無底柱分段崩落法崩落體形態的研究現狀與展望

常 帥 李 楠 張國建 楊宇江 溫彥良 周滌非

（遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山114051）

無底柱分段崩落法具有安全性好、回采效率高的特點，在地下鐵礦山中應用廣泛。該方法在覆蓋巖層下放礦，存在損失貧化大的問題。針對該問題，國內外學者在回采參數優化、崩落礦巖移動規律、放礦管理等方面開展了大量的研究工作［1-6］。但從放礦過程來看，崩落體、放出體、松動體貫穿整個放礦循環，是決定放礦效果的關鍵。因此，充分認識“三體”形態對降低損失貧化、提高礦石回收效果有重要意義。目前，國內外學者對放出體的研究較多，并形成了橢球體放礦、隨機介質放礦等理論體系［7-15］，而作為放礦對象的崩落體，由于其形態難以直接觀測得到，研究比較困難。早期的放礦研究將爆落礦石堆的形成假設為崩落礦石向周圍覆巖的線性擠壓［16］。馬鞍山礦山研究院焦靜蘭［17］對放礦前端壁面礦石堆積體的厚度進行分析，提出厚度由爆破步距、礦石堆向前推移距離、前一循環端壁面殘留礦石厚度3部分組成；之后，該院郭玉［18］等利用自研設備——BCY-3型爆破介質位移參量測定儀在梅山鐵礦進行無底柱分段崩落法礦石擠壓爆破推距測定，提出推距系數=推距/崩礦步距，取值一般為0.3～0.4。

此后，對于無底柱分段崩落法礦石爆堆的認識進一步加深。張國建［19-21］等通過爆破手段，將覆蓋巖層內形成的礦石爆堆定義為崩落體，形成了崩落體的概念，并對崩落體進行了實驗和理論分析，將崩落體與放礦過程中的放出體、松動體聯系起來，指出崩落體對其它2種形態能產生直接影響，在整個回采系統起著決定性作用，回采系統中三者位置關系如圖1所示。因此，在分析崩落體形態影響因素的基礎上，評述了崩落體形態的研究現狀及存在的問題，指出了今后的研究方向。

1 崩落體形態影響因素

崩落體是在采場內部形成的礦石爆堆，其形態是指礦石爆堆的空間形狀和賦存狀態［19］，包含幾何外形及其結構組成。分析崩落體形態的影響因素是開展理論分析、模擬試驗研究的基礎和前提。崩落體形態的影響因素可歸納為以下幾個方面。

（1）爆破參數。無底柱分段崩落法落礦是在回采進路中采用擠壓爆破方式完成的，礦石碎脹空間較小，崩落體的形成是擠壓爆破作用的結果。因此，崩落體形態的好壞與爆破參數有直接關系，不同的爆破參數會引起礦體破碎程度及發育形態的差異。對于崩落體形態研究來說，爆破參數的合理性應以整體爆破效果為評價指標。

（2）礦體及覆巖性質。作為爆破回采的對象，礦體的物理力學性質直接影響爆破效果，也是決定崩落體形態的主要因素之一。當礦體可崩性、碎脹性均較好，崩落體自身具備良好的發育條件，也即松動體的松散性較好時，待爆礦體能夠在消耗較少爆破能量的情況下產生較大的膨脹，增加礦石顆粒的孔隙率，形成發育良好的崩落體，有利于提高放礦效果；反之，崩落體自身不具備良好的發育條件，進而影響后續放出體、松動體的外形發育，得不到良好的放礦效果。

無底柱分段崩落法最大的特點為礦石顆粒在巖石覆蓋層內部由進路口流出，完成出礦作業。在崩落體形成到出礦結束過程中，覆蓋巖層始終包裹在崩落體的外圍。因此，覆蓋巖層既提供了保證崩落體形態形成的外部環境，不過分膨脹，又起到阻礙崩落體膨脹的作用。當覆蓋巖層松散系數小時，提供給崩落體可擴展的空間較小，導致崩落體得不到充分發育。

（3）放出體、松動體、殘留體。放出體、松動體、崩落體是互相影響、互相制約的3個單元體，三者相互關系如圖2所示。崩落體形成于放礦階段之前，主要受爆破和松動體特性影響。放出體處于放礦中間階段，影響著放礦回收效果。當礦石粘滯性較大時，其流動性差，放出體發育范圍較小；當礦石流動性好時，放出體發育范圍較大，更多的礦石進入可放出區域，能夠增加礦石的回收率。隨著放出體的不斷發育，顆粒松動范圍增加，松動體受到其直接影響。而崩落體是在松動體范圍內形成的，松動體內部散體顆粒的松散程度又影響著崩落體的發育。簡言之，放出體的形態受崩落體直接影響，松動體的大小受放出體控制，下一循環的崩落體又受松動體的影響［21］。

