之间。

若无底柱分段崩落采矿法的端壁倾角为90°，最大的放矿步距可用式（2）计算：

lb=h21-ε2（2）

式中：lb为放矿步距（m）;h为放矿高度（m）;ε为放出椭球体的偏心率。

经计算：lb=3.87 m。

5）回采进路断面的形状及规格。回采进路的断面一般有拱形和矩形2种。从放矿的角度考虑，矩形断面要优于拱形断面;从巷道的稳定性考虑，拱形断面要优于矩形断面。对采场放矿来说，回采进路的宽度是一个非常重要的参数，它直接影响松散矿石的流动。如果回采进路的宽度大，对放矿非常有利，但影响进路的稳固性。反之，回采进路的宽度过小，铲运机只能在巷道中心装矿，这样松散矿石流动中心速度快，矿岩接触面容易弯曲，矿石过早贫化。在生产实践中，一般要以巷道的稳定性来考虑回采进路断面的形状及规格。因此，建议采用低拱形的断面规格。

6）端壁倾角。从理论上分析，端壁倾角的大小取决于矿石块度与废石块度的比值[7]。当矿石块度比废石块度大时（二者比值大于1），应采用前倾端壁;当矿石块度和废石块度大小相同时（二者比值等于1），采用垂直端壁;当矿石块度比废石块度小时（二者比值小于1），可以考虑采用后倾端壁[8-9]。综合各方面因素，且为了保护眉线口，推荐采用前倾端壁，即端壁倾角前倾85°。

7）铲取方式及铲取深度。为了有效回收矿石，必须建立合理的铲取制度。如果固定在回采巷道中央或一侧装矿，流动带下部宽度减小，废石很快进入回采巷道，造成矿石过早贫化。同时流动带宽度小，容易产生堵塞。理想的装载宽度应和巷道宽度相同。而实际上，装载机的装载宽度都比较小。因此，必须规定沿整个巷道宽度按一定的顺序轮流铲取。

理论上的最佳铲取深度应根据散体力学中的最大主应力理论分析计算。在生产实践中，由于装载机或装运机的实际铲取深度尚不能达到计算的最佳值。因此，在生产中应尽可能地提高铲取深度，增大放矿口的有效高度，以便获得良好的放矿效果。

2.1.4 采场结构参数推荐

综合上述分析和计算，按照矿石的流动规律和松散矿石的性质，推荐镇沅金矿无底柱分段崩落采矿法的采场结构参数为：进路采用菱形布置，分段高度10 m，进路间距10～11 m，放矿步距3.9 m，进路断面形状规格为低拱形，端壁倾角前倾85°。4368E679-9811-4D03-B807-2586755A9846

2.2 平面模型放矿验证试验

合理的采场结构参数，就是分段高度、进路间距、崩矿步距的最佳配合，不能离开其中任意2个参数而孤立地去讨论另一个参数的最佳问题。同时，需要用平面模型放矿验证试验来验证所选采场结构参数的正确性和合理性，并得到相应放矿模拟试验的采矿损失贫化指标。因此，平面模型放矿验证试验根据单体模型放矿试验确定的采场结构参数进行验证，即采用分段高度×进路间距×崩矿步距=10 m×10 m×3.9 m的采场结构参数。

2.2.1 模型設计

结合沿走向布置采场的实际情况，模型设计的相似模拟比CJ=50，矿体水平厚度为10 m，分段高度为10 m;共布置4个分段，每个分段在矿体下盘布置1条 回采进路。平面模型放矿验证试验采用的模型及参数设计如图5所示。在平面模型放矿验证试验中，设计矿体倾角分别为70°、60°、55°、50°。

2.2.2 试验结果及分析

由平面模型放矿验证试验结果可知，矿石贫化率为0时，矿石回收率达43.58 %～59.78 %，矿石回收率较高，说明单体模型放矿试验选取的采场结构参数是合理的。同时，随矿石贫化率增大，矿石回收率也逐步增高，但其增幅越来越小。当矿石贫化率达到25 %时，矿石回收率仅为61.87 %～81.14 %，这说明沿走向布置进路的无底柱分段崩落采矿法的矿石永久性损失比较多。从平面模型放矿验证试验终了状况也可以看出，由于矿体倾角小于放矿静止角，致使矿体下盘会有一定量的矿石永久性损失，并且矿体倾角越缓，下盘残留矿石越多，矿石回收率也就越低（如图6、图7所示）。

