罗卜岭铜钼矿自然崩落法安全开采方案研究_刘欢.pdf

收稿日期2019-12-29 基金项目 “十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0801601） ， 国家自然科学基金重点项目 （编号 51534003） 。 作者简介刘欢 （1990－） ， 男， 博士研究生。通讯作者任凤玉 （1956－） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 523 期 2020 年第 1 期 金属矿山 METAL MINE 罗卜岭铜钼矿自然崩落法安全开采方案研究 刘欢 1 任凤玉 1 付毅 2 邱胜光 21 （1. 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819； 2. 紫金矿业集团股份有限公司， 福建 龙岩 364200） 摘要罗卜岭铜钼矿是紫金山金铜矿的接续生产矿山， 该矿床矿体厚大、 矿石低品较低， 需要进行大规模高 效开采， 但RQD值较高， 给常规自然崩落法开采带来了较大难度。根据矿床地质条件并利用岩芯数据， 按Q分级法 进行了可崩性分级， 建立了Q值的三维空间模型， 展示了可崩性的空间变化关系。结合矿体形态提出了自然崩落 法的改进方案， 即用不同的拉底工程， 以适应矿体不同的节理裂隙发育程度， 由此控制初始冒落块度， 并根据矿体 赋存条件， 设计了分区开采方案。研究表明 所提出的改进拉底方式的分区开采方案， 可有效适应罗卜岭铜钼矿矿 体规模大、 矿石微节理发育的特性， 既可有效控制矿体初始冒落块度， 又可满足矿山产量需求， 可实现该矿自然崩 落法安全开采。 关键词地下开采自然崩落法可崩性分区开采拉底工程 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -01-1044-05 DOI10.19614/ki.jsks.202001005 Study on the Efficient Mining Scheme of Block Caving Mining of Luoboling Copper-molybdenum Mine Liu Huan1Ren Fengyu1Fu Yi2Qiu Shengguang22 （1. School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China； 2. Zijin Mining Group Co.， Ltd.， Longyan 364200， China） AbstractLuoboling copper-molybdenum mine is a continuous production mine of Zijinshan gold-copper mine.The ore body of the deposit is thick and the ore grade is low.It needs large-scale and efficient mining， but the RQD value is high.It brings difficulties to conventional block caving mining.According to the geological conditions of the deposit and the core data， the cavability classification is carried out based on the Q-classification .A three-dimensional spatial model of Q value is established， which shows the spatial variation of cavability. Combining with the orebody shape， an improved scheme of the block caving is put forward.The different undercut engineerings are used to adapt to the development of different discontinui- ties in the orebody， which can control the initial caving block size.According to the shape of orebodies， the zoning mining scheme is proposed.The study results show that the zoning mining scheme proposed in this paper can better adapt to the char- acteristics of large-scale Luoboling copper-molybdenum orebody and the development of discontinuities.It can not only effec- tively control the initial caving fragmentation of