自然崩落法可崩性研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

曹 輝，楊小聰，王 賀，于世波

（1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2.北京礦冶研究總院，北京 100160）

自然崩落法可崩性研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

曹 輝1，2，楊小聰2，王 賀2，于世波2

（1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2.北京礦冶研究總院，北京 100160）

自然崩落法礦山礦巖可崩性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性直接決定著礦山開(kāi)采的成敗，本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的查閱整理，明確了可崩性研究應(yīng)綜合考慮礦巖是否可崩落、崩落面積合理性、崩落塊度適宜性等問(wèn)題，并進(jìn)一步總結(jié)了國(guó)內(nèi)外此類問(wèn)題研究方法的優(yōu)勢(shì)和不足，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，得到以下主要結(jié)論：應(yīng)進(jìn)一步收集已實(shí)施礦山案例指標(biāo)對(duì)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)法則補(bǔ)充完善；應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注物理模型試驗(yàn)中對(duì)節(jié)理面性質(zhì)的模擬研究；可利用不同數(shù)值分析方法間的耦合分析技術(shù)手段對(duì)礦巖崩落特性進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，相關(guān)結(jié)論能夠?yàn)閺氖略撗芯康目蒲泄ぷ髡呒安傻V技術(shù)人員提供有益借鑒。

自然崩落法；可崩性；崩落圖；數(shù)值模擬

自然崩落法指的是僅依靠拉底與放礦即可實(shí)現(xiàn)礦石的可控性持續(xù)崩落的地下采礦方法［1］。在漏斗間距、漏斗尺寸以及出礦設(shè)備協(xié)調(diào)一致、漏斗水平使用壽命滿足生產(chǎn)要求的前提下，崩落法是成本最低的地下采礦方法之一。作為一種技術(shù)要求高、大規(guī)模開(kāi)采方法，其生成能力甚至可以媲美露天采礦法，是目前及可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)開(kāi)采低品位、深埋硬巖礦石的最理想方法之一［2］。

在自然崩落法采礦設(shè)計(jì)階段評(píng)估持續(xù)崩落拉底面積時(shí)，巖體的可崩性預(yù)測(cè)尤為重要。大多數(shù)自然崩落法礦山開(kāi)采工藝的成功與否很大程度上取決于拉底面積的預(yù)測(cè)是否可靠。隨著硬巖礦山中崩落法適用性關(guān)注度的不斷提高，可靠的巖體可崩性研究預(yù)測(cè)技術(shù)水平也亟需不斷提升。因此，通過(guò)總結(jié)目前可崩性預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀，可為該項(xiàng)研究思路的拓展延伸提供有益借鑒和參考。

本文通過(guò)梳理自然崩落法應(yīng)用現(xiàn)狀、可崩性預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀，著重介紹了有限元、離散元等數(shù)值分析方法在自然崩落法可崩性預(yù)測(cè)研究中的應(yīng)用，給出了下一階段可嘗試的研究思路，為相關(guān)研究工作者提供參考。

1 自然崩落法應(yīng)用概述

自然崩落法發(fā)軔于美國(guó)的Pewabic鐵礦，迄今已有100多年的歷史，積累了較多的工程經(jīng)驗(yàn)［3］。早期階段，該法僅被應(yīng)用于節(jié)理裂隙發(fā)育的軟弱破碎礦體的開(kāi)采。直至1994年Laubscher的“Block Caving－State of Art”一文通過(guò)總結(jié)前人工程經(jīng)驗(yàn)及研究成果，并提出了系統(tǒng)的自然崩落開(kāi)采工藝流程及相關(guān)研究方法后，帶動(dòng)了礦體可崩性研究及其他相關(guān)研究、礦山開(kāi)采設(shè)備等技術(shù)的巨大進(jìn)步，將其應(yīng)用范圍拓展至硬巖中，并已逐漸實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化［4－5］。

值得一提的是，我國(guó)從20世紀(jì)60年代才開(kāi)始醞釀運(yùn)用自然崩落法，并就此開(kāi)展了一系列試驗(yàn)性研究。截至目前，單從其應(yīng)用效果而言，僅有中條山銅礦峪銅礦的自然崩落法開(kāi)采較為成功。因此，國(guó)內(nèi)自然崩落法相關(guān)研究亟待提高，尤其是作為其可行性研究基礎(chǔ)的可崩性預(yù)測(cè)研究至關(guān)重要［6］。

