搜索
2019/11/211第十章宝石的开采与回收（以钻石为例）第一节钻石矿的开采第二节钻石的回收广州大学公选课《宝石鉴定与贸易》2019/11/212第一节钻石矿的开采一、金伯利岩的开采二、钻石砂矿的开采2019/11/213一、金伯利岩的开采1.最早期的岩筒开采2.露天开采3.地下开采4.矿房式开采5.矿块崩落法6.分段崩落法7.露天台阶式开采8.地下开采的统计学2019/11/2141.最早期的岩筒开采几个世纪前，只有砂矿为人们所知道和开采，它们位于活动河流或已干涸河流的河床中,铁镐和铁铲是当时采矿用的基本工具。在称为金伯利的地方发现含钻石的岩筒，使得有必要设计全新和复杂的采矿技术，以便从地下获取钻石。2019/11/215几个概念（1）黄地(Yellowground)当金伯利岩暴露在空气中时，它会风化和变得易碎。风化的金伯利岩称为“黄地”。这样的金伯利岩是一种松软的土状物质，呈浅黄色。他们能够被破碎成粉状物质，故开采不困难。某些情况下，他们可能含粘土并具粘性，使得采矿和分离钻石都比较困难。黄地的深度在各矿区不一。南非的Premier矿，黄地的深度为10m，而在Jagersfortein矿为为20m。2019/11/216(2)蓝地（Bluegroud)未风化的金伯利岩称为“蓝地”。要开采较深才能达到，而且回收这些物质也难得多。这就使得开采工作更加复杂、昂贵和危险。一种回收技术是在矿体周围大面积堆放被破碎的未风化金伯利岩，并一直放置到它们变得疏松能加工提取钻石为止。当钻石的需求超过金伯利岩风化所需时间时，这种方法被证明是无效率的。结果，粗碎末风化金伯利岩变得普遍起来了。也只有当个体开采融合成合资开采时，有效的开采才成为可能。经过许多阶段的融合，金伯利地区的采掘才最终联合成戴比尔斯联合矿业公司。2019/11/217(2)上覆物热的金伯利岩流体如何强行通过裂隙、裂缝和从金伯利岩筒喷出地表。这个喷发作用力引起岩石和其他岩屑崩落到喷出岩浆的火山口中或其周围，并在大多数情况下形成一个由碎石组成的覆盖层。各个矿区的碎石是不同的。此外，侵蚀和沉积地质作用也可导致非金伯利岩沉积物覆盖在岩筒之上。上覆物的分布范围很重要，因为他们的数量在经济评价时必须考虑，以决定具体的金伯利岩矿有无经济价值。Finsch矿覆盖了一层5m厚的泥铁矿碎屑。往下是一层4m厚的风化金伯利岩和泥铁矿碎屑的混杂物。再往下是黄地，更深些才是蓝地。博茨瓦纳的Jwaneng矿上覆50m的砂和钙结砾岩(被白垩质矿物胶结在一起的表生砾石)。这就使得不但很难发现这个岩筒，而且开矿前清除废石工作冗长而费钱。2019/11/2182.露天开采开采金伯利岩或钾镁煌斑岩筒总是先从露天开采开始。矿石从地里开挖出来，就象挖土准备大型建筑地基一样。露天开采的技术比较简单，所有矿山都采用相似的方式，尽管使用的机械设备型号有所不同。在金伯利矿区的早期，岩筒开采非常原始和混乱。从小块开采地把开采出的矿石运到可以处理的地方是个主要问题。随着岩筒上单个矿井变得越来越深，成千条架空索道从采坑顶部拉到开采地的下部，把含钻石的矿石牵引到地表。当矿井变得更深时，井壁就可能崩塌入岩筒，引起事故和废石堆积。矿坑被水淹没是更严重的问题。当今的露天坑采一般是在环绕岩筒挖出的12m厚的分层中进行，逐渐往矿井下面形成台阶。这些台阶称为梯段，有12—30m宽。2019/11/2192019/11/2110炮眼是沿着梯段边缘打的，然后装上炸药。爆破通常是在每天一个固定时间进行。爆破前要清理矿井和周围地区的人员。爆破出的矿石用卡车运往处理工厂。卡车是从矿坑顶部沿盘旋公路开到矿坑底部工作水平的。随着矿坑变深，在较高的水平，围岩(围绕岩筒的岩石)要向后开拓。其目的是从梯段获得更多矿石和阻止废石落入矿坑。从矿坑壁下来的废石会导致露天和地下开采时矿石的贫化。