我國(guó)無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究進(jìn)展與方向

惠安社 李明樓， 路增祥 張治強(qiáng)

（1.中國(guó)華冶科工集團(tuán)有限公司遼寧礦業(yè)分公司，遼寧鞍山114051；2.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山114051）

我國(guó)自1965 年正式引進(jìn)無底柱分段崩落法典型方案及其配套的無軌采礦設(shè)備后，1967 年在大廟鐵礦投入工業(yè)試驗(yàn)，并于1970 年取得全面成功［1-3］。隨后，該方法以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全、高效和低成本的突出優(yōu)點(diǎn)在金屬礦山［4-5］、非金屬礦山［6-7］地下開采中得到了迅速推廣和廣泛應(yīng)用［8-9］。眾所周知，無底柱分段崩落采礦法的放礦特點(diǎn)是覆蓋巖下端部放礦，礦石的損失貧化大是該采礦方法應(yīng)用實(shí)踐中的一大技術(shù)難題。為了探索與解決這一問題，改善無底柱分段崩落法的放礦效果，眾多研究者進(jìn)行了大量卓有成效的研究并取得了豐碩成果。早期的研究表明［10-13］：重力作用下的崩落礦巖流動(dòng)特性、進(jìn)路寬度和高度、端壁傾角、邊孔角和鏟取深度等流動(dòng)條件，均對(duì)放出體形態(tài)和大小有影響，進(jìn)而影響到礦石的損失與貧化，其中采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)礦石損失貧化的影響更為直接。

隨著人類對(duì)礦產(chǎn)資源需求的不斷增長(zhǎng)和礦山企業(yè)追求生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益期望的不斷提升，“三大兩低”和“智能化”已成為世界范圍內(nèi)無底柱分段崩落采礦法的發(fā)展方向?！叭蟆北憩F(xiàn)為生產(chǎn)的大規(guī)模、采礦方法的大結(jié)構(gòu)參數(shù)和出礦設(shè)備的大型化，礦山企業(yè)可借此實(shí)現(xiàn)更大的生產(chǎn)能力和更高的生產(chǎn)效率；“兩低”則反映在礦石的低損失與低貧化兩個(gè)方面，使礦山企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)最大化地回收礦產(chǎn)資源，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本；“智能化”則可使更多的人力從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)解放出來，使采礦生產(chǎn)更為安全、更為經(jīng)濟(jì)。

為適應(yīng)無底柱分段崩落采礦法“三大兩低”和“智能化”的發(fā)展方向，正確選定無底柱分段崩落采礦法的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)于提高該采礦方法的生產(chǎn)效率、改善出礦效果極為重要。因此，本研究在系統(tǒng)歸納和總結(jié)我國(guó)無底柱分段崩落采礦法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)今后的主要研究方向進(jìn)行探討，為無底柱分段崩落采礦法的后續(xù)研究提供參考。

1 無底柱分段崩落采礦法概況

1.1 無底柱分段崩落采礦法典型方案

19 世紀(jì)50 年代，在瑞典的基律納鐵礦形成了無底柱分段崩落采礦法的典型方案，如圖1所示。在最初的典型方案中，采礦方法的三大結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為分段高度9 m，進(jìn)路間距10 m，崩礦步距1.6 m［14］。到2008 年，基律納鐵礦的三大結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為分段高度28.5 m，進(jìn)路間距24.7 m，崩礦步距2.6 m，代表了國(guó)外無底柱分段崩落采礦法的最高水平［15］。

我國(guó)自19 世紀(jì)60 年代成功引進(jìn)無底柱分段崩落采礦法后，采礦方法三大結(jié)構(gòu)參數(shù)也經(jīng)歷了不斷變化的過程。目前我國(guó)部分礦山應(yīng)用無底柱分段崩落法采礦的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2 無底柱分段崩落法的回采系統(tǒng)

探索放礦過程中崩落礦巖的移動(dòng)規(guī)律，研究崩落體、放出體、殘留體和礦巖的混雜過程，也即研究礦石損失貧化發(fā)生的過程，是降低無底柱分段崩落法回采過程中礦石損失貧化的關(guān)鍵所在。在全面研究放礦過程及其規(guī)律的基礎(chǔ)上，注意礦石堆積體和放出體相互關(guān)系的研究，進(jìn)而探明如何有效確定爆破步距才能最大限度地回收崩落礦石。

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通過大量研究，張國(guó)建［17］從系統(tǒng)的角度思考，將無底柱分段崩落法的礦石崩落與放礦過程作為一個(gè)整體，認(rèn)為這一過程構(gòu)成了無底柱分段崩落法的回采系統(tǒng)，如圖2所示。