2 可崩性預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀

首先應(yīng)該指出的是，礦體的可崩性并沒(méi)有明確的定義，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為“所有礦體當(dāng)拉底面積足夠大時(shí)都可崩落”［1］。但應(yīng)意識(shí)到此可崩落并非等價(jià)于可被應(yīng)用于工程實(shí)踐的可崩性?？杀佬詰?yīng)該包括3個(gè)層面：可崩落、持續(xù)崩落面積合理、崩落塊度合理。因此，筆者認(rèn)為自然崩落法的可崩性應(yīng)為：在工業(yè)水平允許條件下，合理拉底面積時(shí)能持續(xù)崩落形成合理的自然（僅依靠重力）崩落塊度的性質(zhì)。從而可崩性預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)化為合理拉底面積、形式下上部礦體的穩(wěn)定性問(wèn)題（實(shí)際上是期望不穩(wěn)定）及崩落塊度預(yù)測(cè)。

目前可崩性預(yù)測(cè)研究方法一般可歸結(jié)為3種：①物理模型試驗(yàn)法；②經(jīng)驗(yàn)法（或工程類比法）；③數(shù)值模擬方法。其中，以經(jīng)驗(yàn)法應(yīng)用最為廣泛，數(shù)值模擬方法發(fā)展較快、關(guān)注度較高，而物理模型試驗(yàn)方法討論較少。

2.1 物理模型試驗(yàn)法

羅聲運(yùn)［7］、董衛(wèi)軍等［8］等學(xué)者在不同時(shí)期分別針對(duì)不同礦山的自然崩落法可崩性開(kāi)展了相似材料模擬實(shí)驗(yàn)研究。

物理模型試驗(yàn)研究是根據(jù)相似原理，即試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c模擬原型間存在的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)3個(gè)層面的相似關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)提供巖體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，確定合理的相似模擬條件，從而探究待評(píng)價(jià)礦體在拉底、割幫甚至是放礦等工程影響下的上覆巖層崩落規(guī)律，驗(yàn)證初步設(shè)計(jì)，為后續(xù)采礦工藝設(shè)計(jì)提供一定借鑒。

典型二維模型試驗(yàn)布置如圖1所示。

圖1 典型物理模型試驗(yàn)布置示意圖

其中，對(duì)于軟弱結(jié)構(gòu)面的相似模擬是影響物理模型試驗(yàn)?zāi)M代表性的關(guān)鍵。羅聲運(yùn)［7］通過(guò)在節(jié)理面上散布云母粉并通過(guò)調(diào)節(jié)其散布量來(lái)模擬不同巖體的強(qiáng)度性質(zhì)。值得注意的是，如何將其模擬結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度進(jìn)行量化是較難的，也是值得深入研究的。

2.2 經(jīng)驗(yàn)法

自然崩落法可崩性預(yù)測(cè)研究的經(jīng)驗(yàn)法一般指的是 Laubscher崩 落 圖法［1］和 Mathews穩(wěn) 定圖法［9］。

其中，Laubscher崩落圖法是針對(duì)軟弱破碎礦體的崩落特性而提出的，因其出發(fā)點(diǎn)為崩落采礦具有針對(duì)性，應(yīng)用最為廣泛；Mathews穩(wěn)定圖法早期應(yīng)用于空?qǐng)霾傻V法的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，較為成熟，被重新提出應(yīng)用于崩落采礦法預(yù)測(cè)可崩性時(shí)間較短，但日益受到研究人員的關(guān)注。

2.2.1 Laubscher崩落圖

該方法考慮了拉底直徑與巖石質(zhì)量間的關(guān)系來(lái)評(píng)價(jià)巖體的可崩性。即基于計(jì)算的MRMR（Minging Rock Mas Rating）值，然后從崩落圖（圖2）確定礦體產(chǎn)生初始崩落和連續(xù)崩落的水力半徑。從津巴布韋的Chrysotile Abestos礦開(kāi)始，Laubscher等人就從崩落法礦山搜集數(shù)據(jù)，繪制了一系列代表特定礦山的礦塊或盤(pán)區(qū)點(diǎn)。基于這些信息，Laubscher給出了劃分穩(wěn)定區(qū)、過(guò)渡區(qū)和崩落區(qū)域的邊界線［1］。隨著數(shù)據(jù)搜集的增加和計(jì)算MRMR評(píng)價(jià)指標(biāo)的演變，邊界線的位置也隨之變化，見(jiàn)如圖2所示［9］。

