李英碧,張志貴,陳星明，葉 青,譚寶會

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010;2.四川錦寧礦業(yè)有限公司，四川 涼山 615602)

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緩傾斜中厚礦體無底柱分段崩落法合理回采工藝研究

李英碧1,2,張志貴1,陳星明1，葉 青2,譚寶會1

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010;2.四川錦寧礦業(yè)有限公司，四川 涼山 615602)

緩傾斜中厚礦體條件下的無底柱分段崩落法礦山普遍存在礦石損失和貧化嚴(yán)重等突出問題，是礦山急待解決的問題。通過試驗(yàn)研究和大頂山礦區(qū)的現(xiàn)場試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，對于緩傾斜礦體條件下采用“垂直分區(qū)”、“組合放礦”新工藝并通過優(yōu)化炮孔布置與優(yōu)化切割爆破參數(shù)等技術(shù)措施，可以在較好地解決緩傾斜礦體條件下無底柱分段崩落法礦石損失和貧化嚴(yán)重的問題，可明顯提高礦山生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

緩傾斜礦體；無底柱分段崩落法；回采工藝；損失貧化

1 問題的提出

由于無底柱分段崩落法其效率高、成本低、安全性好以及使用靈活等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到許多急傾斜厚大礦體條件的地下礦山。近年來，因我國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，國內(nèi)市場對鐵礦石資源的需求日益增加，這種生產(chǎn)能力大、機(jī)械化強(qiáng)度高的采礦方法也被逐步運(yùn)用到緩傾斜礦體甚至像錦寧礦業(yè)大頂山礦區(qū)這種緩傾斜中厚體條件中。

一般來講，無底柱分段崩落法應(yīng)用于礦石穩(wěn)固的厚大、急傾斜礦體時(shí)，其經(jīng)濟(jì)、高效、安全的優(yōu)點(diǎn)才能充分顯現(xiàn)。而當(dāng)該方法用于緩傾斜中厚礦體等不利開采條件時(shí)，礦石的回采及回收條件將發(fā)生很大的變化，其生產(chǎn)工藝需要進(jìn)行必要的調(diào)整或優(yōu)化，甚至需要一些特殊的技術(shù)措施來降低可能增加的礦石損失與貧化，才能達(dá)到礦山生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性要求，以保證礦石的正常回收。但遺憾的是，目前采礦界并沒有對緩傾斜礦體條件下無底柱分段崩落法的特殊性及合理回采工藝進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，絕大多數(shù)礦山仍然沿用傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行回采，導(dǎo)致出現(xiàn)礦山生產(chǎn)秩序不正常、礦石回收效果差等嚴(yán)重問題。

據(jù)調(diào)查，在采用無底柱分段崩落法的緩傾斜中厚礦體礦山都存在著礦山生產(chǎn)秩序不正常、礦石回收指標(biāo)差的共同問題。與急傾斜厚大礦體相比較，緩傾斜中厚礦體條件下無底柱分段崩落法礦山，不僅生產(chǎn)秩序很不正常，懸頂、大塊、隔墻以及巷道冒落等事故頻繁發(fā)生；而且礦石回收指標(biāo)也嚴(yán)重惡化。其礦石回收率一般僅為60%～70%，而貧化率卻高達(dá)30%～40%以上，嚴(yán)重影響了礦山的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。因此，很有必要對緩傾斜中厚礦體條件下的無底柱分段崩落法特殊性及其回采工藝進(jìn)行分析研究，提出降低礦石損失貧化的技術(shù)措施，改善礦山生產(chǎn)狀況，提高礦山生產(chǎn)經(jīng)營的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