在無底柱分段崩落法回采系統(tǒng)中，崩落體、放出體和松動(dòng)體是回采系統(tǒng)的重要組成部分，三者相互依存、相互關(guān)聯(lián)［18］。無底柱分段崩落法礦石崩落與放礦過程中，崩落體是放礦的對(duì)象，如果礦石放出過程中覆蓋巖不發(fā)生移動(dòng)，則礦石放出后在采場(chǎng)中所形成的空間形態(tài)構(gòu)成了放出體的形態(tài)。放礦時(shí)，覆蓋巖在重力作用下不斷移動(dòng)和填充礦石放出后形成的空間，造成了一定范圍內(nèi)覆蓋巖的松散系數(shù)或空隙率增大，因而在覆蓋巖中形成了松動(dòng)體，松動(dòng)體大小與放出體大小、覆蓋巖的松散系數(shù)和放礦前覆蓋巖的密實(shí)度等有關(guān)。放礦結(jié)束后，松動(dòng)體又為下一循環(huán)的崩礦形成了擠壓爆破條件，使新的崩落體在松動(dòng)體中發(fā)育。因此，崩落體決定放出體的形態(tài)，放出體影響松動(dòng)體的形態(tài)，松動(dòng)體又影響崩落體的形態(tài)。

張國(guó)建和蔡美峰［19-20］提出了崩落體的概念，崩落體是被爆礦體崩落后在松散覆蓋巖層中形成的礦石松散堆體，是放礦的對(duì)象，在系統(tǒng)中起著決定性的作用。當(dāng)放礦條件一定時(shí)，分段高度與回采進(jìn)路的位置不同，崩落體形態(tài)不同，按照崩落體形態(tài)改進(jìn)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，使崩落礦石的放出條件得到根本改善，可大幅度降低礦石損失與貧化。這也為采礦方法及其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了一個(gè)有利的研究方向。

2 采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

傳統(tǒng)上，無底柱分段崩落采礦法的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括了分段高度、進(jìn)路間距和崩落步距，這三大參數(shù)也是礦業(yè)科技工作者研究的主要對(duì)象。在該采礦方法的應(yīng)用實(shí)踐中，大結(jié)構(gòu)參數(shù)表現(xiàn)出了下列優(yōu)勢(shì)：

（1）增大采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可有效增加單次崩礦量，縮短爆破、通風(fēng)等輔助作業(yè)時(shí)間，提高出礦設(shè)備的作業(yè)效率，因而有利于提高采礦生產(chǎn)能力。

（2）增大采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可有效減少分段開拓工程和回采進(jìn)路數(shù)量，因而有利于降低綜合采礦生產(chǎn)成本［21］。

（3）增大采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可有效減少礦石損失貧化產(chǎn)生次數(shù)和放礦過程中的礦巖接觸面積，因而有利于降低礦石的損失與貧化。

基于上述原因，大結(jié)構(gòu)參數(shù)的無底柱分段崩落法已成為該采礦方法應(yīng)用的重要發(fā)展方向，而且，這一事實(shí)已被國(guó)內(nèi)外無底柱分段崩落法的應(yīng)用實(shí)踐所證明。

2.2 分段高度與進(jìn)路間距

隨著中深孔鑿巖設(shè)備和無軌出礦設(shè)備性能的不斷提高，和對(duì)采礦方法研究的不斷深入，無底柱分段崩落法的應(yīng)用不斷趨向更大的分段高度和更寬的進(jìn)路間距，采礦生產(chǎn)效率不斷提高。分段高度已從采礦方法引進(jìn)時(shí)的10～13 m 發(fā)展到目前的30 m，進(jìn)路間距則從最初的10 m 發(fā)展到現(xiàn)在的25 m［1，21-23］。這一發(fā)展過程中，后和睦山鐵礦［24］的分段高度×進(jìn)路間距為12 m×15 m，小官莊鐵礦［25］為15 m×15 m，北洺河鐵礦［26］為15 m×18 m，梅山鐵礦［27］發(fā)展到了15 m×20 m。目前，大紅山鐵礦II 期開采中采用的分段高度×進(jìn)路間距為30 m×25 m［22］，成為目前我國(guó)分段高度×進(jìn)路間距最大的礦山。

