第十章 宝石的开采与回收(以钻石为例)

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(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。
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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。
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4. 矿房式开采(chambering)
该方法于1890年由戴比尔斯公司总经理威廉姆斯 (Gardner Williams)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。
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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。
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1. 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。
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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。
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2. 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。
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 采取的炮眼位臵
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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。 2013-7-11
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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。他们可以交替地设臵在左侧和右侧，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。
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平巷的垂直 间距为180m 水平巷道垂 直距离为 13m
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钻石矿铁塔
ORAPA钻石矿的入口处
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（1）矿房和后矿柱
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。
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耙 斗 和 绞 车
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6.分段崩落法
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臵的炮眼， 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。 2013-7-11 35
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澳大利亚西 北部Argyle 钻石矿(最先 开采钾镁煌 斑岩筒所在 地
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钻石矿井
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南非比勒托利亚钻石矿场
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钻石Fra Baidu bibliotek矿坑
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3. 地下开采
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。
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5.矿块崩落法
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臵和设计，以控制不同时期 开采的蓝地的重量。
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（2）优缺点
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。
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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。
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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矿布臵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。
广州大学公选课《宝石鉴定与贸易》
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
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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
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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
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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臵， 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。
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(2)蓝地（Blue groud) 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，并一直放臵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。