無底柱分段崩落法崩落體形態(tài)的研究現(xiàn)狀與展望

常 帥 李 楠 張國(guó)建 楊宇江 溫彥良 周滌非

（遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山114051）

無底柱分段崩落法具有安全性好、回采效率高的特點(diǎn)，在地下鐵礦山中應(yīng)用廣泛。該方法在覆蓋巖層下放礦，存在損失貧化大的問題。針對(duì)該問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在回采參數(shù)優(yōu)化、崩落礦巖移動(dòng)規(guī)律、放礦管理等方面開展了大量的研究工作［1-6］。但從放礦過程來看，崩落體、放出體、松動(dòng)體貫穿整個(gè)放礦循環(huán)，是決定放礦效果的關(guān)鍵。因此，充分認(rèn)識(shí)“三體”形態(tài)對(duì)降低損失貧化、提高礦石回收效果有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)放出體的研究較多，并形成了橢球體放礦、隨機(jī)介質(zhì)放礦等理論體系［7-15］，而作為放礦對(duì)象的崩落體，由于其形態(tài)難以直接觀測(cè)得到，研究比較困難。早期的放礦研究將爆落礦石堆的形成假設(shè)為崩落礦石向周圍覆巖的線性擠壓［16］。馬鞍山礦山研究院焦靜蘭［17］對(duì)放礦前端壁面礦石堆積體的厚度進(jìn)行分析，提出厚度由爆破步距、礦石堆向前推移距離、前一循環(huán)端壁面殘留礦石厚度3部分組成；之后，該院郭玉［18］等利用自研設(shè)備——BCY-3型爆破介質(zhì)位移參量測(cè)定儀在梅山鐵礦進(jìn)行無底柱分段崩落法礦石擠壓爆破推距測(cè)定，提出推距系數(shù)=推距/崩礦步距，取值一般為0.3～0.4。

此后，對(duì)于無底柱分段崩落法礦石爆堆的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深。張國(guó)建［19-21］等通過爆破手段，將覆蓋巖層內(nèi)形成的礦石爆堆定義為崩落體，形成了崩落體的概念，并對(duì)崩落體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論分析，將崩落體與放礦過程中的放出體、松動(dòng)體聯(lián)系起來，指出崩落體對(duì)其它2種形態(tài)能產(chǎn)生直接影響，在整個(gè)回采系統(tǒng)起著決定性作用，回采系統(tǒng)中三者位置關(guān)系如圖1所示。因此，在分析崩落體形態(tài)影響因素的基礎(chǔ)上，評(píng)述了崩落體形態(tài)的研究現(xiàn)狀及存在的問題，指出了今后的研究方向。

1 崩落體形態(tài)影響因素

崩落體是在采場(chǎng)內(nèi)部形成的礦石爆堆，其形態(tài)是指礦石爆堆的空間形狀和賦存狀態(tài)［19］，包含幾何外形及其結(jié)構(gòu)組成。分析崩落體形態(tài)的影響因素是開展理論分析、模擬試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)和前提。崩落體形態(tài)的影響因素可歸納為以下幾個(gè)方面。

（1）爆破參數(shù)。無底柱分段崩落法落礦是在回采進(jìn)路中采用擠壓爆破方式完成的，礦石碎脹空間較小，崩落體的形成是擠壓爆破作用的結(jié)果。因此，崩落體形態(tài)的好壞與爆破參數(shù)有直接關(guān)系，不同的爆破參數(shù)會(huì)引起礦體破碎程度及發(fā)育形態(tài)的差異。對(duì)于崩落體形態(tài)研究來說，爆破參數(shù)的合理性應(yīng)以整體爆破效果為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（2）礦體及覆巖性質(zhì)。作為爆破回采的對(duì)象，礦體的物理力學(xué)性質(zhì)直接影響爆破效果，也是決定崩落體形態(tài)的主要因素之一。當(dāng)?shù)V體可崩性、碎脹性均較好，崩落體自身具備良好的發(fā)育條件，也即松動(dòng)體的松散性較好時(shí)，待爆礦體能夠在消耗較少爆破能量的情況下產(chǎn)生較大的膨脹，增加礦石顆粒的孔隙率，形成發(fā)育良好的崩落體，有利于提高放礦效果；反之，崩落體自身不具備良好的發(fā)育條件，進(jìn)而影響后續(xù)放出體、松動(dòng)體的外形發(fā)育，得不到良好的放礦效果。

無底柱分段崩落法最大的特點(diǎn)為礦石顆粒在巖石覆蓋層內(nèi)部由進(jìn)路口流出，完成出礦作業(yè)。在崩落體形成到出礦結(jié)束過程中，覆蓋巖層始終包裹在崩落體的外圍。因此，覆蓋巖層既提供了保證崩落體形態(tài)形成的外部環(huán)境，不過分膨脹，又起到阻礙崩落體膨脹的作用。當(dāng)覆蓋巖層松散系數(shù)小時(shí)，提供給崩落體可擴(kuò)展的空間較小，導(dǎo)致崩落體得不到充分發(fā)育。

