無底柱分段崩落法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

郭 雷，熊靚輝

（1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.青海西部資源有限公司，北京 100012）

無底柱分段崩落法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

郭 雷1，熊靚輝2

（1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.青海西部資源有限公司，北京 100012）

介紹了國內(nèi)外無底柱分段崩落采礦法應(yīng)用和研究的現(xiàn)狀，并進(jìn)行了分析和評述，指出了無底柱分段崩落法應(yīng)用和研究的發(fā)展趨勢。

無底柱分段崩落；分段高度；進(jìn)路間距；放礦理論

1 前言

無底柱分段崩落法開采具有機(jī)械化程度高、開采強(qiáng)度大、作業(yè)效率高、采礦成本相對較低和生產(chǎn)安全等優(yōu)點(diǎn)[1～2]。我國于60年代初從瑞典引進(jìn)無底柱分段崩落法[3～4]，由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)，在金屬礦山獲得迅速推廣，特別是在鐵礦山的應(yīng)用更為廣泛，目前應(yīng)用無底柱分段崩落采礦法采出的鐵礦石量約占總量的70%左右[5]?，F(xiàn)在，我國許多露采金屬礦山將轉(zhuǎn)入地下開采，如唐山首鋼馬蘭莊鐵礦和大石河鐵礦孟家溝采區(qū)露天開采即將結(jié)束，其深部資源將采用地下開采，設(shè)計(jì)的主要采礦方法均為大間距高分段的無底柱分段崩落法。隨著開采向地下深部的延伸，該采礦法將得到更進(jìn)一步的應(yīng)用。所以，有必要對無底柱分段崩落法的應(yīng)用和研究狀況及發(fā)展趨勢作進(jìn)一步的探討。

2 無底柱分段崩落法的應(yīng)用狀況

2.1 國外無底柱分段崩落法的應(yīng)用情況[6～7]

無底柱分段崩落采礦法的典型方案最早在瑞典Kiruma鐵礦山使用。早在1954年，瑞典使用這種方法的礦山就占20%，以后逐年增加，到了60年代初期，使用這種方法的礦山增長到60%。自80年代起瑞典的礦山又開始了加大結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)用，最典型的如瑞典基魯納鐵礦，其分段高度×進(jìn)路間距由10m×10m→12m×11m→12m×16.5m→20m×22.5m→27m×25m，直到目前的30m×30m；馬姆貝格特礦結(jié)構(gòu)參數(shù)由原來15m×15m改為20m×22.5m，并采用全液壓鑿巖臺車和重型液壓鑿巖機(jī)，出礦采用大斗容鏟運(yùn)機(jī)（6m3鏟運(yùn)機(jī)）。

加拿大克萊蒙（Craigmont）銅礦，最先用露天開采，1965年開始應(yīng)用無底柱分段崩落采礦法進(jìn)行地下開采。加拿大另一家銅礦格蘭杜克（Grauduc）銅礦也采用該采礦方法。澳大利亞芒特—艾薩（Mount-Isa）銅礦、贊比亞穆富利拉（Mufulira）銅礦、扎伊爾喀漠托（Kamoto）銅礦及前蘇聯(lián)某些礦山都曾經(jīng)或正在應(yīng)用無底柱分段崩落采礦法進(jìn)行采礦。

2.2 國內(nèi)無底柱分段崩落法的應(yīng)用情況

在國內(nèi)地下礦山中，自無底柱分段崩落采礦法引進(jìn)以來，其結(jié)構(gòu)參數(shù)分段高度×進(jìn)路間距由最初的10m×10m逐步加大，如后和睦山鐵礦為12m×15m[8]、小官莊鐵礦為15m×15m[9]、眼前山鐵礦地下開采為15m×15m[10]、北洺河鐵礦為15m×18m[11]、梅山鐵礦已經(jīng)達(dá)到了15m×20m[12]、大紅山鐵礦設(shè)計(jì)采用20m×20m等。中國恩菲參與設(shè)計(jì)的程潮鐵礦，分段高度×進(jìn)路間距最初為10m×10m，后來改為12m×10m、12m×14m，目前最大為17.5m×15m；金山店鐵礦最初為14m×10m，在改擴(kuò)建工程中為14m×16m；馬蘭莊鐵礦地下開采設(shè)計(jì)采用18m×20m。

