典型崩落采礦法在我國應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

孫國權(quán) 王 星 楊家冕

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

典型崩落采礦法在我國應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

孫國權(quán)1,2,3王 星1,2,3楊家冕1,2,3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

崩落采礦法自應(yīng)用以來發(fā)展很快，已由最初結(jié)合淺孔鑿巖、電耙出礦發(fā)展到結(jié)合多機(jī)中深孔、深孔鑿巖，鏟運(yùn)機(jī)出礦等無軌自行設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。為綜合分析比較現(xiàn)有典型崩落法應(yīng)用特點(diǎn)，從崩落采礦法分類入手，重點(diǎn)介紹了階段自然崩落采礦法和無底柱分段崩落采礦法的應(yīng)用現(xiàn)狀、遇到的問題以及后續(xù)發(fā)展的趨勢，推進(jìn)崩落采礦法現(xiàn)場應(yīng)用及采礦業(yè)高效快速發(fā)展。

階段自然崩落法 無底柱分段崩落法 放礦管理 分段高度 進(jìn)路間距

崩落采礦法是在采礦過程中崩落圍巖以實(shí)現(xiàn)地壓管理和礦產(chǎn)資源回收的采礦方法，其中崩落圍巖的方式有自然崩落圍巖和有計劃地強(qiáng)制崩落圍巖。采用此種采礦方法時礦體不再劃分礦房和礦柱，而是采用單步驟回采，最大的特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、作業(yè)安全、使用靈活，但其使用的基本前提為地表允許塌陷。我國采礦業(yè)發(fā)展起步晚，上世紀(jì)70年代設(shè)計的礦山大部分使用崩落采礦法，以金屬礦山為例,黑色金屬礦山崩落法開采礦量占采出礦石量的85%以上,有色礦山占30%左右。國際上使用崩落采礦法的礦山約占25%。

根據(jù)回采工作面垂直高度的不同，崩落采礦法可分為單層崩落采礦法、分層崩落采礦法、分段崩落采礦法、階段強(qiáng)制崩落采礦法和階段自然崩落采礦法。各種方法其優(yōu)缺點(diǎn)不同，單層崩落法和分層崩落法一般采用淺孔鑿巖落礦，在礦體回采時，需進(jìn)行工作空間的支護(hù)，隨著回采工作面的推進(jìn)，崩落上覆巖石充填空區(qū)，這兩種采礦方法的工藝過程比較復(fù)雜，生產(chǎn)能力較低，但礦石損失貧化小。分段崩落和階段強(qiáng)制崩落采礦法一般采用中深孔鑿巖落礦，其生產(chǎn)能力大，但礦石損失和貧化也較大。階段自然崩落法需利用礦巖體本身的不完整性，在形成較大拉底空間后借助礦巖體自重實(shí)現(xiàn)落礦。國內(nèi)外金屬礦山目前使用較多的方法為無底柱分段崩落采礦法和階段自然崩落采礦法，2種崩落法在我國具有較強(qiáng)的典型性。

1 階段自然崩落采礦法

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

階段自然崩落采礦法是在礦塊下部形成拉底空間后，礦石失去下部支撐，在重力和地壓綜合作用下，首先在礦塊中間出現(xiàn)裂隙而產(chǎn)生破壞，然后再逐漸自然崩落下來[1]。階段自然崩落法以其大生產(chǎn)能力、高勞動生產(chǎn)率、低開采成本以及高安全性的特點(diǎn)在適宜條件礦山受到青睞，目前在美國、加拿大、智利、印尼、南非、菲律賓等20多個國家的50多座礦山[2]中得到應(yīng)用。其采礦模型見圖1。

圖1 階段自然崩落法采礦模型

階段自然崩落法隨回采工作面的推進(jìn)，有計劃地崩落礦體上覆圍巖，隨著礦體的下放填充采空區(qū)，進(jìn)而達(dá)到管理和控制地壓。其基本特征是崩落圍巖，回采部分礦房礦柱，適用于圍巖容易崩落、地表允許塌陷的礦體。階段自然崩落采礦法中，隨著礦體的逐漸崩落，會在崩落礦石的頂板形成壓力平衡拱[3]，其上部礦體難以崩落，為此需要人工控制礦體崩落過程和邊界，使得礦塊內(nèi)的礦體持續(xù)穩(wěn)定崩落，并不超出設(shè)計崩落范圍。常用破壞平衡拱的方法為沿著垂直走向方向移動拱支撐的A和B點(diǎn)，邊界控制方法為在礦塊邊界鉆鑿深孔以弱化崩落礦體邊界。壓力平衡拱發(fā)展見圖2，礦塊邊界控制見圖3。

