急傾斜薄礦脈崩落法開采礦巖散體流動規(guī)律研究

安 龍，李元輝，徐 帥

(東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819)

急傾斜薄礦脈在世界范圍內(nèi)分布廣泛，主要在黃金礦山和有色金屬礦山，其具有的貴重金屬屬性，使得該類礦體的產(chǎn)量雖小，但在世界采礦工業(yè)中占有重要的地位[1]。急傾斜薄礦脈受其礦體產(chǎn)狀制約，一般多采用淺孔留礦法、分層充填法和削壁充填法進(jìn)行開采。當(dāng)該類礦體斷裂構(gòu)造發(fā)育圍巖碎裂時，受開采卸荷和爆破擾動影響，采場頂板及上下盤圍巖極易發(fā)生失穩(wěn)垮落，為采場施工人員帶來安全隱患的同時，也造成了極大的礦石損失和貧化。針對這一開采難題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究，基于圍巖加固的理念，提出了相應(yīng)的長錨索預(yù)加固技術(shù)，但是該類技術(shù)對礦山的生產(chǎn)成本、施工質(zhì)量、工序的復(fù)雜性等都提出了更高的要求，使得該類技術(shù)難于在礦山進(jìn)行推廣應(yīng)用[2]。基于中深孔開采的理念，發(fā)展了長錨索預(yù)錨固的分段充填法及水平孔落礦的爬罐天井中深孔采礦法，采用中深孔開采能夠有效保證施工人員的安全，但是如何解決回采過程中頂板及上下盤圍巖的垮落，是該類方法所面臨的難題。安龍等[3]從崩落的礦巖散體可有效支撐上下盤圍巖角度出發(fā)，針對急傾斜薄礦脈破碎礦體的開采技術(shù)條件，提出沿礦體走向布置的無底柱分段崩落法開采方案。無底柱分段崩落法采用中深孔落礦保證了施工人員的作業(yè)安全，崩落的礦巖散體可充填采空區(qū)，還可有效避免上下盤圍巖的垮落，見圖1。該方法的提出為該類礦體的安全高效開采提供了新的思路，但采用無底柱分段崩落法開采，崩落的礦石在覆蓋巖下放出，礦巖散體的流動規(guī)律將直接影響回采礦石的損失和貧化，而當(dāng)前關(guān)于傾斜壁邊界窄小空間條件下的散體流動規(guī)律研究較少[4-5]。為此本文針對急傾斜薄礦脈的礦體產(chǎn)狀，開展相似物理模型試驗(yàn)研究，分析放出體形態(tài)特征，探討傾斜壁邊界窄小空間條件下的散體流動規(guī)律，為急傾斜薄礦脈破碎礦體崩落法開采提供理論和數(shù)據(jù)支撐，促進(jìn)放礦理論體系的完善。

圖1 無底柱分段崩落法開采示意圖Fig.1 The process of sublevel caving method

1 急傾斜薄礦脈崩落法開采相似模型試驗(yàn)

1.1 工程背景

本文以內(nèi)蒙古某金礦為工程背景，其礦區(qū)內(nèi)礦體為典型的急傾斜薄礦脈破碎礦體，礦體沿走向和傾向的連續(xù)性較好，礦體厚度變異性小，受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動影響，礦巖體均破碎，礦體以絹云母化、綠泥石化蝕變巖為主，圍巖主要為斜長角閃片麻巖。礦體的平均傾角為65°，平均水平厚度為3 m。采用無底柱分段崩落法開采，中段高40 m，分段高13～14 m，采場沿走向長50 m。

1.2 相似性分析

崩落礦巖散體的重力流動是一個極為復(fù)雜的過程。因此開展相似模型試驗(yàn)，首先要對現(xiàn)場工況進(jìn)行一定程度上的簡化和合理假設(shè)：①無底柱分段崩落法礦巖散體的流動是一種緩慢移動的非黏性材料的重力流動行為；②礦巖散體材料是非均質(zhì)的，但各向同性；③散體的流動發(fā)生在一個三維空間中；④礦巖散體流動過程中的二次破碎不予考慮；⑤孔隙流體動力學(xué)對散體流動的影響不予考慮。