對(duì)于放礦結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究，中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司［28］在國(guó)內(nèi)較早地開展了物理放礦試驗(yàn)，研究了端部放礦時(shí)放出體發(fā)育過程及放出體形態(tài)與合理參數(shù)的關(guān)系，探討了改善礦石損失貧化指標(biāo)的途徑。薛毅生等［10］研究了無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)與礦石損失貧化的關(guān)系，討論了改善無底柱分段崩落法礦石損失與貧化的途徑。劉興國(guó)［13］從無底柱分段崩落法的放出體與殘留體形態(tài)角度，研究了放出體、殘留體以及崩落礦巖的移動(dòng)對(duì)采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，提出了確定合理結(jié)構(gòu)參數(shù)的原則。李廣才等［29］通過多分段多進(jìn)路的反復(fù)放礦模擬試驗(yàn)，研究了符山鐵礦無底柱分段崩落法合理崩礦步距和進(jìn)路間距，為工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)提供了依據(jù)。

在隨后的研究中，金闖等［30］通過研究認(rèn)為，無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的實(shí)質(zhì)問題表現(xiàn)在放出體的空間排列優(yōu)化方面，并介紹了梅山鐵礦大間距結(jié)構(gòu)參數(shù)的應(yīng)用情況。張國(guó)聯(lián)等［31-32］通過實(shí)驗(yàn)室放礦試驗(yàn)，研究了小官莊鐵礦無底柱分段崩落法大結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得了結(jié)構(gòu)參數(shù)與礦石回收指標(biāo)的關(guān)系，得出分段高度15 m情況下，最佳進(jìn)路間距為16～17 m，并以純礦石放出量最大和回收率最高為標(biāo)準(zhǔn)，提出了最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法。張志貴［33］探討了無底柱分段崩落法最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義與確定準(zhǔn)則，表明結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化從根本上講是開采系統(tǒng)的優(yōu)化。喬登攀等［34］基于隨機(jī)介質(zhì)放礦理論，研究了無底柱分段崩落法礦巖散體速度場(chǎng)的空間分布形式、散場(chǎng)移動(dòng)場(chǎng)內(nèi)的有效移動(dòng)帶，并提出了結(jié)構(gòu)參數(shù)的近似計(jì)算公式。

為優(yōu)化采礦結(jié)構(gòu)參數(shù)，劉仁剛等［35］和陳發(fā)興等［36］以放礦理論研究為基礎(chǔ)，提出了高分段大間距采礦理論，并通過大紅山鐵礦的采礦生產(chǎn)實(shí)踐，將無底柱分段崩落法的分段高度和進(jìn)路間距提高到了20 m×20 m。余健等［37］應(yīng)用大間距進(jìn)路放礦理論，研究了大紅山鐵礦無底柱分段崩落采礦法崩礦步距、炮孔排距和孔底距的最佳取值組合，取得了崩落礦石大塊率3%、放礦貧化率5%和礦石綜合回收率85%以上的效果。對(duì)于分段高度和進(jìn)路間距的研究，趙穎龍等［38］以某鐵礦為工程背景，以單體放礦橢球體理論為基礎(chǔ)，結(jié)合礦山工業(yè)偏心率，以純礦石回收量和回收率最大化為原則，研究了分段高度、進(jìn)路間距和崩礦步距對(duì)放礦效果的影響，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，最終確定了該礦合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。陳烈等［39］通過放礦模擬試驗(yàn)，采用低貧化放礦與截止品位放礦相結(jié)合的放礦方式，研究了某礦（分段高度×進(jìn)路間距×崩礦步距）12 m×15 m×2.0 m與15m×15 m×2.2 m兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)方案的礦石回收效果，結(jié)果表明，前一方案的放礦效果更優(yōu)。

采用計(jì)算機(jī)模擬崩落法放礦，可以解決與礦石損失、貧化相關(guān)的許多問題，如多分段、多步距的回采過程，各分段礦石殘留及其回收，不同的放礦截止方式，進(jìn)路布置方式，分段高度、進(jìn)路間距、崩落步距等結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化確定，為確定合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，制定降低礦石損貧的措施提供依據(jù)。王昌漢等［40］在國(guó)內(nèi)第一次將計(jì)算機(jī)模擬方法用于分析實(shí)際生產(chǎn)過程，研究了中厚傾斜礦體無底柱分段崩落法及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選問題。祁寶明等［41］為選擇合理的采礦方法和確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用計(jì)算機(jī)模擬放礦方法，對(duì)無底柱分段崩落法分段高度、放礦步距和開掘下盤巖石深度等參數(shù)進(jìn)行了多方案研究，較好地解決了方案優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)選的問題。在此之后，柳小波［42-43］、楊才亮等［44］和李彬等［45］也圍繞放礦與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了較多的計(jì)算機(jī)模擬研究，并取得了相應(yīng)的成果。