2019/11/21112019/11/2112澳大利亚西北部Argyle钻石矿(最先开采钾镁煌斑岩筒所在地2019/11/21132019/11/2114钻石矿井2019/11/2115南非比勒托利亚钻石矿场2019/11/2116钻石的矿坑2019/11/2117随着露天矿坑的扩大，需要运出去的围岩废石量也随之增加。不断增加的用于运送不含钻石的围岩的费用，最终使得地下开采比露天开采更有效益些。也就是说，开凿坑道、挖掘洞穴和其他地下工程的费用低于运送不断增多的呈圈状环绕岩筒的围岩的费用。经过相对简单的露天矿坑开采后，地下开采就比较复杂了。需要全新的技术，复杂的设备和对开采方法的经常性再评估。同时还需要发展新的技术和机械。这项工作也涉及到在相当深的地下工作的矿工们。金伯利矿区的开采深度达到了大约900m。现今使用的开采技术，如矿块崩落法和分段崩落法，要求在狭窄受限的岩筒中的疏松岩石下工作。尽管如此，地下开采系统经过近100年的演化还是被证明为是最有效的。3.地下开采2019/11/2118该方法于1890年由戴比尔斯公司总经理威廉姆斯(GardnerWilliams)引进。这种方法运用得很成功，直到二十世纪70年代初都没有什么变化。它利用两个因素：1．矿井上部堆积的由岩筒壁崩落形成的疏松岩石的巨大压力；2．未支护的金伯利岩终将在压力下破碎的事实。矿房式开采法是矿工们称为的留矿法和崩落法的组合，前者是掏采金伯利岩形成一个洞穴，后者是矿房顶上那些未支护的岩石破碎崩落下来。4.矿房式开采(chambering)2019/11/2119典型的矿房式开采要在围岩中凿建有五个井筒格的竖井——主要岩石运输竖井，从岩筒边沿到竖井地下入口的距离大约300m。竖井放在这个距离上是为了防止露天矿坑的下陷损坏竖井(另有一个竖井在附近某处，用于通风和紧急出口)。主要运输平巷(水平巷道)由竖井通向岩筒，平巷的垂直间距为180m。这些运输平巷靠大致垂直的具三个井筒格的竖井相连接，这些竖井叫岩石勘探竖井，离岩筒约30m。从这些竖井朝着岩筒挖掘开采水平，开采水平之间的垂直距离为13m。2019/11/21202019/11/2121平巷的垂直间距为180m水平巷道垂直距离为13m2019/11/2122钻石矿铁塔ORAPA钻石矿的入口处2019/11/2123从最高处的开采水平开始，在每个这样的开采水平中，由岩筒的这一侧到另一侧，开挖出若干个7m宽的横切采区。横切采区之间是约3.5m宽的坚固岩石。这些横切采区称为矿房，而坚固岩石称为后矿柱。他们是这样排列的，即每个开采水平里的每个后矿柱都直接分布在下一开采水平的矿房之上。（1）矿房和后矿柱2019/11/21242019/11/2125矿房见是用爆破方法在金伯利岩中挖掘的。在金伯利岩中钻出深1一2.5m的垂直炮眼，然后在早班后期爆破。炸下来的矿石在中班和晚班运出。随着开采的进行，剩余的蓝地已无需提供方便的工作平台即可用手工装运到矿车上。这些矿车是沿着垂直于矿房的运矿巷道到达工作面的。矿车被推到放矿溜井处(与主运输平巷相通的直径为1.5m的垂直竖井)，把矿石倒进去，然后转运到地表。当矿房穿透到上部开采水平时，其上的后矿柱就崩落下来。金伯利岩自行破碎，这叫作“崩落”。这项工作一直持续到露天矿坑的废石堆开始出现在顶部开采水平中。2019/11/2126矿房式开采法，或更准确说倾斜矿房式开采法，较好地使用了许多年。它是一种很安全的开采方式。通过控制矿房和后矿柱宽度来确定合适的开采量，并一直处于密切监控之下。蓝地的采出量非常高，而且费用在当时是很低的。然而，这种开采技术劳动强度高，需要许多指导人员。许多巷道和矿房的通风比较困难。巷道又必须小，这样就限制了任何形式的机械开采。当现有运输巷道之上的蓝地块段采完时，准备另一个新采区所需的费用和时间可能是最大的障碍。开拓200m以下的另一个运输巷道大致要花二年时间。即使矿房开采法在金伯利矿区流行时期，往往同一时间也只有三分之二的矿是处于生产状态。因此，人们决定寻找其他开采方法。（2）优缺点2019/11/21272019/11/2128岩筒中蓝地块段的底部被采出后，矿块就失去支撑，开始自行破碎。