复杂开采条件下低品位镍矿安全高效回采方案研究_谭宝会.pdf

88第31卷第1期2023 年 2 月Vol.31 No.1Feb.，2023Gold Science and Technology复杂开采条件下低品位镍矿安全高效回采方案研究谭宝会1，王永定2，张志贵1，龙卫国2，李斌1，何建元2，龚臻21.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.金川集团有限公司龙首矿，甘肃 金昌 737100摘 要：在龙首矿西二采区上部中段采矿方法由胶结充填法转为无底柱分段崩落法时，矿山面临着覆盖层形成及矿石损失贫化控制等一系列技术难题。首先提出了大体积胶结充填体诱导冒落覆盖层形成方案，分析得出胶结充填体具有较好的可冒性；然后对胶结充填体破碎后的块度分布规律进行了研究，结果表明胶结充填体在破碎过程中不会产生大量粉状物，因此不会造成矿石提前贫化；最后针对崩落法采场仅有的4个回采分段提出一种组合式放矿方案，并对该方案在矿石贫损控制方面的有效性进行了试验验证。将各项研究成果应用于现场生产实践，成功诱导顶板胶结充填体冒落形成覆盖层，在获得良好矿石贫损指标的基础上，使采场产能提升30%，采矿成本降低28%，在复杂开采条件下实现了低品位矿石的安全高效、低贫损及低成本开采。关键词：低品位镍矿；有限回采空间；无底柱分段崩落法；覆盖层形成；冒落块度；贫损控制中图分类号：TD853 文献标志码：A 文章编号：1005-2518（2023）01-0088-14 DOI：10.11872/j.issn.1005-2518.2023.01.146引用格式：TAN Baohui，WANG Yongding，ZHANG Zhigui，et al.Study on Safety and Efficient Mining Scheme for Low Grade Nickel Ore Under Complex Mining Conditions J.Gold Science and Technology，2023，31（1）：88-101.谭宝会，王永定，张志贵，等.复杂开采条件下低品位镍矿安全高效回采方案研究 J.黄金科学技术，2023，31（1）：88-101.镍是支撑军工及航天事业发展的重要金属材料，镍矿资源已被列入我国战略性矿产目录。金川镍矿是闻名世界的镍矿石生产基地，其镍矿石产量居世界前列。经过60多年的开采，金川镍矿区的富矿资源越来越少，而贫矿资源的开采比例越来越大。据统计，当前金川镍矿区的保有资源储量中低品位矿产资源占比为71.2%，储量约为2.37亿t。由此可见，在未来金川矿区的矿产资源开发利用中，低品位矿石占比将越来越大。多年来，金川矿区一直采用下向分层胶结充填法进行开采，该方法在地压控制和贫损控制方面具有独特优势，但也存在采矿系统较为复杂、采矿成本较高等缺点。近年来受国外红土镍矿的冲击，镍金属的价格优势明显被削弱（齐稚平等，2022），因而采用成本较高的胶结充填法回采低品位镍矿时，矿山经济效益明显下降。长期以来，如何实现低品位矿产资源的安全高效开采一直是我国矿业领域的一项重要研究内容。胡海波（2015）针对某铁矿低品位厚大缓倾斜矿体采用传统垂直深孔落矿阶段矿房法开采时存在的矿石损失贫化大的问题，通过改善采场布置形式和优化参数，使矿石损失率由24.5%下降至12.1%，贫化率由21.3%下降至11.5%；李海港等（2018）针对赣南某低品位钨矿受采动塌陷影响开采难度大的问题，提出采用上行式大直径深孔阶段空场嗣后充填法进行开采，使采场产能达到350380 t/d，采矿直接成本约为30元/t，实现了低品位钨矿的经济高 收稿日期：2022-10-16；修订日期：2022-11-22基金项目：国家自然科学基金项目“考虑围岩效应的岩石抗剪强度参数联合分布研究”（编号：51904248）、镍钴资源综合利用国家重点实验室开放课题“破碎岩体条件下多种支护形式耦合协同作用机理研究”（编号：GZSYS-KY-2021-022）和西南科技大学博士基金项目“崩落充填复合采场地压交互作用机理及调控方法”（编号：21zx7157）联合资助作者简介：谭宝会（1988-），男，陕西宝鸡人，讲师，博士，从事地下采矿工程教学与科研工作。