在以上假設(shè)基礎(chǔ)上，開展現(xiàn)場原位條件與室內(nèi)模型試驗(yàn)的相似性研究。通過相似理論分析可知，為使得室內(nèi)相似模型試驗(yàn)與現(xiàn)場原位開采條件幾何相似、運(yùn)動學(xué)相似和動力學(xué)相似，模型的相似系數(shù)λ應(yīng)滿足以下條件：①礦體的幾何尺寸、出礦巷道尺寸、礦巖散體的大小與級配等應(yīng)滿足幾何相似；②相似模型試驗(yàn)中所采用的礦巖散體的重力加速度和密度指標(biāo)與現(xiàn)場原位礦巖散體相同，即λg=λρ=1；③時間相似系數(shù)λt與長度相似系數(shù)滿足以下關(guān)系：λt=λl1/2；④應(yīng)力相似系數(shù)λσ、λσ與長度相似系數(shù)相等，即λσ=λτ=λl；⑤兩模型中的剩余摩擦角相同，即λΦr=1；⑥盡量增大墻體的摩擦系數(shù)，一般使墻體的摩擦角等于散體材料的內(nèi)摩擦角，即Φw=Φ。在以上理論分析的基礎(chǔ)上，參考Power和Castro的試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了本試驗(yàn)所做簡化和假設(shè)的合理性[6-7]。

1.3 相似模型試驗(yàn)

根據(jù)某金礦急傾斜薄礦脈破碎礦體的賦存條件，為了準(zhǔn)確模擬原位條件下礦巖散體的流動規(guī)律，本試驗(yàn)采用大幾何相似比λl(1∶25)來制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。模型的高度?40 cm，厚度25 cm，寬度24 cm，傾角65°，整體呈平行六面體形態(tài)，可裝填近300 kg礦石。礦體的寬度為3 m，對應(yīng)的裝礦寬度為12 cm。考慮物理模型的實(shí)際尺寸，為分析不同分段高度條件下的放出體形態(tài)，本試驗(yàn)散體物料的裝填高度盡可能高，礦巖散體裝填高度為110 cm，礦石散體70 cm，覆蓋巖散體40 cm。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計與實(shí)物如圖2所示。

試驗(yàn)用的礦石散體采用來自礦山現(xiàn)場的絹云母化蝕變巖，試驗(yàn)用的覆蓋層散體采用磁鐵礦。根據(jù)相似性分析與礦山現(xiàn)場原位調(diào)查結(jié)果可知，當(dāng)制作的試驗(yàn)用散體物料的性質(zhì)滿足以下條件即可達(dá)到重力放礦模擬試驗(yàn)的相似性要求，并按照以下要求制作試驗(yàn)用散體材料。條件如下：①散體物料的直徑范圍為0.12λl～0.375λlm；②散體的剩余摩擦角應(yīng)在35°～40°范圍內(nèi)；③散體物料的容積密度應(yīng)在2.0×103kg/m3左右，孔隙度近似為10%；④散體顆粒的粒級組成如圖3所示。

圖2 相似試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Similar test model

圖3 散體材料粒級組成Fig.3 Granular composition of granular materials

試驗(yàn)中為了便于分選和觀察，采用不同顏色區(qū)分礦石、廢石和標(biāo)志顆粒，灰色顆粒為礦石，黑色顆粒為覆蓋巖石，黃色顆粒為標(biāo)志顆粒。出礦巷道的位置依據(jù)沿走向的無底柱分段崩落法進(jìn)路布置方式，緊靠下盤邊壁布置，礦巖散體裝填高度為110 cm，礦石散體70 cm，覆蓋巖散體40 cm。標(biāo)志顆粒分層擺放，為提高試驗(yàn)精度，每10 cm擺放一層標(biāo)志顆粒共擺放8層，見圖4。待模型裝填完畢后，自底部放礦口，采用人工方式進(jìn)行放礦。放礦過程中記錄放出的標(biāo)志顆粒編號及對應(yīng)的放出礦量和累計放出礦量，當(dāng)頂部的覆蓋層散體自放礦口放出時，停止放礦工作。