相應(yīng)地其出礦設(shè)備鏟運(yùn)機(jī)也由開始時(shí)的1.5m3、2.0m3逐步走向大型化。程潮鐵礦、金山店鐵礦目前正在使用4m3進(jìn)口鏟運(yùn)機(jī)，梅山鐵礦、北洺河鐵礦等部分礦山也在使用4m3及6m3鏟運(yùn)機(jī)。

隨著礦山參數(shù)的加大及礦山維護(hù)技術(shù)的提高，在鑿巖方面，進(jìn)口鑿巖設(shè)備（例如Boomer系列、Simba系列）已經(jīng)在多家礦山應(yīng)用；在支護(hù)方面，部分礦山也開始使用進(jìn)口的錨桿臺車。先進(jìn)的鑿巖和支護(hù)設(shè)備的應(yīng)用取得了很好的效果，為結(jié)構(gòu)參數(shù)的進(jìn)一步加大提供了可能。

2.3 無底柱分段崩落法應(yīng)用和發(fā)展的原因

無底柱分段崩落法在國內(nèi)外金屬礦山得到了廣泛的應(yīng)用，分析其原因，主要有：采礦方法結(jié)構(gòu)簡單，不需要留礦柱；易于適應(yīng)礦體的變化，可以對不同品位和帶有夾石的礦體進(jìn)行選別回采，靈活性大；回采工藝簡單，便于使用高效的鑿巖、裝運(yùn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，提高了采礦強(qiáng)度和效率；無需大的回采工作面，在巷道中作業(yè)安全；勞動生產(chǎn)率較高，礦塊生產(chǎn)能力大等。

無底柱分段崩落采礦法的發(fā)展，主要體現(xiàn)在其采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方面的變化，如分段高度、進(jìn)路間距以及進(jìn)路的斷面等都在逐步朝著大參數(shù)改變。相比于國外無底柱分段崩落采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，國內(nèi)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)還比較小，還有較大的發(fā)展空間。采場參數(shù)不斷增大主要得益于鑿巖設(shè)備的不斷發(fā)展和改進(jìn)、出礦設(shè)備的加大和出礦能力的增加。今后，隨著鑿巖和出礦設(shè)備的發(fā)展，無底柱分段崩落采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)會更大，該采礦法也會得到更大發(fā)展。

3 無底柱分段崩落法的研究狀況

無底柱分段崩落法是在松散巖層的覆蓋條件下進(jìn)行回采工作的，損失貧化大是該方法存在的主要問題之一。為了改進(jìn)無底柱分段崩落法的開采效果，降低礦石損失貧化大這一難題，國內(nèi)外采礦專家、學(xué)者和生產(chǎn)礦山做了大量研究工作[13～19]，其方向主要集中在崩落礦巖的流動特性與移動規(guī)律研究，以此優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和放礦工藝方法。代表性研究成果有：隨機(jī)介質(zhì)放礦理論；橢球體放礦理論；物理模擬實(shí)驗(yàn)研究及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究等。

3.1 隨機(jī)介質(zhì)放礦理論

波蘭Jerzy Litwiniszyn、前蘇聯(lián)B.B.庫里柯夫、我國的王泳嘉、任鳳玉等人，將概率論方法用于分析散體的運(yùn)動過程，建立了散體運(yùn)動的隨機(jī)介質(zhì)放礦理論[20]。

散體運(yùn)動的隨機(jī)介質(zhì)理論最早由波蘭Jerzy Litwiniszyn教授[21]于1956年提出。

1962年，我國東北大學(xué)王泳嘉教授[22]根據(jù)中心極限定量，將球體介質(zhì)連續(xù)化處理后，巧妙地引人了散體統(tǒng)計(jì)常數(shù)B，給出了散體移動概率密度方程:

根據(jù)概率場表征散體垂直下降速度場的關(guān)系，王泳嘉推導(dǎo)了散體移動速度與跡線方程（二次拋線），放出漏斗方程、放出體方程等，形成了較為完整的計(jì)算體系。

1972年，前蘇聯(lián)B.B庫里柯夫又將平面問題擴(kuò)展為空間問題。但在上述隨機(jī)介質(zhì)理論中，放出體形狀為下粗上細(xì)與實(shí)際不相符合。隨后，東北大學(xué)任鳳玉教授[23]將隨機(jī)介質(zhì)方法與散體流動的實(shí)際物理過程相結(jié)合，對各種邊界條件的散體運(yùn)動過程建立了系統(tǒng)的理論方程：

