某鐵礦無底柱分段崩落法分段高度的確定

劉國寅，杜德崗，章錦榮，蔣玉清，杜戴光

(昆明坤澤礦業(yè)技術(shù)有限責(zé)任公司，昆明 650224)

隨著現(xiàn)代化采礦工藝的更新及進步，先進的采掘設(shè)備逐漸興起，機械化開采減少了勞動力的投入，降低了生產(chǎn)成本。目前，無底柱分段崩落法大多采用大結(jié)構(gòu)參數(shù)[1-2]，可減少采切工程量，降低采礦成本，但過大或不合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)會加大采礦損失貧化率。礦山企業(yè)追求低成本和高收益，因此合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)對礦山生產(chǎn)至關(guān)重要。

影響礦山采礦成本及礦石損失貧化指標(biāo)的主要因素有分段高度、進路間距和崩礦步距[3]。三者存在聯(lián)系及制約，它們之間有一個最佳值，能使礦石回收及貧化率達到最佳，任一參數(shù)均不能離開另外兩個而單獨存在最佳值。無底柱分段崩落法的結(jié)構(gòu)參數(shù)，一般首先確定分段高度，隨之即可確定其它兩者的結(jié)構(gòu)參數(shù)[4]。

分段高度的確定不僅僅受鑿巖設(shè)備的影響[5]，更應(yīng)該考慮開采技術(shù)條件和礦體穩(wěn)固性。鑿巖設(shè)備直接限制分段高度的大小，而開采技術(shù)條件及礦體穩(wěn)固性會影響鉆孔質(zhì)量及炮孔成孔率，從而影響爆破效果。爆破效果的好壞直接影響放礦效果，最終影響礦石的損失貧化率[6]。本文礦山水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件復(fù)雜，地下涌水量較大，礦體富水性強、穩(wěn)固性較差，對礦山開采影響較大。

1 國內(nèi)礦山無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)

國內(nèi)大型鐵礦大多采用無底柱分段崩落法進行開采，主要特點是鐵礦厚度大，分布范圍廣。采用該方法進行開采具有機械化程度高、生產(chǎn)能力大、采切比小等優(yōu)點。各礦山的無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)尺寸也不盡相同，其結(jié)構(gòu)尺寸與開采技術(shù)條件關(guān)系較大。國內(nèi)部分礦山無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見表1[7-10]。

表1 國內(nèi)部分礦山無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of non-pillar sublevel caving method in some domestic mines

從表1可看出，無底柱分段崩落法的分段高度與礦體及上盤圍巖的穩(wěn)固性有一定的關(guān)系，f系數(shù)越大，分段高度和進路間距越大，反之則越小。我國使用無底柱分段崩落法的礦山，分段高度一般為8～15 m，實際使用10～13 m的居多。但不同礦山的條件不盡相同，分段高度究竟多高為宜，還有待研究總結(jié)。

2 開采技術(shù)條件

2.1 水文地質(zhì)條件

1)地表水對礦床充水的影響

礦區(qū)內(nèi)通過透含水層及導(dǎo)水構(gòu)造破碎帶的作用，存在相對的水力聯(lián)系，構(gòu)成對深部礦床的間接充水因素。

2)礦體的富水性和導(dǎo)水性對礦床充水的影響

礦石結(jié)構(gòu)疏松，呈多孔狀、蜂窩狀、膠狀、皮殼狀等。常在與矽卡巖接觸部位浸水或滴水，為弱裂隙含水體。礦體的風(fēng)化程度越高，透水性和富水性越強，近地表的全—強風(fēng)化礦體一般具有較好的透水性。礦體的節(jié)理裂隙越發(fā)育，尤其是張性節(jié)理的發(fā)育密度越大，其透水性和富水性也越強，賦存在斷層破碎帶內(nèi)的礦體，具有較強透水性和富水性。地下水對礦體的充水影響較大。