近年來，隨著非連續(xù)介質(zhì)分析手段的發(fā)展，基于離散元的顆粒流程序PFC 在放礦與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面也有了較多的應(yīng)用，如，劉金山［46］以石人溝鐵礦為例，針對(duì)6種結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)方案，通過PFC2D二維數(shù)值模擬，研究了礦石回收率與巖石混入率的變化規(guī)律，最后通過灰色決策分析，得出了該礦無底柱分段崩落法的最優(yōu)參數(shù)為分段高度12 m、進(jìn)路間距16 m 和崩礦步距4～5 m。章林等［47］從物理模擬放礦試驗(yàn)和PFC3D模擬兩方面，研究了大紅山鐵礦進(jìn)路間距優(yōu)選和放礦步距與進(jìn)路尺寸組合優(yōu)選問題，得到了高變分段放礦下的合理放礦步距和進(jìn)路間距。孫浩［48］以梅山鐵礦為背景，基于顆粒元理論研究了崩落礦巖運(yùn)移演化機(jī)理，通過PFC 放礦數(shù)值試驗(yàn)探究了不同邊界條件下，與崩落礦巖運(yùn)移規(guī)律以及礦石損失貧化有關(guān)的各類問題，為采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和礦石貧損指標(biāo)預(yù)測(cè)等提供了技術(shù)支持。為降低采礦成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，趙穎龍等［38］采用PFC3D模擬低貧化放礦，用響應(yīng)面法擬合函數(shù)，分析了回貧差與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，得出所研究礦山的分段高度為30 m，進(jìn)路間距為25 m，放礦步距為5.5 m。

通過系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)對(duì)分段高度和進(jìn)路間距的優(yōu)化研究歷程和取得的成果，認(rèn)為所有的研究均是基于解決無底柱分段崩落法損失貧化大這一世界性技術(shù)難題的。研究方向主要聚焦于采場(chǎng)內(nèi)礦巖的流動(dòng)性和流動(dòng)規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，以實(shí)現(xiàn)最低的損失與貧化和最大的礦石回收率為目標(biāo)，進(jìn)行采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和放礦工藝控制。隨著研究的不斷深入，先后形成了隨機(jī)介質(zhì)放礦理論、橢球體放礦理論、類橢球體放礦理論等，并且物理模擬試驗(yàn)方法與手段不斷豐富，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)不斷成熟，為無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究提供了有力支持。

縱觀對(duì)無底柱分段崩落法分段高度和進(jìn)路間距的優(yōu)化研究，包括崩礦步距的優(yōu)化研究在內(nèi)，在考慮其它因素方面不夠系統(tǒng)和全面，忽視了多因素協(xié)同作用的效果。因而，使得個(gè)別室內(nèi)研究成果中的指標(biāo)失去了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可能性，緊密結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的研究結(jié)果，則取得了良好的實(shí)踐效果。受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和監(jiān)測(cè)手段的限制，在采礦現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定崩落礦巖散體流動(dòng)參數(shù)，研究并得到符合生產(chǎn)實(shí)際的放礦理論存在很大困難。目前對(duì)放礦理論的研究，仍局限于室內(nèi)放礦試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。這兩種方法只能在幾何上保證模擬的散體移動(dòng)場(chǎng)與實(shí)際情況相似，很難實(shí)現(xiàn)散體運(yùn)動(dòng)和力學(xué)特征的相似性。因而所得到的崩落礦巖移動(dòng)規(guī)律難以準(zhǔn)確反映現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況。

2.3 崩礦步距

無底柱分段崩落法采礦生產(chǎn)中，相比于分段高度和進(jìn)路間距，崩礦步距大小則較為靈活。對(duì)于端部放礦條件下的崩礦步距優(yōu)化，主要是基于放出體形態(tài)的變化規(guī)律研究，分析放出體與礦石損失貧化率的關(guān)系，確定不同端壁傾角條件下的最優(yōu)崩礦步距。

中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司［28］是國(guó)內(nèi)較早通過室內(nèi)試驗(yàn)方法開展崩礦步距優(yōu)化研究的單位。周君才［49］是國(guó)內(nèi)較早提出多因素綜合考慮合理確定崩礦步距的學(xué)者之一。路景勝等［50］從模擬試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐角度研究了無底柱分段崩落法的合理崩礦步距，及其對(duì)礦石損失貧化的影響。高永濤等［51］通過物理模型研究了各種礦體傾角下崩礦步距的確定方法和計(jì)算公式。