破碎的蓝地沿着通道经过漏斗进入水平巷道。那里，矿石就能用机械耙进放矿溜井或矿车，最后提升到地表。这就是矿块崩落法(blockcaving)的原理。矿块崩落法提供了一个低价高效的方法。手工劳动量相对来说少了。打眼放炮以破碎含钻石岩石的需求也少得多。随着破碎的蓝地被运走，更多的物质会从洞顶不断地破碎、崩落到逐渐扩大的洞穴中，直到他们全部被运走为止。如果从旧的露天矿坑观察，可以看出蓝地之上的碎石面经过一段时间后开始平稳地陷落。在矿块崩落开采的计划阶段，需要仔细地计算和设计。还必须经常调整工程布置和设计，以控制不同时期开采的蓝地的重量。5.矿块崩落法2019/11/2129在20世纪50年代初，通过参观北美的许多铜矿后，戴比尔斯公司的工程师们决定在金伯利矿区的Bultfontein矿布置一个试验性的矿块崩落法开采场。在370m水平开挖了六个贯穿岩筒的水平巷道，金伯利岩通过这些耙矿平巷提取出来。短短几年中，这种方法已被证明可成功地应用于钻石矿的开采。这种方法在Dutoitspan、Bultfontein和Jagersfontein矿开始大规模应用。在围岩中沿岩筒的整个宽度开拓一条水平巷道。从这个水平巷道掘进排穿过岩筒的用混凝土衬砌砌并装备有机械耙的耙矿平巷。2019/11/21302019/11/2131这些耙矿平巷相互平行，间隔14m，位于现行工作区之下185m处。在每个耙矿平巷的侧边，混凝土衬砌留有斜开的1.2m见方的口。他们可以交替地设置在左侧和右侧，彼此间隔3.5m。这些开口叫放矿溜眼。从这些放矿溜眼朝上挖掘天井，即小的向上的竖井，通到正在掏采蓝地的上部平巷。一个切过耙矿平巷和天井的垂直剖面，展示在“洞穴”底板爆破形成的漏斗所采取的炮眼位置2019/11/2132每个天井的顶部加宽成为锥状或漏斗状。从所有天井伸出的漏斗遍布整个掏槽水平。水平本身就是穿过岩筒采空的一个分层。这种人工开挖出的洞穴的顶部就是无支撑的巨大蓝地块体。它将破碎崩落，即“崩落开采”。破碎的蓝地落进漏斗，再下降到放矿溜井。2019/11/2133移运金伯利岩：在每个耙矿平巷里有一个两吨耙斗，形似大马蹄掌。它用一根长钢缆系着，用电动绞车牵拉。耙斗能够沿着耙矿平巷来回拖拉，把破碎的金伯利岩拖到某个位置，使他们从竖井滑落到下面平巷中的待装矿车里。矿车拖着他们到地下的粉碎站，使他们破碎到150mm大小，然后提升到地表。破碎的金伯利岩源源不断地垮落下来，直到洞穴与上覆物贯穿，放矿溜井中出现废石为止，这一矿段的开采就算结束了。然而，在此之前，在岩筒下面几百米深的地方，准备工作已经开始，使开采能在下一个水平重新起步。2019/11/2134耙斗和绞车2019/11/2135世纪50年代中期，矿块崩落法已在金伯利矿区广泛应用。然而，随着开采深度加大，条件发生厂相当大的变化。在700m以下，岩筒面积变得更小，并由许多个“根”组成。这就意味着只有更小的工作空间。矿块崩落法变得缓慢或不可能了，而且只能建造数量很少的耙矿平巷。虽然分段崩落法的投资要多些，但它提供了一个在矿山生命最后阶段也能高产出的开采方法。这种方法最先是1979年在戴比尔斯矿区西边根部510m水平中试验的。到1980年将近总产量的一半是由分段崩落法开采的。在这种方法中，一系列的平巷按一定垂直间距穿过岩筒（如下图所示）。在围岩和金伯利岩之间开挖3m宽的垂直截槽。从垂直截槽往回开采，相继的矿石采面钻出扇形布置的炮眼，充填炸药并爆破，使矿石下落到平巷中。炸下的蓝地装进矿车，运到放矿溜槽，然后输送到地表。6.分段崩落法2019/11/2136分段崩裂法原理示意剖面图。上部的金伯利岩是用矿块崩落法开采的2019/11/2137Premier矿采用一种完全不同的开采方法，有时称为“截槽开采法”。它是露天开采和地下开采的混合。实际上是露天台阶式开采，但有一套地下系统用来把矿石运输到地表。起初，所有的矿都用露天矿坑开采到距地表185m的深度