2.2 工程地質(zhì)條件

1)工程地質(zhì)條件

礦體頂板為全—強風(fēng)化的軟弱巖組；兩側(cè)及底板為透輝石矽卡巖、金云母矽卡巖及硅灰石矽卡巖的軟巖—較軟巖組；礦層屬以似層狀為主軟巖礦床，風(fēng)化作用強烈，地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育。工程地質(zhì)條件屬中等類型。

2)礦巖特性

頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，節(jié)理、裂隙發(fā)育，質(zhì)地軟弱，巖石破碎呈細砂狀，穩(wěn)固性較差。巖層普氏系數(shù)f為0.42～2.48，平均1.63。礦層松散、破碎，完整性差，礦石巖芯呈短柱狀、碎塊狀，節(jié)理致密，性脆。礦體普氏系數(shù)f為1.96～2.75，平均2.36。

3 限制分段高度的因素

分段高度的選取，應(yīng)全面考慮礦體穩(wěn)固性、鑿巖設(shè)備、采場地壓、爆破質(zhì)量以及礦石的化學(xué)成分和物理性質(zhì)等[11]。本礦山礦石中的主要化學(xué)成分為Fe2O3、Zn、SiO2、Al2O3、FeO、MgO，不含有易凝固或黏結(jié)的化學(xué)成分，因此可不用考慮礦石化學(xué)成分和物理性質(zhì)。礦體穩(wěn)固性對采場地壓和爆破質(zhì)量起著關(guān)鍵性作用，因此，影響本礦山分段高度的因素為鑿巖設(shè)備和礦體穩(wěn)固性。

3.1 鑿巖設(shè)備

目前，國際國內(nèi)常用的中深孔鑿巖設(shè)備如表2所示[12-14]，平均鉆孔深度為30～32 m。國內(nèi)最為常用的中深孔鑿巖設(shè)備為YGZ90鑿巖機。

依據(jù)橢球體放礦理論，繪制出分段高度與炮孔深度的關(guān)系，詳見圖1。根據(jù)現(xiàn)有中深孔鑿巖設(shè)備的平均鉆孔深度，分段高度最高可達20 m。顯然，鑿巖設(shè)備不是限制本礦山分段高度的主要因素。

3.2 礦體穩(wěn)固性

1)礦體穩(wěn)固性對采場地壓的影響

采場地壓主要在實際生產(chǎn)過程中，對現(xiàn)場進行監(jiān)測監(jiān)控，通過監(jiān)測結(jié)果分析論證采場地壓的穩(wěn)定情況。本礦山礦體穩(wěn)固性較差，分段高度不宜過低，過低的分段高度會造成鑿巖巷道變形、垮塌。

表2 國內(nèi)外常用中深孔鑿巖設(shè)備Table 2 Commonly used deep-hole drilling equipment at home and abroad

圖1 分段高度與炮孔深度的關(guān)系Fig.1 The relationship between the sectional height and the hole depth

2)礦體穩(wěn)固性對鑿巖爆破的影響

無底柱分段崩落法直接從鑿巖巷道內(nèi)鑿巖、落礦及出礦，落礦方式為擠壓爆破，崩落的礦石從鑿巖巷道端部放出，爆破效果直接影響礦石的流動性，從而影響放礦效果，最終影響礦石損失貧化。因此，爆破效果對無底柱分段崩落法的損失貧化影響較大。

影響爆破效果的因素很多，主要有爆破參數(shù)、施工質(zhì)量及施工管理。爆破參數(shù)可通過生產(chǎn)實踐不斷進行優(yōu)化，施工管理可通過人為因素進行管控，但施工質(zhì)量主要受礦體穩(wěn)固性的限制。本礦山礦巖松散、破碎，穩(wěn)固性較差，鑿巖施工質(zhì)量差，炮孔成孔率低，炮孔不規(guī)整、變形等。致使裝藥結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響爆破效果，造成大塊率高、眉線破壞、推墻及懸頂?shù)?，增大了礦石的損失貧化。其實質(zhì)是爆破效果差，改變了放礦橢球體的位置及大小，增大廢石的混入量及減少礦石的放出量。造成本礦山爆破效果差的主要原因是炮孔施工質(zhì)量差，應(yīng)減小炮孔深度，易于快速施工形成炮孔，能對炮孔的完整性進行控制，因此，分段高度不宜過高。

