VCR法开采
摘要：本文着重探讨了用VCR法开采在经济上合理的最小矿块尺寸。1985年Homstake采矿公司开始一项用VCR法开采几个小矿块的计划。本文将研究这几个试验采场的设计计划。本文将研究着几个试验采场的设计参数、地压控制、布孔方式、二次爆破和出矿问题。与机械化分层充填采矿法和空场水平分层采矿法进行了成本和生产进度对比。
前言
1977年Homstake矿开始研究VCR 采矿法，到1983年此法已成为一种十分完整的采矿方法，其采矿量已占地下开采量的60%。已证明这种采矿方法开采方法开采倾角大于60°矿量超过5万吨的连续矿块是卓有成效的。此法的平均人.班劳动生产率为35吨，比空场水平分层充填采矿法高92%。
不适于用大规模采矿法的不连续矿体、小扁豆矿体和平伏矿体采用机械化水平分层充填法进行开采，平均劳动生产率可达29吨/人班。小量的低品位残矿用大规模采矿技术开采在经济上是不可行的，也难以支持机械化分层充填采矿法的采准工程。
由于这些原因，Homstake矿开始研究改进的大规模采矿法，以便在降低采矿成本的同时，提高生产效率和保证作业安全。为了尽量减少基本投资和加快生产进度，设计了一种大量减少采准工程的VCR法改型方案。这种改进后的方法称为小矿块垂直后退式采矿法（SB VCR）。
地质
Homstake 金矿位于南达科他州布莱克山边的里德。1876年以来一直在生产，现已开采到地表以下2140米水平。
矿山有三套前寒武纪变质沉积岩层。这些岩层是多褶皱的向斜和背斜构造，这些向斜和背斜向东南倾伏，倾伏角10°～90°，岩层向东北倾斜50°～80°。两套含矿主岩层为Poorman层（ Fmf）和Ellison层（Ef），前者为带状明显的千枚岩—片岩，后者为石英岩—千枚岩。含金层为Homstake层（Hf），是—镁铁闪石片岩-菱镁铁矿片岩-绿泥片岩。今一般与砷黄铁矿、磁黄铁矿和绿泥石共生。矿体形态从板块到小的扁豆体群。
小矿块的VCR法开采工艺
设计
VCR采矿法乃是在采场上部进行切顶和在采场下部进行拉底的，在切顶空间向下部拉底空间钻凿大直径深孔开采矩形大矿块的采矿方法。根据其最初的概念，应当从下部拉底空间以水平分层逐层向上后退爆破这些大直径深孔，每次爆破后要放出的矿
石量应足以形成下一次爆破所需的补偿空间。从布置在下部拉底层的出矿巷道出矿。这些出矿巷道正交于下盘，并与运输平巷连通。设计参数包括：.矿体的倾伏角和倾角要大于60°，以使矿石能向下溜放到出矿巷道；为使炮孔倾斜最小，从切顶层到拉底层的距离应保持在46米以内；采场宽度和长度应决定于矿体边界和地压控制要求。
可根据金刚石钻探资料估算的地质矿量选择满足设计参数要求的可行的小矿块。本文提到的5个实际采场的估算矿量界于1.26～4.32万吨，金品位为6.5～4.3g/t。实验采场的尺寸为：切顶层到拉底层的高度为27～46米，长8～52米，宽3～46米。
因为小尺寸试验采场负担不了很高的采准费用，而金刚石钻探资料有很有限。因此，从其它方面补充资料十分重要。42SA-9L-4700水平的综合资料最全面。此采场的资料来自3个金刚石探矿孔、拉底层顶板采样、切顶层的绘图和从一个穿过矿体的钻孔继续钻孔的几个深孔。42SA-9L-4700采场是5个实例中最小的一个采场，采用了金品位为4.5g/t的金矿石1.47万吨。底盘向东南倾斜69°，这一倾角是在为克服自然安息角所要求的最小值60°的范围以内。
最大限度的减小贫化对于开采小矿块的经济合理值是最为重要的。用潜孔钻机钻凿采矿深孔的偏斜可达4.5米，当小矿块的宽度只有5米时，这可能会使贫化率达到100%。为了解决这个问题，可用测绳标绘炮孔，如有必要可补钻一些炮孔。为了确定小矿块的边界参数，采用干式钻进采样器集中最有成效。如果在采场端部炮孔中采集的式样是废石，则不必再钻进该排的其余炮孔和不爆破废石中钻进的炮孔。根据小矿块的综合资料。这种采矿方法的平均贫化率为44%，而大矿块VCR法的贫化率为25%，机械化水平分层充填法的贫化率为15%，空场分层充填采矿法为10%。由于贫化率很大，所以控制炮孔偏斜和采用边界炮孔的干式采样边界炮孔的干式采样对于品位控制具有重要意义。