式中：α，β——與散體的流動性質(zhì)和放出條件有關(guān)的實(shí)驗(yàn)常數(shù)。

任鳳玉教授以式（2）為理論基礎(chǔ)方程，推導(dǎo)了散體移動速度場、移動漏斗、放出體方程、顆粒移動跡線和坐標(biāo)變換方程，繼而進(jìn)行了復(fù)雜邊界條件下（半無限邊界條件及復(fù)雜邊界條件）散體移動規(guī)律研究和放出口對散體移動規(guī)律的影響研究，取得了開創(chuàng)性的成果。

放礦隨機(jī)介質(zhì)理論運(yùn)用概率論的方法研究理想散體的移動規(guī)律，把崩落的礦巖視為理想的散體，即規(guī)格一致、獨(dú)立存在、不會變形的松散介質(zhì)，并假設(shè)顆粒之間沒有凝聚力、摩擦力，顆粒在重力的作用下放出，各顆粒點(diǎn)移動服從一定的概率分布函數(shù)。當(dāng)散體移動時(shí)，顆粒由概率較小的位置向概率較大的方向移動。該理論給出的放出體形態(tài)與中外研究者的實(shí)驗(yàn)室物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好，解決問題有一定的理論依據(jù)和深度，并在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.2 橢球體放礦理論[6][20]

橢球體放礦理論是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過抽象假設(shè)放出體、移動體和松動體的形狀都是橢球體，繼而建立的時(shí)間最早、研究較多、影響較大的放礦理論。

1938年，前蘇聯(lián)的米納耶夫在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上首次提出了放出體為一旋轉(zhuǎn)橢球體的概念，引起人們的廣泛關(guān)注。1952年，馬拉霍夫出版了專著《崩落礦塊的放礦》一書。書中用大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了放出體是旋轉(zhuǎn)橢球體的結(jié)論。他提出了放出體過渡的概念，認(rèn)為散體放出過程是較大的橢球體向較小的橢球體過渡的過程，橢球體表面的顆粒同時(shí)到達(dá)出礦口。在建立散體運(yùn)動方程時(shí)，他將散體放出中鉛直下降速度相等的顆粒構(gòu)成的形體稱為等速體，認(rèn)為等速體的形狀也是橢球體，并提出等速體也存在過渡關(guān)系的論斷，即認(rèn)為采場內(nèi)的顆粒是按著構(gòu)成等速體的形式移向漏口的，由此得出顆粒移動跡線是一拋物線的結(jié)論。

1965年，B.B.庫里柯夫出版的《金屬礦床的聯(lián)合開采與二次開采》一書中，對單孔放礦理論有所發(fā)展，提出放出漏斗方程以及放出體表面顆粒在放出體移動過程中保持相對高度不變的觀點(diǎn)。

20世紀(jì)70年代至80年代中期，國內(nèi)大多數(shù)學(xué)者對放礦進(jìn)行了深人地研究，很多工作都體現(xiàn)在進(jìn)一步完善橢球體放礦理論。1979年劉興國教授基于放出體的過渡關(guān)系提出等偏心率橢球體放礦理論，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程，同時(shí)應(yīng)用坐標(biāo)變換方程解決多漏斗放礦問題，在多孔放礦、定量計(jì)算、放礦邊界條件研究等方面取得了開創(chuàng)性成果。但經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明橢球體的偏心率是變化的，等偏心率放礦理論的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差很大，此后劉興國教授在變偏心率橢球體放礦理論方面做了大量研究工作，使橢球體放礦理論得到完善，對我國崩落法放礦控制做出了重要貢獻(xiàn)。

對于無限邊界條件和半無限邊界條件，橢球體理論建立了完整的理論體系。但它對于傾斜壁邊界條件下散體的移動規(guī)律問題難以處理。另外，該理論的放出體形態(tài)不靈活（恒為橢球體或橢球缺），實(shí)際中因散體流動性質(zhì)與放出條件的差異，放出體形態(tài)呈現(xiàn)多樣性。盡管如此，由于其簡單實(shí)用，該理論體系對指導(dǎo)放礦研究與生產(chǎn)發(fā)揮了很大的作用。

3.3 物理模擬實(shí)驗(yàn)研究及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究[7][24～26]

