低品位厚大破碎矿体自然崩落法开采可行性分析

       0引言

自然崩落法是一种借助拉底及削弱工程诱导矿岩体中的应力发生变化，并借助岩体中的节理裂隙的发展而形成裂隙网，然后在自重作用下自然崩落，是一种不依赖凿岩爆破落矿的高强度低成本的大规模地下采矿方法［1-2］。自然崩落法往往是针对矿块或盘区进行的，其成功开采实践受多方面的影响，大体上可分为自然因素和工程因素2大类，其中自然因素主要包括地质因素、矿岩物理力学性质、矿岩结构面发育状况、地应力大小及分布情况等，工程因素主要为工程布置形式与施工方式等，由于影响自然崩落法开采的因素很多，导致其工程布置具有其特殊性，一旦开采失败难以转化为其他类型采矿方法或进行补救，会造成资源的极大浪费和损失，因此为了有效控制风险，在开采实践之前，必须进行大量的前期可行性论证及研究工作，以降低风险，确保自然崩落法的成功开采实践。
       黄山铜镍矿30#矿体为低品位厚大矿体，原设计采矿方法为无底柱分段崩落法，但由于其530m以上区域矿岩结构面较发育，在实际施工过程中巷道易出现变形和垮塌，支护工作量大且支护难度和成本高，给工程进度和井下作业安全造成了严重的威胁;另外，由于金属价格的持续低迷，采用原设计采矿方法难以产生效益，也不利于矿山步入正常的生产轨道。因此，矿山通过与科研院所合作开展联合攻关，以寻求更加符合安全高效需求的采矿方法，通过多方多次沟通，决定针对30#矿体(530m以上区域)自然崩落法开采的可行性进行深入研究。
       1矿山开采技术条件分析
       黄山铜镍矿为新建矿山，30#矿体赋存在Ⅰ号基性—超基性岩体内，呈隐伏状产出，其530m以上区域矿体长240m，平均厚度43m，矿体倾角50°～65°，平均倾角61°，个别地段较缓，矿石平均品位为Cu0．298%、Ni0．461%，总体上矿体形态变化不大，属低品位厚大矿体。矿体顶板岩性主要为斜长角闪橄榄岩、辉长苏长岩，底板岩性为角闪辉长岩、辉长苏长岩，局部为斜长角闪橄榄岩。矿区地质构造较为简单，虽然大型构造破碎带发育较少，但中小型结构面却较为发育，给地下工程施工带来了一定的不利影响，这一点在过去几年的基建工程施工过程得到了很好的印证［3］。
       另外，矿区工程地质类型属坚硬半坚硬为主的非层状矿床，不良工程地质问题较单一，为工程地质条件简单—中等的矿区。区内无地表水系和常年性河流，仅有切割不深的干谷分布，雨季形成暂时性洪流，雨后3～5d即消失，矿区发生塌方、泥石流、滑坡的可能性小，其地下水的主要补给源为大气降水，地下水交替作用极弱，因而总的来说水文地质简单。
       此外，矿区位于戈壁滩上，且区内上方地表及其附近无道路、管线工程及民用建筑，因而地表允许崩落。
       在矿山开采技术条件的基础上，结合现场实际情况，可知由于研究范围内矿石品位低、矿岩总体不稳固、金属价格低迷等因素的影响，导致原设计采矿方法无法正常进行，因此有必要对采矿方法进行相应的变更及专项研究，以保证采矿作业的安全和资源的合理利用与回收。另外，区内上方地表允许崩落，为自然崩落法的开采提供了可能，接下来有必要针对影响自然崩落法成功开采的自然因素进行大量的实验、调查、测试与分析，从而对区域内自然崩落法的可行性进行合理的综合评价。
       2相关调查、试验与测试
       2．1矿岩物理力学性质实验
       矿岩的物理力学性质直接影响矿岩体的整体特性，其性质对于矿岩崩落的形成与发展具有重要的作用，因此有必要对研究区域内的各类型岩石进行相应的物理力学性质实验。通过现场地质调查可知，范围内的岩石主要有细碧玢岩、橄榄辉石岩及部分地段的绿泥滑石千糜岩，其中细碧玢岩和橄榄辉石物理力学性质相对较好，因此可取样加工成标准试样进行室内力学实验，而部分绿泥滑石千糜岩不易于加工成规则形状的岩样，因此可进行点载荷试验现场测定其力学性质。
       黄山铜镍矿30#矿体(530m以上区域)典型矿岩物理力学特性实验结果见表1。
       2．2工程地质调查
       矿岩体中的结构面对于裂隙网的形成与发展具有不可或缺的作用，同时结构面的特性也直接影响着矿岩体的整体力学特性，因此在了解区域地质的基础上，需要对研究范围内的矿岩体进行细致的工程地质调查，以充分了解矿岩体中的结构面的发育及分布情况，为自然崩落的可行性分析提供现实基础依据。
       岩体结构面凋查一般可采用岩芯调查法和坑道调查法，而坑道调查法准确程度要高得多，但其工作量也较大。本次采用坑道调查法，通过布置测线的方式，逐条测量结构面的基距、产状、持续性、张开度、粗糙度、充填或胶结情况、风化或蚀变程度、渗水情况等。然后基于数理统计，对调查结果分别进行整理、统计和分析，以得出矿岩体中优势结构面产状、发育情况及特性。针对黄山铜镍矿30#矿体(530m以上区域)现场实际情况和分析需要，结合矿体及上下盘岩体赋存状况，调查范围确定为114线～119线之间穿脉巷和部分沿脉巷，对露头良好、具有代表性的区段进行详细调查，此次调查共布置测线15条，调查总长度402．2m，调查结构面数量共计1378条，最终调查统计结果见图1。

