无底柱分段崩落法损失贫化研究现状及改进措施探讨.pdf

无底柱分段崩落法损失贫化研究现状及改进措施探讨李胜辉1,程中平1,何荣兴2(1.河钢集团矿业有限公司庙沟铁矿,河北 秦皇岛市 0 6 6 5 0 1;2.东北大学 资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9)摘 要:无底柱分段崩落法生产安全性高、开采强度大效率高、回采工艺简单,在地下开采中占有较大比重,但损失贫化大的问题限制了该方法在贵重金属矿山的应用。介绍了目前无底柱分段崩落法法损失贫化控制中采场结构、回采巷道参数布置、边界矿量回采、覆盖层结构与放矿生产管理4个方面的研究现状,系统分析了仍存在的问题,并提出控制无底柱分段崩落法损失贫化指标的方向,对矿山进一步控制损失贫化指标具有理论指导意义。关键词:无底柱分段崩落法;损失与贫化;采场结构参数;边界矿量0 引言无底柱分段崩落法的凿岩、落矿、出矿作业都在暴露面积较小的巷道内完成,从切割槽向分段运输巷道方向后退式回采,采用扇形中深孔落矿,每次爆破1 2排,无轨设备出矿,上覆岩石随着矿石的采出而充填采空区。该方法生产工艺简单、安全、可靠,矿块开采强度大,生产效率高,随着大型凿岩机和无轨铲装设备的应用,采场结构参数逐渐增大,进一步降低了该方法的采准系数,在国内外地下开采矿山得到广泛应用13。在生产实践中,无底柱分段崩落法的主要问题是矿石损失率与贫化率较大4。据统计,我国无底柱分段崩落法矿山的矿石损失率一般为1 5%2 0%,贫化率约为1 5%3 0%。较高的损失率与贫化率,严重影响了矿山企业的经济效益以及矿产资源的开采利用,尤其是对于贵重金属矿山,无底柱分段崩落法的应用受到限制。环境保护等相关政策出台后,有些地区开始限制使用崩落法开采,但是目前仍有较多的大型地下铁矿采用无底柱分段崩落法开采,如大红山铁矿、北洺河铁矿、杏山铁矿、庙沟铁矿、小汪沟铁矿、眼前山铁矿等。目前大部分露天矿逐渐转入地下开采,由于露天开采对地表环境破坏已形成,而且崩落法有利于实现露天转地下过程产量衔接,因此仍有部分矿山会选择无底柱分段崩落法作为地下开采方法。因此,研究和探讨无底柱分段崩落法损失贫化控制措施对改进完善该方法,指导矿山生产具有重要的指导意义。为降低无底柱分段崩落法的损失与贫化,国内外矿业人员进行了大量的研究工作,也取得了丰硕的研究成果。在放矿理论和放矿方式研究方面,为便于研究放出散体规律,L ILY5提出了放出体的概念,并研究了放出体形态。张国建等6分析了崩落体的形态及其影响因素。任凤玉7通过放矿平面试验与立体实验,揭示放出矿石中废石混入的主要原因是放出口废石漏斗的破裂,而不是矿岩颗粒在移动中的相互混杂。废石漏斗破裂后进一步放出矿石增加了废石的放出量而加大了贫化,因此,利用崩落矿石散体具有转段回采特征,废石漏斗一旦破裂就停止放出,将遗留于采场内的矿石转移到下一分段回采,即低贫化放矿方式。在矿石回采率不降低的条件下,岩石混入率比截止品位放矿方式降低5 1 5个百分点81 1。在采场结构方面,任凤玉等1 21 3提出按照崩落体+残留体的总体形态与放出体形态相符的方法确定采场结构参数,按不小于三分段回采和设置回采进路的原则设计采场结构,并提出了自放顶、设置回采进路的采场结构与低贫化 截止品位组合式放矿方式,进一步降低了矿石损失与贫化指标。谭宝会等1 41 5对倾斜矿体进行垂直分区,根据矿体条件、分段转移矿量及残留体矿量,对同一分区内的不同分段采用不同的放矿方案,可有效改进崩落法开采倾斜中厚矿体的损失贫化指标。