自然崩落法礦巖崩落塊度研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)

陳曉云, 范文錄, 夏長(zhǎng)念, 李 光, 劉育明, 陳小偉, 張洪昌

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司眼前山分公司, 遼寧 鞍山 114001； 2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

自然崩落法是依靠巖體自重作用且受巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙弱面影響下礦巖發(fā)生自然冒落的采礦方法，因此其成本低，生產(chǎn)能力大[1]。在地下礦山開采中，自然崩落法和傳統(tǒng)的無底柱或有底柱分段崩落法相比，除了拉底和形成底部結(jié)構(gòu)需要鑿巖爆破外，其余的礦巖不需鑿巖爆破，因此大大減少了炸藥消耗量和采切工程量，生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，采礦成本低，它是在生產(chǎn)成本上唯一能與露天開采相媲美的地下采礦方法[2]。此外，由于自然崩落法的放礦是高中段均勻下降放礦，其礦石貧化率和損失率均比無底柱分段崩落法要小。因此，國(guó)內(nèi)一些鐵礦山也嘗試使用自然崩落法來代替無底柱崩落法，目前鞍鋼礦業(yè)公司眼前山鐵礦已開展自然崩落法試驗(yàn)研究，有望成為首家擬采用自然崩落法開采的鐵礦山。

礦體在崩落過程中的礦巖塊度對(duì)自然崩落法的成功應(yīng)用起著很大的決定性作用，這是因?yàn)榈V巖崩落塊度很大程度上影響到自然崩落法的生產(chǎn)成本和盈利程度。礦巖崩落塊度對(duì)設(shè)計(jì)工藝參數(shù)的影響通常包括放礦點(diǎn)的尺寸和間距、設(shè)備的選擇、放礦控制程序、放礦速度和成本等，因此礦巖崩落塊度預(yù)測(cè)是自然崩落法開采礦山前期可行性研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 自然崩落法崩落塊度研究方法

目前礦巖崩落塊度預(yù)測(cè)是以巖體構(gòu)造調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，再結(jié)合地應(yīng)力、礦巖強(qiáng)度、節(jié)理力學(xué)性質(zhì)等影響因素建立塊度模型，求出礦石塊度組成。在崩落過程中預(yù)測(cè)巖體塊度要求掌握巖體的自然塊度以及巖塊在放礦過程中的破碎過程。通常認(rèn)為礦巖塊度分三個(gè)層次：自然塊度、初始?jí)K度和出礦塊度。自然塊度是在采礦活動(dòng)發(fā)生之前自然存在于巖體內(nèi)的塊度，完全由巖體內(nèi)不連續(xù)面網(wǎng)絡(luò)控制；崩落開始后，因弱面存在，且在應(yīng)力作用下礦巖發(fā)生破壞，這個(gè)階段形成初始?jí)K度；礦巖崩落后在放礦流動(dòng)過程中，受擠壓摩擦作用，巖塊會(huì)發(fā)生進(jìn)一步破碎，這個(gè)過程中產(chǎn)生的塊度稱作出礦塊度[3]。

目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量礦巖塊度的方法主要有物理測(cè)量法和預(yù)測(cè)法[4]。常用的礦巖塊度測(cè)量方法主要有篩分法、不合格大塊計(jì)數(shù)法、礦堆直接測(cè)量法和二次爆破巖塊統(tǒng)計(jì)法。預(yù)測(cè)礦石塊度的方法可分為三類：間接法、圖像法和節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模擬法。

2.1 物理測(cè)量法

1)篩分法

篩分法是讓巖塊通過一系列不同篩孔的標(biāo)準(zhǔn)篩，將其分離成若干個(gè)粒級(jí)，分別稱重，求得以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示的塊度分布。在自然崩落法礦巖崩落過程中因生產(chǎn)成本和工作效率影響，篩分法的應(yīng)用受到限制。

2)二次爆破雷管消耗計(jì)數(shù)法

該方法通過統(tǒng)計(jì)分析對(duì)大塊進(jìn)行二次爆破所消耗的雷管數(shù)量來對(duì)礦巖崩落效果進(jìn)行描述。所以該法只能給出不合格的大塊率，而不能對(duì)礦巖整體崩落塊度進(jìn)行描述。

3)直接測(cè)量法

即對(duì)放礦口處放出的巖塊直接進(jìn)行物理測(cè)量，這種方法工作量較大，效率不高，且安全性差。為減少以上缺陷，國(guó)外某礦業(yè)學(xué)院提出了直線測(cè)量方法。其實(shí)質(zhì)是在崩落礦堆上設(shè)置若干條測(cè)量直線，再分別測(cè)量每條直線上不同尺寸塊度巖塊所占直線長(zhǎng)度，之后建立數(shù)學(xué)模型來計(jì)算各級(jí)崩落塊度。