       根据上述调查结果可知，矿岩体中的结构面总体较为发育，其中矿体最为发育，其具有198°∠80°，101°∠77°，54°∠33°和139°∠78°这4组优势结构面;上盘岩体中发育有51°∠86°，84°∠69°和7°∠34°这3组优势结构面;而下盘岩体中则发育有38°∠82°和10°∠75°这2组结构面。同时，根据现场调查可知，矿体中的平均结构面线密度为2．81条/m，平均间距0．36m，结构面多呈微粗糙型张开状态，普遍延伸较长，岩壁表面干燥，中等分化。
       2．3原岩应力测试
       原岩应力是地壳中未受到工程扰动的天然应力，其主要由自重应力、构造应力、孔隙压力等耦合而成，在自然崩落法开采研究中，原岩应力是促使矿体在诱导工程下发生自然崩落的内在和根本因素，地应力的大小和分布情况对于自然崩落法的可行性研究具有决定性的作用，但由于地应力状态的复杂性和多变性，其大小往往很难以通过解析解的方式进行计算或通过模型进行模拟，获得地应力最为有效的方式是进行现场测量［4-5］。
       为了弄清黄山铜镍矿30#矿体所在区域的地应力大小和分布情况，采用空心包体应变测量技术对可行性研究范围及其附近区域进行了地应力现场测试，运用数字式空心包体应力计成功进行了钻孔套芯应力解除，其最终测试结果见表2。

       根据上述测试结果分析可知，530m中段和450m中段的原岩应力分布总体规律是一致的，其最大主应力分别为24．9MPa和29．5MPa，且方向均为近水平方向;最小主应力分别为9．6MPa和13．1MPa，且方向均为近垂直方向。矿山总体的地应力大小和分布符合一般的应力分布规律，即水平应力普遍大于垂直应力且最大主应力往往是垂直应力的2倍以上，各主应力大小随着深度呈线性增长关系。

3研究区域自然崩落法开采可行性分析
       3．1技术可行性分析
       (1)根据典型岩石物理力学实验结果分析可知，范围内矿岩总体的物理力学特性较好，能够满足一般工程施工的需要，但局部地段存在着绿泥滑石千糜岩，虽然对于工程施工会造成一定的影响，但其存在有利于矿体自然冒落。另外，含矿岩石(橄榄辉石岩)的力学特性较好，对矿体崩落成较小的矿石块度有一定的影响，但同时若发生崩落出现粉矿的概率则相对较小。