（3）放出體、松動(dòng)體、殘留體。放出體、松動(dòng)體、崩落體是互相影響、互相制約的3個(gè)單元體，三者相互關(guān)系如圖2所示。崩落體形成于放礦階段之前，主要受爆破和松動(dòng)體特性影響。放出體處于放礦中間階段，影響著放礦回收效果。當(dāng)?shù)V石粘滯性較大時(shí)，其流動(dòng)性差，放出體發(fā)育范圍較??；當(dāng)?shù)V石流動(dòng)性好時(shí)，放出體發(fā)育范圍較大，更多的礦石進(jìn)入可放出區(qū)域，能夠增加礦石的回收率。隨著放出體的不斷發(fā)育，顆粒松動(dòng)范圍增加，松動(dòng)體受到其直接影響。而崩落體是在松動(dòng)體范圍內(nèi)形成的，松動(dòng)體內(nèi)部散體顆粒的松散程度又影響著崩落體的發(fā)育。簡(jiǎn)言之，放出體的形態(tài)受崩落體直接影響，松動(dòng)體的大小受放出體控制，下一循環(huán)的崩落體又受松動(dòng)體的影響［21］。

放礦結(jié)束后的殘留礦體留置在采場(chǎng)內(nèi)，影響到下一步距擠壓爆破形成的礦石崩落體。殘留體主要由脊部和端部2部分組成，兩者均由放礦形成。脊部殘留體位于進(jìn)路兩側(cè)，端部殘留體位于進(jìn)路端部采場(chǎng)內(nèi)，均處于放出范圍以外。對(duì)于流動(dòng)性較好的散體顆粒來說，其殘留量相對(duì)較少，而流動(dòng)性差的散體顆粒，殘留量較大。對(duì)于崩落體來說，這部分殘留體對(duì)崩落體形態(tài)發(fā)育起阻礙作用。殘留體均處于被爆礦體后方，當(dāng)散體流動(dòng)性好時(shí)，能夠給被爆礦體提供更大的松散空間，利于被爆礦體爆破形成崩落體。

（4）采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與放礦工藝。被爆礦體的幾何形狀由采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，因此，結(jié)構(gòu)參數(shù)直接決定了崩落體形態(tài)。結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括分段高度H、進(jìn)路間距B和崩礦步距L。其中，崩礦步距靈活性最強(qiáng)，優(yōu)化方便。崩礦步距的大小，直接決定了崩落體幾何形狀的厚度。目前，機(jī)械設(shè)備的不斷進(jìn)步推動(dòng)了國(guó)內(nèi)外無底柱分段崩落法礦山朝著增大結(jié)構(gòu)參數(shù)的方向發(fā)展，崩落體的形態(tài)隨之變大、變厚。

同時(shí)，放出體形態(tài)受放礦工藝直接影響。放出體內(nèi)的放出散體量決定著采場(chǎng)內(nèi)留存散體的松動(dòng)范圍，即松動(dòng)體形態(tài)，進(jìn)而影響崩落體的發(fā)育范圍。此外，放出體形態(tài)不同，則采場(chǎng)內(nèi)的殘留體形態(tài)也不同，從而影響下一步距崩落體的發(fā)育。

2 崩落體形態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 研究現(xiàn)狀

崩落體由礦石爆破后形成，屬于松散體，具有該類介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)［22］。崩落體形態(tài)研究主要包括崩落體的幾何形狀、散體塊度分布及松散性等。在無底柱分段崩落法采礦過程中，爆破在覆巖下進(jìn)行，崩落體形態(tài)無法在實(shí)際生產(chǎn)中直接觀測(cè)得到，因此，對(duì)崩落體的研究多集中于物理模擬實(shí)驗(yàn)。張國(guó)建［19-20］等通過水泥砂漿模型爆破實(shí)驗(yàn)，得出崩落體為一種外形與松動(dòng)體類似，體積較其小的曲面體，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圈定的崩落體形態(tài)如圖3所示；爆破后的礦石塊度在崩落體內(nèi)部呈現(xiàn)自下而上逐漸增大的趨勢(shì)，且崩落體三維外形尺寸分別大于分段高度H、進(jìn)路間距B和崩礦步距L的實(shí)際取值，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)了崩落體陷落區(qū)現(xiàn)象。王文杰［23］等在分析崩落體形態(tài)影響因素基礎(chǔ)上，根據(jù)相似定理，確定模型參數(shù)，建立了爆破模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀６刨F軍［24］利用氣囊加壓模擬被爆礦體的碎脹過程，得出有松動(dòng)體影響時(shí)崩落體受松動(dòng)體控制，并在其內(nèi)形成曲面體；無松動(dòng)體影響時(shí)崩落體輪廓曲線類似橢圓形；同時(shí)，指出松動(dòng)體形態(tài)對(duì)崩落體發(fā)育有顯著影響。李中原［25］利用液壓油注入模型氣囊的方式模擬爆破產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)，并對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行記錄，以獲取崩落體的形態(tài)。陳晨［26］通過物理實(shí)驗(yàn)建立不同的崩落體，并確定其分別對(duì)應(yīng)的放出體和松動(dòng)體，分析得到了崩落體與放出體的回歸方程。

