何德強(qiáng)，李永輝，江飛飛

(1.新疆亞克斯資源開發(fā)股份有限公司，　新疆 哈密市　839000； 2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙　410012； 3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，　湖南 長沙　410012)

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低品位厚大破碎礦體自然崩落法開采可行性分析

何德強(qiáng)1，李永輝2,3，江飛飛2,3

(1.新疆亞克斯資源開發(fā)股份有限公司，新疆 哈密市839000； 2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙410012； 3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙410012)

摘要：針對黃山銅鎳礦30#低品位厚大破碎礦體(530 m以上區(qū)域)的特點(diǎn)，以及原設(shè)計(jì)無底柱分段崩落法無法正常開采的現(xiàn)狀和所面臨的技術(shù)難題，在大量前期調(diào)查、試驗(yàn)和現(xiàn)場測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，對此區(qū)域礦體自然崩落法開采的可行性進(jìn)行了深入的探討和分析，結(jié)果表明研究區(qū)域適合采用自然崩落法開采，并且是目前開采此區(qū)域較為經(jīng)濟(jì)有效的采礦方法。

關(guān)鍵詞：低品位厚大破碎礦體；自然崩落法；可行性分析

0引言

自然崩落法是一種借助拉底及削弱工程誘導(dǎo)礦巖體中的應(yīng)力發(fā)生變化，并借助巖體中的節(jié)理裂隙的發(fā)展而形成裂隙網(wǎng)，然后在自重作用下自然崩落，是一種不依賴鑿巖爆破落礦的高強(qiáng)度低成本的大規(guī)模地下采礦方法[1-2]。自然崩落法往往是針對礦塊或盤區(qū)進(jìn)行的，其成功開采實(shí)踐受多方面的影響，大體上可分為自然因素和工程因素2大類，其中自然因素主要包括地質(zhì)因素、礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、礦巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況、地應(yīng)力大小及分布情況等，工程因素主要為工程布置形式與施工方式等，由于影響自然崩落法開采的因素很多，導(dǎo)致其工程布置具有其特殊性，一旦開采失敗難以轉(zhuǎn)化為其他類型采礦方法或進(jìn)行補(bǔ)救，會造成資源的極大浪費(fèi)和損失，因此為了有效控制風(fēng)險(xiǎn)，在開采實(shí)踐之前，必須進(jìn)行大量的前期可行性論證及研究工作，以降低風(fēng)險(xiǎn)，確保自然崩落法的成功開采實(shí)踐。

黃山銅鎳礦30#礦體為低品位厚大礦體，原設(shè)計(jì)采礦方法為無底柱分段崩落法，但由于其530 m以上區(qū)域礦巖結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，在實(shí)際施工過程中巷道易出現(xiàn)變形和垮塌，支護(hù)工作量大且支護(hù)難度和成本高，給工程進(jìn)度和井下作業(yè)安全造成了嚴(yán)重的威脅；另外，由于金屬價(jià)格的持續(xù)低迷，采用原設(shè)計(jì)采礦方法難以產(chǎn)生效益，也不利于礦山步入正常的生產(chǎn)軌道。因此，礦山通過與科研院所合作開展聯(lián)合攻關(guān)，以尋求更加符合安全高效需求的采礦方法，通過多方多次溝通，決定針對30#礦體(530 m以上區(qū)域)自然崩落法開采的可行性進(jìn)行深入研究。

1礦山開采技術(shù)條件分析

黃山銅鎳礦為新建礦山，30#礦體賦存在Ⅰ號基性—超基性巖體內(nèi)，呈隱伏狀產(chǎn)出，其530 m以上區(qū)域礦體長240 m，平均厚度43 m，礦體傾角50°～65°，平均傾角61°，個(gè)別地段較緩，礦石平均品位為Cu 0.298%、Ni 0.461%，總體上礦體形態(tài)變化不大，屬低品位厚大礦體。礦體頂板巖性主要為斜長角閃橄欖巖、輝長蘇長巖，底板巖性為角閃輝長巖、輝長蘇長巖，局部為斜長角閃橄欖巖。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，雖然大型構(gòu)造破碎帶發(fā)育較少，但中小型結(jié)構(gòu)面卻較為發(fā)育，給地下工程施工帶來了一定的不利影響，這一點(diǎn)在過去幾年的基建工程施工過程得到了很好的印證[3]。