為提高無底柱分段崩落法的采礦效率和降低礦石損失與貧化，隨后的研究中，董振民等［52］采用物理模擬、放出體工業(yè)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)等方法，研究了梅山鐵礦15 m×15 m 結(jié)構(gòu)參數(shù)下放礦步距與礦石損失貧化指標(biāo)的關(guān)系。周傳波［53］根據(jù)放礦學(xué)和數(shù)學(xué)理論，在分段高度和進(jìn)路間距確定的條件下，確定了最優(yōu)崩礦步距計(jì)算方法以及礦石貧損指標(biāo)的預(yù)測(cè)方法，并在金山店鐵礦進(jìn)行了應(yīng)用。

郭進(jìn)平等［54-55］從研究無底柱分段崩落法礦石流動(dòng)規(guī)律角度，通過端部放礦物理試驗(yàn)，測(cè)定了四方金礦放出體形態(tài)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，建立了崩礦步距與礦石回收率、貧化率之間的函數(shù)關(guān)系，最終確定了該礦的最佳崩礦步距為3.1～3.3 m。高鋒等［56］針對(duì)廟溝鐵礦無底柱分段崩落法的開采實(shí)踐，從放出體和崩落體實(shí)現(xiàn)最大程度吻合角度，進(jìn)行了崩礦步距和進(jìn)路間距的耦合優(yōu)化研究，得出該礦的最優(yōu)進(jìn)路間距為16.5～17 m，最優(yōu)崩礦步距為3.6 m。王云鵬等［57］以單位工業(yè)儲(chǔ)量盈利最大化為目標(biāo)函數(shù)，建立了確定最優(yōu)崩礦步距的數(shù)學(xué)模型，改變了僅考慮貧化損失指標(biāo)的確定最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)的傳統(tǒng)方法，為崩礦步距優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)礦床開采整體效益最大化提供了新途徑。

崩礦步距對(duì)提高回采指標(biāo)有著重要影響，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)在此方面也有較多的應(yīng)用［58-59］。為獲得大結(jié)構(gòu)參數(shù)下端部放礦的最優(yōu)崩礦步距，安龍等［59］采用相似材料試驗(yàn)和PFC2D數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究得出了梅山鐵礦結(jié)構(gòu)參數(shù)為18 m×20 m下的最優(yōu)崩礦步距為4.4 m。孫浩等［60］基于PFC3D程序構(gòu)建了具有礦石散體力學(xué)特性的放礦模型，開展了18 m×20 m 高分段、大間距結(jié)構(gòu)參數(shù)下端壁傾角和最優(yōu)崩礦步距的研究，得出了放出體形態(tài)變化規(guī)律、放出體高度與放礦量的關(guān)系，認(rèn)為該結(jié)構(gòu)參數(shù)下采用85°～90°的端壁傾角和4.8 m的崩礦步距能夠取得較好的放礦效果。金愛兵等［61］采用相似材料模擬試驗(yàn)和PFC2D數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了梅山鐵礦18 m×20 m 大結(jié)構(gòu)參數(shù)下，無貧化放礦、低貧化放礦和截止品位放礦3 種不同出礦方式時(shí)的最優(yōu)崩礦步距，結(jié)果表明，出礦方式對(duì)最優(yōu)崩礦步距取值有一定的影響。行鵬飛等［62］以新疆某鐵礦為例，采用室內(nèi)相似材料試驗(yàn)，通過對(duì)礦巖散體流動(dòng)參數(shù)和沿進(jìn)路方向放出體形態(tài)的研究，得到了不同崩礦步距下礦石的損失貧化指標(biāo)，而后進(jìn)行了不同崩礦步距下的現(xiàn)場(chǎng)出礦標(biāo)定，統(tǒng)計(jì)分析了各出礦口的礦石放出量與廢石混入情況，最終得出該鐵礦崩礦步距為4 m時(shí)，礦山可取得較好的損失貧化指標(biāo)。丁航行等［63］結(jié)合梅山鐵礦生產(chǎn)實(shí)踐，采用PFC3D建立放礦模型，對(duì)6 組崩礦步距方案進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為18 m×20 m時(shí)的最優(yōu)崩礦步距為2.2 m。

系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)對(duì)崩礦步距的優(yōu)化研究成果，發(fā)現(xiàn)無論是早期還是目前，所有的研究均呈現(xiàn)出以下特征：

（1）基于特定的分段高度和進(jìn)路間距，研究崩礦步距與礦石損失與貧化的關(guān)系。

（2）崩礦步距的研究方法從最初的理論分析、模擬試驗(yàn)等單一方法，發(fā)展到了目前的理論分析、物理試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)等多方法綜合研究。

