大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法在緩傾斜中厚礦體中的應用

張志貴 陳星明 葉 青 李英碧 譚寶會

(1.西南科技大學環(huán)境與資源學院，四川 綿陽621010;2.非煤礦山安全技術(shù)四川省高等學校重點實驗室，四川 綿陽621010;3.四川錦寧礦業(yè)有限公司，四川 冕寧615602)

大頂山礦區(qū)是四川錦寧礦業(yè)有限公司(原四川省瀘沽鐵礦)鐵礦石生產(chǎn)的主要采區(qū)，其主要開采對象為1#、2#號礦體。礦體形態(tài)屬典型的緩傾斜中厚礦體，傾角一般在10° ～50°之間，厚度在6 ～30 m 之間，平均厚度為11.4 m，平均品位46%左右。礦山主要采用無底柱分段崩落法進行開采，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別是分段高度10 m，進路間距10 m，崩礦步距1.8 m。由于歷史的原因，大頂山礦區(qū)已經(jīng)在2 540 m 以下水平按照15 m 的分段高度準備開拓及采準工程。自2 450 m 水平礦山開始實施由設計院提出并設計了15 m×12.5 m 的大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法方案。

一般認為，無底柱分段崩落法主要應用于礦石穩(wěn)固的厚大、急傾斜礦體，其經(jīng)濟、高效、安全的優(yōu)點才能充分顯現(xiàn)。然而，當?shù)V體開采條件較差特別是當?shù)V體傾角比較緩、厚度又不大時，采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變將顯著影響礦石的回收效果，其中分段高度對礦石回收效果的影響最為顯著。如果結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理，將直接導致礦石損失貧化的顯著增加，嚴重惡化礦山開采的技術(shù)經(jīng)濟效果。顯然，大頂山礦區(qū)在并不理想的礦體條件下采用15 m×12.5 m 大結(jié)構(gòu)參數(shù)存在很大風險。為此，對緩傾斜中厚礦體條件下大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法的可行性問題以及保證礦石回收的技術(shù)措施進行了比較深入的理論分析和實驗研究。

1 緩傾斜中厚條件下影響礦石回收的主要因素分析

當垂直走向布置進路的無底柱分段崩落法用于緩傾斜中厚礦體條件時，其分段礦石的回采與回收具有明顯的區(qū)段特征，不同位置的崩落礦石層高度以及崩落礦石與崩落廢石的接觸狀態(tài)不斷發(fā)生變化。在分段礦體上盤三角礦段，崩落礦石位于崩落廢石的下部且其高度不斷增加;而在分段礦體下盤三角礦段，則情況正好相反，崩落廢石位于崩落礦石的下部且崩落礦石層的高度不斷減小。對于中間礦段，雖然崩落礦石層高度基本不變，但其上部的脊部殘留高度也有變化。

理論計算及實驗結(jié)果表明，緩傾斜中厚礦體條件下垂直走向布置回采進路的無底柱分段崩落法，其分段上盤及中間礦段負擔的回采礦量僅占分段回采礦量的30% ～50%，大部分分段回采礦量位于礦體下盤范圍。同時，礦體上盤及中間部位負擔的回采礦量直接位于回采巷道的正上方，中間沒有崩落廢石的阻隔，具有良好的回收條件，在回收上不存在大的問題，實際發(fā)生在這個范圍的礦石損失很小。而位于礦體下盤范圍內(nèi)的回采礦量(包括脊部殘留)會因為下分段回收工程前移以及下盤崩落廢石阻隔等原因出現(xiàn)回收困難的問題，容易造成大的損失與貧化。顯然，下盤回采礦量占分段回采礦量的比例越大，可能造成的損失就越大。這表明，下盤回采礦量占分段回采礦量比例的大小，一定程度上反映出緩傾斜中厚礦體無底柱分段崩落法可能產(chǎn)生礦石損失大小的趨勢。因此，通過研究下盤回采礦量占分段回采礦量比例大小的影響因素，可以間接了解影響礦石回收的因素。圖1 為根據(jù)理論計算結(jié)果繪制出的下盤回采礦量占分段回采礦量比例隨各種主要影響因素變化的曲線圖。