放礦結束后的殘留礦體留置在采場內，影響到下一步距擠壓爆破形成的礦石崩落體。殘留體主要由脊部和端部2部分組成，兩者均由放礦形成。脊部殘留體位于進路兩側，端部殘留體位于進路端部采場內，均處于放出范圍以外。對于流動性較好的散體顆粒來說，其殘留量相對較少，而流動性差的散體顆粒，殘留量較大。對于崩落體來說，這部分殘留體對崩落體形態發育起阻礙作用。殘留體均處于被爆礦體后方，當散體流動性好時，能夠給被爆礦體提供更大的松散空間，利于被爆礦體爆破形成崩落體。

（4）采場結構參數與放礦工藝。被爆礦體的幾何形狀由采場結構參數決定，因此，結構參數直接決定了崩落體形態。結構參數主要包括分段高度H、進路間距B和崩礦步距L。其中，崩礦步距靈活性最強，優化方便。崩礦步距的大小，直接決定了崩落體幾何形狀的厚度。目前，機械設備的不斷進步推動了國內外無底柱分段崩落法礦山朝著增大結構參數的方向發展，崩落體的形態隨之變大、變厚。

同時，放出體形態受放礦工藝直接影響。放出體內的放出散體量決定著采場內留存散體的松動范圍，即松動體形態，進而影響崩落體的發育范圍。此外，放出體形態不同，則采場內的殘留體形態也不同，從而影響下一步距崩落體的發育。

2 崩落體形態的實驗研究

2.1 研究現狀

崩落體由礦石爆破后形成，屬于松散體，具有該類介質的物理力學性質［22］。崩落體形態研究主要包括崩落體的幾何形狀、散體塊度分布及松散性等。在無底柱分段崩落法采礦過程中，爆破在覆巖下進行，崩落體形態無法在實際生產中直接觀測得到，因此，對崩落體的研究多集中于物理模擬實驗。張國建［19-20］等通過水泥砂漿模型爆破實驗，得出崩落體為一種外形與松動體類似，體積較其小的曲面體，根據實驗數據圈定的崩落體形態如圖3所示；爆破后的礦石塊度在崩落體內部呈現自下而上逐漸增大的趨勢，且崩落體三維外形尺寸分別大于分段高度H、進路間距B和崩礦步距L的實際取值，同時，實驗還發現了崩落體陷落區現象。王文杰［23］等在分析崩落體形態影響因素基礎上，根據相似定理，確定模型參數，建立了爆破模擬實驗模型。杜貴軍［24］利用氣囊加壓模擬被爆礦體的碎脹過程，得出有松動體影響時崩落體受松動體控制，并在其內形成曲面體；無松動體影響時崩落體輪廓曲線類似橢圓形；同時，指出松動體形態對崩落體發育有顯著影響。李中原［25］利用液壓油注入模型氣囊的方式模擬爆破產物的運動，并對顆粒的運動位置進行記錄，以獲取崩落體的形態。陳晨［26］通過物理實驗建立不同的崩落體，并確定其分別對應的放出體和松動體，分析得到了崩落體與放出體的回歸方程。

物理模擬實驗仍是今后進一步開展崩落體形態研究的重要手段，而爆破是影響崩落體形態的主要因素，但受客觀條件及安全方面的影響，直接進行爆破試驗存在困難。因此，如何達到爆破模擬與實際爆破的相似，尋求合理的爆破手段是崩落體形態物理模擬實驗研究需要解決的關鍵問題。此外，目前對于崩落體的研究多為單體實驗，應增加采場結構參數、爆破參數以及外部條件等多因素影響下的崩落體形態研究，提高物理模擬實驗與生產環境的相似度。

除物理模擬實驗外，數值模擬及計算也成為研究崩落體形態的手段之一。高常勝［27］等應用PFC2D模擬了崩落體的形成及外形，并分析了崩落體內部礦石和巖石的移動規律。杜貴軍［24］在物理模擬實驗的基礎上，建立數學模型，通過理論分析與數值模擬方法驗證了崩落體的二維理論模型。李廣輝［28］研究了崩落體的形成機理，建立了崩落體的橢球缺數學模型，并應用MATLAB軟件，實現崩落體的自動計算。同時，運用PFC2D軟件對結構參數不同取值時的崩落體形成過程進行了模擬，得出崩落體形態隨結構參數的增大而增大。馮海輝［29］在理論分析的基礎上，建立了崩落體三維理論模型，并對崩落體外形進行了計算機分析。謝海［30］通過建立神經網絡系統，對崩落體實驗數據進行訓練，實現崩落體形態的預測，并分析了崩落體形成過程中外界因素的影響。翟會超［31］采用現場調研與理論分析的方法，建立了崩落體、放出體、松動體的關系模型，并對回采過程進行了數值計算預測研究。孫明磊［32］利用耗散函數分析了崩落體形成過程，并對其進行數值模擬研究，驗證了崩落體表面存在礦巖混雜區；最后，結合生產實際對崩落體的體積進行測定。溫彥良［33］等對崩落體形態以及其演變過程進行了數值模擬，得出崩落體形態為上寬下窄的近似橢球缺；同時指出，在放礦過程中，崩落體形態由“橢球缺”變成“舌頭狀”殘留體。