（3）對(duì)于最優(yōu)崩礦步距的判定，其基本標(biāo)準(zhǔn)是礦石回收率最大、損失與貧化最小。

現(xiàn)階段，對(duì)于崩礦步距的研究存在以下不足：

（1）沒有從礦石回收率最大、損失與貧化最小的角度，系統(tǒng)考慮其它采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)，如分段高度、進(jìn)路間距、出礦口尺寸等變化對(duì)最優(yōu)崩礦步距取值的影響。

（2）沒有綜合考慮影響采礦方法應(yīng)用效果的其它因素，如礦巖流動(dòng)特性［64］、覆蓋巖松散性、鏟運(yùn)機(jī)鏟入深度等對(duì)崩礦步距的影響［65］。

（3）扇形中深孔擠壓爆破的研究成果多聚集于爆破質(zhì)量控制［66-67］，對(duì)于炮孔布置方式、裝藥結(jié)構(gòu)、最小抵抗線等與采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)（如分段高度、崩礦步距等）之間匹配關(guān)系的研究較薄弱。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的原則與研究方向

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的原則

（1）系統(tǒng)性原則。采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化是一個(gè)多因素綜合決策問題，應(yīng)遵從系統(tǒng)性原則。影響采礦方法應(yīng)用效果的諸因素之間存在著非常復(fù)雜的關(guān)系，既相互聯(lián)系，又相互影響。應(yīng)立足于整體，全面、系統(tǒng)分析諸因素對(duì)采礦方法及其應(yīng)用效果的影響，衡量其影響程度，探究其相互影響規(guī)律，是采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的前提。

（2）協(xié)同性原則。采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)在采礦生產(chǎn)過程中協(xié)調(diào)、協(xié)作的相干性，共同影響著采礦方法的應(yīng)用效果。探尋各因素之間的相互影響規(guī)律，檢驗(yàn)其對(duì)采礦方法應(yīng)用效果的貢獻(xiàn)度，整體加強(qiáng)，同步優(yōu)化關(guān)聯(lián)指標(biāo)，共同發(fā)展，是采礦方法優(yōu)化的關(guān)鍵。

（3）最優(yōu)性原則。無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的核心目的在于使實(shí)際采礦生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)出礦量最大化、礦石損失貧化最小。取得最優(yōu)的出礦效果，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，是采礦方法優(yōu)化的終極目標(biāo)。

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究方向

（1）在遵循系統(tǒng)性、協(xié)同性和最優(yōu)性原則的基礎(chǔ)上，采用物理試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)的綜合方法，理清影響采礦方法應(yīng)用效果的各個(gè)因素，探尋諸因素之間相互影響的內(nèi)在規(guī)律，協(xié)同調(diào)整采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)而達(dá)到最佳應(yīng)用效果的必由之路。影響無底柱分段崩落法出礦效果的因素較多，既有結(jié)構(gòu)參數(shù)和非結(jié)構(gòu)參數(shù)，還有與礦巖流動(dòng)特性相關(guān)的其它參數(shù)等，這些參數(shù)或多或少都會(huì)影響到最終出礦效果。因而，系統(tǒng)研究諸因素的影響，關(guān)注各因素之間的耦合與協(xié)同作用效果，對(duì)于優(yōu)化采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)至關(guān)重要。如進(jìn)路寬度與出礦量大小的關(guān)系、出礦量大小與三大結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系、出礦量大小與鏟入深度的關(guān)系等。

