基于BCF軟件的自然崩落法礦巖崩落塊度預(yù)測研究

陳小偉， 劉育明， 葛啟發(fā)， 范文錄， 李 文(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

自然崩落法是一種可連續(xù)出礦的大規(guī)模地下采礦方法，主要適用于礦巖穩(wěn)固性差、節(jié)理裂隙中等發(fā)育以上的低品位厚大礦體。和其他采礦方法相比，該方法回采礦體基本不需要鑿巖爆破，在生產(chǎn)成本上是唯一能與露天開采相媲美的地下采礦方法[1-3]。由于該方法在拉底形成后若崩落效果差，要想改回到其他采礦方法，則難度較大，因此它是一種風(fēng)險高、技術(shù)難度大的采礦方法。在設(shè)計前期開展詳細的巖石力學(xué)工作并合理預(yù)測礦巖崩落塊度對于自然崩落采礦可行性研究至關(guān)重要[4]。

自然崩落采礦中礦巖崩落塊度主要受礦體內(nèi)部原生節(jié)理裂隙、礦巖強度、放礦速率等因素決定，前人學(xué)者針對礦巖崩落塊度預(yù)測已開展了大量工作。M. Pierce等采用數(shù)值模擬和經(jīng)驗相結(jié)合的耦合方法對自然崩落法礦山放礦塊度尺寸分布進行了預(yù)測研究。李響等[5]基于實測節(jié)理面空間幾何參數(shù)，采用蒙特卡羅方法對某大型鎳礦Ⅲ礦區(qū)節(jié)理空間進行模擬，并采用三維礦巖塊度預(yù)測軟件MAKEBLOCK對其礦巖塊度分布進行了預(yù)測和分析。陳江川等[6]對夜長坪鉬礦自然崩落法塊度進行了預(yù)測及控制技術(shù)研究。

為了分析普朗銅礦自然崩落采礦首采區(qū)北部和南部礦體的崩落塊度，結(jié)合礦區(qū)開采技術(shù)條件以及前期首采區(qū)崩落塊度實際情況，采用BCF軟件分別對首采區(qū)以外的北部和南部礦體進行了崩落塊度預(yù)測，為提升自然崩落采礦設(shè)計可靠性提供技術(shù)支撐。

2 普朗銅礦概況

普朗銅礦位于云南省西北部迪慶藏族自治州香格里拉縣北東部，為一特大型斑巖銅礦，設(shè)計采用自然崩落法開采。一期工程設(shè)計開采3 720m水平以上的礦體，中段高度約85～295m，設(shè)計生產(chǎn)能力為1 250萬t/a?？紤]到礦山開采中段高、面積大，3 720m中段共分為3個區(qū)域進行分區(qū)回采，首采中部礦石品位較高的區(qū)域，然后再回采南部和北部采區(qū)。各區(qū)域分布如圖1所示。

礦山已于2017年進行試生產(chǎn)，2018年已經(jīng)完成出礦量約600萬t，首采區(qū)共有N4～S9共計13條出礦穿脈，穿脈間距為30m。根據(jù)首采區(qū)內(nèi)靠近南部和北部出礦穿脈內(nèi)放礦點實際塊度情況(如圖2和圖3所示)。可以看出，南部穿脈內(nèi)出礦口的礦石塊度小，幾乎沒有發(fā)生卡斗問題；而北部穿脈出礦口大塊多，發(fā)生卡斗現(xiàn)象頻繁。

圖1 3 720m中段分區(qū)情況

圖2 首采區(qū)靠近南側(cè)S7穿脈內(nèi)出礦塊度

圖3 首采區(qū)靠近北側(cè)N3穿脈內(nèi)出礦塊度

3 BCF軟件崩落塊度預(yù)測

考慮到首采區(qū)回采完畢后，即將對北部和南部采區(qū)進行回采，提前對崩落塊度進行合理預(yù)測將直接影響后續(xù)工程設(shè)計參數(shù)選取。BCF軟件(Block Cave Fragmentation)是一款用于預(yù)測自然崩落法崩落塊度的程序，它是一個集理論分析與經(jīng)驗規(guī)則為一體的專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)用簡化的技術(shù)確定原始塊度，并用經(jīng)驗法則預(yù)測崩落塊度和放出塊度。BCF軟件是目前自然崩落法塊度預(yù)測中最常用的一款系統(tǒng)。該系統(tǒng)最先在南非的一家礦山進行了應(yīng)用，經(jīng)改進后用于南非Palabora礦山自然崩落法可行性研究。BCF軟件界面如圖4所示。