此外，由于崩落體在覆巖中形成，在礦山實際生產中無法直接觀測得到，崩落體形態的現場試驗研究較少。王燕、李文增、何榮興等在研究崩礦步距優化過程中，通過在礦山跟班標定的方法，統計分析進路出礦量與廢石混入率的變化關系，間接推測出崩落體基本形態為帶有凹陷坑的曲面體［34-36］。

2.2 研究方向

目前，針對崩落體的理論研究仍不是很成熟，崩落體形態的研究多集中于物理模擬、數值模擬等。而爆破作為影響崩落體形態的重要因素之一，在模擬過程中具有不可忽略的重要地位。在已有的研究中，應用于崩落體形成研究的爆破替代手段為氣囊加壓模擬爆破或液壓油加壓膨脹，這些手段與爆破的作用過程存在較大區別，導致物理模擬與實際爆破的相似性差距較大。另外，現有爆破替代手段如高壓氣體、靜態破碎等是否適用于崩落體研究有待于進一步驗證。因此，合適的替代爆破模擬手段是今后崩落體形態研究的關鍵問題。此外，由于回采方法的限制，崩落體現場實測研究進展較慢，一直無法實現崩落體的現場準確測定，如何實現這一目標仍是崩落體形態研究的難點。

3 崩落體形態對放礦效果的影響研究

3.1 研究現狀

無底柱分段崩落法最顯著的缺點是損失貧化大，圍繞該方法開展研究的最終目的是降低礦石損失貧化。就該方法回采系統來說，放出體、松動體、崩落體3個單元體互相影響，其中，崩落體是影響放出體的關鍵。因此，研究崩落體形態對放礦的影響，對合理選擇參數，降低損失貧化，改善放礦效果具有重要意義。

張國建等提出無底柱分段崩落法回采過程是一個整體，爆破作為影響放礦的重要因素，應將其與放礦聯系起來研究放出體、松動體、崩落體三者之間的關系，使放出體與崩落體、殘留體組成的礦堆相吻合，才能獲得最佳的放礦效果［21，37］。王燕、李文增、何榮興以殘留體、崩落體總體邊界與放出體上部形態相符為原則，分別對弓長嶺鐵礦、北 河鐵礦的崩落步距進行了優化［34～36］。李廣輝［28］通過物理模擬實驗，研究了不同崩落體形態對礦石損失貧化的影響，得出不同結構參數下的崩落體形態對礦石回收效果有顯著影響。徐志強［38］采用理論分析和正交試驗方法，展開崩落體幾何形狀、礦石塊度配比和松散性對放礦影響的研究，得出崩落體幾何形狀是其中最主要的影響因素。由希［39］通過覆蓋層以及崩落體內的散體塊度分布實驗，研究了兩者塊度不同時對礦石損失貧化的影響，提出覆蓋層上小下大與崩落體上大下小的塊度分布組合時回采指標最好。此外，崩落體陷落區的存在也是引起損失貧化的原因，吳曉宇［40］采用人工裝填崩落體的方法開展了崩落體陷落區與礦石損失貧化關系的物理實驗研究，得出了陷落區深度與礦石損失、貧化率的回歸關系；翟會超［41］等通過散體移動規律方程，分析了崩落礦巖的沉實過程，推斷了崩落體形態，指出廢石的過早混入引起了礦石損失貧化。

3.2 研究方向

崩落體的形態，如幾何形狀、塊度組成、崩落體陷落區等均對放礦效果產生重要影響。而在以往的研究中，側重于對放礦理論的研究，缺乏將崩落體納入回采系統的整體考慮。今后，在降低無底柱分段崩落法損失貧化研究中，應將回采過程看成一個有機整體，以整體最優為目標，加深對崩落體的研究，深入分析“三體”之間的關系，從而獲得最佳的放礦效果。

4 技術研究展望

崩落體是放礦的直接對象，其形態對礦石損失貧化的影響毋庸置疑。但由于崩落體形態難以直接觀測，目前，在崩落體形態的物理模擬、數值模擬與計算等方面開展了研究工作，取得了一定的研究成果。今后，應在以下幾個方面開展進一步研究：

（1）物理模擬實驗仍是崩落體形態研究的重要手段，合理的爆破替代手段是開展準確實驗研究的關鍵，這方面的研究仍待完善。考慮爆破替代手段的特點，可著重開展高壓氣體作為爆破替代手段的研究，結合實驗條件針對高壓氣體控制及其參數設定開展研究。

（2）崩落體的形成有其特定的生成環境，已有的模擬研究多為單體試驗，因此，應建立多分段回采模型，增加采場結構參數、爆破參數以及外部條件等多因素的影響，形成符合實際崩落體形成的模擬實驗條件。

（3）引入現代測試技術，探尋適用的現場實測方法是崩落體形態現場準確實測的必要手段，是今后研究的重點和難點。

（4）崩落體形態研究的最終目的是改善放礦效果，降低礦石損失貧化。在整體研究回采過程的基礎上，應進一步定量研究放出體、松動體、崩落體之間的關系機理，建立合理的關系方程，從而獲得最佳的放礦效果。