（2）采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響無底柱分段崩落法損失貧化的重要參數(shù)。以出礦量最大化、礦石損失貧化最小為最優(yōu)出礦效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究各采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)出礦效果的影響規(guī)律，建立起出礦效果與分段高度、進(jìn)路間距和崩礦步距等采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，能夠有利于實(shí)現(xiàn)采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)的快速優(yōu)化。無底柱分段崩落法生產(chǎn)實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)每循環(huán)的出礦量最大化，可以有效降低礦石損失。每循環(huán)放礦都應(yīng)追求最大限度地放出所崩落礦石，減少各種形式的礦石殘留，這是降低礦石損失的重要舉措。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不匹配，或結(jié)構(gòu)參數(shù)與其它因素相互影響，會(huì)導(dǎo)致殘留在采場(chǎng)內(nèi)的礦石不斷被下落的覆蓋巖層所包裹，礦巖混雜現(xiàn)象加劇，殘留礦石很難在下分段放礦時(shí)被放出，雖然脊部殘留礦石在下分段放礦時(shí)能夠被放出，但也只能是部分放出，這些都會(huì)造成礦石的永久損失。因而，每次放礦時(shí)“出礦量最大化”應(yīng)作為檢驗(yàn)出礦效果優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)之一。礦石損失小、貧化小是無底柱分段崩落法開采礦山提高生產(chǎn)效益、降低生產(chǎn)成本所追求的目標(biāo)，在各種研究中通常都作為評(píng)判出礦效果優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。因此，在今后無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)研究中，應(yīng)以“出礦量最大化、礦石損失與貧化最小”作為出礦效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）影響無底柱分段崩落法最優(yōu)出礦效果的因素除了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)外，礦巖流動(dòng)特性［68］、覆蓋巖松散性、鏟運(yùn)機(jī)鏟入深度、中深孔鑿巖爆破參數(shù)等非結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于出礦效果也有著較大影響，而且，這些非結(jié)構(gòu)參數(shù)在某種程度上影響著不同的采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)取值。因此，研究非結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，并理清影響結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)鍵因素，對(duì)于優(yōu)化采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)有著重要作用。從無底柱分段崩落法回采系統(tǒng)角度分析，非結(jié)構(gòu)參數(shù)還影響著崩落體、放出體和松動(dòng)體的發(fā)育。如鑿巖爆破參數(shù)影響著崩落體的發(fā)育，進(jìn)路口尺寸影響著放出體的移動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而影響著放出體形態(tài)發(fā)育等，這些都會(huì)影響到礦石損失與貧化，影響到礦石的最大化放出。因此，在研究無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的同時(shí)，不能忽視對(duì)非結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究，更要研究二者的協(xié)同作用效果，以實(shí)現(xiàn)各影響因素的最佳耦合效應(yīng)。從礦巖工程地質(zhì)角度分析，穩(wěn)定的工程地質(zhì)條件是實(shí)現(xiàn)大結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)取值的前提，表現(xiàn)在進(jìn)路巷道的穩(wěn)定能夠有效增大進(jìn)路、確保端壁穩(wěn)定和爆破時(shí)不造成對(duì)后排扇形孔的破壞。因此，對(duì)于大結(jié)構(gòu)參數(shù)的追求，不能忽視礦巖工程地質(zhì)條件的影響。

（4）根據(jù)采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，建立起影響采礦方法最優(yōu)出礦效果關(guān)聯(lián)因素的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控體系，以便能夠根據(jù)礦山生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)出礦效果的變化，在崩礦與放礦過程中及時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，實(shí)施參數(shù)動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，確保放礦效果最優(yōu)化，即在達(dá)到最大出礦量的前提下，實(shí)現(xiàn)礦石損失與貧化指標(biāo)的最小化。出礦管理制度是無底柱分段崩落法采礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制出礦效果的常用手段，通常以放礦方式控制為主要內(nèi)容。目前的放礦方式主要有截止品位放礦、低貧化放礦和無貧化放礦3 種。在不同的控制放礦方式下，根據(jù)現(xiàn)行的采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算出每循環(huán)的理論最大出礦量，與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際出礦量進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果，查找產(chǎn)生變化的原因，分析其影響因素并及時(shí)進(jìn)行調(diào)控，能夠有效實(shí)現(xiàn)放礦效果最優(yōu)化。

（5）目前室內(nèi)物理試驗(yàn)仍是采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究的主要手段之一，它能夠直觀、方便地觀察和人為控制放礦過程。追求采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)、試驗(yàn)材料、試驗(yàn)過程、出礦方式的相似性，盡可能使物理模擬放礦試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)和放礦系統(tǒng)達(dá)到相似，對(duì)于獲得與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相似的放礦效果至關(guān)重要。但是，由于試驗(yàn)邊界條件的限制和采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)諸多影響因素的相互作用，試驗(yàn)結(jié)果與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的放礦效果會(huì)存在較大差異。因此，在進(jìn)行室內(nèi)放礦試驗(yàn)時(shí)，一是要盡量減少試驗(yàn)邊界條件對(duì)放礦效果的影響，使模擬結(jié)果與實(shí)際的放礦現(xiàn)象和規(guī)律之間的相似條件得到滿足；二是要盡量考慮采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)諸多影響因素的協(xié)同作用效果。