圖2 壓力平衡拱發(fā)展示意

圖3 礦塊邊界弱化控制示意

我國采礦技術(shù)發(fā)展起步較晚，上世紀(jì)從國外引進(jìn)了該種采礦方法，最初在易門銅礦獅子山坑和萊蕪馬莊鐵礦進(jìn)行了采礦方法試驗(yàn)[4]，之后金山店鐵礦、金川鎳礦、程潮鐵礦、鏡鐵山鐵礦、銅礦峪銅礦、豐山銅礦、四川石棉礦和漓諸鐵礦等礦山進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其中銅礦峪銅礦的生產(chǎn)能力為400萬t/a[5]。采用階段自然崩落采礦法的部分礦山生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)見表1。

階段自然崩落采礦法在國外應(yīng)用較廣，我國金屬礦山僅銅礦峪銅礦等少數(shù)的礦山試驗(yàn)成功，其他礦山因結(jié)構(gòu)參數(shù)、采場控制、放礦管理各種原因?qū)е略囼?yàn)失敗。

1.2 存在的問題

采用階段自然崩落采礦法時，盡管采礦工藝大大簡化，管理方便，效率高，無需爆破落礦，成本低，但工程實(shí)踐表明，自然崩落采礦法風(fēng)險較高，其工業(yè)化應(yīng)用尚存在很多技術(shù)問題，主要表現(xiàn)在以下5個方面：

(1)地質(zhì)資料缺乏準(zhǔn)確。階段自然崩落采礦法的可崩性評價和采礦設(shè)計需建立在準(zhǔn)確的地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，地質(zhì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否對方法的實(shí)施起著至關(guān)重要的作用。

(2)礦體連續(xù)崩落問題。盡管其應(yīng)用前提是礦體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，但工程實(shí)踐證明，若誘導(dǎo)崩礦工作質(zhì)量差，會導(dǎo)致礦體不能連續(xù)崩落，影響礦山生產(chǎn)。

(3)礦體塊度難以控制。由于大部分礦體是利用自重崩落，局部人工誘導(dǎo)，所以礦體崩落塊度難以控制，大塊處理難度大且安全性差，直接影響出礦效率。

(4)放礦管理復(fù)雜。放礦截止時間大多依靠現(xiàn)場人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，無系統(tǒng)理論指導(dǎo)，截止品位管理難度大，礦石損失和貧化控制較難。

(5)底部結(jié)構(gòu)維護(hù)困難。由于礦體崩落規(guī)模較大，平衡拱破壞瞬時地壓顯現(xiàn)明顯，影響底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，后期維護(hù)難度較大。

1.3 發(fā)展趨勢

(1)基于地質(zhì)資料輸入的礦體可崩性定量化研究。建立基于地質(zhì)資料輸入的礦體可崩性研究模型，通過量化數(shù)據(jù)控制，進(jìn)行礦體可崩性評價，為采礦設(shè)計提供更為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料。

(2)階段高度的提升。由于階段自然崩落采礦法的礦塊準(zhǔn)備工作量大、時間長，為充分利用采準(zhǔn)工程，提高生產(chǎn)效率，需進(jìn)一步研究增大階段高度，由目前100 m左右增大至300～400 m。

(3)無軌大型設(shè)備的應(yīng)用。簡化底部結(jié)構(gòu)，利用無軌大型設(shè)備，充分發(fā)揮該采礦方法的產(chǎn)能優(yōu)勢。

(4)崩落礦石塊度預(yù)測。根據(jù)礦體節(jié)理裂隙發(fā)育情況，進(jìn)行模型化礦石崩落塊度預(yù)測。

(5)全域化定量放礦管理。放礦管理是崩落法中至關(guān)重要的步驟，開展放礦相似模擬和計算機(jī)模擬相結(jié)合的放礦技術(shù)研究，根據(jù)礦巖移動規(guī)律提出崩落法全域化定量放礦管理方式。

2 無底柱分段崩落采礦法

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

無底柱分段崩落采礦法是利用平面展開分層，進(jìn)路切割礦體，中深孔鑿巖，在進(jìn)路內(nèi)出礦的一種機(jī)械化程度比較高、作業(yè)相對安全、開采成本較低的采礦方法。該方法是20世紀(jì)60年代從瑞典引進(jìn)至我國[6]，是目前我國鐵礦采用最多的一種高效的采礦方法，同時在化工和有色行業(yè)應(yīng)用也比較多。其開采模型見圖4。

圖4 無底柱分段崩落采礦法開采模型

無底柱分段崩落采礦法最重要的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為進(jìn)路間距、分段高度、崩礦步距三者之間的組合優(yōu)化[7]，一般而言，分段高度在中段開采確定回采后難以改變，進(jìn)路間距和崩礦步距的調(diào)整相對靈活。其次對采礦方法影響的因素有鑿巖和出礦設(shè)備。

