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,張志貴,陳星明，葉 青,譚寶會

(1.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010;2.四川錦寧礦業有限公司，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.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010;2.四川錦寧礦業有限公司，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重等突出問題，是礦山急待解決的問題。通過試驗研究和大頂山礦區的現場試驗，研究結果表明，對于緩傾斜礦體條件下采用“垂直分區”、“組合放礦”新工藝并通過優化炮孔布置與優化切割爆破參數等技術措施，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重的問題，可明顯提高礦山生產的經濟效益。

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點已經被廣泛應用到許多急傾斜厚大礦體條件的地下礦山。近年來，因我國經濟迅猛發展，國內市場對鐵礦石資源的需求日益增加，這種生產能力大、機械化強度高的采礦方法也被逐步運用到緩傾斜礦體甚至像錦寧礦業大頂山礦區這種緩傾斜中厚體條件中。

一般來講，無底柱分段崩落法應用于礦石穩固的厚大、急傾斜礦體時，其經濟、高效、安全的優點才能充分顯現。而當該方法用于緩傾斜中厚礦體等不利開采條件時，礦石的回采及回收條件將發生很大的變化，其生產工藝需要進行必要的調整或優化，甚至需要一些特殊的技術措施來降低可能增加的礦石損失與貧化，才能達到礦山生產的經濟性要求，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行系統深入的研究，絕大多數礦山仍然沿用傳統的生產工藝進行回采，導致出現礦山生產秩序不正常、礦石回收效果差等嚴重問題。

據調查，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秩序不正常、礦石回收指標差的共同問題。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，不僅生產秩序很不正常，懸頂、大塊、隔墻以及巷道冒落等事故頻繁發生；而且礦石回收指標也嚴重惡化。其礦石回收率一般僅為60%～70%，而貧化率卻高達30%～40%以上，嚴重影響了礦山的技術經濟效果。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行分析研究，提出降低礦石損失貧化的技術措施，改善礦山生產狀況，提高礦山生產經營的技術經濟效益。

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，開采時越易混入廢石；礦體傾角越緩，礦體上、下盤與之對應的三角礦體區域就越大，開采時上盤混入的巖石越多，下盤損失的礦石也越大。總體來說，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行分析研究，尋找更為合理的生產工藝，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路時，分段礦體將會在上下盤出現兩個三角礦體礦段，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)將出現礦巖混采的現象。即在崩礦的同時，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經常發生變化。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個方向的崩落廢石有直接接觸，礦石回收更加復雜和困難。顯然，處于混采狀態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險就越大，通常情況下礦石的回收效果也就越差。

據計算，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，混采比例可以達到90%～100%，這意味著絕大部分的分段礦量都處于混采狀態，易造成大量損失與貧化。

2.2 轉移礦量

由于上下分段回采進路交錯布置，無底柱分段崩落法的分段回采礦量總會有相當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回收的礦量稱之為轉移礦量，亦有稱之為轉段礦量[3]。一般來說，轉移礦量主要包括兩個部分：一是進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移礦量的一部分。

據測算，其中分段轉移礦量能達到分段回采礦量的30%～50%左右。在厚大急傾斜礦體條件下，只要上下分段回采進路嚴格按照菱形交錯布置且采切與爆破效果良好情況下，除礦體最后一個分段外，其余各分段的轉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分段的轉移礦量沒有得到回收，不存在轉移礦量損失積累的問題。

但是，在緩傾斜中厚礦體條件下，位于下盤的轉移礦量會因為下分段回收工程前移或下盤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，而且每個分段都會產生一定量的下盤損失，累積損失礦量相當可觀。顯然，要降低礦石損失，就必須設法解決下盤轉移礦量累計損失的問題。

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路退采到下盤邊界時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(轉移礦量)以及本分段未崩落的三角礦體構成。下盤的礦石殘留具有以下特點：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，其構成和空間形態都比較復雜；②下盤殘留礦量的大小與上分段未回收的轉移礦量及下盤退采范圍密切相關[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

根據計算，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。隨著結構參數的加大，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鍵。

這里需要注意下盤礦石殘留與下盤礦石損失的區別，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束后，下盤殘存的礦石，在礦體下分段還能繼續開采的情況下，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著不同的下盤損失。

目前，多數設計單位或生產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。據估算，目前按照邊界品位法或邊際盈虧平衡法實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。此時的下盤損失不僅包括上分段部分轉移礦量，也包括本分段部分三角礦體，損失礦量較大。這表明，目前多數緩傾斜礦體礦山的下盤退采是不充分的。可以說，這是導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為下分段沒有回收工程而難以有效回收。根據理論計算，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資源有意義重大，而且含有巨大的經濟價值。

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，真正產生在上盤及中間部位的損失非常少。因此，礦石回收的重點和難點都在礦體下盤。然而一直以來，多數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的截止品位放礦，并把出礦的重點放在回采巷道內可見礦體部分，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，根據理論及實驗研究結果，我們提出了以下一些新的生產工藝及降低損失貧化的技術措施。

3.1 “垂直分區”回采方案

所謂的“垂直分區”回采方案主要是根據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處垂直劃分區域，在不改變分段的正常回采順序前提下，特意造就多個能夠垂直出礦的回采分段，為轉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造有利條件，見圖3。