2 緩傾斜礦體條件下無底柱分段崩落法的特殊性

在緩傾斜中厚礦體條件下，不僅礦石的回收條件因傾角變緩而發(fā)生很大變化，其礦石回采條件也因傾角及厚度的變化有了很大的變化。礦體傾角越緩，礦巖界面面積就越大，開采時(shí)越易混入廢石；礦體傾角越緩，礦體上、下盤與之對應(yīng)的三角礦體區(qū)域就越大，開采時(shí)上盤混入的巖石越多，下盤損失的礦石也越大?？傮w來說，用這種方法礦石的回采和回收條件較厚大急傾斜礦體都顯著惡化[1-2]。顯然，厚大急傾斜礦體條件下與緩傾斜中厚礦體條件下的無底柱分段崩落法，無論在礦石回采還是在礦石回收上，都存在著很大的差異性。因此，有必要對緩傾斜中厚礦體條件下無底柱分段崩落法在礦石回采及回收上的特殊性進(jìn)行分析研究，尋找更為合理的生產(chǎn)工藝，保證礦石充分回收。

2.1 礦巖混采

在緩傾斜中厚礦體中采用垂直走向方向布置進(jìn)路時(shí)，分段礦體將會在上下盤出現(xiàn)兩個(gè)三角礦體礦段，如圖1所示。在無底柱分段崩落采礦法的鑿巖爆破中，常采用打上向式扇形炮孔。崩礦時(shí)三角礦體范圍——下盤殘留礦體處于其廢石上面(上盤三角礦體處于其廢石之下)將出現(xiàn)礦巖混采的現(xiàn)象。即在崩礦的同時(shí)，也會崩落部分上盤圍巖或下盤圍巖。

H-分段高度；L-礦體水平厚度； α-礦體傾角
圖1 緩傾斜礦體上下盤礦巖混采的三角礦體

礦巖混采將對放礦過程以及回收礦石產(chǎn)生極大的影響。對于上下盤三角礦體，由于崩落礦石層的高度以及與崩落廢石的接觸狀態(tài)經(jīng)常發(fā)生變化。特別是在下盤三角礦體部分，崩落礦石與其上部、前端部、左右以及下部等5個(gè)方向的崩落廢石有直接接觸，礦石回收更加復(fù)雜和困難。顯然，處于混采狀態(tài)的三角礦體礦量占分段礦量的比例越大，造成額外礦石損失貧化的風(fēng)險(xiǎn)就越大，通常情況下礦石的回收效果也就越差。

據(jù)計(jì)算，緩傾斜中厚礦體的礦巖混采比例一般在30%～50%以上；若礦體厚度較小或分段高度較高，混采比例可以達(dá)到90%～100%，這意味著絕大部分的分段礦量都處于混采狀態(tài)，易造成大量損失與貧化。

2.2 轉(zhuǎn)移礦量

由于上下分段回采進(jìn)路交錯(cuò)布置，無底柱分段崩落法的分段回采礦量總會有相當(dāng)一部分不能在本分段回收，而只能在下面分段才能得到回收。這部分不能在本分段得到及時(shí)回收的礦量稱之為轉(zhuǎn)移礦量，亦有稱之為轉(zhuǎn)段礦量[3]。一般來說，轉(zhuǎn)移礦量主要包括兩個(gè)部分：一是進(jìn)路間未崩落的桃形礦柱；二是桃形礦柱上部的脊部殘留。此外，步距放礦后形成的正面殘留甚至放礦過程中崩落礦巖交界處形成的礦巖混雜層也可看作是轉(zhuǎn)移礦量的一部分。

據(jù)測算，其中分段轉(zhuǎn)移礦量能達(dá)到分段回采礦量的30%～50%左右。在厚大急傾斜礦體條件下，只要上下分段回采進(jìn)路嚴(yán)格按照菱形交錯(cuò)布置且采切與爆破效果良好情況下，除礦體最后一個(gè)分段外，其余各分段的轉(zhuǎn)移礦量可以在下面分段得到充分回收。從礦量上看，厚大急傾斜礦體始終只保持一個(gè)分段的轉(zhuǎn)移礦量沒有得到回收，不存在轉(zhuǎn)移礦量損失積累的問題。