ore， but also meet the demand of mine output.Therefore， the goal of the safty mining of Luoboling copper-molybdenum mine by block caving mining can be realized. KeywordsUnderground mining， Block caving mining， Cavability， Zoning mining， Undercut engineering Series No. 523 January2020 自然崩落法起源于 19 世纪末美国密歇根州 Menominee Ranges铁矿， 随后在美国的 Pewabic铁矿 首次得到应用与发展 ［1］。经过100多年的不断发展， 该方法已在美国、 智利、 印度尼西亚、 南非、 澳大利 亚、 加拿大等20多个国家的矿山中得到了应用与研 究 ［2］。20世纪60年代以前， 自然崩落法主要用于开 采松软破碎不稳固的矿体， 随着岩体力学、 岩体可崩 性、 散体移动规律、 支护技术、 自然崩落法开采工艺 等技术和理论的不断发展与完善， 以及无轨自行设 备的普遍使用， 该方法已被用于开采坚硬稳固的厚 大矿体， 如 Palabora 铜矿、 Premier 金刚石矿、 North- parks E26铜金矿等 ［3］。目前， 针对低品位破碎软岩、 44 ChaoXing 低品位硬岩或其它难以用常规方法实现经济开采的 大规模矿床， 自然崩落法是一种有效选择。 我国于20世纪60年代在云南易门铜矿、 山东莱 芜铁矿开展过自然崩落法的采矿试验， 用于开采松 软破碎矿体 ［4］。20世纪80年代以来， 国内许多科研 单位分别在金山店铁矿 ［5］、 镜铁山铁矿［6］、 漓渚铁 矿 ［7］、 丰山铜矿［8］、 金川三矿［9］、 黄山铜镍矿［10］、 铜矿峪 铜矿 ［11-12］、 普朗铜矿［13-14］等矿山开展了自然崩落法的 试验研究。虽然我国自然崩落法在工程实践方面取 得了一定的进展， 但是自然崩落法的试验、 生产在我 国仅仅处于起步阶段 ［4］， 实践经验和生产管理等方面 仍有许多不足， 国内可供参考、 借鉴的矿山工程经验 较少， 自然崩落法在我国矿山的应用还有许多亟待 解决的技术难题。 自然崩落法是一种大规模和低成本的采矿方 法 ［15］， 具有生产能力大、 便于组织管理、 作业安全、 开 采成本低、 易于实现自动化等优点， 是唯一能与露天 矿开采经济效益相媲美的高效地下采矿工艺 ［4］。然 而， 该方法也是开采技术含量较高且对矿床地质条 件要求较严格的采矿工艺之一， 要求矿体具有良好 的可崩性， 在可崩性不能完全满足的条件下， 对于厚 大矿体， 冒落大块的控制与处理技术， 就成为事关自 然崩落法能否成功应用的关键技术之一。本研究结 合罗卜岭铜钼矿矿床条件， 在岩体可崩性分级及可 崩性三维空间模型构建的基础上， 研究冒落块度的 控制与处理方法， 进而设计出自然崩落法安全开采 方案。 1地质概况 罗卜岭铜钼矿属斑岩型矿床， 主要矿石矿物为黄 铜矿和辉钼矿。铜钼矿化主要赋存于中寮岩体 （似斑 状花岗闪长岩） 上部的四坊岩体 （花岗闪长岩） 和罗卜 岭岩体 （花岗闪长斑岩） 内， 并受 （弱） 钾化绢英岩化 蚀变带和 （弱） 绿泥石化绢英岩化蚀变带控制。根据 金属矿物组合、 矿化特征及空间分布位置， 区内共划分 出4个矿体， 自下而上分别为Ⅰ号、 Ⅱ号、 Ⅲ号和Ⅳ号 矿体， 矿体形态如图1所示。矿体空间上基本为隐伏 矿体 （局部出露地表） ， 最高出露标高561 m， 最低见矿 标高-345 m， 矿体控制长度约2 885 m， 宽约1 000 m， 展布面积约2.14 km2。矿体空间形态总体呈马鞍状 向外侧展布， 中部矿体平缓， 北西和南东侧矿体产状 较陡， 倾角主要为50～60； 北东侧矿体产状逐步变 缓， 倾角小于 40 ； 南西侧矿体近似水平 ［16］。矿体 RQD值较大， 平均约77。矿区构造应力以水平应 力为主， 侧压力系数为1.31～1.76。 2岩体可崩性分级 在矿山开采设计阶段， 判定岩体可崩性对于自 然崩落法开采方案设计及实施尤为关键 ［17］， 也是矿 山达到预期经济效益的重要保证 ［18-19］。目前， 可崩性 分级方法众多， 不同方法确定的可崩性影响因素及 其判定的相互作用关系不同。Barton等提出的Q分 级法 ［20-21］， 突出了影响因素的相互作用关系， 是近年 来普遍应用的分级方法。该法综合了岩石质量指标 值 （RQD） 、 结构面组数 （Jn） 、 结构面粗糙度系数 （Jr） 、 结构面蚀变影响系数 （Ja） 、 结构面裂隙水折减系数 （Jw） 和应力折减系数 （SRF） 等6个方面因素的影响， 计算公式为 Q RQD Jn Jr Ja Jw SRF .（1） 式 （1） 中的 3 个比值分别反映了块度尺寸大小 RQD Jn ， 结构面抗剪强度 Jr Ja 和有效应力 Jw SRF3个综合 因素。现阶段， 罗卜岭铜钼矿尚无岩体揭露工程， 无 法直接获得与Q分级相关的地质条件和岩石物理力 学特性等参数。但该矿山在详查勘探阶段保留了 大量的钻孔岩芯， 依据钻孔与矿体间的位置关系， 确 定出了对矿岩控制作用大的钻孔， 如图1所示。基于 钻孔数据计算出的罗卜岭铜钼矿床的矿岩Q值分布 如图2所示。