由圖1 可見，礦體的賦存條件以及采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)對下盤回采礦量占分段回采礦量比例都有顯著的影響。礦體的厚度越小、傾角越緩，下盤回采礦量占分段回采礦量的比例越大，可能造成的損失就越大。在礦體的賦存條件一定情況下，結(jié)構(gòu)參數(shù)的增加，將使下盤范圍內(nèi)回采礦量占分段回采礦量的比例顯著增加。在礦體厚度不大、傾角較緩的情況下，下盤范圍內(nèi)回采礦量比例一般都在50%以上。隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的增加，這個比例還將顯著增加60% ～70%。也就是說，較大結(jié)構(gòu)參數(shù)可能會造成比較小結(jié)構(gòu)參數(shù)更大的礦石損失。

圖1 各因素對下盤回采礦量占分段回采礦量比例的影響趨勢Fig.1 The influence of various factors on the proportion of the footwall mining ore quantity in sublevel stoping ore quantity.

當然，分段回采礦量比例的大小，僅僅只反映了可能造成礦石損失大小的一個趨勢，并不代表可能造成損失的實際數(shù)值。分段下盤范圍的回采礦量并非全部都會成為損失礦量，損失礦量的大小還直接與下盤退采范圍以及出礦允許貧化程度有關(guān)。退采范圍越大，出礦允許貧化程度越高，下盤礦石損失就越小。在一定的出礦允許貧化程度下，下盤的退采范圍就成為影響甚至決定緩傾斜中厚礦體礦石回收率高低最為關(guān)鍵的因素，退采范圍與下盤損失的關(guān)系見圖2 所示。

圖2 緩傾斜礦體下盤退采的位置及其殘留礦石情況示意Fig.2 The schematic diagram of gently inclined footwall ore mining retreat location and residual ore

據(jù)了解，目前生產(chǎn)礦山通常采用邊界品位法或邊際盈虧平衡法確定出下盤退采范圍，確定出的退采范圍大致在下盤三角礦體1/3 ～2/3 范圍左右即圖2 所示的A1—A2之間，很少有退采到A3位置的情況。很顯然，退采范圍以外的下盤殘留礦石成為下盤永久損失。如前所述，由于實際發(fā)生在礦體上盤及中間部位的損失很小，下盤范圍內(nèi)回采礦量的回收效果，基本上反映了緩傾斜中厚礦體條件下無底柱分段崩落法整體的回收效果。換句話說，通過比較下盤殘留損失的大小，可以判斷不同結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法在緩傾斜中厚礦體條件下的應用效果。

實際上，不同退采范圍造成的下盤殘留損失可以通過圖2 所示的空間幾何關(guān)系以理論計算的方式得出，表1 為錦寧礦業(yè)大頂山礦區(qū)2 種結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下不同退采位置的下盤理論計算損失率(限于篇幅的關(guān)系，計算過程從略)。圖3 是根據(jù)上述計算結(jié)果繪出的曲線圖。圖3 更直觀地反映出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下不同退采位置的下盤礦石損失情況。

分析表1 和圖3，可以得出如下一些有價值的結(jié)論:

(1)結(jié)構(gòu)參數(shù)加大后，位于下盤的回采礦量已經(jīng)超過分段回采礦量的50%;毫無疑問，大結(jié)構(gòu)參數(shù)方案下盤回采礦量的回收更為關(guān)鍵。

(2)在退采的初期，大結(jié)構(gòu)參數(shù)方案的下盤2 個損失率明顯高于原結(jié)構(gòu)參數(shù)方案。隨著退采的進行，兩方案下盤損失率差距顯著縮小。當退采到上分段回采進路與礦體下盤交界處即圖2 所示A3位置時，2個方案損失率基本相同，都在10%左右。