4 分段高度的確定

無底柱分段崩落法的分段高度、進路間距和崩礦步距對礦石損失貧化影響較大，但三者的合理結(jié)構(gòu)尺寸能使損失貧化降到最低。

4.1 分段高度的初選

本礦山地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，礦體透水性和富水性較強，地表水及地下水對礦體充水影響較大。礦石及巖石結(jié)構(gòu)松散、破碎，穩(wěn)固性較差，巖石的平均普氏系數(shù)為1.63，礦石的平均普氏系數(shù)為2.36。利用本礦山礦巖的普氏系數(shù)與表1進行比較分析，初步確定分段高度為10 m。

4.2 分段高度的確定

影響本礦山分段高度的主要因素是礦體穩(wěn)固性。分段高度過高，炮孔深度過大，會引起炮孔變形、損毀，難以對炮孔的完整性進行控制；分段高度過低，會加大采場地壓，造成鑿巖巷道垮塌，同時會增大采切工程量。

對比表1中相類似的生產(chǎn)礦山，比較適宜的分段高度為10 m。近年來，鑿巖設(shè)備效率的提高，可適當(dāng)加大分段高度，減少采礦成本。本礦山構(gòu)造發(fā)育，礦體破碎、富水性強，要求快速鑿巖、爆破，炮孔不宜長時間裸露，鑿巖完畢，應(yīng)立即進行裝藥爆破，爆破工作必須搶在炮孔變形之前完成。應(yīng)選用高效率的鑿巖設(shè)備，將鉆孔深度控制在鑿巖機最有效的鉆孔范圍內(nèi)，縮短鑿巖時間，減少炮孔裸露時間。國內(nèi)目前常使用的中深孔鑿巖設(shè)備為YGZ90，其鉆孔深度為30 m，生產(chǎn)實踐表明，該種鑿巖設(shè)備鉆孔深度超過20 m時，鑿巖效率急劇下降。

綜上所述：考慮到現(xiàn)代開采技術(shù)的提高及先進采礦設(shè)備的崛起，分段高度較以往相類似礦山增大2 m，試選用12 m的分段高度，其最大炮孔深度為17.5 m，炮孔深度在鑿巖機的有效鉆孔范圍內(nèi)。

4.3 實踐與驗證

本礦山按12 m的分段高度進行生產(chǎn)建設(shè)，為避免炮孔長時間裸露，造成損毀，采用邊鑿巖邊裝藥爆破的方式。在有斷層破碎帶的區(qū)域，根據(jù)鉆機的振動及聲音情況，反復(fù)進退鉆桿，邊鉆孔邊將孔內(nèi)巖渣排出，保持鉆孔暢通。在鉆進過程中，孔內(nèi)巖渣較多，無法排凈時，采用向孔內(nèi)噴護水泥漿液的方式，待水泥漿液凝固一定的時間后，再進行鉆進，反復(fù)交替作業(yè)，最終形成鉆孔。

生產(chǎn)實踐表明，12 m的分段高度，鉆孔效率高，能快速成孔，成孔率高，爆破效果好，礦石損失貧化率在合理的范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

無底柱分段崩落法的分段高度變化對礦石的損失貧化影響較大，而進路間距在一定范圍內(nèi)變化，對礦石損失貧化影響不大。因此，應(yīng)首先確定分段高度，進路間距和崩礦步距依據(jù)分段高度確定最佳值，使礦石損失貧化達到最小。

限制分段高度的因素很多，應(yīng)將開采技術(shù)條件和礦體穩(wěn)固性放在首位，文中礦山礦體穩(wěn)固性較差，分段高度不宜過大，擬選的12 m分段高度經(jīng)生產(chǎn)實踐驗證是合理可行的。