某金礦無(wú)底柱分段崩落法無(wú)巖覆蓋層形成及低貧化放礦方案數(shù)值分析

羅才嚴(yán)汪 朝

（1.陜西鳳縣四方金礦有限公司；2.西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院）

無(wú)底柱分段崩落法因其高效率、低成本、結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、回采作業(yè)安全、生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外金屬礦山得以廣泛應(yīng)用［1］。近年來(lái)，高分段、大結(jié)構(gòu)已然成為該方法的主流發(fā)展趨之一，進(jìn)一步加大了其推廣和應(yīng)用前景［2-5］。然而，該方法所伴隨的覆蓋層形成問(wèn)題和高貧化問(wèn)題限制著其發(fā)展。其中，覆蓋層形成問(wèn)題尤其體現(xiàn)在硬巖頂板礦山，增大了礦山生產(chǎn)工程量和開(kāi)采成本；而高貧化問(wèn)題主要是因?yàn)楸缆浞ㄔ谒缮r石覆蓋層下進(jìn)行出礦，并且大都采用截止品位控制放礦。

針對(duì)無(wú)底柱分段崩落法所在的2點(diǎn)突出問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛開(kāi)展理論和試驗(yàn)研究，其中具有代表性的是無(wú)巖覆蓋層開(kāi)采理論［6-7］和低貧化放礦理論［8-9］。這2種理論及其有效組合不但提高了礦石出礦品位，減少了廢石混入，而且節(jié)省了強(qiáng)制放頂費(fèi)用，保障了礦山快速投產(chǎn)與達(dá)產(chǎn)，為礦山創(chuàng)造了較好的直接經(jīng)濟(jì)效益，在國(guó)內(nèi)許多礦山尤其是硬巖頂板礦山得以廣泛應(yīng)用。

陜西某金礦屬于急傾斜厚大礦體，采區(qū)工程地質(zhì)巖組以半堅(jiān)硬圍巖—堅(jiān)硬巖石為主，設(shè)計(jì)采用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采。該礦屬于典型的硬巖頂板礦山，強(qiáng)制放頂較大程度上影響礦山生產(chǎn)進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，礦山現(xiàn)行放礦方案為截止品位放礦，迫切需求新的放礦方案降低礦石損失貧化。為解決礦山覆蓋層形成難題和高貧化問(wèn)題，需要對(duì)覆蓋層形成和低貧化放礦方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用數(shù)值模擬對(duì)方案作為驗(yàn)證和優(yōu)化。

1 覆蓋層形成方案

無(wú)巖覆蓋層開(kāi)采技術(shù)是指在無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采過(guò)程中不專門(mén)開(kāi)展強(qiáng)制放頂，而是依靠巖石的自然冒落形成所需要的覆蓋層。為此，首先對(duì)礦山開(kāi)展巖體工程質(zhì)量評(píng)價(jià)工作，同時(shí)依據(jù)分析結(jié)果開(kāi)展礦體可崩性評(píng)價(jià)和工程跨度計(jì)算分析，以此判別硬巖頂板冒落時(shí)的所需條件，最后進(jìn)行礦山中段回采規(guī)劃，制定礦山覆蓋層形成方案。

1.1 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

開(kāi)展巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)工作的目的在于確定礦區(qū)巖體極限暴露面積，為無(wú)底柱分段崩落法覆蓋層形成方案設(shè)計(jì)提供參考。調(diào)查結(jié)果分析顯示，礦區(qū)有2組節(jié)理發(fā)育，其產(chǎn)狀分別為35°∠75°、308°∠80°。根據(jù)巖石判斷準(zhǔn)則，采用RMR、MRMR等方法進(jìn)行巖體質(zhì)量及可崩性評(píng)價(jià)，綜合得出巖體穩(wěn)固性較好，可崩性較差，同時(shí)結(jié)合工程跨度分析計(jì)算，確定采區(qū)巖體極限暴露面積范圍為30～1 169.64 m2。

1.2 覆蓋層形成方案

基于無(wú)巖覆蓋層開(kāi)采理論，結(jié)合礦區(qū)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)，確定覆蓋層形成方案如下。

（1）盡快回收1 340，1 390 m中段殘留礦柱，未能回收礦體采用中深孔爆破回采，擴(kuò)大礦巖暴露面積，誘導(dǎo)其塌落。

（2）1 290 m中段回采時(shí)，第2、3分層崩落礦體先作覆蓋層；第1分層及以下中段礦體崩落后正常出礦。

（3）隨著下部礦體回采，上部空區(qū)面積逐漸增大，當(dāng)超過(guò)巖體極限暴露面積時(shí)，發(fā)生自然塌落，當(dāng)1 340 m中段上部礦巖發(fā)生大面積崩落且覆蓋層厚度達(dá)到2倍分段高度時(shí)，可將1 290 m中段2分層、3分層礦石放出。