表1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下不同退采位置的下盤理論計算損失率Table 1 Theoretical calculation of the loss rate of footwall ores in different mining retreat positions under condition of different structural parameters

圖3 大頂山礦區(qū)2 種結(jié)構(gòu)參數(shù)方案不同退采位置的下盤礦石損失率Fig.3 The footwall ore loss rate at different mining retreat position with two kinds of structural parameter in Dadingshan Mine

這表明，只要下盤退采充分，大結(jié)構(gòu)參數(shù)方案也可以獲得與原較小結(jié)構(gòu)參數(shù)方案相近的礦石回收效果。可以說，這個發(fā)現(xiàn)從理論上證明了無底柱分段崩落法大結(jié)構(gòu)參數(shù)方案在緩傾斜中厚礦體條件下也具有可行性，為大結(jié)構(gòu)參數(shù)方案在緩傾斜中厚礦體中的應用提供了重要的理論依據(jù)。

2 大結(jié)構(gòu)參數(shù)方案的實驗模擬研究

為進一步驗證理論分析及計算結(jié)果的可靠性，深入研究結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對緩傾斜中厚礦體無底柱分段崩落法礦石回收效果的影響以及大結(jié)構(gòu)參數(shù)在大頂山礦區(qū)礦體條件下應用的可行性，我們設計制作了多種結(jié)構(gòu)參數(shù)的物理放礦實驗模型并進行了系列的物理模擬實驗。

2.1 實驗模型及裝料

實驗模型分為單分間立體模型和單分間多區(qū)組合模型，實驗相似比為1∶ 50，礦體傾角40°，礦體垂直厚度為20 m。單分間立體模型在垂直方向共設置3 個放礦分段，分別模擬緩傾斜礦體上盤三角礦體(Ⅰ)、中間礦段(Ⅱ)以及下盤三角礦體(Ⅲ)的3 個典型礦段的回收情況(見圖4)。根據(jù)多次實驗結(jié)果證實，單分間立體模型的實驗結(jié)果基本上可以代表單分間多區(qū)組合模型的結(jié)果。因此，為減少實驗工作量，實驗模擬主要采用了單分間立體放礦模型(簡稱單體模型)。根據(jù)大頂山礦區(qū)的實際情況，共設計了10 m×10 m×2 m、15 m×10 m×2 m、15 m×12.5 m×2 m 以及10 m ×12.5 m ×2 m 等4 種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)進行實驗研究。

圖4 緩傾斜礦體無底柱分段崩落法的垂直分區(qū)回采方案Fig.4 The vertically-zoning stoping scheme of pillarless sublevel caving under condition of gently inclined orebody

實驗礦石采用來自大頂山礦區(qū)的磁鐵礦石，礦石粒度為3 ～10 mm，松散密度為2.81 g/cm3;廢石采用粒度為5 ～12 mm 的白云巖顆粒，松散密度為1.67 g/cm3。模型實驗共設計了4 組實驗，截止放礦時工作面廢石比例實際控制為80%左右。

考慮到緩傾斜礦體礦石回收的特殊性，根據(jù)前述理論分析的結(jié)果，模型實驗下盤退采范圍確定為上分段回采進路與礦體下盤交界處，即采用所謂的“垂直分區(qū)回采”方案(見圖4)，實現(xiàn)所謂的“下盤殘留全覆蓋”。實驗結(jié)果列于表2 中。

表2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)單分間立體物理單體模型實驗結(jié)果Table 2 The experiment result of the threedimensional physical model of single partition with different structural parameters

2.2 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

分析表中2 實驗數(shù)據(jù)，可以得出如下一些結(jié)論:

(1)在充分回采下盤三角礦體的情況下，15 m ×12.5 m ×2 m 大結(jié)構(gòu)參數(shù)方案的實驗回收率超過88%，與原有10 m×10 m×2 m 結(jié)構(gòu)參數(shù)方案基本相當。這表明，緩傾斜礦體條件下大結(jié)構(gòu)參數(shù)方案仍可獲得較為滿意的回收效果。