“垂直分區”回采方案的最大優點是，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移和回收的問題。下盤退采范圍不是簡單依據經濟最優原則確定，而是依據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路與礦體下盤礦巖邊界交界處，能夠實現所謂的“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不同區段的回采條件及其作用的不同，在礦體上盤、中間及下盤三個礦段分別采用“松動放礦(每個步距至少放其承擔礦量的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”的主要優點是，根據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”回采方案與“組合放礦”方案結合起來使用，降低礦石損失貧化的效果將會更加明顯。圖4為結合大頂山礦區礦體賦存條件設計的“垂直分區、組合放礦”回采方案。

圖4 大頂山礦區“垂直分區、組合放礦”方案設計實例

3.3 合理的切割及爆破參數

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，其崩礦排面應該是矩形排面，其爆破落礦的條件及爆破參數設計與后續的多邊形崩礦排面有相當大的區別。其次，考慮上部覆巖沒有完全冒落、爆破夾制現象比較突出的實際情況，矩形崩礦排面高度應超過中間部位及下盤正常爆破時的多邊形排面高度。

不僅如此，矩形排面的高度一般應達到1.5～1.8倍分段高度，如圖5所示，才能確保后續中間礦段的崩礦具有足夠的補償空間高度，不至于出現后續扇形炮孔上部拒爆以及懸頂事故頻繁發生的現象。為了取得更好的爆破效果應由矩形排面的高度來設計切割槽高度及扇形炮孔的長度應。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，以免因破碎帶內炮孔垮塌影響切割質量及爆破效果。表1為按照大頂山礦區幾種不同結構參數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(注：進路尺寸為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系。

H-分段高度；B-進路間距；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計

表1 大頂山礦區不同構參數條件下矩形排面、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，許多生產礦山甚至設計單位都沒有注意到這些特殊的情況，設計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[7]，其結果是切割井高度、炮孔深度嚴重不足，導致后續中間礦段特別是桃形礦柱部分無法正常崩落，大塊、懸頂等生產事故頻繁出現，嚴重影響礦山正常生產以及礦石正常回收[8]。

需要說明的是，上盤三角礦體負擔的礦量雖然不大，但卻擔負著補充放頂、及時釋放地壓并為下面分段礦石回收創造良好條件的重要作用，必須予以高度的重視。為使相鄰進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與難點的下盤，在充分退采的基礎上可以采用適當增加放礦步距、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，緩傾斜礦體實施“精細化放礦管理”顯得十分必要。

4 應用效果

大頂山礦區是錦寧礦業有限公司主要鐵礦石生產基地，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，其主要結構參數是分段高度、進路間距都為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、采掘比例失調等突出問題，嚴重影響礦山的正常生產及公司的生產經營效益。為此，錦寧礦業公司與西南科技大學一道，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工藝及降低礦石損失貧化的技術研究，本文所涉及的幾種新的生產工藝及降低礦石損失貧化的技術措施，即為項目研究的主要成果。2011年7月，項目成果在大頂山礦區進行了全面的試驗性應用。

自項目正式啟動特別是2011年7月項目正式進入現場試驗階段以來，礦山生產工藝得到了較好的規范，礦山的生產及管理有了令人鼓舞的可喜變化，技術經濟指標得到顯著改善，項目取得了顯著成效，主要表現在以下幾個方面。

1)礦山生產工藝從設計到施工得到了較好的規范，采切方法得到改進，采切與爆破工程質量得到顯著提高，生產工藝變得更為合理，懸頂及隔墻等事故明顯減少，礦山生產經常性被動局面得到根本性扭轉。

2)試驗采區(2540水平)礦石回收率較原來(2550水平)提高約8個百分點，貧化率下降約3個百分點；公司成品礦產率提高約4～5個百分點，累積創造經濟效益約1200萬元。

3)通過項目研究，發現了殘存在已經開采水平礦體下盤進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)，累計為大頂山采區增加采準儲量20余萬噸，總價值超過億元。

5 結 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無底柱分段崩落法不同的生產工藝和特殊的技術措施。所以，采用“垂直分區、組合放礦”新技術，優化炮孔布置與切割爆破結構參數等諸多合理回采工藝及降低礦石損失貧化的有效技術措施，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，提高其技術經濟效益。

[1] 單守志，任鳳玉．礦巖軟破緩傾斜中厚礦體采礦方法[J].東北大學學報：自然科學版，1995，16(1)：6-9．

[2] 張國聯．小官莊鐵礦無底柱分段崩落法結構參數的研究[D].沈陽：東北大學，2004．

[3] 張國聯，邱景平．軟破礦巖大參數無底柱分段崩落法開采的理論與實踐[M].北京：科學出版社，2007．

[4] 任天貴，王輝光，南斗魁．無底柱分段崩落法在礦巖軟破緩傾斜礦體中的應用[J]．金屬礦山，1992，(1)：3-9，14．

[5] 任建平，陽雨平，鄧良，等．國內外傾斜中厚礦體的開采現狀和發展趨勢[J].現代礦業，2009(6)：1-4．

[6] 周宗紅，任鳳玉，王文瀟，等．后和睦山鐵礦傾斜破碎礦體高效開采方案研究[J].中國礦業，2006，15(3)：46-50．

[7] 各方．豐山銅礦北緣難采殘礦體的回收實踐[J].現代礦業，2001(5)：65-67．

[8] 何榮興，任鳳玉，李愛國，等．北洺河鐵礦底板殘留礦量的回收方法研究[J].中國礦業，2011，20(8)：69-71．

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，四川錦寧礦業有限公司總工程師。

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

TD853.362

A

1004-4051(2015)10-0132-05