基于BCF軟件的自然崩落法礦巖崩落塊度預測研究

陳小偉， 劉育明， 葛啟發， 范文錄， 李 文(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

1 前言

自然崩落法是一種可連續出礦的大規模地下采礦方法，主要適用于礦巖穩固性差、節理裂隙中等發育以上的低品位厚大礦體。和其他采礦方法相比，該方法回采礦體基本不需要鑿巖爆破，在生產成本上是唯一能與露天開采相媲美的地下采礦方法[1-3]。由于該方法在拉底形成后若崩落效果差，要想改回到其他采礦方法，則難度較大，因此它是一種風險高、技術難度大的采礦方法。在設計前期開展詳細的巖石力學工作并合理預測礦巖崩落塊度對于自然崩落采礦可行性研究至關重要[4]。

自然崩落采礦中礦巖崩落塊度主要受礦體內部原生節理裂隙、礦巖強度、放礦速率等因素決定，前人學者針對礦巖崩落塊度預測已開展了大量工作。M. Pierce等采用數值模擬和經驗相結合的耦合方法對自然崩落法礦山放礦塊度尺寸分布進行了預測研究。李響等[5]基于實測節理面空間幾何參數，采用蒙特卡羅方法對某大型鎳礦Ⅲ礦區節理空間進行模擬，并采用三維礦巖塊度預測軟件MAKEBLOCK對其礦巖塊度分布進行了預測和分析。陳江川等[6]對夜長坪鉬礦自然崩落法塊度進行了預測及控制技術研究。

為了分析普朗銅礦自然崩落采礦首采區北部和南部礦體的崩落塊度，結合礦區開采技術條件以及前期首采區崩落塊度實際情況，采用BCF軟件分別對首采區以外的北部和南部礦體進行了崩落塊度預測，為提升自然崩落采礦設計可靠性提供技術支撐。

2 普朗銅礦概況

普朗銅礦位于云南省西北部迪慶藏族自治州香格里拉縣北東部，為一特大型斑巖銅礦，設計采用自然崩落法開采。一期工程設計開采3 720m水平以上的礦體，中段高度約85～295m，設計生產能力為1 250萬t/a。考慮到礦山開采中段高、面積大，3 720m中段共分為3個區域進行分區回采，首采中部礦石品位較高的區域，然后再回采南部和北部采區。各區域分布如圖1所示。

礦山已于2017年進行試生產，2018年已經完成出礦量約600萬t，首采區共有N4～S9共計13條出礦穿脈，穿脈間距為30m。根據首采區內靠近南部和北部出礦穿脈內放礦點實際塊度情況(如圖2和圖3所示)。可以看出，南部穿脈內出礦口的礦石塊度小，幾乎沒有發生卡斗問題；而北部穿脈出礦口大塊多，發生卡斗現象頻繁。

圖1 3 720m中段分區情況

圖2 首采區靠近南側S7穿脈內出礦塊度

圖3 首采區靠近北側N3穿脈內出礦塊度

3 BCF軟件崩落塊度預測

考慮到首采區回采完畢后，即將對北部和南部采區進行回采，提前對崩落塊度進行合理預測將直接影響后續工程設計參數選取。BCF軟件(Block Cave Fragmentation)是一款用于預測自然崩落法崩落塊度的程序，它是一個集理論分析與經驗規則為一體的專家系統，該系統用簡化的技術確定原始塊度，并用經驗法則預測崩落塊度和放出塊度。BCF軟件是目前自然崩落法塊度預測中最常用的一款系統。該系統最先在南非的一家礦山進行了應用，經改進后用于南非Palabora礦山自然崩落法可行性研究。BCF軟件界面如圖4所示。

圖4 BCF軟件界面

g該軟件包括以下三個主要模塊。

第一個模塊：根據巖石強度、節理產狀、間距等統計數據和區域應力計算初始塊度；主要輸入參數包括巖石類型、巖石級別MRMR、完整巖石強度、節理裂隙頻率、節理組數、節理傾角、節理間距等。

第二個模塊：通過考慮塊體的高寬比、塊體強度、崩落壓力、崩落過程中成拱作用產生的應力、出礦速率及出礦高度等計算出礦塊度。

第三個模塊：研究出礦塊度在出礦漏斗產生卡斗的可能性。

4 崩落塊度預測結果分析

1)初始塊度預測

通過對南部和北部采區的巖石級別MRMR、完整巖石強度、節理裂隙頻率、節理組數、節理傾角、節理間距等進行統計并輸入軟件，主要參數見表1。

表1 塊度預測相關輸入參數表

采用BCF軟件對兩個區域的崩落初級塊度進行預測，結果如圖5所示。

圖5 南部和北部采區礦體初級塊度預測結果

根據圖5中計算結果可以看出：(1)南部礦體初級塊度小于2m3的塊度達到94.1%，平均塊度為0.725m3，最大塊度為3.16m3，大塊率少。(2)北部礦體初級塊度小于2m3的塊度為65.19%，大塊率較多，平均塊度為1.27m3，最大塊塊度為6.29m3。北部礦體的初級塊度大塊率明顯高于南部礦體。

2)次級塊度預測

根據自然崩落法生產工藝可知，放礦次級塊度會受到放礦高度的影響。在自然崩落法開采初期，放礦高度較小，在后期拉底逐步完成后放礦高度才能達到設計高度，因此為了解自然崩落法開采過程中的礦巖次級塊度變化，在礦巖次級塊度預測時，輸入不同的放礦高度進行預測。南部礦體放礦高度從30m遞增到150m，遞增梯度為30m，如圖6a所示。北部礦體放礦高度從40m遞增到240m，遞增梯度為40m，如圖6b所示。不同放礦高度下的次級塊度預測結果如圖7和圖8所示。

圖6 南部和北部礦體次級塊度預測結果

從圖7中數據可知，南部礦體放礦高度達到設計高度150m時，南部礦體小于2m3的塊度達到99.04%，平均塊度為0.314m3，最大塊度為2.11m3。從圖8中數據可知，北部礦體剛開始放礦時，大塊率高達35%，而當放礦高度達到設計高度240m時，北部礦體小于2m3的塊度達到91.05%，平均塊度為0.493m3，最大塊度為4.23m3。

從南部和北部采區不同放礦高度時的次級塊度分布結果可以看出，最終大塊率都比初級塊度預測時的大塊率低。隨著持續放礦高度的增加，大塊率呈現逐漸降低趨勢，且后期崩落塊度逐漸趨于穩定。

圖7 南部礦體不同放礦高度下的次級塊度預測結果

圖8 北部礦體不同放礦高度下的次級塊度預測結果

5 結論

本文采用BCF軟件對普朗銅礦北部和南部采區的崩落塊度進行預測，并對不同放礦高度條件的崩落塊度變化規律進行了研究分析，得出結論如下：

(1)根據預測結果，南部礦體崩落塊度小，大塊率少；北部礦體受礦巖完整性好影響，崩落塊度較大，生產期間發生卡斗、懸頂等問題概率大。建議進一步對北部礦體補充工程地質工作，必要時開展水壓致裂礦巖預處理，降低崩落礦巖大塊率。

(2)隨著放礦高度的增加，礦石塊體在放礦過程中不斷受到擠壓和摩擦作用，礦巖崩落塊度逐漸降低。因此，在礦山生產前期可能會出現較大比例的大塊，后期隨著持續放礦崩落塊度大塊率將逐漸降低并趨于穩定在較低水平。