岩层控制
因为小矿块往往是孤立的和要求较小的拉底和切顶空间，所以用锚杆和金属网常常就足以控制住岩层。一般就无需要采用大矿块所用的那种长12~18米的锚索支护上盘。
在机械化水平分层充填法或空场水平分层充填法中，每一分层都有岩层控制问题，而在VCR法中只需控制切顶层和拉底层以及出矿巷道。在5个试验采场中有3个采场不要求使用长锚索。40-41SB-17L-4700和42-43SB-17L-4700两采场是例外的，其切顶层的尺寸分别为43*21米和43*26米，都要从切顶层沿上盘用长锚索支护。在42-43SB采场切顶层留了6*12米的稳固的矿柱。在任何试验采场中上盘都未发生明显的冒落。用VCR法开采小矿块时岩层支护量最少，这在降低成本和节省时间方面具有明显的优点。
凿岩参数和爆破
在VCR法采场中钻进了圈边孔、贯通孔和扇形孔。平行于矿体上盘或者恰在矿体上盘内侧钻凿圈边孔，利用这些平行孔沿上盘进行光面爆破，可使上盘的冒落和贫化最少。贯通孔则是一直钻通到采场拉底空间的深孔。
凿岩爆破结果表明，贯通孔少于3个的那些排深孔出现一些困难。尤其是42-43SB采场的东南端的几排深孔只有2个或3个贯通孔。所遇到的问题包括深孔堵塞，爆破时在切顶产生飞石和孔口脱落。为解决这些问题所占用的时间影响了出矿效率，并增加了每吨矿石的工时数。有3个或3个以上贯通孔的那些爆破都很成功。扇形孔可以钻到下盘内，这样可以提供钻凿深孔和爆破拉底空间下部或以外矿石的方法。只在采场下盘侧钻凿扇形孔，这些深孔可能爆下或者超爆的岩石将存留在下盘，而不会造成贫化。
在大矿块的VCR法开采中已证明是成本低的大爆破，应用于小矿快的VCR法开采也会降低成本。为了进行大爆破，可用普通的垂直后退式开采法以3米的水平分层采下采场体积的三分之以。最后，利用孔外和孔内延期爆破方式采下采场的其余部分。为避免地表和周围的结构物，每段延期的 最大炸药量为230千克。
最初就已确定，最有的孔网尺寸为排距2.5米和间距2.5米。首先已成功地将孔网尺寸加大到3米排距。后来，再40-41SB采场将间距和排距加大到3*3米，有进一步降低了凿岩和炸药成本。用普通的3米水平分层的垂直后退式回采工艺开采了这个采场三分之一的体积，用大爆破爆下了三分之二的采场。结果，爆破成本较低，矿石的破碎质量均一，贫化率最低，而且未破坏出矿巷道或运输巷道。
二次爆破
在小矿块VCR法采场的整个出矿期间，间断性的需要进行大块的二次爆破。当大块堵塞出矿口时，常在矿堆内侧装药进行爆破处理大块。有时在出矿巷道内用凿岩和装药爆破法破碎大块。为使操作工处于安全地点作业，设计了一种遥控的凿装机在堵塞出矿口的大块上钻凿二次爆破孔。这种凿装机利用安装在链式推进器导轨上的I-R300型凿岩机，在铲运机铲斗上接装这种导轨很方便操作工可在铲运机的后面进行遥控控制。有些大块可从出矿口移开，但不能铲装到矿车内时，则可放到运输平巷的旁边或者放在相临是出矿巷道内，待作业班将要结束时进行凿岩和爆破。
出矿
VCR采矿法采用的出矿设备包括电动和柴油驱动的2.5、1.5和0.75立方米的铲运机机Atlas Copco Cavo320型装载机。除了这些出矿设备外，小矿块VCR法采场中也试验了Eimco21型履带式装载机。试验这种装载机是因为其基本投资低。Cavo装
载机和履带式装载机不需专用的带封闭式防火门的车库，而柴油驱动的铲运机就需要这项额外的费用。在大型VCR法采场中或者在斜坡道和运输平巷可以连通多个采场的区段，使用柴油铲运机最为有效。在这种连通的区段，可有几台铲运机分摊一个共用车库的费用。对于孤立的小矿块VCR法采场来说，Cavo320型装载机是最好的可选用的出矿设备。用这种装载机出矿很有节奏，月平均出矿能力为3000吨，如果小矿块VCR法采场需要再提高出矿效率，则可达到3350吨。