2.3 交叉进路放矿模拟试验

通过平面模型放矿验证试验可以看出，矿体倾角小于放矿静止角，致使矿体下盘有残留矿石损失。为了提高矿石回收率，进行了交叉进路放矿模拟试验。

交叉进路放矿模拟试验是在平面模型放矿验证试验的基础上进行的。模型设计仍采用10 m×10 m×3.9 m的采场结构参数，相似模拟比CJ=50，矿体水平厚度为10 m，分段高度为10 m;共布置4个分段，每个分段矿体下盘沿走向布置1条回采进路的同时，再在垂直走向交叉布置1个放矿口;分别进行60°、55°、50° 3种矿体倾角试验。

先按照平面模型放矿验证试验使该分段沿走向进路放矿，达到截止品位后停止，然后从垂直走向交叉布置的放矿口进行放矿，直到达到截止品位。依此类推，直到放完所有的出矿进路，一次试验结束。

交叉进路放矿模拟试验矿石回收率结果如表1所示，试验实况如图8所示。

由表1和图8可知：沿走向进路放矿截止后，再进行垂直走向交叉布置放矿口放矿，当矿体倾角为50°～60°时，矿石回收率可增加5.97～8.17百分点，即增加到51.75 %～60.82 %;矿石贫化率25 %时的矿石回收率可增加9.18～13.01百分点，即增加到74.88 %～87.98 %。

垂直走向放矿口放矿时的矿石回收率如表2所示;交叉进路放矿模拟试验与平面模型放矿验证试验的矿石回收率对比曲线如图9所示。

通过进行无底柱分段崩落采矿法室内放矿试验，在测试相关矿岩物理力学性质的基础上，采用单体模型放矿试验，测定各个放出高度条件下的放出椭球体长半轴、短半轴、偏心率和放矿静止角等，并按照矿石流动特性和放出椭球体的形态来确定分段高度、进路间距和崩矿步距等基本参数。然后按照单体模型放矿试验确定的采场结构参数，进行平面模型放矿验证试验，确定矿石回收率、矿石贫化率和采矿损失率等指标。同时，为了获得较好的矿石回收指标，还进行了交叉进路放矿模拟试验。根据试验结果，镇沅金矿无底柱分段崩落采矿法采用分段高度×进路间距×崩矿步距=10 m×10 m×3.9 m的采场结构参数是合理和可行的，采用交叉进路放矿时能获得较高的矿石回收率。

3 结 论

1）利用单体模型放矿试验，测定出各个基本参数;然后按照单体模型放矿试验所确定的采场结构参数，进行平面模型放矿验证试验，确定矿石回收率、矿石贫化率和采矿损失率等指标。

2）为了获得较好的矿石回收指标，进行了交叉进路放矿模拟试验，根据模拟试验结果，在矿石贫化率25 %的条件下，矿石回收率可达到74.88 %～87.98 %。试验结果为现场工业试验下盘残矿回收提供了技术支撑与依据。

[参 考 文 献]

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Determination of mining parameters4368E679-9811-4D03-B807-2586755A9846

of pillarless sublevel caving method in Zhenyuan Gold Mine

Jiang Yongheng

（Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.）

Abstract：Zhenyuan Gold Mine was designed to be mined by pillarless sublevel caving method.In order to improve the recovery of ore，reduce the mining loss rate and ore dilution rate and ensure the mine to achieve safe，efficient and low-cost recovery，the monomeric ore discharge model test，planar model ore discharge verification test and cross approach ore discharge simulation test were respectively conducted to determine stope structural parameters.According to the structural parameters determined by the monomeric model ore discharge test，the planar model ore discharge verification test was conducted to determine the indicators of ore recovery rate and ore dilution rate，and mining loss rate.In order to obtain better indicators of ore recovery，a cross approach mining simulation test is carried out，and according to the test results，under the condition that the ore dilution rate is 25 %，the ore recovery rate can reach 74.88 %-87.98 %.The final stope structural parameter is determined：sublevel height×approach spacing×caving step spacing=10 m×10 m×3.9 m.The result can provide technical support and basis for on-site industrial tests.

Keywords：pillarless sublevel caving method;stope structural parameters;ore discharge test;ore recorery rate;ore dilution rate

收稿日期：2021-11-20; 修回日期：2022-02-18

基金項目：中国黄金集团有限公司科研项目（ZJKJ-2017-CK003）

作者简介：姜永恒（1989—），男，辽宁朝阳人，工程师，硕士，从事金属矿山采矿技术研究工作;长春市南湖大路6760号，长春黄金研究院有限公司采矿研究所，130012;E-mail：jiangyongheng@126.com4368E679-9811-4D03-B807-2586755A9846