根據(jù)物理測(cè)量法的特點(diǎn)可知，測(cè)量法需要在礦山投產(chǎn)后生產(chǎn)實(shí)踐中才能實(shí)施測(cè)量，因此物理測(cè)量法顯然不能滿足自然崩落法礦山的要求。對(duì)于擬采用自然崩落法開采礦山而言，礦巖塊度直接影響了礦山生產(chǎn)效率和成本，因此，礦巖崩落塊度在很大程度上決定了自然崩落法的可行性，所以在礦山設(shè)計(jì)過程中就需要較精準(zhǔn)掌握礦巖崩落塊度的分布。

2.2 預(yù)測(cè)法

1)經(jīng)驗(yàn)法

經(jīng)驗(yàn)法是通過獲取巖體的特性參數(shù)(如巖石RQD值、巖體RMR值等)來對(duì)礦巖崩落塊度定性評(píng)價(jià)的一種預(yù)測(cè)方法，是一種經(jīng)驗(yàn)的崩落塊度預(yù)測(cè)方式。如根據(jù)礦巖RMR值，將礦巖質(zhì)量劃分為五類，若RMR值越大，巖體穩(wěn)固性越好，但礦巖可崩性越差，同時(shí)礦巖崩落塊度越大。

2)圖像預(yù)測(cè)法

隨著高清攝像技術(shù)及電腦圖像處理技術(shù)發(fā)展，圖像法開始引入礦山礦巖的塊度評(píng)價(jià)應(yīng)用中，并且可對(duì)礦巖崩落塊度進(jìn)行預(yù)測(cè)。圖像分析過程有三個(gè)階段——采樣、圖像采集和圖像分析。采樣過程是從需要分析礦巖塊度中選擇有代表性的圖像；圖像采集應(yīng)獲取保證分析質(zhì)量的圖片；圖像分析過程則是使用一定的分析方法從圖像中來確定礦巖的崩落塊度，從而實(shí)現(xiàn)礦巖崩落塊度預(yù)測(cè)，圖像分析處理示例如圖1所示。

圖1 塊度預(yù)測(cè)圖像分析法

圖像預(yù)測(cè)法目前大多還屬于崩落后預(yù)測(cè)技術(shù)，即根據(jù)崩落礦堆圖像對(duì)礦巖塊度進(jìn)行預(yù)測(cè)，而不能在礦巖崩落前實(shí)現(xiàn)塊度的預(yù)測(cè)，其技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展。

3)節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模擬法

節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模擬法是通過統(tǒng)計(jì)分析巖體的節(jié)理構(gòu)造空間分布特征和節(jié)理構(gòu)造面條件來獲得巖體的節(jié)理構(gòu)造分布規(guī)律，再使用蒙特卡羅技術(shù)來模擬節(jié)理裂隙對(duì)礦巖的分割，同時(shí)結(jié)合礦巖崩落和礦石流動(dòng)摩擦等力學(xué)知識(shí)，來預(yù)測(cè)不同階段的礦巖塊度分布[5]。如圖2所示為利用節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模擬法預(yù)測(cè)的礦巖塊度分布曲線。圖中1、2、3曲線分別代表不同節(jié)理密度條件下的礦巖塊度分布預(yù)測(cè)曲線。

圖2 礦巖塊度分布預(yù)測(cè)曲線

使用節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模擬法進(jìn)行礦巖塊度模擬的基礎(chǔ)是建立節(jié)理概念模型，節(jié)理概念模型則直接影響礦巖塊度模擬的準(zhǔn)確性，所以國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究，并且提出了一系列模型。Snow(1965)提出了第一個(gè)節(jié)理概念模型，即直交模型，該模型用來進(jìn)行水文方面的模擬。后來眾多學(xué)者提出了相對(duì)更完善的模型，如泊松區(qū)域模型，棋盤模型，分級(jí)模型以及地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法等，這些概念模型都能用來對(duì)巖體原始節(jié)理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬。

Dr D H Laubscher在與A R Guest和P J Bartlett合作提出BCF(Block Cave Fragmentation)系統(tǒng)，Dr G SEsterhuizen完成系統(tǒng)編程。BCF系統(tǒng)是專門應(yīng)用于自然崩落法開采礦山礦巖各級(jí)塊度的系統(tǒng)，應(yīng)用廣泛。該系統(tǒng)用簡(jiǎn)化的技術(shù)來確定原始?jí)K度，并用經(jīng)驗(yàn)法則來預(yù)測(cè)崩落塊度和放出塊度。該系統(tǒng)首先在南非的一家礦山進(jìn)行了應(yīng)用，后來又進(jìn)行了改進(jìn)，并用于南非Palabora銅礦礦巖崩落塊度研究。

