黄金矿山急倾斜薄矿脉开采工艺及发展趋势

周佳琦，任玉东

(长春黄金研究院有限公司)

引 言

中国正在开采的黄金矿山中，急倾斜薄矿脉占很大比重，开采此类矿体一直存在诸多亟待解决的问题。这些问题大多是由于矿体赋存条件的特殊性、不可改变性造成的。

急倾斜薄矿脉是中国稀贵金属的一种重要且常见的产出形式，尤其在中国地下开采的黄金矿山、钨锡矿山中分布广泛。据国内学者统计：近半数的黄金矿山矿体呈薄矿脉产出，且绝大多数为含金石英脉[1]。也有国外学者指出：全球范围内的薄矿脉占比较小，但却非常重要[2]。

岩金矿山中急倾斜薄矿脉的开采技术特点是：多以含金石英脉或含金蚀变岩产出[3-6]，脉宽多小于4.0 m，平均水平厚度为0.4～2.0 m，倾角为60°～75°，围岩稳固程度多属于中等稳固。急倾斜薄矿脉开采受限于矿脉厚度，一般难以实现大规模的机械化作业，采场内作业多以YT-28、7655、YSP-45等型号的手持气腿式凿岩机作业为主，且有时不得不同时回采一些围岩，导致矿石贫化率明显增加，也使得后续选矿的成本大幅度提高[7]。而且在该类矿体的回采过程中，工人多直接暴露在采场顶板下作业，复杂的采场环境给采场安全管理和安全生产带来了巨大挑战。近年来，随着科研工作者和一线生产者的共同努力，急倾斜薄矿脉开采中生产效率低、作业安全差、采矿损失贫化高等情况得到改善[8-10]。本文就黄金矿山中急倾斜薄矿脉的采矿工艺发展现状及存在问题展开探讨，为急倾斜薄矿脉开采的持续发展提供借鉴。

1 国内薄矿脉岩金矿山开采现状

据相关学者统计，中国2 574个黄金矿床中的中小型矿床约2 022个，占比约79.4 %[11]。有学者就国内百余座急倾斜薄矿脉矿山的开采方法进行统计，超过70 %的矿山采用浅孔留矿采矿法和削壁充填采矿法[1]进行回采。其余根据矿岩稳固性条件的不同，有一定比例的矿山采用干式充填采矿法、上向或下向水平分层胶结充填采矿法，个别高海拔矿区及少部分矿山也有采用中深孔落矿的分段空场采矿法，以及其他采矿方法[12-13]。习惯将采矿方法按照采空区处理方式的不同，分为空场采矿法、充填采矿法和崩落采矿法三大类[14]，因此文中对留矿采矿法、中深孔落矿采矿法等空场采矿法，削壁充填、干式或胶结等充填采矿法，以及小分段崩落采矿法等具有代表性的急倾斜薄矿脉中较为常见的几类开采方法依次进行介绍。

1.1 留矿采矿法

留矿采矿法是应用最广泛、历史最悠久的采矿方法之一。该方法一般用于开采中等稳固以上的急倾斜薄矿脉，其核心工艺是自下而上分层回采，每次将1/3左右的崩落矿石放出，其余矿石暂留采场内作为下分层回采的工作平台，且暂留矿石可以起到支撑采场两帮的作用，待上采结束后再由底部结构大量放矿。留矿采矿法工艺简单、管理方便，因此在岩金矿床开采中应用最为广泛。山东乳山金矿[15]、海南山金抱伦金矿[16]、福建邱村金矿[17]、内蒙古金陶金矿二矿区[18]及辽宁二道沟金矿[19]都采用该方法进行回采。

留矿采矿法底部结构可分为以平底结构为主，依靠装岩机[10,15]、铲运机[17]出矿的无底柱结构；以电耙集矿漏斗出矿[20]的漏斗结构；以及人工放矿至矿车内的普通漏斗结构[20]三大类型。上述3种底部结构中以无底柱结构铲运机或装岩机出矿方式最为高效，但也面临着出矿穿之间及沿脉中矿石清理不干净的问题[20]。辽宁二道沟金矿等针对此类问题曾采用缩短出矿穿距离、通过底部废石分层置换等方式，提高了矿石回收率，达到了显著成效[19]。但是，留矿采矿法最突出的问题是在围岩稳固性差、矿脉厚度小、矿脉形态突变时采矿回采率低、矿石贫化率大，部分矿山的采矿回采率仅能达到50 %～70 %，矿石贫化率往往高达30 %～70 %[21]。这是由于留矿采矿法无论是在上采过程中放矿还是大量放矿时，矿石滑动形成的反作用力带动不稳固的围岩垮落，常常造成矿房内结拱或放矿口堵塞等问题，导致部分矿石难以放出，增加了采矿损失率和矿石贫化率[21-22]。此外，由于崩落矿石属于散体，对采场的支撑作用极为有限，随矿房上采高度增加，应力集中加剧，围岩条件变差，常导致无法回采至设计标高，因此采矿回采率通常低于设计值[21]。近些年，如辽宁二道沟金矿等矿山采用静态留矿采矿法[19]，将多余矿石通过顺路溜井放出，一定程度上缓解了上述问题，改善了矿石贫化率及采矿损失率等技术经济指标。