(2)根据工程地质调查结果分析可知，矿体内分布有3组发育良好的垂向结构面，以及1组发育较缓的结构面，满足了自然崩落有一组水平节理的要求，在工程诱导和地应力作用下，能够较好的发展成三维的裂隙网，有利于矿石的不断冒落，为自然崩落法有效实施提供了较为良好的、理想的地质环境。而下盘岩体中的结构面发育相对较弱，因此适合布置底部结构等工程。
       (3)根据原岩应力测试结果可知，调查范围内的最大主应力方向为近水平方向，在拉底过程中其夹制作用会在一定程度上妨碍矿石的崩落，同时由于最大主应力方向与部分优势结构面成大角度相交，其对于结构面的法向应力作用会不利于节理裂隙在崩落过程中的扩展和延伸，但在矿体边界合适的位置布置一定的削弱工程，即可减小此部分应力的不利作用。
       根据上述自然崩落法可行性分析相关的基础实验、调查和测试结果分析可知，研究区域的地质、物理力学等条件能够满足自然崩落的基本条件，在工程布置和施工合理的情况下，辅助以必要的削弱工程，研究区域采用自然崩落法开采在技术上是安全高效和可行的。
       3．2经济效益分析
       经过矿山地质部门对研究范围内矿体的二次圈定可知，30#矿体(530m以上区域)可采矿量约150万t，镍金属量6900t，铜金属量4950t，按照当前的金属价格和选矿回收率计算，可知研究范围内的吨矿价值为211．2元，预计可创造产值31680万元。本次自然崩落法开采可行性中的成本计算包括掘进摊销、支护成本、采矿直接成本(包括车间经费)、二次破碎、选矿成本等，按照当地的材料单价和矿山提供的施工单价对成本进行估算，采用自然崩落法开采的单位矿石综合成本为184．56元/t，研究区域内的矿石全部回采的总成本为27684万元，则可实现销售利润3996万元，净利润3396．6万元(扣除15%的利税)，并且能够满足矿山2～3a的开采需求，对保证矿山进入正常生产具有十分重要的过渡作用。
       4结论
       针对黄山铜镍矿30#(530m以上区域)低品位厚大破碎矿体自然崩落法可行性进行了大量的基础研究工作，主要包括开采技术条件分析、矿岩物理力学实验、工程地质调查及原岩应力测试等，根据实验、调查及测试结果综合分析可知，研究区域内的地质条件较简单，在工程布置及施工合理，以及辅以必要削弱工程的情况下，矿岩物理力学性质、结构面发育情况以及原岩应力状况总体而言在技术上是比较适合矿体崩落的。另外，从经济上分析可知，采用自然崩落法开采能够创造较大的产值和利润，与原设计采矿方法难以盈利的状况相比，具有较大的优越性。因此，在研究区域矿石品位低、矿岩总体不稳固、铜镍金属价格低迷等情况下，采用自然崩落法开采是可行的。
       参考文献:
       ［1］文有道，李向东．金川Ⅲ矿区矿岩可崩性研究［J］．矿业研究与开发，2007，27(05):4-5，16．
       ［2］张宝，李永辉，文兴，等．黄山铜镍硐厚大矿床矿岩可崩性研究［J］．矿业研究与开发，2015，35(7):1-4
       ［3］李向东，李永辉，万兵，等．黄山铜镍矿30号矿体(530以上)自然崩落法可行性研究［R］．长沙:长沙矿山研究院有限责任公司，新疆亚克斯资源开发股份有限公司，2014．
       ［4］马春德，李夕兵，陈枫，等．自然崩落法矿山深部地应力场分布规律的测试研究［J］．矿冶工程．2010，30(06):10-14，22．
       ［5］蔡美峰，何满潮，刘东燕．岩石力学与工程［M］．北京:科学出版社，2002:129-176．