(2)從回收率指標看，15 m ×12.5 m ×2 m 參數(shù)方案的回收指標優(yōu)于10 m×12.5 m×2 m 方案，稍遜于15 m×10 m×2 m 和10 m×10 m×2 m 方案，但綜合采切及爆破工程量減少等因素考慮，可以認為大頂山礦區(qū)新的參數(shù)方案基本可行。但前提是，礦山必須保證大結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下良好的采切工程質(zhì)量與炮孔質(zhì)量，確保良好的爆破效果。

(3)隨著參數(shù)的加大，在下盤三角礦體范圍回采出的礦石量已經(jīng)占到總回收量的50% ～60%。這表明，在參數(shù)加大的情況下必須更加重視下盤三角礦體的及時充分回收。同時，在上下盤三角礦體部位實行分采分運，可使巖石混入率降低3 ～6 個百分點，說明在礦山實施分采分運是十分必要的。

(4)實驗發(fā)現(xiàn)，能夠通過增大放出量而提高回收率的最有效部位是礦體下盤三角礦體部分。在礦體上盤及中間部位增大放出量，多數(shù)情況下是無效貧化。不僅不能增加礦石回收，還將顯著惡化下分段的礦石回收效果，得不償失。

(5)在充分退采的情況下，加大分段高度對礦石回收率的不利影響遠不如人們預期的那樣顯著。相反，進路間距的增加倒是顯著影響了礦石回收。

需要說明的是，由于擔心緩傾斜中厚礦體條件下礦石回收不充分，實驗過程中實際出礦的允許貧化程度都比較大，導致實驗最終的巖石混入率都超過了40%。因此，為進一步了解在較低貧化的情況下大結(jié)構(gòu)參數(shù)方案的礦石回收效果，我們又進行了3 次補充實驗，分別對目前礦山主要采用的10 m×10 m×2 m、15 m×10 m×2 m 結(jié)構(gòu)參數(shù)以及即將在2 450 m 水平開始采用的15 m ×12.5 m ×2 m 等3 組結(jié)構(gòu)參數(shù)在較低貧化情況的放礦效果進行了模擬實驗，其中10 m×10 m ×2 m 參數(shù)方案采用了單分間立體組合模型。實驗仍采用截止品位放礦方式，但截至放礦時出礦口的巖石比例由80%降至70%左右，相關(guān)實驗數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計并分析如表3 所示。

表3 實驗結(jié)果統(tǒng)計Table 3 Results of experiment

實驗結(jié)果表明:

(1)當大結(jié)構(gòu)參數(shù)的總巖石混入率從40%以上降低至30%左右時，3 種結(jié)構(gòu)參數(shù)的礦石回收率仍維持在80%以上，雖然較原來的礦石回收率低5 ～7 個百分點，對于緩傾斜中厚礦體情況來講，仍是一個可以接受的指標。

(2)從回收率來看，實驗結(jié)果仍保持于前面實驗結(jié)果相同的趨勢，即10 m×10 m×2 m 結(jié)構(gòu)參數(shù)的回收率指標略優(yōu)于15 m×12.5 m×2 m，但差距并不顯著。如果考慮增加進路間距在減少回采進路等方面帶來的效益，15 m×12.5 m×2 m 結(jié)構(gòu)參數(shù)方案總體上應該是優(yōu)于10 m ×10 m ×2 m 方案或基本相當。因此，15 m×12.5 m×2 m 結(jié)構(gòu)參數(shù)方案對于大頂山礦區(qū)來講應該是一個可行的方案。

3 結(jié) 語

(1)理論分析及放礦實驗結(jié)果都表明，緩傾斜中厚礦體條件下的無底柱分段崩落法也有增加結(jié)構(gòu)參數(shù)的可能。在充分退采下盤的情況下，15 m×12.5 m×2 m 的大結(jié)構(gòu)參數(shù)方案也可以獲得與10 m ×10 m×2 m 方案相近的回收效果。因此，15 m×12.5 m×2 m 結(jié)構(gòu)參數(shù)方案對于大頂山礦區(qū)來講應該是一個可行的方案。

