田 軍，李懷賓，楊曉明，張姝婧

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青龍溝金礦露天轉(zhuǎn)地下采場礦石貧化評估*

田 軍1，李懷賓2，楊曉明2，張姝婧2

(1.東北大學(xué) 深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學(xué) 采礦地壓與控制研究中心，遼寧 沈陽 110819)

為了研究采場的貧化問題，提出了一種ELOS(超挖深度)的量化指標(biāo)，以青龍溝采區(qū)北礦段為工程背景，采用Mathews穩(wěn)定性圖法，計算得出上盤超挖深度較小，均小于0.5 m；下盤超挖深度隨著采場長度的增加變化為0.7~1.6 m；通過數(shù)值計算，采場上盤超挖深度較小且變化不明顯，而下盤超挖深度變化較顯著，變化范圍為0.64~1.07 m。圖表法和數(shù)值模擬法得出的結(jié)果具有一致性，結(jié)果表明：在采場開挖時，下盤超挖較嚴(yán)重，應(yīng)加強采場下盤的支護。

貧化；超挖深度；Mathews圖表；數(shù)值模擬

礦產(chǎn)資源具有有限性和不可再生性，所以，優(yōu)化開發(fā)礦產(chǎn)資源、降低生產(chǎn)成本以及提高經(jīng)濟效益是礦山的重要目標(biāo)[1?2]。隨著礦產(chǎn)資源產(chǎn)量的逐漸增大，降低開采過程中的損失與貧化對于礦山降低生產(chǎn)成本至關(guān)重要。礦山在生產(chǎn)過程中，不正確的采礦方法、開采順序等都會致使大量的廢石混入礦堆，導(dǎo)致礦石貧化率增高，出礦品位相應(yīng)降低，加大采礦和礦石處理成本；因此，降低貧化率對于提高礦山的經(jīng)濟效益、充分利用礦產(chǎn)資源和延長礦山服務(wù)年限具有重要意義[3]。本文以青龍溝采區(qū)北礦段為研究對象，采用圖表和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對采場貧化進行分析。

1 現(xiàn)場工程地質(zhì)

大柴旦礦業(yè)有限公司青龍溝采區(qū)北礦段上部為露天開采，目前，露天開采已經(jīng)結(jié)束，主要開采青龍溝采區(qū)北礦段，即露天轉(zhuǎn)地下部分。青龍溝采區(qū)北礦段共探明4條礦體，其中M2礦體規(guī)模較大，圖1為青龍溝采區(qū)三維地質(zhì)模型。

青龍溝采區(qū)北礦段位于青龍溝復(fù)向斜的東南段，礦區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造和斷裂較發(fā)育，總體走向為NNW~SSE，與區(qū)域主構(gòu)造方向一致，礦區(qū)侵入巖主要為塊狀構(gòu)造，中元古代地層為薄~中厚層狀構(gòu)造。青龍溝金礦主礦體(M2)位于16250N-16550N勘探線間，形態(tài)呈-東傾的簡單板狀，向深部延伸時開始出現(xiàn)分支，傾向和走向上具有較好的穩(wěn)定連續(xù)性。礦體上盤為條帶狀大理巖，下盤為白云質(zhì)大理巖，礦體為蝕變的變質(zhì)砂巖。礦化區(qū)域厚度一般從數(shù)米至二十多米，厚度變化較大，礦體呈似層狀和透鏡狀，傾向NE，走向157°，傾角60°~90°，平均78°左右，礦體平均厚度約10 m。經(jīng)多年開采，剩余礦體走向長675 m，傾向最大延深174 m。

圖1 青龍溝采區(qū)三維地質(zhì)模型

根據(jù)青龍溝采區(qū)北礦段M2礦體的賦存特點，對急傾斜中厚礦體采用長礦房干式充填采礦法進行開采(見圖2)，采場高度設(shè)計為20 m，該方法采用深孔連續(xù)爆破后退式落礦，對出礦形成的空區(qū)進行連續(xù)干式充填。該采礦方法的優(yōu)點是連續(xù)爆破落礦、出礦和連續(xù)充填空區(qū)，即隨采隨充。理論上，該采礦方法沒有采場長度限制，這將減少切割天井?dāng)?shù)量，達(dá)產(chǎn)快、鉆孔、循環(huán)時間短，提高了勞動生產(chǎn)率，獲得了較好的經(jīng)濟效益。