但是，在緩傾斜中厚礦體條件下，位于下盤的轉(zhuǎn)移礦量會因?yàn)橄路侄位厥展こ糖耙苹蛳卤P崩落廢石阻隔等原因得不到有效的回收，造成下盤殘留永久損失，而且每個(gè)分段都會產(chǎn)生一定量的下盤損失，累積損失礦量相當(dāng)可觀。顯然，要降低礦石損失，就必須設(shè)法解決下盤轉(zhuǎn)移礦量累計(jì)損失的問題。

2.3 下盤礦石殘留

無底柱分段崩落法下盤殘留是指在傾斜或緩傾斜礦體條件下回采進(jìn)路退采到下盤邊界時(shí)不能回收的全部下盤礦石。由圖2可見，下盤礦石殘留主要由上分段的脊部殘留、桃形礦柱(轉(zhuǎn)移礦量)以及本分段未崩落的三角礦體構(gòu)成。下盤的礦石殘留具有以下特點(diǎn)：①下盤殘留包括了已崩落的脊部殘留、未崩落的桃形礦柱和下盤三角礦體，其構(gòu)成和空間形態(tài)都比較復(fù)雜；②下盤殘留礦量的大小與上分段未回收的轉(zhuǎn)移礦量及下盤退采范圍密切相關(guān)[4-5]。

圖2 緩傾斜礦體下盤退采位置及其殘留礦石情況示意圖

根據(jù)計(jì)算，緩傾斜中厚礦體條件下需要通過下盤切巖開采的下盤礦石殘留量約占分段回采礦量的50%～60%左右。隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的加大，下盤殘留礦量占分段回采礦量的比例還會顯著增加。顯然，下盤殘留礦量的有效回收對于采礦方法的整體回收效果非常關(guān)鍵。

這里需要注意下盤礦石殘留與下盤礦石損失的區(qū)別，不少人將下盤殘留與下盤損失等同起來是不正確的。下盤的殘留礦石指本分段退采結(jié)束后，下盤殘存的礦石，在礦體下分段還能繼續(xù)開采的情況下，其大部分仍可在下分段回收。而下盤損失是指礦體退采結(jié)束后仍留在礦體下盤的殘留礦石。顯然，在不同的退采位置對應(yīng)著不同的下盤損失。

目前，多數(shù)設(shè)計(jì)單位或生產(chǎn)礦山回收下盤殘留礦石采用下盤切巖開采，并按照邊界品位法或邊際盈虧平衡法確定退采范圍。據(jù)估算，目前按照邊界品位法或邊際盈虧平衡法實(shí)際確定出的退采范圍一般為下盤三角礦體1/3～2/3的范圍(即圖2中a1或a2的位置)[6-7]，很少有退采到a3的位置。此時(shí)的下盤損失不僅包括上分段部分轉(zhuǎn)移礦量，也包括本分段部分三角礦體，損失礦量較大。這表明，目前多數(shù)緩傾斜礦體礦山的下盤退采是不充分的?？梢哉f，這是導(dǎo)致緩傾斜礦體無底柱分段崩落法礦山礦石回收率低最為重要的原因之一。

然而，縱使加大退采深度至上分段進(jìn)路和下盤礦巖界面的交界處(圖2的a3位置)，仍有一部分礦量還會因?yàn)橄路侄螞]有回收工程而難以有效回收。根據(jù)理論計(jì)算，這部分難以通過切巖開采回收的殘留礦量約占分段回采礦量的10%，其不僅對充分回收利用礦產(chǎn)資源有意義重大，而且含有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3 緩傾斜礦體條件下合理回采工藝及降低損失貧化的技術(shù)措施