(2)實驗放礦的結(jié)果較好地驗證了理論計算的可靠性，兩者不僅在趨勢上高度一致，甚至在數(shù)值上也有一定的符合度。因此，理論計算可以在一定程度上代替放礦實驗來預測不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下不同退采范圍的下盤損失。但在目前情況下，理論計算還不能對放礦產(chǎn)生的貧化進行較為精確的計算。

(3)研究表明，在緩傾斜礦體條件下，分段高度對礦石回收的不利影響遠不如人們過去認為的那樣大，只要下盤退采充分，加大分段并不會造成更多的下盤損失。但是，進路間距的增加，卻肯定會增加礦石在下盤的損失。這部分增加的損失主要是因為進路間距增加導致不能通過繼續(xù)退采回收的下盤殘留礦量增加造成。不過，進路間距的增加，增加了進路間柱的厚度，為通過上分段進路間柱中的輔助進路回收下盤殘留礦石創(chuàng)造了更好的條件，從而可以使這部分礦石得到更加充分的回收。

(4)只要針對大結(jié)構(gòu)參數(shù)條件采取適當?shù)募夹g(shù)措施，緩傾斜中厚礦體條件下一定程度加大結(jié)構(gòu)參數(shù)并不會造成過大的礦石損失和貧化，大結(jié)構(gòu)參數(shù)方案仍具有較好的可行性。當然，結(jié)構(gòu)參數(shù)的增加，必然會對采礦工藝特別是鑿巖爆破造成一定的影響，如何確保采切工程以及爆破質(zhì)量，成為影響大結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下礦石回收的關(guān)鍵因素，必須予以高度重視。同時，對于緩傾斜中厚礦體來講，結(jié)構(gòu)參數(shù)特別是分段高度的增加也不能超過一定限度。否則，即便是退采到上分段回采巷道與礦體下盤交界處或以內(nèi)，也會出現(xiàn)因下盤崩落廢石層過高導致上部礦石無法有效回收的情況發(fā)生，此時下盤殘留礦石就很難得到充分回收。

［1］ 金 闖，董振民，貢鎖國，等. 梅山鐵礦無底柱分段崩落法加大結(jié)構(gòu)參數(shù)研究［J］.金屬礦山，2000(4):16-19.

Jin Chuang，Dong Zhenmin，Gong Suoguo，et al，Study on the enlarged-structure parameters of sublevel caving in Meishan Iron Mine［J］. Metal Mine，2000(4):16-19.

［2］ 單守志，任鳳玉.礦巖軟破緩傾斜中厚礦體采礦方法［J］. 東北大學學報:自然科學版，1995，16(1):6-9.

Shan Shouzhi，Ren Fengyu. Mining method of gently inclined medium thick orebody in soft and broken rock mine［J］. Journal of Northeastern Uniwersity:Natural Science，1995，16(1):6-9.

［3］ 張國聯(lián).小官莊鐵礦無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究［D］.沈陽:東北大學，2004.

Zhang Guolian. Study on Structural Parameters of Sublevel Caving in Xiaoguanzhuang Iron Mine［D］. Shenyang :Northeastern University，2004.

［4］ 張國聯(lián)，邱景平. 軟破礦巖大參數(shù)無底柱分段崩落法開采的理論與實踐［M］.北京:科學出版社，2007.

Zhang Guolian，Qiu Jingping. Theory and Practice of Large Parameter Sublevel Caving Mining in Soft and Broken Rock Mine［M］. Beijing:Science Press，2007.

［5］ 任天貴，王輝光，南斗魁.無底柱分段崩落法在礦巖軟破緩傾斜礦體中的應用［J］.金屬礦山，1992(1):3-9.

Ren Tiangui，Wang Huiguang，Nan Doukui. The application of sublevel caving in soft and broken rock mine under Condition of gently inclined orebody［J］. Metal Mine，1992(1):3-14.