效开采；高鹏举等（2019）针对黄山南低品位铜镍矿采用自然崩落法开采时存在的矿石损失贫化大的问题展开研究，提出采用大直径深孔阶段空场胶结充填采矿法进行回采，经现场实践，取得了损失率为 12.5%和贫化率为 9.5%的良好指标；薛小蒙等（2020）针对盘龙矿深部低品位厚大矿体采用浅孔留矿法回采时贫损高、效率低及安全性差等问题，提出采用下向大直径深孔落矿方案进行回采，使得采场产能达到300 t/d，采矿成本降低10%；王振闽等（2021）针对柿树底金矿低品位、多分支及缓倾斜矿体开采难度大的问题，提出采用机械化上向水平分层充填法进行开采，并取得了良好效果；董峰等（2018）以某金矿缓倾斜低品位矿体为研究对象，确定最优开采方案为电耙出矿环形深孔空场采矿法，现场应用后取得了采矿损失率为10.2%和贫化率为7.08%的良好指标。综上所述，近年来我国学者及技术研发人员针对低品位矿产资源的安全高效开采展开了一系列研究，尽管这些矿山矿体品位较低，但矿体通常具有较好的开采连续性，矿岩性质及采矿条件有利于采矿方案的优化和选择，因此通过开展相关研究往往能够实现较好的矿石回收效果。但是，当矿体回采条件变得更为复杂时，低品位矿产资源的开采难度将进一步增大。本文针对金川龙首矿西二采区上部中段由下向分层胶结充填法转为无底柱分段崩落法时，在覆盖层形成、矿石贫损控制等方面遇到的关键性技术难题展开研究，并将研究成果应用于实际生产中，取得了较好成效，为金川矿区大量贫矿资源的安全、高效及低成本开采开辟了一条新的路径，也对实现我国战略性贫矿资源的高效、高值开发具有重要意义。1 工程背景龙首矿是金川集团有限公司的主要生产矿山，龙首矿自东向西划分为东采区、中采区、西一贫矿采区和西二贫矿采区，其中西二贫矿采区为独立回采矿体，也是龙首矿的主力采区。西二采区地表100 m 以下见矿，矿体沿走向长近 500 m，倾角为7080，厚度为28200 m，矿岩松软破碎，普氏系数为 0.87.0，矿石品位较低，仅为富矿品位的 1/3左右。自2003年起，西二采区采用自然崩落法进行基建，但后期由于镍价上涨，同时为了严格控制矿石的损失和贫化，矿山在基建尾期又改为采用六角形下向分层进路式胶结充填法进行开采，并于2010年投产。为了提升产能，西二采区设有1 554 m和1 430 m共2个中段同时进行开采，设计年产量为165万t。2015年，国际镍价开始大幅下跌并进入持续萎靡阶段，采用成本较高的胶结充填法回采低品位矿石使得西二采区的采矿生产濒临亏损，与此同时，2016年3月西二采区上部中段回采至1 613.5 m水平时采场57勘探线之间突发大面积垮塌事件，导致上部中段被迫停产。综上所述，无论是从市场经济角度还是从采矿作业安全角度考虑，西二采区上部中段均不具备继续采用下向分层胶结充填法进行开采的条件，亟需采用一种安全、高效且低成本的采矿方法进行开采。经过大量分析研判之后，龙首矿山决定将上部中段转为采用无底柱分段崩落法开采，并研究确定在采场内布置4个回采分段，分别位于1 595，1 580，1 565，1 546 m水平，进路间距为15 m，崩矿步距为2.2 m。为了维持过渡期产量，1 595 m 首采分段9号勘探线以东范围采用崩落法进行开采，而9号勘探线以西继续采用胶结充填法进行开采，待其回采至 1 600 m 水平时，再完全终止充填法采矿，在1 580 m 分段全面转为无底柱分段崩落法进行开采。图1所示为西二采区各采场分布示意图。