圖4 BCF軟件界面

g該軟件包括以下三個主要模塊。

第一個模塊：根據(jù)巖石強度、節(jié)理產(chǎn)狀、間距等統(tǒng)計數(shù)據(jù)和區(qū)域應(yīng)力計算初始塊度；主要輸入?yún)?shù)包括巖石類型、巖石級別MRMR、完整巖石強度、節(jié)理裂隙頻率、節(jié)理組數(shù)、節(jié)理傾角、節(jié)理間距等。

第二個模塊：通過考慮塊體的高寬比、塊體強度、崩落壓力、崩落過程中成拱作用產(chǎn)生的應(yīng)力、出礦速率及出礦高度等計算出礦塊度。

第三個模塊：研究出礦塊度在出礦漏斗產(chǎn)生卡斗的可能性。

4 崩落塊度預(yù)測結(jié)果分析

1)初始塊度預(yù)測

通過對南部和北部采區(qū)的巖石級別MRMR、完整巖石強度、節(jié)理裂隙頻率、節(jié)理組數(shù)、節(jié)理傾角、節(jié)理間距等進行統(tǒng)計并輸入軟件，主要參數(shù)見表1。

表1 塊度預(yù)測相關(guān)輸入?yún)?shù)表

采用BCF軟件對兩個區(qū)域的崩落初級塊度進行預(yù)測，結(jié)果如圖5所示。

圖5 南部和北部采區(qū)礦體初級塊度預(yù)測結(jié)果

根據(jù)圖5中計算結(jié)果可以看出：(1)南部礦體初級塊度小于2m3的塊度達到94.1%，平均塊度為0.725m3，最大塊度為3.16m3，大塊率少。(2)北部礦體初級塊度小于2m3的塊度為65.19%，大塊率較多，平均塊度為1.27m3，最大塊塊度為6.29m3。北部礦體的初級塊度大塊率明顯高于南部礦體。

2)次級塊度預(yù)測

根據(jù)自然崩落法生產(chǎn)工藝可知，放礦次級塊度會受到放礦高度的影響。在自然崩落法開采初期，放礦高度較小，在后期拉底逐步完成后放礦高度才能達到設(shè)計高度，因此為了解自然崩落法開采過程中的礦巖次級塊度變化，在礦巖次級塊度預(yù)測時，輸入不同的放礦高度進行預(yù)測。南部礦體放礦高度從30m遞增到150m，遞增梯度為30m，如圖6a所示。北部礦體放礦高度從40m遞增到240m，遞增梯度為40m，如圖6b所示。不同放礦高度下的次級塊度預(yù)測結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖6 南部和北部礦體次級塊度預(yù)測結(jié)果

從圖7中數(shù)據(jù)可知，南部礦體放礦高度達到設(shè)計高度150m時，南部礦體小于2m3的塊度達到99.04%，平均塊度為0.314m3，最大塊度為2.11m3。從圖8中數(shù)據(jù)可知，北部礦體剛開始放礦時，大塊率高達35%，而當(dāng)放礦高度達到設(shè)計高度240m時，北部礦體小于2m3的塊度達到91.05%，平均塊度為0.493m3，最大塊度為4.23m3。

從南部和北部采區(qū)不同放礦高度時的次級塊度分布結(jié)果可以看出，最終大塊率都比初級塊度預(yù)測時的大塊率低。隨著持續(xù)放礦高度的增加，大塊率呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，且后期崩落塊度逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7 南部礦體不同放礦高度下的次級塊度預(yù)測結(jié)果

圖8 北部礦體不同放礦高度下的次級塊度預(yù)測結(jié)果

5 結(jié)論

本文采用BCF軟件對普朗銅礦北部和南部采區(qū)的崩落塊度進行預(yù)測，并對不同放礦高度條件的崩落塊度變化規(guī)律進行了研究分析，得出結(jié)論如下：

(1)根據(jù)預(yù)測結(jié)果，南部礦體崩落塊度小，大塊率少；北部礦體受礦巖完整性好影響，崩落塊度較大，生產(chǎn)期間發(fā)生卡斗、懸頂?shù)葐栴}概率大。建議進一步對北部礦體補充工程地質(zhì)工作，必要時開展水壓致裂礦巖預(yù)處理，降低崩落礦巖大塊率。

(2)隨著放礦高度的增加，礦石塊體在放礦過程中不斷受到擠壓和摩擦作用，礦巖崩落塊度逐漸降低。因此，在礦山生產(chǎn)前期可能會出現(xiàn)較大比例的大塊，后期隨著持續(xù)放礦崩落塊度大塊率將逐漸降低并趨于穩(wěn)定在較低水平。