在生产管理方面,李胜辉、任凤玉等1 61 7提出根据矿岩块率比与出矿量控制放矿截止点,合理安排回采顺序以降低放矿口之间落差、加强生产勘探与严格管控施工验收等保障措施,以此综合控制矿石损失贫化。上述研究成果与技术措施,使无底柱分段崩落I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3法的损失贫化得到一定程度的控制。随着采场结构参数的不断增加以及大型凿岩出矿设备的应用,单个分段、单个步距的矿量越来越大,需要在实际生产中损失贫化指标的控制尤为重要。因此,本研究针对采场结构参数优化、回采巷道参数及边界矿量回采、覆盖层结构和生产管理等对矿石损失贫化影响较为显著的因素,分析在实际生产中这些因素存在的问题,提出了相应的改进方向,为进一步优化无底柱分段崩落法的开采指标提供理论指导。1 采场结构参数优化现状及问题无底柱分段崩落的采场结构参数主要包括分段高度(H)、进路间距(S)与崩矿步距(L),三者相互影响、相互制约,且各自受到不同因素和条件的限制(见图1)。采场结构参数决定着开采强度,并影响损失贫化指标8。采场结构参数的优化是一个或两个参数确定的基础上优化确定其他结构参数,目前常用的优化方法是基于放矿理论的理论计算、数值模拟、室内物理试验。利用放矿理论计算得出采场结构参数,首先通过相似散体的达孔量试验获得散体流动参数,根据散体流动参数和放矿理论绘制出放出体或残留体形态,再以崩落体与残留体、放出体相符的原则对采场结构参数进行优化7,1 8(见图1)。这两个过程在试验和理论模拟上存在一定误差,造成(a)垂直进路剖面(b)沿进路剖面图1 采场结构参数及残留体、崩落体、放出体关系确定的采场结构参数失真。目前常用的数值模拟主要是离散元方法,方便快捷,但模拟散体颗粒与实际散体颗粒形状、流动参数不能很好地吻合,导致最终的模拟结果可信度不高。室内物理试验是通过制作不同结构参数的相似模型,装填相似散体进行放矿试验1 92 0,通过比较各方案的回采率、贫化率指标的优劣,直观确定较优的结构参数。目前应用较多,但是需要制作多组不同参数的模型,工作量大,同时也存在上述两种方法的误差。实际生产过程中放出体的形态还受爆破效果2 12 2、巷道的尺寸参数、铲装设备的铲装能力和司机的作业水平等因素影响。在已有的结构参数确定和优化方法中,这些因素往往不能综合考虑或直接被忽视,导致初期确定的采场结构参数失真。因此,采用这些方法确定的结构参数可以用来作为最初设计结构参数的依据,并非真正意义的最优值,生产中还存在损失、贫化大的问题。甚至有的矿山只是根据工程类比方法来确定采场结构参数,根本没有考81采矿技术2 0 2 3,2 3(3)虑到自身矿岩散体的流动特性,导致实际应用的结构参数与最优值偏差较大,造成矿石损失、贫化高。采场结构参数确定后,再次进行调整是比较难的,同时也会对回采指标造成影响。因此,对于新建矿山,应尽量通过大量的试验研究或理论方法对采场结构参数进行初步的确定。在现有进路尺寸和铲装参数条件下,对采场结构参数进行工业试验验证,或者现场测试实际放出体2 32 4,进一步优化采场结构参数。采场结构参数中崩矿步距的调整最为灵活,其次是进路间距。在实践生产中,尽量通过废石出露情况、爆破后纯矿石的回采量以及多分段回采指标,来初步判断崩矿步距和进路间距是偏大或偏小2 5。然后,以此作为依据在矿体走向的端部建立试验采场,开展现场出矿的工业试验,根据不同参数下的出矿指标优化采场结构参数,从而获得更好的损失贫化指标。2 回采巷道参数布置及边界矿量的回采放矿理论中把出矿口简化成一个点进行研究,实际生产中放矿口的大小(回采巷道的尺寸参数)对放出体的发育程度以及上覆岩层的废石漏斗的下降速度影响很大,直接关系着最终的矿石损失贫化指标。