（4）若頂板暴露面積過(guò)大仍未發(fā)生塌落，可適當(dāng)采用爆破誘導(dǎo)冒落。

2 崩落法放礦方案

低貧化放礦是綜合考察多個(gè)分層的礦石回收情況，上部分層殘留礦石可減輕巖石混入并兼顧覆蓋層功能。本次放礦管理主要針對(duì)1 240 m水平以下中段進(jìn)路出礦，通過(guò)設(shè)計(jì)多組第1、2分層放礦貧化率和放礦截止品位，同時(shí)保持第3分層的放礦貧化率和放礦截止品位不變，擬定8種放礦方法（表1），其中包含現(xiàn)行截止品位放礦方案和無(wú)貧化放礦方案。

注：“—”表示按照礦山截止品位出礦。

3 覆蓋層形成方案數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型建立

仿真計(jì)算軟件選擇二維有限元分析軟件Phase2。鑒于計(jì)算研究范圍內(nèi)礦巖均屬?gòu)椝苄越橘|(zhì)，本構(gòu)模型可選用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。

依據(jù)覆蓋層形成方案，主要模擬分析1 290，1 340，1 390 m中段回采后頂板的穩(wěn)定性。同時(shí)，結(jié)合礦區(qū)礦體賦存環(huán)境，參考各中段平面圖、勘探線剖面圖及投影圖，確立模型及采區(qū)范圍（圖1）。整個(gè)模型尺寸為1 650 m×500 m（長(zhǎng)×高）；1 290 m中段回采54A～80線，長(zhǎng)度為470 m；1 340 m中段回采59A～79A線，長(zhǎng)度為344 m；1 390 m中段回采59A～74A線，長(zhǎng)度為264 m。

模型的礦巖力學(xué)參數(shù)、初始應(yīng)力場(chǎng)及邊界條件均根據(jù)礦山實(shí)際情況選取，考慮篇幅影響，不作詳細(xì)闡述。

3.2 頂板穩(wěn)定性數(shù)值模擬與分析

依據(jù)礦山實(shí)際開(kāi)采過(guò)程，模擬過(guò)程分8個(gè)步驟完成，分別模擬各階段回采作業(yè)，詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)表2。

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3.2.1 應(yīng)力分析

初始應(yīng)力平衡后，模型最大主應(yīng)力為0～21.6 MPa；最小主應(yīng)力為0～6 MPa，如圖2所示。

1 390 m中段59A～69線礦體回采后，頂板開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力集中，σ1最大值達(dá)10.45 MPa，σ3最小值呈現(xiàn)負(fù)值（-2.8 MPa），預(yù)示頂板開(kāi)始出現(xiàn)拉應(yīng)力；1 340 m中段59A～68線礦體回采后，空區(qū)周?chē)鷳?yīng)力進(jìn)一步發(fā)生變化，上覆巖層荷載往采場(chǎng)四周積聚，最大值達(dá)19 MPa，頂?shù)装宓淖畲笾鲬?yīng)力值都較小。同時(shí)，采場(chǎng)頂?shù)装宄惺軓埨奢d強(qiáng)度進(jìn)一步增大（極值為-3.6 MPa）。

隨著stage4～stage8對(duì)應(yīng)各中段礦體的依次回采，最大主應(yīng)力逐漸增高，最大值達(dá)34 MPa；最小主應(yīng)力極值從-3.6 MPa變化至-6 MPa（圖3），且運(yùn)算至stage 5時(shí)，拉應(yīng)力極值（-4.8 MPa）超出巖體的抗拉屈服強(qiáng)度（-4.4 MPa），采場(chǎng)頂板將出現(xiàn)片幫、垮塌等現(xiàn)象，且結(jié)合采場(chǎng)拉、壓應(yīng)力極值變化趨勢(shì)（圖4、圖5）分析易知，隨著后續(xù)礦體回采，采場(chǎng)頂?shù)装迤瑤汀⒖逅厔?shì)逐漸加快。

3.2.2 位移分析

待模型完成初始平衡并進(jìn)行位移“清零”后，便可逐一完成各步驟的回采模擬，記錄分析各步驟位移變化情況如圖6所示。

頂板沉降位移記錄結(jié)果顯示，伴隨各階段礦體回采，采場(chǎng)上覆巖層失去礦巖支撐，頂板沉降變形在上覆巖層荷載作用下持續(xù)增大。從沉降位移極值變化曲線來(lái)看（圖7），頂板沉降位移整體呈逐步增大趨勢(shì)，但其增長(zhǎng)速率與頂板暴露面積增長(zhǎng)速率呈正相關(guān)分布，例如，1 390 m中段59A～69線礦體回采時(shí)，頂板暴露面積變化最大，對(duì)應(yīng)頂板沉降位移極值增長(zhǎng)量達(dá)30 cm，后續(xù)各中段礦體依次回采后，頂板暴露面積增長(zhǎng)幅度均小于stage2，因而頂板沉降位移增長(zhǎng)幅度同樣變緩。從數(shù)值上看，頂板沉降變形量持續(xù)增大，最大值達(dá)到52.5 cm，同時(shí)在拉應(yīng)力荷載作用下，頂板發(fā)生自然塌落。