1.2 中深孔落矿采矿法

在黄金矿山急倾斜薄矿脉开采中，绝大多数都采用浅孔落矿，如浅孔留矿采矿法、削壁充填采矿法及各类胶结充填采矿法等，而较少使用中深孔进行落矿，因此本文将以中深孔进行落矿的采矿方法归为一类。中深孔落矿采矿法通过采用中深孔进行落矿，通常效率较高，如内蒙古包头鑫达金矿的中深孔分段凿岩阶段空场采矿法[12]，生产能力可达250 t/d，而该矿山采用浅孔留矿采矿法的生产能力仅能达到55 t/d；青海山金采用的中深孔嗣后废石充填采矿法[13]生产能力可达103.3 t/d。

急倾斜薄矿脉在采用中深孔进行开采时，分段高度可达8～20 m[12-13]，结合采矿台车、遥控铲运机等机械化设备，开采效率高，采场回采周期短，凿岩支护等施工都在有支护的巷道内进行，安全性相对较高，但为了创造分段凿岩空间，往往需要掘进较长的脉内凿岩巷道等辅助工程，尤其是分段高度较低，分段数量较多时，采切比通常较大，需要矿山合理规划三级矿量。此外，中深孔落矿采矿法对矿体赋存条件要求通常较高，一般要求矿体规整，尤其是倾向上要求连续且变化小，围岩中等稳固以上，必要时要采取一定的支护手段，以免导致较高的矿石贫化率。

总体而言，急倾斜薄矿脉开采中的中深孔落矿采矿法是一种通过高效落矿、集矿、出矿，进而形成规模化效应来获得单位时间内经济效益最大化的一种采矿方法，也是未来发展趋势之一。

1.3 削壁充填采矿法

削壁充填采矿法主要应用于开采急倾斜极薄矿脉，是一种矿岩分采分爆的开采方法。该方法的核心工艺是矿废分离，分采分爆，通过二次爆破的形式，将矿石与围岩分离，矿石经手选通过顺路溜井放出，崩落废石留在矿房内作为下分层工作平台，根据围岩碎胀系数，一般采用“采一削二”的经验进行削废。该方法工序较多，所需作业人员数量大，因此工艺相对复杂，但对比留矿采矿法的矿岩混采方式，该方法在回采极薄矿脉时能够显著提高出窿矿石质量，降低后续破碎、磨矿等选矿成本，尤其在回采高品位稀贵金属时往往能够获得不错的综合效益，因此国内如辽宁二道沟金矿[23]、内蒙古金陶金矿[24]等黄金矿山仍在使用。

尽管削壁充填采矿法有着出矿品位高、矿石贫化率低、采矿回采率高等优点，但为控制空顶高度，避免吊脚围岩过高、空顶高度过大的风险，一次落矿高度一般控制在0.8～1.5 m[25]，因此相对留矿采矿法普遍崩矿效率低。该方法另一个显著特点是为更好地达到矿废分离和回收高品位粉矿的效果，在落矿前往往要增加平场和铺胶垫的工序。此外，该方法受限于采幅过小，多为1.0～1.5 m，普遍采用人工出矿方式，据统计，出矿这一环节最多可占整个回采周期的2/3。近年来，个别矿山为增加出矿效率，在落矿前先用混凝土施工一层平整的垫层[24,26]，再用电耙进行出矿，但混凝土养护也需一定时间，因此收效甚微。

削壁充填采矿法在矿废分离过程中的二次爆破对围岩造成二次扰动，检撬浮石环节通常也花费较长时间。此外，该方法往往面临充填料不足的问题，通常矿山多采用在下盘掏小硐补充充填料的方式来解决，但这一做法破坏了采场两帮围岩，对于采矿损失贫化指标的控制极为不利。一般来讲，留矿采矿法生产能力多在40～80 t/d，而上述种种问题导致削壁充填采矿法生产能力多在10～30 t/d[8-9]，因此在一些围岩条件较差的矿山，通常采用留矿采矿法在短时间内结束一个矿块的回采。

1.4 干式充填采矿法

干式充填采矿法[27-29]是充填采矿法的一种，在急倾斜薄矿脉开采中多指上向水平分层充填采矿法，其核心工艺是采用掘进毛石、露采剥离的废石或选矿厂尾砂等干式充填料作为下分层回采的工作平台。该方法与削壁充填采矿法类似，显著问题是出矿环节占用较长回采周期[30]，尤其是采用人工出矿方式，导致生产能力较低。但近年来，随着出矿设备的微型化、小型化发展，小型铲运机[8]等出矿设备越来越广泛地应用在急倾斜薄矿脉的开采中，显著提高了出矿效率和生产能力。