圖2 長礦房連續(xù)干式充填采礦法

利用測線法對青龍溝采區(qū)北礦段礦巖進行結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析，根據(jù)巖石力學(xué)實驗和現(xiàn)場調(diào)查，采用Q、RMR和GSI分類方法對礦巖質(zhì)量進行評價，最后利用經(jīng)驗公式獲得礦巖力學(xué)參數(shù)[4]，如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2 礦石貧化主要影響因素分析

導(dǎo)致礦石貧化的影響因素很多，通常貧化是這些因素共同作用的結(jié)果。這使得很難檢測單一變量對貧化的影響。影響礦石貧化的主要原因可以分為3大類：鉆孔和爆破問題，不合適的采場尺寸設(shè)計和地質(zhì)條件問題。

2.1 鉆孔和爆破

鉆孔和爆破問題包括鉆孔精度和單位耗藥量。鉆孔精度是由于鉆孔位置、鉆孔傾角、鉆孔偏斜和鉆孔長度錯誤等造成的。鉆孔和爆破問題對礦石貧化的影響很難預(yù)測，因為沒有足夠的數(shù)據(jù)來比較鉆孔精度和超挖深度之間的關(guān)系。此外，鉆孔的不良性能也會導(dǎo)致各種各樣的結(jié)果，包括鉆孔損失、鉆孔間距的變化等。圖3顯示了鉆孔精度差的可能影響，藍(lán)色是計劃中的鉆孔，紅色是可能錯誤的鉆孔。由于這些鉆孔誤差作用的持續(xù)累積，爆破的對稱性也會發(fā)生變化，可能導(dǎo)致礦石貧化或礦石損失。

圖3 鉆孔精度的影響

2.2 采場尺寸設(shè)計

由于采場尺寸設(shè)計造成的貧化，意味著采場邊界的確定使得貧化幾乎是不可避免的，當(dāng)采出的礦量相同時，采場尺寸可以設(shè)計成不同情況，礦石貧化也會隨之變化。

2.3 地質(zhì)條件

地質(zhì)條件主要包括地應(yīng)力和采場圍巖條件，礦石貧化通常是由這2個因素相互作用造成的，如軟弱巖體的垮塌、冒落等。地質(zhì)問題與采場尺寸設(shè)計密切相關(guān)，因為良好的采場尺寸，可以減小礦石貧化程度。

3 礦石貧化評估

在開采過程中，礦石貧化是不可避免的。貧化又分為計劃內(nèi)貧化和計劃外貧化。計劃外貧化是由采場冒落或圍巖混入而導(dǎo)致的，計劃內(nèi)貧化則是由包含在礦體內(nèi)或采場邊界范圍內(nèi)隨回采而混入的廢石造成的(見圖4)。

圖4 計劃內(nèi)和計劃外貧化

依據(jù)以往的研究，礦石貧化可以用不同的方式進行定義，例如，長時間對生產(chǎn)進行監(jiān)測，獲得廢石和礦石的比例具有重要的意義，然而，這不是評估采場開采是否成功的最優(yōu)方式，如果只比較廢石和礦石的比例，即使是開采非常失敗的采場，當(dāng)坍塌的材料恰好是相鄰的采場礦石時，也可以具有較低的貧化率。英屬哥倫比亞大學(xué)的Brady(1998)引入“等效線性超挖深度()一詞來量化貧化的程度[5]，是指從采場邊界以外的體積除以相應(yīng)面的面積(見圖5)，這是一個很好的檢驗采場開采是否成功的方法，因為它不依賴于采場的體積，只與邊界的表面積的有關(guān)?？梢杂霉?1)計算，目前，青龍溝采區(qū)北礦段處于露天轉(zhuǎn)地下的接替階段，還沒有進行開采，無法現(xiàn)場監(jiān)測采場上下盤的超挖體積，所以本文采用經(jīng)驗圖表和數(shù)值

圖5 ELOS計算示意圖

模擬法來計算值。

3.1 圖表法

Mathews穩(wěn)定圖法是由Mathews等人于1980年首先提出的用于1000 m以內(nèi)硬巖礦山開采設(shè)計的方法。其中，Potvin(1988)、Potvin和Milne(1992)、Nickson(1992)通過對加拿大地下礦山350多個案例進行分析，提出一個新的穩(wěn)定性圖表，充分考慮了影響采場穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，穩(wěn)定性被定性地評估為穩(wěn)定、潛在的不穩(wěn)定或塌陷3種情況。估算圍巖超挖深度的穩(wěn)定圖表的設(shè)計過程是以穩(wěn)定數(shù)′和水力半徑這2個因子為基礎(chǔ)進行的。