研究表明，緩傾斜中厚礦體條件下，上盤及中間礦段的回采礦量并不大,且具有良好的回收條件，真正產(chǎn)生在上盤及中間部位的損失非常少。因此，礦石回收的重點(diǎn)和難點(diǎn)都在礦體下盤。然而一直以來，多數(shù)緩傾斜中厚礦體條件下無底柱分段崩落法礦山，放礦主要方式還是傳統(tǒng)的截止品位放礦，并把出礦的重點(diǎn)放在回采巷道內(nèi)可見礦體部分，忽視了對下盤殘留礦石的充分有效回收，礦石回收率不僅很低，還導(dǎo)致大量廢石的混入。這是緩傾斜中厚礦體條件下無底柱分段崩落法礦山礦石貧化率較高最為重要的原因之一。

針對緩傾斜中厚礦體條件下無底柱分段崩落法的特殊性，根據(jù)理論及實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，我們提出了以下一些新的生產(chǎn)工藝及降低損失貧化的技術(shù)措施。

3.1 “垂直分區(qū)”回采方案

所謂的“垂直分區(qū)”回采方案主要是根據(jù)礦體傾角與厚度的變化，在上下分段的回采巷道與礦體上下盤礦巖邊界交點(diǎn)處垂直劃分區(qū)域，在不改變分段的正?；夭身樞蚯疤嵯?，特意造就多個(gè)能夠垂直出礦的回采分段，為轉(zhuǎn)移礦量和各種殘留礦石能在菱形布置的回采巷道中充分回收創(chuàng)造有利條件，見圖3。

“垂直分區(qū)”回采方案的最大優(yōu)點(diǎn)是，能夠有效解決緩傾斜礦體上分段下盤殘留不能在下分段有效轉(zhuǎn)移和回收的問題。下盤退采范圍不是簡單依據(jù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)原則確定，而是依據(jù)充分有效回收礦石的原則來確定。下盤一直退采到上分段回采進(jìn)路與礦體下盤礦巖邊界交界處，能夠?qū)崿F(xiàn)所謂的“下盤殘留全覆蓋”，很好解決了目前下盤回采不充分的問題，可以顯著提高采礦方法的礦石回收率。

圖3 緩傾斜礦體條件下無底柱分段崩落法的“垂直分區(qū)回采”方案

3.2 “組合放礦”方案

所謂的“組合放礦”方案是指在同一分段根據(jù)不同區(qū)段的回采條件及其作用的不同，在礦體上盤、中間及下盤三個(gè)礦段分別采用“松動(dòng)放礦(每個(gè)步距至少放其承擔(dān)礦量的30%)、低貧化放礦以及截止品位放礦”的組合放礦方式，即保證礦石充分回收又顯著降低出礦過程的礦石貧化。

采用“組合放礦”的主要優(yōu)點(diǎn)是，根據(jù)不同的回收條件采用不同的放礦方式，顯著減少無效貧化的產(chǎn)生，能夠在充分回收礦石的情況下大幅度降低廢石混入量和貧化率。如果礦體厚度不是很小，將“垂直分區(qū)”回采方案與“組合放礦”方案結(jié)合起來使用，降低礦石損失貧化的效果將會更加明顯。圖4為結(jié)合大頂山礦區(qū)礦體賦存條件設(shè)計(jì)的“垂直分區(qū)、組合放礦”回采方案。

圖4 大頂山礦區(qū)“垂直分區(qū)、組合放礦”方案設(shè)計(jì)實(shí)例

3.3 合理的切割及爆破參數(shù)

緩傾斜中厚礦體條件下，上盤三角礦體與中間及下盤的回采落礦條件是有很大不同的。首先，其上部為沒有完全冒落的圍巖，其崩礦排面應(yīng)該是矩形排面，其爆破落礦的條件及爆破參數(shù)設(shè)計(jì)與后續(xù)的多邊形崩礦排面有相當(dāng)大的區(qū)別。其次，考慮上部覆巖沒有完全冒落、爆破夾制現(xiàn)象比較突出的實(shí)際情況，矩形崩礦排面高度應(yīng)超過中間部位及下盤正常爆破時(shí)的多邊形排面高度。