BCF系統(tǒng)對(duì)礦巖塊度預(yù)測(cè)包括兩個(gè)階段：

(1)根據(jù)巖石強(qiáng)度、節(jié)理產(chǎn)狀、間距等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和區(qū)域應(yīng)力計(jì)算初始?jí)K度。

(2)通過考慮塊體的高寬比、塊體強(qiáng)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(jì)算出礦塊度。

3 國(guó)內(nèi)礦巖塊度預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)較多學(xué)者在礦巖塊度預(yù)測(cè)研究方面也做了大量研究工作，賴順華和童光旭(1988)在論文“節(jié)理巖體計(jì)算單元生成與崩落塊度預(yù)測(cè)”總結(jié)了巖體節(jié)理傾角和間距的分布規(guī)律，編制了節(jié)理巖體計(jì)算單元生成程序，介紹了塊度預(yù)測(cè)的二維模型與方法[6]；鄔愛清和周火明(1998)結(jié)合三峽相關(guān)工程的開挖施工，對(duì)開挖典型區(qū)域的巖體節(jié)理進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立了巖體三維節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模型，并與塊體理論相結(jié)合對(duì)三峽的高邊坡工程進(jìn)行了穩(wěn)定性研究；王渭明等(1997，2000)將巖體的節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模擬方法用于地下井巷工程危石預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，同時(shí)結(jié)合塊體理論和相關(guān)公式提出了巷道危石的預(yù)測(cè)模型；陳祖煜等基于三維節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模擬，將巖體節(jié)理結(jié)構(gòu)面構(gòu)建到模型空間，再根據(jù)巖體內(nèi)節(jié)理構(gòu)造面空間位置關(guān)系和結(jié)構(gòu)面與巖橋相互作用下的巖體失效破壞機(jī)制，來確定抗剪力最小的節(jié)理- 巖橋組合等。

在前人研究基礎(chǔ)上，并結(jié)合自然崩落法在普朗銅礦及銅礦峪礦的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，劉育明領(lǐng)銜的中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司自然崩落法團(tuán)隊(duì)以鞍鋼眼前山鐵礦為依托，團(tuán)隊(duì)成員深入礦山現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行了大范圍的礦山節(jié)理裂隙調(diào)查研究工作，同時(shí)運(yùn)用了先進(jìn)的三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行節(jié)理構(gòu)造調(diào)查和建模。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新了巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查方法，構(gòu)建了眼前山節(jié)理構(gòu)造三維模型，通過節(jié)理結(jié)構(gòu)面模型對(duì)眼前山鐵礦礦巖崩落塊度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，在礦巖可崩性評(píng)價(jià)和礦巖塊度預(yù)測(cè)研究中做了大量創(chuàng)新性工作，為自然崩落法實(shí)施提供了重要的技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

綜上所述，礦巖崩落塊度預(yù)測(cè)仍是自然崩落法礦巖塊度研究的趨勢(shì)，而礦巖塊度預(yù)測(cè)的方法及節(jié)理模型的構(gòu)建和節(jié)理巖體的破壞機(jī)理則是研究的重點(diǎn)。由于自然崩落法在我國(guó)礦山應(yīng)用不多，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究與國(guó)外相比存在一定的差距，仍有許多問題亟待解決，這是挑戰(zhàn)，同時(shí)也是一個(gè)非常值得關(guān)注和抓住的機(jī)遇。

自然崩落法礦巖崩落塊度研究是一個(gè)復(fù)雜程度

較高的課題，由于巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙無規(guī)律展布及其內(nèi)部不可見性，這就增加了巖體節(jié)理統(tǒng)計(jì)分析和節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)建模的難度，同時(shí)影響礦巖崩落塊度的因素較多。因此，今后礦巖崩落塊度預(yù)測(cè)重要發(fā)展方向是通過相關(guān)的技術(shù)交叉融合(如物探技術(shù)與圖像分析技術(shù))來實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體節(jié)理構(gòu)造的精準(zhǔn)探測(cè)，從而來精準(zhǔn)構(gòu)建巖體節(jié)理構(gòu)造面三維模型，其次是對(duì)表征節(jié)理巖體崩落破壞的本構(gòu)模型的創(chuàng)建與理論研究仍是今后基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)。

自然崩落法的優(yōu)勢(shì)毋庸置疑，在眾多學(xué)者的研究和技術(shù)攻關(guān)下，礦巖崩落塊度預(yù)測(cè)技術(shù)會(huì)不斷成熟，也必定能為自然崩落法在鐵礦山的應(yīng)用上開花結(jié)果提供強(qiáng)有力支撐。