如图2所示,回采进路宽度E1E2。E2回采进路宽度下形成的散体松动范围和放出体更加肥大,而且废石漏斗在放矿口破裂得越慢,表明回采进路越宽,纯矿石放出量越大,回采率越高,总体贫化率越小。巷道顶板形状也会影响放出范围及废石漏斗发育,如图3所示。平直的回采巷道顶板比圆形、拱形顶板条件下的矿石流动范围要宽,废石漏斗下降也越慢,在废石漏斗破裂时,能回采更多的矿石,总体回采指标更好2 6。在确定采场结构参数时主要依靠放出体形态,没有考虑到巷道的尺寸对放出体形态的影响,因此,导致基于理论确定的采场结构参数和实际值失真。图2 不同放矿口宽度条件下放出体及废石漏斗发育对比图3 不同巷道顶板形状时放出范围及废石漏斗发育对比因此,在实际生产中,在保证进路稳固性的前提下,可加大进路宽度,如眼前山铁矿已经研究并应用8m宽的进路,得到较好的回采指标。增加进路宽度是增加放矿口净宽度的措施之一,此外,边孔角、凿岩中心高度、凿岩中心个数都会影响放矿口的净宽度。边孔角一般根据散体的流动范围确定,不建议通过降低边孔角的方式来增加放矿口的净宽度。凿岩中心高度一般是由凿岩设备类型确定的,可调节的难度也较大。因此,可采用双凿岩中心或者巷道宽度允许条件下研究三凿岩中心的爆破参数,可有效增加出矿口的净宽度,提高矿石的回采指标。此外,在不同分段之间的回采巷道设计和施工中,尽量确保形成菱形布置。矿山一个分段内,所有回采巷道的布置方式和布置方向不是固定的,不能贪图设计和施工方便,而影响到矿石的回采效果,应根据矿体厚度即走向方向的变化进行相应调整。如有的矿体在沿走向厚度变化大,厚大矿体部位可采用垂直走向布置回采巷道,对于矿体变薄的部位改用沿走向布置回采巷道。在矿体厚度较薄的矿体中采用单一沿走向布置巷道时,形成的崩落矿体的最高点尽量与巷道中心轴线垂直,以保证顶部废石较晚到达放矿口,减少放矿过程中的废石贫化。在崩落法开采过程中,有3个或3个以上转接回采部位的矿石,损失贫化指标是比较理想的,尤其是在急倾斜厚大矿体开采中,大部分区域内的矿石崩落后都具备多次回采的条件,其矿石回采指标甚至优于其他采矿方法的回采指标。但随着矿体倾角变缓,在上、下盘边界的矿量回采条件变差,如果不能进行合理的设计,将会形成大量残留体造成损失,或因崩落过多围岩而形成贫化。因此,上、下盘部位边界矿体需要进行精细设计,确保总体的回采指标。对于沿走向布置进路的缓倾斜倾斜矿体,应在下盘围岩中增设回采进路2 7,减小进路断面和间距2 82 9,增大边孔角,调整放矿方式等方法来增加下盘矿量的回采指标;对于垂直走向布置进路的矿体,91李胜辉,等:无底柱分段崩落法损失贫化研究现状及改进措施探讨在上盘切割过程中尽可能少地崩落岩石,采用倾斜的切割井,如果倾角较缓,上盘斜切割井的难度较大,可以采用形成堑沟的中深孔方式进行拉槽,如图4所示。对于靠近下盘边界的矿石应根据盈利平衡的原则,合理确定下盘崩落边界,对于不具备下转条件而有回采价值的残矿,可在分段间布置辅助回采分段,在靠近下盘部位开凿沿脉回采巷道,对下盘残留矿量进行回采,如图5所示。在这种条件下,矿石损失和贫化不能兼得,具体要根据矿山采选技术水平和成本,下盘矿石是否具备品位等因素进行取舍。图4 不同上盘倾角条件下拉槽方式图5 辅助分段沿脉回采下盘残矿3 覆盖层结构与放矿生产管理的问题覆盖层在崩落法中起到至关重要的作用,常用的方法有强制放顶形成覆盖层、诱导冒落形成覆盖层、回填废石形成覆盖层。强制放顶可以通过爆破参数来控制爆破的块度,诱导冒落是通过拉底诱导上覆矿石或岩石自然冒落,一般具有较大的块度和密实度,在放矿过程中会延迟废石的混入。