不僅如此，矩形排面的高度一般應(yīng)達(dá)到1.5～1.8倍分段高度，如圖5所示，才能確保后續(xù)中間礦段的崩礦具有足夠的補(bǔ)償空間高度，不至于出現(xiàn)后續(xù)扇形炮孔上部拒爆以及懸頂事故頻繁發(fā)生的現(xiàn)象。為了取得更好的爆破效果應(yīng)由矩形排面的高度來設(shè)計(jì)切割槽高度及扇形炮孔的長度應(yīng)。此外，考慮到熱液交代型礦床的礦巖接觸帶多為破碎帶的情況，切割槽的位置最好能避開上盤礦巖接觸帶3～5m以上的距離，以免因破碎帶內(nèi)炮孔垮塌影響切割質(zhì)量及爆破效果。表1為按照大頂山礦區(qū)幾種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)確定出的矩形排面高度、切割井高度以及扇形炮孔中心孔長度參數(shù)(注：進(jìn)路尺寸為3m×3m、邊孔角為45°)，由表1及圖5可以比較清楚看出矩形排面高度、切割井高度以及炮孔深度之間的關(guān)系。

H-分段高度；B-進(jìn)路間距；Hj-矩形排面高度；β-邊孔角；Hq-切割井高度
圖5 上盤三角礦體矩形排面設(shè)計(jì)

表1 大頂山礦區(qū)不同構(gòu)參數(shù)條件下矩形排面、切井及中心孔高度

元素SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOMnO含量4.821.804.780.130.310.350.015元素MoO3P2O5SK2OZrO2燒失量固定碳含量0.140.0140.0480.100.5086.3284.32

值得注意的是，許多生產(chǎn)礦山甚至設(shè)計(jì)單位都沒有注意到這些特殊的情況，設(shè)計(jì)的上盤三角礦體矩形崩礦排面高度僅為分段高度的1.1～1.2倍左右，甚至有矩形排面高度等于分段高度的情況出現(xiàn)[7]，其結(jié)果是切割井高度、炮孔深度嚴(yán)重不足，導(dǎo)致后續(xù)中間礦段特別是桃形礦柱部分無法正常崩落，大塊、懸頂?shù)壬a(chǎn)事故頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重影響礦山正常生產(chǎn)以及礦石正?；厥誟8]。

需要說明的是，上盤三角礦體負(fù)擔(dān)的礦量雖然不大，但卻擔(dān)負(fù)著補(bǔ)充放頂、及時(shí)釋放地壓并為下面分段礦石回收創(chuàng)造良好條件的重要作用，必須予以高度的重視。為使相鄰進(jìn)路的回采空間盡可能貫通并使頂板盡快冒落，通常需采用較小的邊孔角(30～35°)。

研究表明，對于下盤三角礦體在下部有廢石阻隔的情況下，采用加大放礦步距和邊孔角的方法，可以顯著降低礦石貧化。因此，作為礦石回收的重點(diǎn)與難點(diǎn)的下盤，在充分退采的基礎(chǔ)上可以采用適當(dāng)增加放礦步距、增加邊孔角的辦法，降低礦石損失貧化。此外，由于同一分段不同位置的回采出礦條件有很大的不同，甚至每一個(gè)步距的情況都差別很大，一定程度上加大了對放礦管理的要求，加上放礦方式的多樣性，緩傾斜礦體實(shí)施“精細(xì)化放礦管理”顯得十分必要。

4 應(yīng)用效果

大頂山礦區(qū)是錦寧礦業(yè)有限公司主要鐵礦石生產(chǎn)基地，其主要開采的1#、2#號礦體，為典型的緩傾斜中厚條件礦體。礦體傾角一般在10～50°之間；厚度在6～30m之間，平均厚度為11.4m，平均品位46%左右。礦山主要開采方式為無底柱分段崩落法，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是分段高度、進(jìn)路間距都為10m，崩礦步距為1.8m。