物理模擬實(shí)驗(yàn)仍是今后進(jìn)一步開展崩落體形態(tài)研究的重要手段，而爆破是影響崩落體形態(tài)的主要因素，但受客觀條件及安全方面的影響，直接進(jìn)行爆破試驗(yàn)存在困難。因此，如何達(dá)到爆破模擬與實(shí)際爆破的相似，尋求合理的爆破手段是崩落體形態(tài)物理模擬實(shí)驗(yàn)研究需要解決的關(guān)鍵問題。此外，目前對(duì)于崩落體的研究多為單體實(shí)驗(yàn)，應(yīng)增加采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、爆破參數(shù)以及外部條件等多因素影響下的崩落體形態(tài)研究，提高物理模擬實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)環(huán)境的相似度。

除物理模擬實(shí)驗(yàn)外，數(shù)值模擬及計(jì)算也成為研究崩落體形態(tài)的手段之一。高常勝［27］等應(yīng)用PFC2D模擬了崩落體的形成及外形，并分析了崩落體內(nèi)部礦石和巖石的移動(dòng)規(guī)律。杜貴軍［24］在物理模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立數(shù)學(xué)模型，通過理論分析與數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了崩落體的二維理論模型。李廣輝［28］研究了崩落體的形成機(jī)理，建立了崩落體的橢球缺數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用MATLAB軟件，實(shí)現(xiàn)崩落體的自動(dòng)計(jì)算。同時(shí)，運(yùn)用PFC2D軟件對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)不同取值時(shí)的崩落體形成過程進(jìn)行了模擬，得出崩落體形態(tài)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的增大而增大。馮海輝［29］在理論分析的基礎(chǔ)上，建立了崩落體三維理論模型，并對(duì)崩落體外形進(jìn)行了計(jì)算機(jī)分析。謝海［30］通過建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)崩落體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)崩落體形態(tài)的預(yù)測(cè)，并分析了崩落體形成過程中外界因素的影響。翟會(huì)超［31］采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與理論分析的方法，建立了崩落體、放出體、松動(dòng)體的關(guān)系模型，并對(duì)回采過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)研究。孫明磊［32］利用耗散函數(shù)分析了崩落體形成過程，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬研究，驗(yàn)證了崩落體表面存在礦巖混雜區(qū)；最后，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)崩落體的體積進(jìn)行測(cè)定。溫彥良［33］等對(duì)崩落體形態(tài)以及其演變過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出崩落體形態(tài)為上寬下窄的近似橢球缺；同時(shí)指出，在放礦過程中，崩落體形態(tài)由“橢球缺”變成“舌頭狀”殘留體。

此外，由于崩落體在覆巖中形成，在礦山實(shí)際生產(chǎn)中無法直接觀測(cè)得到，崩落體形態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究較少。王燕、李文增、何榮興等在研究崩礦步距優(yōu)化過程中，通過在礦山跟班標(biāo)定的方法，統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)路出礦量與廢石混入率的變化關(guān)系，間接推測(cè)出崩落體基本形態(tài)為帶有凹陷坑的曲面體［34-36］。

2.2 研究方向

目前，針對(duì)崩落體的理論研究仍不是很成熟，崩落體形態(tài)的研究多集中于物理模擬、數(shù)值模擬等。而爆破作為影響崩落體形態(tài)的重要因素之一，在模擬過程中具有不可忽略的重要地位。在已有的研究中，應(yīng)用于崩落體形成研究的爆破替代手段為氣囊加壓模擬爆破或液壓油加壓膨脹，這些手段與爆破的作用過程存在較大區(qū)別，導(dǎo)致物理模擬與實(shí)際爆破的相似性差距較大。另外，現(xiàn)有爆破替代手段如高壓氣體、靜態(tài)破碎等是否適用于崩落體研究有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，合適的替代爆破模擬手段是今后崩落體形態(tài)研究的關(guān)鍵問題。此外，由于回采方法的限制，崩落體現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究進(jìn)展較慢，一直無法實(shí)現(xiàn)崩落體的現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確測(cè)定，如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)仍是崩落體形態(tài)研究的難點(diǎn)。