Laubscher崩落圖是用以評(píng)估持續(xù)崩落拉底面積應(yīng)用最為廣泛的方法。然而，一旦巖體強(qiáng)度顯著高于現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)，即：MRMR＞50時(shí)，該方法預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率就大打折扣。主要是其MRMR巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中對(duì)于硬巖工程經(jīng)驗(yàn)的缺乏及有限的工程樣本導(dǎo)致的。

圖2 隨時(shí)間變化的Laubscher崩落圖

2.2.2 Mathews穩(wěn)定圖

Mathews穩(wěn)定圖法是由Mathews等人于1981年首先提出的［10］，用于埋藏1000m以下的硬巖中進(jìn)行礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)的方法。

該方法統(tǒng)計(jì)了50個(gè)工程實(shí)例的穩(wěn)定數(shù)和崩落水力半徑，并把他們的關(guān)系繪制成了穩(wěn)定圖。其相對(duì)簡(jiǎn)單，但理論上并不嚴(yán)密。起初該方法被加拿大用于空?qǐng)霾傻V設(shè)計(jì)，并制定了相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在此之 后，Diederichs和 Kaiser［11］、Trueman［12］等 人增加了工程實(shí)例的數(shù)量，并重新繪制了穩(wěn)定圖。Mawdesley［9］在其博士論文中采用對(duì)數(shù)回歸的方法，對(duì)穩(wěn)定區(qū)、大破壞區(qū)等進(jìn)行了重新定義，在采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)系后各不同的區(qū)帶間，可用平行的直線表示，并使其可應(yīng)用于崩落法開(kāi)采的礦山的可崩性研究。如圖3所示。

Mathews在崩落法可崩性預(yù)測(cè)中的應(yīng)用時(shí)間較短，相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例并不充分，使得其應(yīng)用受到了一定的限制。

2.3 數(shù)值模擬法

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬方法被應(yīng)用于巖土工程各個(gè)領(lǐng)域。其在可崩性預(yù)測(cè)中的發(fā)展有目共睹，以其固有的分析優(yōu)越性，勢(shì)必在可崩性預(yù)測(cè)未來(lái)研究中占有重要地位。

從已公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)資料來(lái)看，目前較有代表性的數(shù)值模擬方法主要為以下3種：①FLAC3D連續(xù)崩落模型［13］；② SRM 方法［14－19］；③ DFE－NCA耦合法［20］。

圖3 基于對(duì)數(shù)回歸分析改進(jìn)的Mathews穩(wěn)定圖

2.3.1 FLAC3D連續(xù)崩落模型

FLAC3D連續(xù)崩落模型首先應(yīng)用于Northparkes礦預(yù)測(cè)其礦體崩落的發(fā)生與發(fā)展。Itasca公司為Northparkes礦崩落采礦法開(kāi)發(fā)了2種FLAC3D模型，彈性模型及包含松動(dòng)圈的偽應(yīng)變松弛模型（pseudo－stiain－softening）。

該方法基本思路是將模擬過(guò)程分為兩步：其一模擬拉底過(guò)程，其二模擬拉底操作后崩落的發(fā)展。

2.3.1.1 彈性模型

首先，拉底區(qū)域內(nèi)的巖體被挖出，將其材料屬性設(shè)置為空，計(jì)算直至平衡，確定由拉底引起的巖體破壞。

拉底區(qū)域內(nèi)的巖體被已崩落模擬單元填充，將崩落體模型應(yīng)力初始化，設(shè)置為零，計(jì)算直至平衡。此時(shí)，崩落體的應(yīng)力將進(jìn)行重新分布。在此過(guò)程中，崩落體有限差分域單元根據(jù)Morh－Coulomb準(zhǔn)則判定其內(nèi)部拉、剪破壞。其中，僅在模型中拉底面正上方的材料允許破壞，拉底空間側(cè)面的單元將保持彈性。計(jì)算直至巖體中產(chǎn)生塌落拱而達(dá)到平衡或不形成塌落拱而達(dá)到持續(xù)崩落。若出現(xiàn)塌落拱，且達(dá)到平衡，說(shuō)明拉底操作應(yīng)該繼續(xù)，直至到達(dá)持續(xù)崩落。