1.5 胶结充填采矿法

胶结充填采矿法与干式充填采矿法的回采工艺基本相同，一般来讲，胶结充填采矿法多指上向水平分层或进路充填采矿法，采用1 ∶4～1 ∶15的尾砂胶结充填体作为下分层回采的工作平台。该方法在一些围岩破碎的急倾斜薄矿脉开采中有一定的应用，如甘肃中金大店沟金矿[31]、内蒙古柴胡栏子金矿[32]。但是，胶结充填采矿法与干式充填采矿法的显著不同在于，在矿岩皆破碎的开采条件下，可采用下向进路采矿法[33]进行开采，通过胶结充填体构建人工假顶，由上自下分层回采，工人在胶结充填体形成的人工假顶下作业，对比破碎矿体形成的顶板，安全程度大大增加。在急倾斜薄矿脉岩金矿山中，采用下向进路采矿法开采的有河南前河金矿[33]等，取得了不错的经济技术指标。

1.6 小分段崩落采矿法

在围岩极不稳固的急倾斜薄矿脉黄金矿山开采中，一般采用小分段崩落采矿法。例如：河南前河金矿[34]矿体类型为破碎蚀变岩型，局部可达糜棱岩化，工程地质条件极差，采用小分段崩落采矿法，生产能力可达93 t/d；甘肃昌马金矿[35]上下盘围岩为凝灰质砂岩，受断层压碎作用，矿岩疏松破碎，容易自然冒落，采用小分段崩落采矿法，生产能力可达180 t/d。小分段崩落采矿法是分段崩落采矿法在薄矿脉开采中的适应性变种方案[36]，即通过降低分段高度至5～10 m 来满足对采矿损失贫化的控制。该方法继承了崩落采矿法工艺简单、生产效率高的优点，但矿石贫化率一般较高，多在20 %以上[34,37]，且在形成回采空间前需要掘进较多的凿岩巷道并合理布置凿岩巷道位置[37]，否则采矿损失贫化较难控制。

2 国外薄矿脉黄金矿山开采现状

有学者统计国外81个黄金矿山中采用留矿采矿法开采的比例仅16 %，分段空场采矿法比例高达48 %，由此可见，高效与安全是国外在开采此类矿体中的重点，因此在采矿方法选择上倾向于使用机械化中深孔采矿法或充填采矿法[1]。

与国内不同，国外学者按照落矿方式将采矿方法分为3类：中深孔采矿法、浅孔采矿法和连续采矿法[38-39]。

中深孔采矿法是生产效率较高、成本较低的一种采矿方法，并在机械化开采矿山中被广泛应用。例如：1976年加拿大的多幕矿山[40-41]采用高段深孔留矿采矿法，通过Alimas STH-5L爬罐作为平台向两侧施工水平深孔，在宽1.5 m的薄矿脉采场上采出5万t矿石，平均品位为4.5 g/t，该方法在澳大利亚New Celebration矿单采场生产能力可达250～300 t/d。法国的萨尔西尼金矿[42]采用分段空场采矿法，通过采用液压凿岩台车和遥控铲运机，劳动生产率提高50 %。

浅孔采矿法一般指使用凿岩台车或手持式钻机钻凿浅孔进行采矿的开采方法总称。在国外一般包含浅孔留矿采矿法、上向水平分层(进路)充填采矿法、削壁充填采矿法及房柱采矿法等[38-39]。

区别于炸药崩矿方式，连续式采矿法指通过切割、劈、锯、冲击、劈石器或水力、热力等方法落矿的一种开采方法。这类采矿方法的应用取决于岩石条件、应力和开采强度及相关成本的综合评估。此类采矿方法主要包括圆盘切割机等掘进机开采法、长臂机械切割(用于煤矿)开采法、金刚石切割开采法及热裂技术开采法等。澳大利亚北部Tanami金矿使用金刚石切割开采法进行开采，每小时可以切割1～3 m3。与削壁充填采矿法相比，能够开采非常狭窄的矿体(小于1 m)，矿石贫化率较小，安全程度更高，效率更快，但金刚石线锯损耗较大，成本较高。热裂技术开采法是一种源于露天开采的新技术，曾被用于扩大爆破孔，该方法利用热裂作用原理将岩石碎裂成小碎片(13 mm左右)，在开采极薄矿脉时可较好地控制矿石贫化率，但该方法目前应用还不广泛。

3 结论与展望

薄至极薄矿脉的采矿方法将向高机械化程度、高生产能力、高效率，低贫化、低损失、低劳动强度的“三高三低”方向发展，可具体概括为两方面：机械化高效开采和连续无矿柱强化开采。

1)机械化高效开采。长此以往，凿岩台车、铲运机等采矿设备受薄矿脉狭窄的开采空间限制难以发挥作用，但随着安百拓、山特维克、张家口宣化华泰等设备公司专门为低矮空间或狭窄空间推出低矮型、微小型的采矿设备，为薄矿脉的机械化高效开采奠定了基础。未来随着信息化、智能化系统的引入，采矿设备的调度将更加及时，更加安全可靠，辅助时间大大缩短，效率得到进一步提升。

2)连续无矿柱强化开采。中小型低成本充填设备及系统的研发与应用使得充填或嗣后充填采矿法在薄矿脉开采中应用更加广泛，结合薄矿脉群开采顺序的合理规划，可以减少间柱、顶底柱的留设，进而使临近、平行、分支等形态的薄矿脉连续无矿柱强化开采成为可能。