3 崩落體形態(tài)對(duì)放礦效果的影響研究

3.1 研究現(xiàn)狀

無底柱分段崩落法最顯著的缺點(diǎn)是損失貧化大，圍繞該方法開展研究的最終目的是降低礦石損失貧化。就該方法回采系統(tǒng)來說，放出體、松動(dòng)體、崩落體3個(gè)單元體互相影響，其中，崩落體是影響放出體的關(guān)鍵。因此，研究崩落體形態(tài)對(duì)放礦的影響，對(duì)合理選擇參數(shù)，降低損失貧化，改善放礦效果具有重要意義。

張國(guó)建等提出無底柱分段崩落法回采過程是一個(gè)整體，爆破作為影響放礦的重要因素，應(yīng)將其與放礦聯(lián)系起來研究放出體、松動(dòng)體、崩落體三者之間的關(guān)系，使放出體與崩落體、殘留體組成的礦堆相吻合，才能獲得最佳的放礦效果［21，37］。王燕、李文增、何榮興以殘留體、崩落體總體邊界與放出體上部形態(tài)相符為原則，分別對(duì)弓長(zhǎng)嶺鐵礦、北 河鐵礦的崩落步距進(jìn)行了優(yōu)化［34～36］。李廣輝［28］通過物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究了不同崩落體形態(tài)對(duì)礦石損失貧化的影響，得出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的崩落體形態(tài)對(duì)礦石回收效果有顯著影響。徐志強(qiáng)［38］采用理論分析和正交試驗(yàn)方法，展開崩落體幾何形狀、礦石塊度配比和松散性對(duì)放礦影響的研究，得出崩落體幾何形狀是其中最主要的影響因素。由希［39］通過覆蓋層以及崩落體內(nèi)的散體塊度分布實(shí)驗(yàn)，研究了兩者塊度不同時(shí)對(duì)礦石損失貧化的影響，提出覆蓋層上小下大與崩落體上大下小的塊度分布組合時(shí)回采指標(biāo)最好。此外，崩落體陷落區(qū)的存在也是引起損失貧化的原因，吳曉宇［40］采用人工裝填崩落體的方法開展了崩落體陷落區(qū)與礦石損失貧化關(guān)系的物理實(shí)驗(yàn)研究，得出了陷落區(qū)深度與礦石損失、貧化率的回歸關(guān)系；翟會(huì)超［41］等通過散體移動(dòng)規(guī)律方程，分析了崩落礦巖的沉實(shí)過程，推斷了崩落體形態(tài)，指出廢石的過早混入引起了礦石損失貧化。

3.2 研究方向

崩落體的形態(tài)，如幾何形狀、塊度組成、崩落體陷落區(qū)等均對(duì)放礦效果產(chǎn)生重要影響。而在以往的研究中，側(cè)重于對(duì)放礦理論的研究，缺乏將崩落體納入回采系統(tǒng)的整體考慮。今后，在降低無底柱分段崩落法損失貧化研究中，應(yīng)將回采過程看成一個(gè)有機(jī)整體，以整體最優(yōu)為目標(biāo)，加深對(duì)崩落體的研究，深入分析“三體”之間的關(guān)系，從而獲得最佳的放礦效果。

4 技術(shù)研究展望

崩落體是放礦的直接對(duì)象，其形態(tài)對(duì)礦石損失貧化的影響毋庸置疑。但由于崩落體形態(tài)難以直接觀測(cè)，目前，在崩落體形態(tài)的物理模擬、數(shù)值模擬與計(jì)算等方面開展了研究工作，取得了一定的研究成果。今后，應(yīng)在以下幾個(gè)方面開展進(jìn)一步研究：

（1）物理模擬實(shí)驗(yàn)仍是崩落體形態(tài)研究的重要手段，合理的爆破替代手段是開展準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵，這方面的研究仍待完善?？紤]爆破替代手段的特點(diǎn)，可著重開展高壓氣體作為爆破替代手段的研究，結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件針對(duì)高壓氣體控制及其參數(shù)設(shè)定開展研究。

（2）崩落體的形成有其特定的生成環(huán)境，已有的模擬研究多為單體試驗(yàn)，因此，應(yīng)建立多分段回采模型，增加采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、爆破參數(shù)以及外部條件等多因素的影響，形成符合實(shí)際崩落體形成的模擬實(shí)驗(yàn)條件。

（3）引入現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)，探尋適用的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法是崩落體形態(tài)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確實(shí)測(cè)的必要手段，是今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（4）崩落體形態(tài)研究的最終目的是改善放礦效果，降低礦石損失貧化。在整體研究回采過程的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步定量研究放出體、松動(dòng)體、崩落體之間的關(guān)系機(jī)理，建立合理的關(guān)系方程，從而獲得最佳的放礦效果。