綜合上述應(yīng)力、位移分析結(jié)果可知，1 340，1 390 m中段殘留礦柱完成回收作業(yè)后，采空區(qū)頂板開(kāi)始出現(xiàn)片幫、垮塌等現(xiàn)象，表明硬巖頂板開(kāi)始自然崩落。1 290 m中段第2、3分層鑿巖爆破后未放出奇石可作為有效礦石覆蓋層，后續(xù)可利用頂板冒落及厚度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)已冒落巖石及覆蓋層厚度進(jìn)行準(zhǔn)確把握，進(jìn)而指導(dǎo)第1～3分層的出礦計(jì)劃及管理。因此，模擬分析結(jié)果驗(yàn)證了覆蓋層形成方案可行。

4 崩落法放礦方案數(shù)值分析

4.1 放礦數(shù)值模型建立

放礦數(shù)值模擬采用PFC2D軟件，選取某一放礦工作面的垂直剖面建立放礦模型，如圖8所示。模型共5個(gè)分段，寬121 m，高83.5 m，廢石覆蓋層厚度為33.4 m。采礦結(jié)構(gòu)參數(shù)為16.7 m×22 m（分段高度×近路間距），進(jìn)路尺寸為3 m×3 m，邊孔角為55°，模型側(cè)面、底面邊界固定。

鑒于模型尺寸較大，若一次性生成全部模型，計(jì)算量過(guò)大，故采用分段建模與分段放礦方式，詳細(xì)流程參考文獻(xiàn)［10］。

4.2 低貧化放礦數(shù)值分析

崩落法放礦過(guò)程中，若單方面追求高回收率，往往會(huì)伴隨高貧化率。工程實(shí)際中為了反映綜合放礦效果，采用回貧差作為綜合放礦指標(biāo)。

根據(jù)擬定8種放礦方案（表1），逐一對(duì)放礦過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)各方案放礦結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果如圖9、圖10所示。

從曲線圖中可以得出以下幾點(diǎn)：

（1）礦石回收率、貧化率均受分段位置、放礦方案影響，具體表現(xiàn)：以放礦方案為單一變量時(shí)，各分段礦石回收率、貧化率均呈變幅波狀變化；以分段為單一變量時(shí)，各方案下礦石回收率、貧化率整體趨勢(shì)排序均為第1分段＜第2分段＜第3分段。經(jīng)分析可知，礦石回收率、貧化率呈現(xiàn)前述變化主要受截止品位影響，因各方案之間截止品位存在差異（第1、2分段截止品位較高，第3分段截止品位為入選品位），導(dǎo)致第3分段回收礦量超過(guò)其本身爆破礦量，同時(shí)加大了廢石混入。

（2）從整體趨勢(shì)來(lái)看，第2、3分段的回貧差值相似，均在90.0%左右，而第1分段回貧差明顯小于第2、3分段。同時(shí)，依據(jù)各方案綜合回貧差曲線可知，8組放礦方案綜合回貧差排序?yàn)榉桨?＜方案3＜方案5＜方案6＜方案2=方案4＜方案8＜方案1，其中，方案1綜合回貧差最大（79.8%），放礦效果最好，方案7綜合回貧差最小（72.2%），放礦效果最差。

綜上所述，根據(jù)回貧差越大，方案越優(yōu)的原則，方案1為最佳低貧化放礦方案，即第1分段放礦的截止品位為1.79 g/t，第2分段為1.79 g/t，第3分段為1.00 g/t。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）基于無(wú)巖覆蓋層開(kāi)采理論及礦區(qū)巖體工程質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，提出了適合礦區(qū)的“礦石+巖石”組合覆蓋層形成技術(shù)方案。經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證，1 340，1 390 m中段殘留礦柱回采完成后，硬巖頂板開(kāi)始自然崩落，1 290 m上部2個(gè)分層礦石暫留于空區(qū)，下分層可在“礦石+巖石”組成的覆蓋層下繼續(xù)開(kāi)采，同時(shí)給予巖石頂板充足冒落時(shí)間。

（2）低貧化放礦工藝是解決無(wú)底柱分段崩落法放礦貧損問(wèn)題的有效途徑之一，研究依據(jù)低貧化放礦理論制定8組3個(gè)分層綜合控貧損放礦技術(shù)方案，并借助現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算軟件PFC2D模擬分析各方案出礦貧損情況，優(yōu)選出最佳方案，即第1、2、3分段放礦的截止品位分別控制為1.79，1.79，1.00 g/t。

（3）本次研究著重于解決無(wú)底柱分段崩落法的覆蓋層形成和高貧損問(wèn)題，研究成果可經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)一步細(xì)化和完善，以期為國(guó)內(nèi)外同類(lèi)型礦山企業(yè)提供一定的理論依據(jù)和工程實(shí)例借鑒。