此方法剛引進(jìn)我國時分段高度與進(jìn)路間距基本為10 m×10 m、8 m×8 m[8]，并且由于受到設(shè)備應(yīng)用的限制，長期以來，一直沿用此結(jié)構(gòu)參數(shù)。國內(nèi)最早應(yīng)用此方法的礦山是向山硫鐵礦，采用低分段，其高度僅為4.5 m，生產(chǎn)效率較低。90年代以后，國內(nèi)幾大礦山引進(jìn)了較大型的鑿巖設(shè)備，進(jìn)而進(jìn)行了較大參數(shù)的試驗(yàn)，如樺樹溝鐵礦將分段高度和進(jìn)路間距均提高至20 m，梅山鐵礦開展了15 m×15 m和20 m×20 m間距的試驗(yàn)，均不同程度地提高了開采效率，降低了采切比和開采成本。我國部分采用無底柱分段崩落采礦法的礦山生產(chǎn)參數(shù)見表2。

表2 無底柱分段崩落采礦法部分礦山生產(chǎn)參數(shù)

2.1.1 大間距及高分段

根據(jù)近年來的放礦研究和現(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用，當(dāng)進(jìn)路間距與分段高度相等時，并不是最好的組合，需要依據(jù)放礦橢球體平面排布，確定橢球體五點(diǎn)相切時的參數(shù)組合，即為通常所提的高分段與大間距結(jié)構(gòu)[9-10](圖5、圖6)。

圖5 大間距結(jié)構(gòu)

大間距依據(jù)的是本分段兩相鄰進(jìn)路的放礦橢球體不相切，而是與上下分段呈菱形布置的放礦橢球體相切，且隔分段的放礦橢球體在流軸線上相切，形成五點(diǎn)相切(圖5)。其分段高度與進(jìn)路間距之比為

圖6 高分段結(jié)構(gòu)

(1)

式中，H為分段高度，m；B為進(jìn)路間距，m；a為放礦橢球體長半軸，m；b為放礦橢球體短半軸，m。

高分段的理論依據(jù)是兩相鄰進(jìn)路的放礦橢球體相切，并與上下分段呈菱形布置的放礦橢球體相切，形成五點(diǎn)相切(圖6)。其分段高度與進(jìn)路間距之比為

(2)

式中,H為分段高度，m；B為進(jìn)路間距，m；a為放礦橢球體長半軸，m；b為放礦橢球體短半軸，m。

大間距并非指大的參數(shù)，而是指進(jìn)路間距大于分段高度。對于加大采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響因素主要有礦體的賦存條件、開采規(guī)模、礦山裝備水平、礦體可爆性等，需要綜合各影響因素進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

2.1.2 低貧化放礦

近年來對低貧化放礦進(jìn)行了研究并試驗(yàn)，即以數(shù)個分層作為礦石回收的考核單位，在上部分層回采時，各個步距所崩落的礦石不需要被完全放出而是適當(dāng)殘留，以減少后續(xù)每個步距出礦時的礦巖混合程度，從而獲得高品位的采出礦石[11]。2010年部分礦山生產(chǎn)指標(biāo)見表3。

表3 2010年相關(guān)礦山生產(chǎn)指標(biāo)

保持礦巖界面基本完整是控制低貧化放礦的一個重要工藝要求。為了實(shí)現(xiàn)低貧化放礦，從礦巖動態(tài)移動規(guī)律分析，需要保持礦巖界面不產(chǎn)生大的裂隙。低貧化放礦條件下礦巖界面下移情況見圖7。

圖7 礦巖界面移動情況

低貧化放礦與截止品位放礦的主要區(qū)別：

(1)不再以步距作為放礦管理單位，而是以幾個分層統(tǒng)籌考慮，綜域性強(qiáng)。

(2)人為地將上分層殘留部分礦石作為隔離層，減小貧化。

(3)很好地控制了巖石的混入。

(4)綜域化多分層管理使得采場管理簡單化。

可控制移動范圍內(nèi)的礦巖界面都可采用低貧化放礦,而對失去控制及超出控制范圍內(nèi)礦巖界面(如靠下盤和邊界上的礦巖界面)下的礦石,由于只有一次回收機(jī)會，還應(yīng)當(dāng)采用現(xiàn)行截止品位放礦,以此減少礦石損失。

截止品位放礦與低貧化放礦的實(shí)驗(yàn)室對比結(jié)果：就礦石回采率而言,在前3個分段截止品位放礦高于低貧化放礦，2種放礦方式在第四個分段的礦石回采率接近，第五個分段的礦石回采率基本相同，對于第五個分段以下的礦石回采率，低貧化放礦略高于截止品位放礦。這種放礦方式應(yīng)用得當(dāng),在礦石回收率不降低的情況下,礦石的綜合貧化率可降低到4%～6%。