另外，礦區(qū)工程地質(zhì)類型屬堅(jiān)硬半堅(jiān)硬為主的非層狀礦床，不良工程地質(zhì)問題較單一，為工程地質(zhì)條件簡單—中等的礦區(qū)。區(qū)內(nèi)無地表水系和常年性河流，僅有切割不深的干谷分布，雨季形成暫時(shí)性洪流，雨后3～5 d即消失，礦區(qū)發(fā)生塌方、泥石流、滑坡的可能性小，其地下水的主要補(bǔ)給源為大氣降水，地下水交替作用極弱，因而總的來說水文地質(zhì)簡單。此外，礦區(qū)位于戈壁灘上，且區(qū)內(nèi)上方地表及其附近無道路、管線工程及民用建筑，因而地表允許崩落。

在礦山開采技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，可知由于研究范圍內(nèi)礦石品位低、礦巖總體不穩(wěn)固、金屬價(jià)格低迷等因素的影響，導(dǎo)致原設(shè)計(jì)采礦方法無法正常進(jìn)行，因此有必要對采礦方法進(jìn)行相應(yīng)的變更及專項(xiàng)研究，以保證采礦作業(yè)的安全和資源的合理利用與回收。另外，區(qū)內(nèi)上方地表允許崩落，為自然崩落法的開采提供了可能，接下來有必要針對影響自然崩落法成功開采的自然因素進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)、調(diào)查、測試與分析，從而對區(qū)域內(nèi)自然崩落法的可行性進(jìn)行合理的綜合評價(jià)。

2相關(guān)調(diào)查、試驗(yàn)與測試

2.1礦巖物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)直接影響礦巖體的整體特性，其性質(zhì)對于礦巖崩落的形成與發(fā)展具有重要的作用，因此有必要對研究區(qū)域內(nèi)的各類型巖石進(jìn)行相應(yīng)的物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查可知，范圍內(nèi)的巖石主要有細(xì)碧玢巖、橄欖輝石巖及部分地段的綠泥滑石千糜巖，其中細(xì)碧玢巖和橄欖輝石物理力學(xué)性質(zhì)相對較好，因此可取樣加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，而部分綠泥滑石千糜巖不易于加工成規(guī)則形狀的巖樣，因此可進(jìn)行點(diǎn)載荷試驗(yàn)現(xiàn)場測定其力學(xué)性質(zhì)。

黃山銅鎳礦30#礦體(530 m以上區(qū)域)典型礦巖物理力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

2.2工程地質(zhì)調(diào)查

礦巖體中的結(jié)構(gòu)面對于裂隙網(wǎng)的形成與發(fā)展具有不可或缺的作用，同時(shí)結(jié)構(gòu)面的特性也直接影響著礦巖體的整體力學(xué)特性，因此在了解區(qū)域地質(zhì)的基礎(chǔ)上，需要對研究范圍內(nèi)的礦巖體進(jìn)行細(xì)致的工程地質(zhì)調(diào)查，以充分了解礦巖體中的結(jié)構(gòu)面的發(fā)育及分布情況，為自然崩落的可行性分析提供現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)依據(jù)。