2 相似模型試驗(yàn)結(jié)果

圖4 散體物料裝填和標(biāo)志顆粒擺放Fig.4 Bulk material filling and markingparticle placement

圖5 放出體的三維形態(tài)Fig.5 The three-dimensional shape of the isolatedextraction zone

放出體的確定是礦巖散體流動規(guī)律研究的基本內(nèi)容，為了準(zhǔn)確表達(dá)出放出體的三維形態(tài)，基于相似物理模型試驗(yàn)結(jié)果，采用樣條函數(shù)空間內(nèi)插的方法，建立放出體的三維模型。該方法的應(yīng)用，保證了放出體空間上的邊界特征及相鄰曲面之間的連續(xù)與光滑，提高了空間內(nèi)插點(diǎn)的精度。所得到的試驗(yàn)三維放出體形態(tài)如圖5所示。定義放出體的高度方向?yàn)閆軸，垂直礦體走向方向?yàn)閄軸，礦體的走向方向?yàn)閅軸。分別繪制沿礦體走向不同X軸位置處的剖面圖以及垂直礦體走向不同Y軸位置處的剖面圖，見圖6和圖7。

從圖6和圖7中可以看出，在傾斜邊壁窄小空間條件下放礦，其放出體形態(tài)不再是對稱形體，也不再是橢球體或橢球體缺，隨著累計放出礦量的增加，受傾斜邊壁和窄小空間的限制，改變了礦巖散體的運(yùn)動軌跡，導(dǎo)致放出體形態(tài)發(fā)生變異。由圖6可以看出，受傾斜邊壁影響，放礦過程中礦巖散體的流軸迅速向礦體上盤壁面靠近，放出體呈“侵入狀”沿上盤壁面迅速發(fā)育。由圖7可以看出，在該方向上放出體形態(tài)與傳統(tǒng)的端部放礦放出體形態(tài)相類似。當(dāng)放出體高度達(dá)到70 cm時，放出礦量為6 628 g，放出體沿走向方向最大寬度為11.7 cm。

圖6 垂直礦體走向的放出體剖面Fig.6 The isolated extraction zone sectional view of vertical orebody strike

圖7 沿礦體走向的放出體剖面Fig.7 The isolated extraction zone sectional view of strike along the ore body

3 崩落礦巖散體的流動規(guī)律

3.1 放出體寬度的確定

試驗(yàn)中放出體寬度與累計放出礦量間的曲線關(guān)系如圖8所示。隨著放出礦量的增加，放出體寬度也隨之增大，但放出體寬度的增長率隨之降低。根據(jù)傳統(tǒng)的底部放礦和端部放礦試驗(yàn)結(jié)論可知，當(dāng)放出體高度達(dá)到一定值時，放出體寬度將不再繼續(xù)增加[8]。因此，可將放出體寬度與累計放出礦量間的關(guān)系總結(jié)如下：①當(dāng)累計放出礦量增加時，放出體寬度值也隨之增大，但放出體寬度的增長率逐漸降低；②放出體寬度與累計放出礦量間的關(guān)系滿足負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系；③單漏斗放礦條件下放出體寬度存在極大值。

圖8 放出體寬度與累計放出礦量的關(guān)系Fig.8 The relationship between the width of isolatedextraction zone and the cumulative amount ofdrawing ore

圖9 放出體高度與累計放出礦量的關(guān)系Fig.9 The relationship between the height of isolatedextraction zone and the cumulative amount ofdrawing ore

3.2 放出體高度的確定

試驗(yàn)中放出體高度與累計放出礦量間的曲線關(guān)系如圖9所示。隨著放出礦量增加，放出體高度逐漸增加，但放出體高度的增長率相應(yīng)降低。根據(jù)放出體寬度存在極大值的結(jié)論可以推論，當(dāng)放出體寬度不變時，放出體高度的增長率保持恒定，因此放出體高度與累計放出礦量之間滿足負(fù)指數(shù)函數(shù)和線性函數(shù)的關(guān)系。當(dāng)累計放出礦量較小時，其滿足負(fù)指數(shù)函數(shù)的關(guān)系；當(dāng)累計放出礦量達(dá)到一定值時，放出體寬度不變，放出體高度與累計放出礦量間呈線性函數(shù)關(guān)系。