另外，對于礦石回收率的影響方面，吳愛祥等[10]通過理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，再次證明了進(jìn)路間距、分段高度、放礦步距3個主要因素對礦石回收率的影響各不一樣，其中，分段高度對礦石回收率的影響最大，進(jìn)路間距其次，影響最小的是放礦步距。這與現(xiàn)場實(shí)踐結(jié)果相一致。

2.2 存在的問題

盡管無底柱分段崩落采礦法得到了較大的發(fā)展，但在國內(nèi)礦山應(yīng)用中仍存在著很多的問題：

(1)裝備偏小。國內(nèi)一般采用中小型的鑿巖設(shè)備和出礦設(shè)備，限制了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的加大。

(2)結(jié)構(gòu)參數(shù)較小。結(jié)構(gòu)參數(shù)偏小導(dǎo)致采礦作業(yè)地點(diǎn)分散、采礦效率較低、采切比較高等，制約著無底柱分段崩落采礦法生產(chǎn)能力的發(fā)揮。

(3)盡管采用低貧化放礦，但礦石損失和貧化依然較大。與空場法和充填采礦法相比，其廢石混入面廣，難以管理，導(dǎo)致礦石貧化居高，影響采出礦石品質(zhì)，這也是最突出的問題。

2.3 發(fā)展趨勢

(1)高分段、大間距采礦。隨著無底柱分段崩落采礦法的發(fā)展，工程實(shí)踐逐漸證明高分段、大間距是其發(fā)展的趨勢，并且在國外已試驗(yàn)成功，能夠降低礦石損失和貧化，充分發(fā)揮大型采礦設(shè)備的優(yōu)勢，減小采切比，降低采礦成本。

(2)大型無軌設(shè)備應(yīng)用。采用大型無軌采礦設(shè)備是增大采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要保障，是提高無底柱分段崩落采礦法生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。

(3)原位放礦研究。現(xiàn)有放礦理論研究多基于相似材料模擬，其幾何相似較易實(shí)現(xiàn)，但在散體動力學(xué)上的相似很難模擬，模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定局限性。因此，基于設(shè)備探測系統(tǒng)的現(xiàn)場原位放礦研究是重要的發(fā)展方向。

3 結(jié) 語

崩落采礦法在我國經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，其中無底柱分段崩落采礦法在大部分鐵礦山進(jìn)行了工程應(yīng)用，并得到了較大的發(fā)展，近年來伴隨著大型設(shè)備的應(yīng)用，在高分段、大間距方面的發(fā)展逐漸成為趨勢。階段自然崩落采礦法因其嚴(yán)格的適用條件使得礦山工程應(yīng)用案例較少，但其巨量化生產(chǎn)能力和低采礦成本的優(yōu)點(diǎn)使其在適用礦山受捧，并隨著地質(zhì)數(shù)據(jù)庫計算機(jī)模型的發(fā)展，使其開采受控程度提升，而且向著高階段和全域化定量放礦管理技術(shù)方向發(fā)展。盡管崩落法開采會在地表形成塌陷坑，但隨著固化尾礦及廢石回填塌陷坑技術(shù)的逐步發(fā)展，崩落法回采過程塌陷坑控制及嗣后復(fù)墾技術(shù)會使得崩落法在成本控制及井下地壓控制方面的優(yōu)勢顯現(xiàn)，因此，崩落法在未來很長一段時間內(nèi)仍將在金屬礦山開采中發(fā)揮降本增效作用，應(yīng)用潛能較大。

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Application Status and Development Trent of Classical Caving Mining Method in China

Sun Guoquan1,2,3Wang Xing1,2,3Yang Jiamian1,2,3

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;2.State Key Laboratory of Safety and Healthfor Metal Mines;3.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co., Ltd.)

The caving mining method is developed from combing with shallow hole drilling and electric rake ore-drawing to combing with multi-machine medium-length hole, deep hole drilling, scraper ore-drawing and other trackless equipments. In order to conduct analysis and comparison of the application characteristics of the existing classical caving mining methods, based on the classification of caving mining method, the application status, existing problems and further development trend of spontaneous block caving mining method and non-pillar sublevel caving mining method are analyzed emphatically to promote the field application of caving mining method and efficient and rapid development of mining industry.

Spontaneous block caving mining method, Non-pillar sublevel caving mining method, Ore-drawing management, Sublevel height, Advance interval

2016-08-01)

孫國權(quán)(1976—)，男，副所長，高級工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666 號。