巖體結(jié)構(gòu)面凋查一般可采用巖芯調(diào)查法和坑道調(diào)查法，而坑道調(diào)查法準(zhǔn)確程度要高得多，但其工作量也較大。本次采用坑道調(diào)查法，通過布置測線的方式，逐條測量結(jié)構(gòu)面的基距、產(chǎn)狀、持續(xù)性、張開度、粗糙度、充填或膠結(jié)情況、風(fēng)化或蝕變程度、滲水情況等。然后基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)，對調(diào)查結(jié)果分別進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)和分析，以得出礦巖體中優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、發(fā)育情況及特性。針對黃山銅鎳礦30#礦體(530 m以上區(qū)域)現(xiàn)場實(shí)際情況和分析需要，結(jié)合礦體及上下盤巖體賦存狀況，調(diào)查范圍確定為114線～119線之間穿脈巷和部分沿脈巷，對露頭良好、具有代表性的區(qū)段進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，此次調(diào)查共布置測線15條，調(diào)查總長度402.2 m，調(diào)查結(jié)構(gòu)面數(shù)量共計(jì)1378條，最終調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1。

根據(jù)上述調(diào)查結(jié)果可知，礦巖體中的結(jié)構(gòu)面總體較為發(fā)育，其中礦體最為發(fā)育，其具有198°∠80°，101°∠77°，54°∠33°和139°∠78°這4組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面；上盤巖體中發(fā)育有51°∠86°，84°∠69°和7°∠34°這3組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面；而下盤巖體中則發(fā)育有38°∠82°和10°∠75°這2組結(jié)構(gòu)面。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查可知，礦體中的平均結(jié)構(gòu)面線密度為2.81條/m，平均間距0.36 m，結(jié)構(gòu)面多呈微粗糙型張開狀態(tài)，普遍延伸較長，巖壁表面干燥，中等分化。

表1　礦區(qū)典型礦巖物理力學(xué)特性

圖1　礦體及上下盤巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3原巖應(yīng)力測試

原巖應(yīng)力是地殼中未受到工程擾動的天然應(yīng)力，其主要由自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力等耦合而成，在自然崩落法開采研究中，原巖應(yīng)力是促使礦體在誘導(dǎo)工程下發(fā)生自然崩落的內(nèi)在和根本因素，地應(yīng)力的大小和分布情況對于自然崩落法的可行性研究具有決定性的作用，但由于地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性，其大小往往很難以通過解析解的方式進(jìn)行計(jì)算或通過模型進(jìn)行模擬，獲得地應(yīng)力最為有效的方式是進(jìn)行現(xiàn)場測量[4-5]。

為了弄清黃山銅鎳礦30#礦體所在區(qū)域的地應(yīng)力大小和分布情況，采用空心包體應(yīng)變測量技術(shù)對可行性研究范圍及其附近區(qū)域進(jìn)行了地應(yīng)力現(xiàn)場測試，運(yùn)用數(shù)字式空心包體應(yīng)力計(jì)成功進(jìn)行了鉆孔套芯應(yīng)力解除，其最終測試結(jié)果見表2。

根據(jù)上述測試結(jié)果分析可知，530 m中段和450 m中段的原巖應(yīng)力分布總體規(guī)律是一致的，其最大主應(yīng)力分別為24.9 MPa和29.5 MPa，且方向均為近水平方向；最小主應(yīng)力分別為9.6 MPa和13.1 MPa，且方向均為近垂直方向。礦山總體的地應(yīng)力大小和分布符合一般的應(yīng)力分布規(guī)律，即水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力且最大主應(yīng)力往往是垂直應(yīng)力的2倍以上，各主應(yīng)力大小隨著深度呈線性增長關(guān)系。

3研究區(qū)域自然崩落法開采可行性分析

3.1技術(shù)可行性分析

(1) 根據(jù)典型巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，范圍內(nèi)礦巖總體的物理力學(xué)特性較好，能夠滿足一般工程施工的需要，但局部地段存在著綠泥滑石千糜巖，雖然對于工程施工會造成一定的影響，但其存在有利于礦體自然冒落。另外，含礦巖石(橄欖輝石巖)的力學(xué)特性較好，對礦體崩落成較小的礦石塊度有一定的影響，但同時(shí)若發(fā)生崩落出現(xiàn)粉礦的概率則相對較小。