2.3.1.2 偽應(yīng)變松弛模型

與彈性模型不同的是，這種模型在完整巖體發(fā)展為崩落體的過(guò)程中增加了擾動(dòng)區(qū)，該區(qū)域表征了巖體在崩落前存在的擾動(dòng)區(qū)內(nèi)破壞發(fā)展、巖體松動(dòng)過(guò)程。擾動(dòng)區(qū)內(nèi)的巖體應(yīng)力與變形屬性被人為減半（圖4），一旦完整巖體內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到并超過(guò)了設(shè)定的峰值強(qiáng)度，則該部分材料將被設(shè)置為擾動(dòng)材料，而后，若擾動(dòng)域內(nèi)的材料屬性超過(guò)了破碎強(qiáng)度，則該部分材料將被認(rèn)定為崩落體。上述計(jì)算過(guò)程循環(huán)往復(fù)，直至平衡。

圖4 模型2中完整巖體強(qiáng)度、崩落體輕度及破壞強(qiáng)度關(guān)系示意圖

FLAC3D崩落模型的顯著特點(diǎn)是對(duì)于崩落體的處理，此處將賦予崩落體較低的材料屬性，而不是設(shè)置為空，并將其重現(xiàn)填充至拉底空間內(nèi)。較低的強(qiáng)度及較大的變形特性能夠反映出崩落體的彈塑性特征，從而模擬崩落體依然與原巖相互接觸、作用的過(guò)程。

FLAC3D崩落模型的主要缺陷在于該方法對(duì)于材料參數(shù)的敏感性、網(wǎng)格劃分的依賴性以及峰值強(qiáng)度前應(yīng)變軟化模型定義的可靠性。

2.3.2 SRM 法

SRM（Synthetic Rock Mass）法建立在巖體強(qiáng)度、節(jié)理性質(zhì)、DFN技術(shù)基礎(chǔ)之上，用以預(yù)測(cè)大規(guī)模巖體的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制。

2.3.2.1 DFN建模與應(yīng)用

DFN模型利用不同間距的節(jié)理網(wǎng)絡(luò)將巖體離散化，并定義合適的節(jié)理面幾何形狀及性質(zhì)，從而嘗試研究節(jié)理巖體的天然差異。該模型同時(shí)包含了節(jié)理網(wǎng)絡(luò)的幾何學(xué)，以及連通性特征與完整巖體的幾何學(xué)特征。典型的DFN模型如圖5所示。

然而，結(jié)構(gòu)面密度、持續(xù)性分布，以及結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)面之間的相互關(guān)系是DFN模型的潛在不利因素。

2.3.2.2 SRM 模型

SRM是一種巖體行為的定量評(píng)價(jià)方法，其評(píng)價(jià)尺度為10～100m，該尺寸范圍內(nèi)的巖體的性質(zhì)既可在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，亦可通過(guò)原位實(shí)驗(yàn)獲得。

該法將節(jié)理巖體視為節(jié)理組與巖體的結(jié)合體，并允許新的節(jié)理根據(jù)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系發(fā)生和發(fā)展。其中巖體模型是以基于離散元軟件PFC3D而生成的BPM（Bonded Particle Model）模型為基礎(chǔ)；原生節(jié)理模型以SJM（Smooth Joint Model）模型為基礎(chǔ)。典型的SRM模型如圖6所示［21］。

一般來(lái)說(shuō)，SRM方法旨在利用數(shù)值方法預(yù)測(cè)不同尺度巖體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，從而將其嵌入（通過(guò)修正非線性本構(gòu)關(guān)系）連續(xù)模型中預(yù)測(cè)相對(duì)大尺度巖體的變形及力學(xué)特性。

該理念是基于離散元方法產(chǎn)生并發(fā)展的。近年來(lái)，這種方法已經(jīng)被應(yīng)用于多尺度、連續(xù)有限元方法，用來(lái)建立模型。

2.3.3 DFE－NCA耦合法

耦合的顆粒流模型已經(jīng)被用于一系列的崩落開(kāi)采流程中用以模擬崩落的發(fā)生、發(fā)展以及重力放礦過(guò)程。根據(jù)Beck D.A.等人［20］所述，該方法采用NCA（Newtonian Cellular Automata）模擬崩落體、DFE（Discontinuum Finite Element）模擬巖體。該方法建立的模型為三維的礦體尺寸模型，包含了大量的不同地質(zhì)信息，如：巖體中的構(gòu)造、崩落體中的大量塊體。其在可崩性預(yù)測(cè)中的應(yīng)用主要包括：①基于DFE模型的巖體失穩(wěn)判定準(zhǔn)則的速率參數(shù)，可以預(yù)測(cè)崩落發(fā)展的幾何特征及速率；②以NCA數(shù)值模擬方法為基礎(chǔ)的崩落體碎脹分析；③基于DFE模型的崩落體及未崩落巖體的靜態(tài)平衡分析；④分析不同放礦進(jìn)度計(jì)劃時(shí)崩落區(qū)及放礦底板載荷分布變化情況。