由图2可知 岩体可崩性为极易崩可 崩。 以图2中数据为数据源， 以块体模型作为Q值数 据的空间载体， 采用距离幂次反比法完成整个矿体 空间内未知块体模型的Q值估值。最小选择样品数 为5和最大选择样品数为15， 得到矿体Q值的空间分 刘欢等 罗卜岭铜钼矿自然崩落法安全开采方案研究2020年第1期 45 ChaoXing 布见图3。由该图分析可知 Q值随空间位置变化而 发生相邻级别变化， 变化幅度不大， 这一特点有利于 冒落进程与冒落块度控制。 3自然崩落法安全开采方案 罗卜岭铜钼矿床地质储量大， 矿石品位较低， 需 要规模效益， 矿山拟定了5 万t/d的生产目标。有利 的开采条件是矿体规模大， 不利的条件是矿体形态 比较复杂， 厚度与倾角变化大， 矿岩可崩性差异大， RQD值较大， 构造应力以水平应力为主。为适应矿 体的多态变化、 满足安全高效开采需求， 需要改进自 然崩落采矿法以及实现分区开采。 3. 1底部结构及拉底方法改进 罗卜岭铜钼矿RQD值大， 预计自然崩落法初始 冒落块度较大， 底部结构需要有足够的放矿能力， 方 可放出较大块度的矿石。此外， 矿石层高度最大达 508 m， 一个出矿口需放出矿石量近40 万t， 为此底部 结构还需要有足够的稳定性， 需采取强有力的支护 和加固措施， 且应尽可能减少二次破碎。底部结构 工程平面布置形式如图 4所示， 穿脉出矿巷道间距 30 m， 与穿脉巷道成50角掘进装矿进路， 出矿进路 采用分支鲱骨式布置方式， 从聚矿巷两端铲运矿石， 聚矿巷间距15 m。 自然崩落法常用的出矿底部结构和拉底工程如 图5 （a） 所示， 本研究采用前进式拉底方式， 拉底水平 设在出矿水平之上 16 m， 一般拉底超前 20～30 m 为 宜， 可卸掉聚矿巷压力。在两条出矿巷道之间的上 方布置两条平行的拉底巷道， 拉底巷道间距为13～17 m。图5 （a） 所示的标准拉底形式适合于节理裂隙发 育的矿体， 当节理裂隙不发育时， 矿体初始冒落时易 产生大块， 给生产处理造成困难。为降低初始冒落 大块的尺度与大块率， 可利用采动压力与散体移动 场破碎大块。 利用采动压力与散体移动场破碎大块的方法原 理为， 根据矿体节理裂隙发育程度， 通过增大拉底工 程的爆破范围， 改善采空区顶板矿体的应力状态， 增 大采动压力的作用时间， 使矿体裂隙扩张， 减小初始 冒落的大块块度， 并利用放矿散体移动场的挤压破 碎作用， 进一步降低大块尺寸与大块率。具体做法 是， 根据拉底巷道揭露的矿体节理裂隙发育程度确 定拉底方式， 当节理裂隙发育时， 采用图5 （a） 所示的 标准拉底方式； 当矿体节理裂隙中等发育时， 拉底工 程采用图5 （b） 所示的炮孔布置形式， 改善采空区顶 板围岩的应力状态； 当矿体节理裂隙不发育时， 采用 图5 （c） 所示的双层拉底方式， 增加一层拉底巷道， 在 改善采空区顶板围岩应力状态的同时， 利用两个分 段的放矿进一步降低大块块度与大块率， 保障自然 崩落法顺利生产。 3. 2分区开采方案及首采区确定 在地质剖面图上， 根据岩体可崩性、 矿体形态、 矿体底板位置及拉底工程对矿体待崩落范围的控制 程度等， 确定底部采准工程位置。将底部采准工程 接近于同一水平的区域连在一起， 构成一个分区； 同 金属矿山总第523期2020年第1期 46 ChaoXing 时， 将矿体底板标高变化大的部位也连在一起， 作为 特殊采区， 由此得出如图6所示的分区方案。 首采区选择的原则为 ①矿体开采条件好， 水平 投影面积大、 厚度大， 应用自然崩法开采的采准系数 较低， 经济效益较好， 以便快速回收开拓投资； ②能 够快速卸掉矿床构造应力 （水平压力） ， 克服矿床水 平压力大的不利影响， 便于采场地压管理； ③一旦个 别采场底部结构遭受地压破坏， 便于在其下部布置 底部结构， 回收存于采场内的矿石。按照该原则， 选 择图6中No.1分区作为首采区， 该分区拉底巷道适合 布置于-216 m水平， 出矿巷道布置在-232 m水平， 其 底部结构位置较低， 便于卸掉构造应力。首采区矿 体水平面积 261 674 m2， 周长 2 639 m， 水力半径为 99.16 m。首采区稳定数 N 为 0.15～1.28 （按 Q 值转 换） ， 由Mathews稳定图得出首采区矿体发生崩落时 的水力半径为16～52 m， 首采区水力半径为99.16 m， 表明首采区位于崩落区内。 4结论 （1） 基于岩芯数据建立的罗卜岭铜钼矿Q值三维 空间模型， 直观显示出Q值随空间位置变化平缓， 相 邻矿体可崩性变化幅度不大， 这一特点有利于冒落 进程与冒落块度控制， 加之矿体规模大而微节理发 育， 适合进行自然崩落法开采。 （2） 罗卜岭铜钼矿RQD值大， 预计自然崩落法初 始冒落块度较大， 采用采动压力与散体移动场破碎 大块的方法， 提出了针对不同节理裂隙发育程度的 拉底方法， 从而保障自然崩落法顺利生产。 （3） 根据矿体形态与可崩性空间分布， 应用改进 的自然崩落法， 可分为6区开采， 以适应矿体形态变 化大、 地下开采产能要求高的需求。首采区应选择 在位置较低、 规模较大的第一采区， 以便快速增大产 能与卸掉构造应力。 参 考 文 献 Brown E T. 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