表2　原巖應(yīng)力測試結(jié)果

(2) 根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果分析可知，礦體內(nèi)分布有3組發(fā)育良好的垂向結(jié)構(gòu)面，以及1組發(fā)育較緩的結(jié)構(gòu)面，滿足了自然崩落有一組水平節(jié)理的要求，在工程誘導(dǎo)和地應(yīng)力作用下，能夠較好的發(fā)展成三維的裂隙網(wǎng)，有利于礦石的不斷冒落，為自然崩落法有效實(shí)施提供了較為良好的、理想的地質(zhì)環(huán)境。而下盤巖體中的結(jié)構(gòu)面發(fā)育相對較弱，因此適合布置底部結(jié)構(gòu)等工程。

(3) 根據(jù)原巖應(yīng)力測試結(jié)果可知，調(diào)查范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力方向?yàn)榻椒较?，在拉底過程中其夾制作用會在一定程度上妨礙礦石的崩落，同時(shí)由于最大主應(yīng)力方向與部分優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面成大角度相交，其對于結(jié)構(gòu)面的法向應(yīng)力作用會不利于節(jié)理裂隙在崩落過程中的擴(kuò)展和延伸，但在礦體邊界合適的位置布置一定的削弱工程，即可減小此部分應(yīng)力的不利作用。

根據(jù)上述自然崩落法可行性分析相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、調(diào)查和測試結(jié)果分析可知，研究區(qū)域的地質(zhì)、物理力學(xué)等條件能夠滿足自然崩落的基本條件，在工程布置和施工合理的情況下，輔助以必要的削弱工程，研究區(qū)域采用自然崩落法開采在技術(shù)上是安全高效和可行的。

3.2經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)過礦山地質(zhì)部門對研究范圍內(nèi)礦體的二次圈定可知，30#礦體(530 m以上區(qū)域)可采礦量約150萬t，鎳金屬量6900 t，銅金屬量4950 t，按照當(dāng)前的金屬價(jià)格和選礦回收率計(jì)算，可知研究范圍內(nèi)的噸礦價(jià)值為211.2元，預(yù)計(jì)可創(chuàng)造產(chǎn)值31680萬元。本次自然崩落法開采可行性中的成本計(jì)算包括掘進(jìn)攤銷、支護(hù)成本、采礦直接成本(包括車間經(jīng)費(fèi))、二次破碎、選礦成本等，按照當(dāng)?shù)氐牟牧蠁蝺r(jià)和礦山提供的施工單價(jià)對成本進(jìn)行估算，采用自然崩落法開采的單位礦石綜合成本為184.56元/t，研究區(qū)域內(nèi)的礦石全部回采的總成本為27684萬元，則可實(shí)現(xiàn)銷售利潤3996萬元，凈利潤3396.6萬元(扣除15%的利稅)，并且能夠滿足礦山2～3 a的開采需求，對保證礦山進(jìn)入正常生產(chǎn)具有十分重要的過渡作用。

4結(jié)論

針對黃山銅鎳礦30#(530 m以上區(qū)域)低品位厚大破碎礦體自然崩落法可行性進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究工作，主要包括開采技術(shù)條件分析、礦巖物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)、工程地質(zhì)調(diào)查及原巖應(yīng)力測試等，根據(jù)實(shí)

驗(yàn)、調(diào)查及測試結(jié)果綜合分析可知，研究區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件較簡單，在工程布置及施工合理，以及輔以必要削弱工程的情況下，礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況以及原巖應(yīng)力狀況總體而言在技術(shù)上是比較適合礦體崩落的。另外，從經(jīng)濟(jì)上分析可知，采用自然崩落法開采能夠創(chuàng)造較大的產(chǎn)值和利潤，與原設(shè)計(jì)采礦方法難以盈利的狀況相比，具有較大的優(yōu)越性。因此，在研究區(qū)域礦石品位低、礦巖總體不穩(wěn)固、銅鎳金屬價(jià)格低迷等情況下，采用自然崩落法開采是可行的。

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作者簡介：何德強(qiáng)(1986-)，男，新疆烏魯木齊人，助理工程師，主要從事礦山技術(shù)和生產(chǎn)管理工作，Email:365152694@qq.com。