圖7為DFN－NCA法模擬分析結(jié)果示意圖，圖7中崩落區(qū)觀測(cè)鉆孔的后端20m均用黑顏色標(biāo)記，以顯示實(shí)際崩落范圍與預(yù)測(cè)范圍的誤差。根據(jù)對(duì)比分析可以看出，模擬分析得到的崩落區(qū)形態(tài)與實(shí)際鉆孔觀測(cè)結(jié)果的誤差基本在20m范圍之內(nèi)，表明該方法能夠比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)礦巖崩落特征［20］。

3 展 望

基于上述討論，我們可以清楚的認(rèn)識(shí)到對(duì)于自然崩落法可崩性研究，尤其是作為應(yīng)用較少的我國(guó)而言，仍有許多亟待解決的問(wèn)題，給眾多學(xué)者帶來(lái)挑戰(zhàn)的同時(shí)也是一個(gè)值得關(guān)注的機(jī)遇。筆者認(rèn)為有以下5點(diǎn)值得認(rèn)真思考。

1）不斷補(bǔ)充經(jīng)驗(yàn)法中相關(guān)工程案例，使得經(jīng)驗(yàn)崩落擬合曲線更加合理，這也需要相關(guān)采礦技術(shù)工作者不斷推進(jìn)在有條件礦山開(kāi)展相關(guān)開(kāi)采實(shí)踐。

2）進(jìn)一步完善巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，尤其是相關(guān)理論研究，使得質(zhì)量評(píng)價(jià)從經(jīng)驗(yàn)體系向理論體系發(fā)展。

3）提高物理模型試驗(yàn)水平，提出更加合理的節(jié)理模擬方法使得試驗(yàn)結(jié)果更有利于指導(dǎo)實(shí)踐。

4）進(jìn)一步提高對(duì)數(shù)值模擬方法的關(guān)注度，尤其是傳統(tǒng)有限元與顆粒流離散元方法的耦合，對(duì)于建立大規(guī)模耦合模型，從而研究自然崩落礦體的可崩性意義重大。

圖5 典型DFN模型示例

圖6 典型SRM模型示意圖

圖7 模擬崩落區(qū)幾何特征與實(shí)際鉆孔觀測(cè)對(duì)比圖

5）提高利用數(shù)值模擬方法將塊度預(yù)測(cè)與傳統(tǒng)可崩性預(yù)測(cè)相結(jié)合的研究力度，對(duì)簡(jiǎn)化現(xiàn)有的自然崩落法可行性分析工作大有裨益。

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State of predicting cavability study for block caving

CAO Hui1，2，YANG Xiao－cong2，WANG He2，YU Shi－bo2
（1.College of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China）

A reliable prediction of rock mass cavability is a critical factor in the successful caving of most orebodies.Through reviewing and systemizing the papers at home and abroad，the study of cavability should include available to collapse，reasonable undercut size to achieve continuous caving and reasonable fragmentation.Further the advantage and disadvantage were summarized when scholars research on it from now on，and then the status in prediction of cavability research was clearly summarized.Broadly speaking，the conclusions were obtained as following.At first，more projects should be increased into the empirical methods to expend their application range.Secondly，how to simulate the property of joints when using physical model was increasingly important.The last but not the least，the coupling of different numerical simulation methods should be given more and more attention to evaluate the cavability.Perhaps，this paper will provide reference for correlation workers and mining engineers.

block caving；cavability；stability diagram；numerical simulation

曹輝（1981－），男，高級(jí)工程師，2008年畢業(yè)于北京科技大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程專業(yè)，現(xiàn)為北京礦冶研究總院高級(jí)工程師，主要從事地下采礦巖石力學(xué)及邊坡穩(wěn)定性方面的研究及工程業(yè)務(wù)。E－mail：caohui＿ustb＠126.com。

TD853.63＋4

A

1004－4051（2015）10－0113－05

2015－01－17

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助（編號(hào)：2012BAB01B01；2012BAB01B04）

經(jīng)濟(jì)研究