（6）室內(nèi)放礦試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬是研究崩落礦巖移動(dòng)規(guī)律的常規(guī)手段，但研究結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在一定的差異。因此，深入研究二者之間的關(guān)系，或研發(fā)測(cè)定崩落礦巖流動(dòng)參數(shù)的相應(yīng)儀器和技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)采礦崩落礦巖散體流動(dòng)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，得到符合實(shí)際的散體移動(dòng)規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和放礦工藝，降低礦石損失貧化和改善無底柱分段崩落法的放礦效果非常重要。對(duì)于放礦過程中礦石移動(dòng)規(guī)律的研究，應(yīng)不斷探索新的放礦理論，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究放出體的形態(tài)［69］，崩落礦石的塊度分布、含水率，覆蓋巖的散體壓力作用等因素對(duì)放出體形態(tài)的影響，建立放出體形態(tài)與其影響因素的關(guān)系模型；研發(fā)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定崩落礦巖流動(dòng)參數(shù)的相應(yīng)儀器和技術(shù)手段，以獲得符合實(shí)際的礦石移動(dòng)規(guī)律。

（7）在達(dá)到最優(yōu)放礦效果的前提下，追求采礦方法大結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鑿巖、裝藥、出礦、天井施工等設(shè)備與結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳匹配，進(jìn)一步提高采礦生產(chǎn)效率，降低采礦生產(chǎn)成本，仍是今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)無底柱分段崩落采礦方法研究的重要方向。無底柱分段崩落法大結(jié)構(gòu)參數(shù)與大型化設(shè)備相互影響、相互促進(jìn)，鑿巖、裝藥、出礦、天井施工等設(shè)備的性能對(duì)無底柱分段崩落法大結(jié)構(gòu)參數(shù)的發(fā)展影響較大。如分段高度增加，一方面扇形孔的鑿巖深度增加，影響鑿巖效率和鑿巖精度，裝藥難度加大；另一方面，增加了切割天井的施工難度，進(jìn)路間距加大，本分段放礦時(shí)，脊部殘留礦量增加，為減少脊部殘留，需增加出礦巷道寬度，這又給礦巖工程地質(zhì)條件或出礦巷道支護(hù)提出了更高的要求；增加崩礦步距，可大幅增加循環(huán)出礦量，但若鏟運(yùn)機(jī)滿足不了對(duì)鏟入深度的要求，則會(huì)造成更大的礦石損失。因此，目前對(duì)于大結(jié)構(gòu)參數(shù)的應(yīng)用，要在礦山特定的工程地質(zhì)條件下，一是建立在鑿巖、裝藥、出礦和天井施工等設(shè)備現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳匹配，不能盲目追求“大”；二是研發(fā)性能更好的鑿巖、裝藥、出礦和天井施工等設(shè)備，滿足大結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)展對(duì)于采礦設(shè)備性能的需求。

4 結(jié)論與討論

（1）系統(tǒng)總結(jié)了我國(guó)無底柱分段崩落法分段高度、進(jìn)路間距和崩礦步距三大結(jié)構(gòu)參數(shù)及其優(yōu)化研究的發(fā)展歷程，歸納分析了三大結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究中存在的問題，提出了今后無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究應(yīng)按照系統(tǒng)性、協(xié)同性和最優(yōu)性三大原則，綜合考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)、非結(jié)構(gòu)參數(shù)和礦巖流動(dòng)特性等因素對(duì)采礦方法應(yīng)用效果的影響。

（2）建立以崩落體、放出體和松動(dòng)體為重要組成部分的無底柱分段崩落法回采系統(tǒng)，從整體與系統(tǒng)的角度，分析研究崩落體、放出體和松動(dòng)體之間的內(nèi)在相互關(guān)系與相互影響，使各種影響因素的特性達(dá)到最佳匹配，能夠有效促進(jìn)放礦效果改善。

（3）建立以“出礦量最大化、礦石損失與貧化最小”為無底柱分段崩落法最優(yōu)出礦效果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，研究礦巖流動(dòng)特性、非結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)三大結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，理清影響結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)鍵因素以及各采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)出礦效果的影響規(guī)律，并在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不斷進(jìn)行調(diào)控，是采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)及其優(yōu)化研究的重要內(nèi)容與方向。

（4）室內(nèi)放礦試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)獲得的礦巖散體流動(dòng)參數(shù)、移動(dòng)規(guī)律等與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在較大的差異。研發(fā)測(cè)定崩落礦巖流動(dòng)參數(shù)的相應(yīng)儀器和技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)礦巖散體流動(dòng)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，獲得符合實(shí)際的崩落礦巖散體移動(dòng)規(guī)律，是解決這一問題的重要研究方向。

（5）鑿巖、裝藥、出礦、天井施工等設(shè)備的性能對(duì)于無底柱分段崩落法大結(jié)構(gòu)參數(shù)的發(fā)展影響較大，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳匹配，是進(jìn)一步提高無底柱分段崩落采礦法生產(chǎn)效率、降低采礦生產(chǎn)成本的重要研究方向。