但回填形成覆盖层对于一些露天转地下矿山是应用较多的方法,一般采用剥离废石进行回填,剥离的废石很大一部分包含了大量第四系的表土层和碎岩块,在回填后散体间松动孔隙度低,表土和细粒废石会在崩落矿石间隙中迅速混入造成较高的贫化。露天转地下矿山需要处理剥离废石释放排土场占地,可先采用崩落边坡围岩形成初期覆盖层,排土场废石一方面进行破碎作为建筑材料,待形成一定厚度的覆盖层之后,再回填露天坑。覆盖层条件较差时,可调整爆破参数和放矿方式来增加爆破崩落矿石的密实度,严格控制放矿量延迟覆盖层中细粒结构的混入,避免放矿过程中的过早贫化。目前的崩落法放矿生产管理只局限于对每天放矿总量和整体指标的管理,对多个分段总体的回采指标的变化关系缺乏系统的管理。无底柱分段崩落法具有转段回采特性,记录每个分段各个步距的矿石回采情况,对于制定下部分段对应位置的回采步距的出矿计划具有重要的指导作用,同时对于分析整体的爆破效果也具有非常重要的统计意义。4 结束语随着国家环保政策的不断提出,无底柱分段崩落法在多个地区的使用受到限制,相较于充填采矿法,无底柱分段崩落法具有碳排放量小的优势,随着对碳排放量指标的重视,加之崩落法在露天转地下产能衔接过渡上的突出优势,无底柱分段崩落法在地下采矿中仍有一定占比。随着大结构参数和大型铲装设备的应用,单个分段单个步距的崩落矿量越来越大,损失贫化的矿石控制更加严格。目前,试验和理论误差导致确定的采场结构参数失真,增加了矿石的损失和贫化,需要在实践中结合现场爆破条件、巷道参数进行验证优化。回采巷道参数的布置对放矿过程中损失贫化指标有重要影响,需要根据现场围岩条件及矿体变化进行动态调整。具备多次回采条件的崩落矿石的回采指标是比较理想的,边界矿量需要从上盘切槽、下盘残矿回采等方面设计,达到少崩落上盘围岩,多回采下盘残矿的效果。此外,需要根据覆盖层的条件从放矿方式、爆破参数等方面控制小块废石的混入,全面管理跟踪每个步距的回采指标。总之,要使无底柱分段崩落法的损失贫化指标控制进一步降低,就需要结合生产实践从参数优化验证、巷道参数及布置方式、边界矿量回采、覆盖层结构和放矿管理等方面进行管控。参考文献:1 余健,汪德文.高分段大间距无底柱分段崩落采矿新技术J.金属矿山,2 0 0 8(3):2 6-3 1.2郭雷,熊靓辉.无底柱分段崩落法现状及发展趋势J.中国矿山工程,2 0 1 0,3 9(6):4 4-4 8.3惠安社,李明楼,路增祥,等.我国无底柱分段崩落法结构参数优化研究进展与方向J.金属矿山,2 0 2 0(3):1-1 1.4王文杰,任凤玉.无底柱分段崩落法矿石贫化原因分析J.中02采矿技术2 0 2 3,2 3(3)国矿业,2 0 0 8,1 7(3):6 9-7 2.5L ILY.A n a l y s i so fb u l kf l o wo fm a t e r i a l su n d e rg r a v i t yc a-v i n gp r o c e s sJ.C o l o r a d oS c h o o lo fM i n e sQ u a r t e r l y,1 9 8 4,7 6(3):4 1-4 7.6张国建,蔡美峰.崩落体形态及其影响研究J.中国矿业,2 0 0 3,1 2(1 2):3 8-4 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4),男,河北元氏人,硕士,高级工程师,主要从事地下矿山生产技术管理工作。12李胜辉,等:无底柱分段崩落法损失贫化研究现状及改进措施探讨