由于多種因素的影響，大頂山礦區(qū)一直存在著礦石損失貧化大、礦山儲量消耗快、采掘比例失調(diào)等突出問題，嚴(yán)重影響礦山的正常生產(chǎn)及公司的生產(chǎn)經(jīng)營效益。為此，錦寧礦業(yè)公司與西南科技大學(xué)一道，共同開展了對緩傾斜礦體條件下無底柱分段崩落法合理生產(chǎn)工藝及降低礦石損失貧化的技術(shù)研究，本文所涉及的幾種新的生產(chǎn)工藝及降低礦石損失貧化的技術(shù)措施，即為項(xiàng)目研究的主要成果。2011年7月，項(xiàng)目成果在大頂山礦區(qū)進(jìn)行了全面的試驗(yàn)性應(yīng)用。

自項(xiàng)目正式啟動(dòng)特別是2011年7月項(xiàng)目正式進(jìn)入現(xiàn)場試驗(yàn)階段以來，礦山生產(chǎn)工藝得到了較好的規(guī)范，礦山的生產(chǎn)及管理有了令人鼓舞的可喜變化，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到顯著改善，項(xiàng)目取得了顯著成效，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)礦山生產(chǎn)工藝從設(shè)計(jì)到施工得到了較好的規(guī)范，采切方法得到改進(jìn)，采切與爆破工程質(zhì)量得到顯著提高，生產(chǎn)工藝變得更為合理，懸頂及隔墻等事故明顯減少，礦山生產(chǎn)經(jīng)常性被動(dòng)局面得到根本性扭轉(zhuǎn)。

2)試驗(yàn)采區(qū)(2540水平)礦石回收率較原來(2550水平)提高約8個(gè)百分點(diǎn)，貧化率下降約3個(gè)百分點(diǎn)；公司成品礦產(chǎn)率提高約4～5個(gè)百分點(diǎn)，累積創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約1200萬元。

3)通過項(xiàng)目研究，發(fā)現(xiàn)了殘存在已經(jīng)開采水平礦體下盤進(jìn)路間柱中的三角礦錐及其脊部殘留礦量，該礦量約為分段礦量的10%(約4萬t/分段)，累計(jì)為大頂山采區(qū)增加采準(zhǔn)儲量20余萬噸，總價(jià)值超過億元。

5 結(jié) 語

由于無底柱分段崩落法在緩傾斜中厚礦體與急傾斜礦體條件下有著不同的礦石回采與回收條件，為有效減少礦石損失貧化，只有采用一些與傳統(tǒng)無底柱分段崩落法不同的生產(chǎn)工藝和特殊的技術(shù)措施。所以，采用“垂直分區(qū)、組合放礦”新技術(shù)，優(yōu)化炮孔布置與切割爆破結(jié)構(gòu)參數(shù)等諸多合理回采工藝及降低礦石損失貧化的有效技術(shù)措施，可以顯著改善緩傾斜中厚礦體條件下無底柱分段崩落法的礦石回收效果，提高其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

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Research on suitable mining techniques for sublevel caving under condition of gently inclined mid-thick ore body

LI Ying-bi1,2，ZHANG Zhi-gui1，CHEN Xing-ming1，YE Qing2，TAN Bao-hui1
(1.School of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2.Sichuan Jinning Mining Co.，Ltd.，Liangshan 615602，China)

The problem that excessive ore loss and dilution were commonly existed in many sublevel caving mines with gently inclined ore body is urgently to be solve for mine. The results of test and research in Dadingshan Iron Mine indicated that excessive ore loss and dilution in those mines can be largely reduced and the economical benefit can be increased significantly by using some new production techniques and technical measures which include blocking ore body vertically, Multiple cutoff grades for draw control, optimizing technical measures of blasting hole layout and optimization of cutting blasting parameters.

gently inclined ore body；sublevel caving；mining technology；ore loss & dilution

2014-11-05

李英碧(1968-)，男，四川簡陽人，四川錦寧礦業(yè)有限公司總工程師。

陳星明(1972-)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，教授，主要從事采礦方面教學(xué)與研究工作。

TD853.362

A

1004-4051(2015)10-0132-05