3.3 崩落礦巖散體移動區(qū)域劃分

依據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可知，在傾斜邊壁窄小空間條件下，崩落礦巖散體的移動規(guī)律受放礦口與傾斜邊壁的相對位置關(guān)系影響，放礦過程中一部分散體物料被傾斜邊壁阻隔，使得礦巖散體放出后其上部的補(bǔ)給源增加了斜壁方向的體積流，以維持放礦的持續(xù)進(jìn)行。根據(jù)放礦過程中放出體的發(fā)育特征，可以將放礦過程中散體的移動區(qū)分為三個部分：放礦口控制區(qū)、過渡區(qū)和傾斜邊壁控制區(qū)，見圖10和圖11。圖10中用ZL和ZD來表示三個區(qū)域的具體范圍。

圖10 放礦過程中的散體移動區(qū)域劃分Fig.10 Classification of broken rock movingareas during ore drawing

圖11 放礦過程中的散體移動區(qū)域確定Fig.11 Determination of broken rock movingareas during ore drawing

1) 放礦口控制區(qū)：該區(qū)域內(nèi)散體的移動僅受放礦口控制，與傳統(tǒng)的端部放礦條件下礦巖散體的移動規(guī)律類似。由放出體的發(fā)育特征可以確定，本試驗(yàn)中ZL=10 cm，即在放礦口之上10 cm范圍內(nèi)為放礦口控制區(qū)。

2) 傾斜邊壁控制區(qū)：在該區(qū)域內(nèi)，礦巖散體的流動主要受傾斜邊壁以及窄小空間條件控制，該區(qū)域內(nèi)散體流動的主要特征是當(dāng)每一層面上散體顆粒移動概率最大的點(diǎn)距離斜壁面的距離相同時即可認(rèn)為該層面處于傾斜邊壁控制區(qū)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，本試驗(yàn)中ZD=32 cm，即當(dāng)距離放礦口高度為32 cm時，其上部區(qū)域散體的流動僅受傾斜邊壁以及窄小空間條件控制，屬于傾斜邊壁控制區(qū)。

3) 過渡區(qū)：在該區(qū)域內(nèi)礦巖散體的流動既受到下部放礦口的影響，又受到傾斜邊壁的影響，但是隨著離放礦口距離的增加，散體流動受放礦口的影響越小，受傾斜邊壁的影響越大。在本試驗(yàn)中過渡區(qū)的范圍為10 cm

根據(jù)崩落礦巖散體的移動區(qū)域劃分可知，當(dāng)放出體高度超過過渡區(qū)后，隨著累計放出礦量的增加，礦體下盤側(cè)的損失礦量也逐漸增大。因此，在急傾斜薄礦脈條件下采用無底柱分段崩落法開采，分段高度不宜超過其過渡區(qū)。在本試驗(yàn)中，對應(yīng)的現(xiàn)場原位分段高度為10 m。

4 結(jié) 論

1) 傾斜邊壁窄小空間條件下放礦，受傾斜邊壁影響，放礦過程中礦巖散體的流軸迅速向礦體上盤壁面靠近，放出體發(fā)生變異，呈“侵入狀”沿上盤傾斜邊壁發(fā)展。

2) 得到了放出體寬度與累計放出礦量間的關(guān)系。隨著累計放出礦量的增加，放出體寬度按負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系增大，并存在極大值。

3) 得到了放出體高度與累計放出礦量間的關(guān)系。隨著累計放出礦量的增加，放出體高度先按負(fù)指數(shù)函數(shù)增大，當(dāng)放出體寬度達(dá)到極大值時，放出體高度按線性函數(shù)增大。

4) 依據(jù)不同累計放出礦量所對應(yīng)的放出體形態(tài)特征，將放礦過程中的礦巖散體流動區(qū)域劃分為放礦口控制區(qū)、過渡區(qū)和傾斜邊壁控制區(qū)三個典型區(qū)域，并由試驗(yàn)得到了放礦口控制區(qū)范圍為Z<10 cm，過渡區(qū)范圍為10 cm≤Z<32 cm，傾斜邊壁控制區(qū)范圍為Z≥32 cm。