描述采場條件的穩(wěn)定性系數(shù)′定義為[6]：

式中：′為修正后的巖體質(zhì)量系數(shù)；為巖石應(yīng)力系數(shù)，由完整巖石單軸抗壓強度c與采場最大主應(yīng)力1的比值確定，參照文獻(xiàn)[7]進行求解；為節(jié)理方位修正系數(shù)，其值由采場面傾角與主要節(jié)理組的傾角之差來度量，參照文獻(xiàn)[8]進行求解；為設(shè)計采場暴露面的重力調(diào)整系數(shù)，反映重力對采場巖體穩(wěn)定性的影響，參照文獻(xiàn)[9]進行求解。、、值見表2。

表2 穩(wěn)定性系數(shù)N′計算值

采場的水力半徑可以通過下式進行計算：

=/(3)

式中,為待分析采場的幫壁或者采空面的橫截面積；為待分析采場幫壁或者采空面的周長。

利用穩(wěn)定性圖對青龍溝采區(qū)北礦段采場上下盤超挖深度進行評估，已知采場高20 m，上盤和下盤的穩(wěn)定性系數(shù)′分別為：14.03和3.81，采場長度取12 m、24 m和36 m。分別進行計算(見圖6)，計算結(jié)果列于表3。上盤超挖深度較小且均小于0.5 m；下盤超挖深度隨著采場長度的增加變化為0.7~1.6 m。這說明當(dāng)采場開挖時，下盤超挖較嚴(yán)重，應(yīng)對下盤進行支護，防治大量廢石混入礦石堆。

3.2 數(shù)值模擬法

為了驗證上述經(jīng)驗圖表法的準(zhǔn)確性，運用FLAC3D軟件對采場圍巖超挖深度進行計算分析。

表3 采場上下盤超挖深度值

(1) 數(shù)值模型建立。本文充分考慮3Dmine、MIDAS/GTS和FLAC3D在建模、網(wǎng)格劃分和計算分析等方面的優(yōu)越性，建立了數(shù)值計算模型。模型尺寸：X方向長800 m，Y方向長1400 m，Z方向大約高900 m(地表起伏無確定值)，共有228684個節(jié)點，1355319個單元體，如圖7所示。模型邊界采用位移約束，模型四周限制水平方向的位移，模型底邊界限制X、Y和Z方向的位移，模型上部邊界設(shè)置成自由面，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。

圖7 數(shù)值計算模型

(2) 數(shù)值模擬結(jié)果及分析。圖8列出采場寬10 m、長12，24 m和36 m時的塑性區(qū)云圖。采場圍巖的塑性區(qū)體積通過fish語言編寫的顯示程序計算出來。利用公式(1)計算圍巖超挖深度，結(jié)果見表4。

由表4可知，隨著采場走向長度的增加采場圍巖超挖深度隨之增大，其中采場上盤超挖深度增加不明顯；圖表法和數(shù)值模擬法得出的結(jié)果具有一致性。

表4 采場圍巖超挖深度

4 結(jié) 論

本文運用(超挖深度)量化礦石的貧化，通過圖表法和數(shù)值模擬法對采場礦石貧化進行評估，主要得出以下結(jié)論：

(a) 采場長度12 m；(b) 采場長度24 m；(c) 采場長度36 m

(1) 運用Mathews穩(wěn)定性圖表，計算得出上盤超挖深度較小且均小于0.5 m；下盤超挖深度隨著采場長度的增加變化為0.7~1.6 m。

(2) 通過數(shù)值計算得出，采場上盤超挖深度較小(約0.28 m)且變化不明顯，而下盤超挖深度變化較顯著，變化范圍為0.64~1.07。圖表法和數(shù)值模擬法得出的結(jié)果具有一致性，結(jié)果表明：在采場開挖時，下盤超挖較嚴(yán)重，應(yīng)加強下盤的支護。

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(2018?08?30)

田 軍(1962—)，男，遼寧建平人，高級工程師，主要從事巖石力學(xué)實驗工作。

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0600803)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51474052)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(N150102001).