为使Cavo320型装载机的工作更有效，提高了一种特别设计，要求与运输平巷正交掘进7.5米长的出矿巷道，这种7.5米长的出矿巷道比铲运机所要求的12米长的出矿巷道短，从而减少了费用，并且在实践中已证明这样长的出矿巷道是安全有效的。在运输平巷安装一台轻便绞车，可由Cavo装载机司机装满和调运一定数量的矿车，而不需要由司机操作，这可在出矿和装车期间内减少人力。
在小矿块VCR法采场中用Eimco21型履带式装载机出矿效率太低，月出矿能力只有1600吨，远远低于3000吨/月的要求。3000吨/月这一数字是以每月21班，每天每班、每天两人的33.5吨/人班劳动生产率为基础的。
生产进度比
虽然生产班组的经验和岩层条件对任何采矿方法的生产速度或月采矿量有很大影响，但为了进行对比评价，取用了小矿块VCR法采场开采结果的平均值和全矿机械化水平分层充填法和空场水平分层充填法的平均值。
如果矿体条件全都满足小矿块VCR法开采的要求，矿量不到5万吨，矿体倾角和倾伏角大于60°金品位高于3.5克/吨，则也可考虑用机械化水平分层充填法和空场水平分层充填法进行评价。
用机械化水平分层充填法时，如果采场高度达到46米，则要求掘进长300米的坡度为18的斜坡道。要从这条斜坡道，对每一回采分层进行采样、凿岩、爆破、安装锚杆和出矿，人班劳动生产率可达29.3.吨。假如一4人工作队开采一个分层要4周时间，则每一分层应采下矿石2500吨。这可能要求采场矿量至少要有3.75万吨。因此，在偏远孤立区段，矿量不到3.75万吨的采场不能保证每一分层有足够的矿量使四人工作队的人班劳动生产率达到29.3吨的要求。
空场水平分层充填法采矿一开始就要求掘进天井和漏口作通路并掘进矿石溜子。每一分层从此天井进行采样、凿岩、爆破、安装锚杆、出矿、水砂充填准备和水砂充填。为使此法的平均工效达到18.4吨，每一分层要有矿量2300吨。如果有15个分层，则每个采场的总矿量应为3.5万吨。如果采场矿量为5万吨和利用三中采矿方法的平均工效值，则可举例说明用这三种采矿方法时采场的开采时间差。小矿块VCR法要用17.8个月，机械化水平分层充填法可能要用20.3个月，空场水平分层充填法要用32.2个月。
成本对比
在成本对比中，以小矿块VCR法采场的实际成本与机械化水平分层充填法和空场水平分层充填法的标准采准费用和每吨矿石的平均成本对比。
对比小矿块VCR法、机械化水平充填法和空场水平分层充填法的5个试验采场中每个采场的净现值（15%）和现金流动-投资返本贴现率表明，在5例中有4例小矿块VCR法采矿可能是最有利可图的方案。42SA采场用机械化水平分层充填法时可能比较有利。但是，不能得到所需要的柴油铲运机，因为这种铲运机限制在小矿块VCR法和空场水平分层充填法使用。空场水平分层充填法可能有负的净现值，因此，最好选用小矿块VCR法。
43-44PH采场的情况表明，采用任何一种方法都可能出现负的净现值，但只要小矿块VCR法可能提供正的净现金流动。在此采场的下部15米钻凿了环形孔，后来在小矿块VCR法采场中取消了这种采准方法。
其余的三个小矿块VCR法采场为15%的正现值和100%、137%及441%的现金流动-投资返本贴现率。结果表明，在矿体条件适合的情况下，小矿块VCR法是有利可图的方法。
结论
小矿块VCR法试验计划为利用已改进的方法评价矿量不到5万吨的矿体提供了有用的资料。但是，在现有的几种采矿方法中，小矿块VCR法的贫化率最高。因此，控制炮孔偏斜和使用干式凿岩采样器对于这种方法是至关重要的。与其它方法相比，此方法所需的岩层控制工程最少。切顶层用锚杆和金属网支护常常就够了。
为了进行有效的爆破，建议至少要用3个贯通孔。为了降低贫化，边孔必须平行于上盘布置。小矿块VCR法采场的大爆破可降低成本和减少贫化。对于那些孤立的采场，由于出矿设备只能为该采场服务，所以Atlas Copco Cavo320型装载机可能是最适用的设备。Cavo装载机可以满足适应劳动生产率要求的最小出矿速度。采用Cavo装载机也可以避免再掘进车库和油库，而用铲运机时则要掘进这两种硐室。
如果采场矿量不到3.75万吨时，对于孤立的矿体用小矿块VCR法似乎比用机械化分层充填法在经济上更可行，若采场矿量不到3.5万吨，则小矿块VCR法可能比空场水平充填法更合适。