由于金川矿区是首次采用无底柱分段崩落法进行开采，面临的挑战十分艰巨，不仅要考虑如何消除金川矿区典型的软破矿岩条件给无底柱分段崩落法带来的不利影响，而且要结合西二采区的实际开采条件，重点解决好3项关键技术难题：（1）大体积胶结充填体安全高效崩落（或冒落）形成覆盖层的问题为了确保生产安全，西二采区采用无底柱分段崩落法进行正常开采之前，需将上部中段厚度约为30 m、平面面积约为 30 000 m2的胶结充填体崩落（或冒落）以形成散体覆盖层，且覆盖层厚度不应小于分段高度。采用传统的钻爆法形成覆盖层时具有周期长、效率低、成本高及产出少等一系列弊端，很难满足西二采区的实际采矿需求。因此，需要研发出一种安全、高效且低成本的覆盖层形成方案。2023 年 2 月 第 31 卷 第 1 期89谭宝会等：复杂开采条件下低品位镍矿安全高效回采方案研究效开采；高鹏举等（2019）针对黄山南低品位铜镍矿采用自然崩落法开采时存在的矿石损失贫化大的问题展开研究，提出采用大直径深孔阶段空场胶结充填采矿法进行回采，经现场实践，取得了损失率为 12.5%和贫化率为 9.5%的良好指标；薛小蒙等（2020）针对盘龙矿深部低品位厚大矿体采用浅孔留矿法回采时贫损高、效率低及安全性差等问题，提出采用下向大直径深孔落矿方案进行回采，使得采场产能达到300 t/d，采矿成本降低10%；王振闽等（2021）针对柿树底金矿低品位、多分支及缓倾斜矿体开采难度大的问题，提出采用机械化上向水平分层充填法进行开采，并取得了良好效果；董峰等（2018）以某金矿缓倾斜低品位矿体为研究对象，确定最优开采方案为电耙出矿环形深孔空场采矿法，现场应用后取得了采矿损失率为10.2%和贫化率为7.08%的良好指标。综上所述，近年来我国学者及技术研发人员针对低品位矿产资源的安全高效开采展开了一系列研究，尽管这些矿山矿体品位较低，但矿体通常具有较好的开采连续性，矿岩性质及采矿条件有利于采矿方案的优化和选择，因此通过开展相关研究往往能够实现较好的矿石回收效果。但是，当矿体回采条件变得更为复杂时，低品位矿产资源的开采难度将进一步增大。本文针对金川龙首矿西二采区上部中段由下向分层胶结充填法转为无底柱分段崩落法时，在覆盖层形成、矿石贫损控制等方面遇到的关键性技术难题展开研究，并将研究成果应用于实际生产中，取得了较好成效，为金川矿区大量贫矿资源的安全、高效及低成本开采开辟了一条新的路径，也对实现我国战略性贫矿资源的高效、高值开发具有重要意义。1 工程背景龙首矿是金川集团有限公司的主要生产矿山，龙首矿自东向西划分为东采区、中采区、西一贫矿采区和西二贫矿采区，其中西二贫矿采区为独立回采矿体，也是龙首矿的主力采区。西二采区地表100 m 以下见矿，矿体沿走向长近 500 m，倾角为7080，厚度为28200 m，矿岩松软破碎，普氏系数为 0.87.0，矿石品位较低，仅为富矿品位的 1/3左右。自2003年起，西二采区采用自然崩落法进行基建，但后期由于镍价上涨，同时为了严格控制矿石的损失和贫化，矿山在基建尾期又改为采用六角形下向分层进路式胶结充填法进行开采，并于2010年投产。为了提升产能，西二采区设有1 554 m和1 430 m共2个中段同时进行开采，设计年产量为165万t。2015年，国际镍价开始大幅下跌并进入持续萎靡阶段，采用成本较高的胶结充填法回采低品位矿石使得西二采区的采矿生产濒临亏损，与此同时，2016年3月西二采区上部中段回采至1 613.5 m水平时采场57勘探线之间突发大面积垮塌事件，导致上部中段被迫停产。综上所述，无论是从市场经济角度还是从采矿作业安全角度考虑，西二采区上部中段均不具备继续采用下向分层胶结充填法进行开采的条件，亟需采用一种安全、高效且低成本的采矿方法进行开采。经过大量分析研判之后，龙首矿山决定将上部中段转为采用无底柱分段崩落法开采，并研究确定在采场内布置4个回采分段，分别位于1 595，1 580，1 565，1 546 m水平，进路间距为15 m，崩矿步距为2.2 m。为了维持过渡期产量，1 595 m 首采分段9号勘探线以东范围采用崩落法进行开采，而9号勘探线以西继续采用胶结充填法进行开采，待其回采至 1 600 m 水平时，再完全终止充填法采矿，在1 580 m 分段全面转为无底柱分段崩