物理模擬試驗(yàn)方法就是選配與現(xiàn)場崩落礦巖組成和尺寸幾何相似、力學(xué)性質(zhì)大體相似的礦巖顆粒，在與現(xiàn)場采場結(jié)構(gòu)和放礦系統(tǒng)幾何相似的模型上進(jìn)行模擬試驗(yàn)，就是在使兩者放礦過程達(dá)到物理上近似相似的方法。這種試驗(yàn)方法可以直接觀察和人為地控制放礦過程，它具有直觀、方便的優(yōu)點(diǎn)?？梢杂脕硌芯糠诺V過程的礦巖移動規(guī)律，放出體、殘留體和礦巖混雜過程，礦石損失貧化發(fā)生的過程，以便說明降低礦石損失貧化的關(guān)鍵所在。并可用于優(yōu)選采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、放礦方案與放礦制度等。

放礦物理模擬的一個關(guān)鍵問題就是相似問題。要想把模擬試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)、規(guī)律，推廣到實(shí)際采場放礦中去，或使實(shí)際放礦規(guī)律能在模擬試驗(yàn)中再現(xiàn)和預(yù)演，那就必需使模擬與實(shí)際的放礦現(xiàn)象和規(guī)律之間的相似條件得到滿足。經(jīng)多年的實(shí)踐證明，相似比為1∶30的現(xiàn)場試驗(yàn)方法是一種非常重要的方法，它可以取得物理模擬和數(shù)學(xué)模擬所需要的原始數(shù)據(jù)，驗(yàn)證其試驗(yàn)的結(jié)果，并可研究生產(chǎn)中的放出體與礦巖的流動規(guī)律和礦石損失貧化指標(biāo)等。

計(jì)算機(jī)仿真放礦是加拿大D.Jolley于1968年提出的，國內(nèi)于1978年開始此項(xiàng)研究。北京科技大學(xué)、昆明工學(xué)院及東北大學(xué)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步研究工作，將該法用于解決實(shí)際放礦問題，對有底柱與無底柱分段崩落法放礦模擬通用程序進(jìn)行了研制，并在生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中得到了初步應(yīng)用。當(dāng)前的放礦計(jì)算機(jī)仿真軟件大多數(shù)維持在20世紀(jì)80年代的水平，存在程序適用性差、功能低、操作和顯示不方便等問題，已經(jīng)不能適合當(dāng)今礦山放礦研究的要求，急需研制一種新的放礦仿真軟件。

4 無底柱分段崩落法發(fā)展趨勢

4.1 無底柱分段崩落法應(yīng)用的發(fā)展趨勢

國內(nèi)外的實(shí)踐已經(jīng)證明，高分段、大間距是國內(nèi)外無底柱分段崩落法發(fā)展方向，并已為瑞典基魯納鐵礦生產(chǎn)實(shí)踐證明是可行的。增大無底柱分段崩落采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)點(diǎn)顯而易見：減少礦石損失貧化產(chǎn)生次數(shù)和放礦過程中礦巖接觸面積，有利于降低礦石損失貧化；增大每次爆破崩礦量，充分發(fā)揮鏟裝運(yùn)設(shè)備能力，減少輔助作業(yè)（爆破與通風(fēng)等）時(shí)間，可以提高采礦生產(chǎn)能力；減少采準(zhǔn)工程量，降低采礦成本等。要進(jìn)一步提高無底柱分段崩落法礦山的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益，必須優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，走大參數(shù)、設(shè)備大型化和管理科學(xué)化之路。

4.2 無底柱分段崩落法理論研究的發(fā)展方向[27]

（1）放礦理論研究中存在的一個突出難題是利用原位（現(xiàn)場）研究目前幾乎是無法實(shí)現(xiàn)的。受實(shí)驗(yàn)儀器和手段的限制，現(xiàn)場測定崩落礦巖散體流動參數(shù)對礦山并不具有普遍意義?？梢娧芯繙y定崩落礦巖流動參數(shù)的相應(yīng)儀器和技術(shù)手段是一個急待解決的問題。

（2）放礦理論研究大多采用室內(nèi)模擬的方法，但問題在于只能保證模擬散體移動場與實(shí)際散體移動場在幾何上相似，無法做到散體運(yùn)動上和力學(xué)特征上相似，因而室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)所得的相應(yīng)參數(shù)與現(xiàn)場崩落礦巖散體的流動參數(shù)并不相同，需要研究聯(lián)系二者之間的函數(shù)關(guān)系，利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)手段科學(xué)地預(yù)測實(shí)際礦巖流動參數(shù)。

（3）放礦理論中對崩落礦巖散體移動中的二次松散（膨脹性）的處理方法可歸為兩點(diǎn)：一是以無膨脹散體密度場和速度場代替實(shí)際散體移動密度場和速度場；二是認(rèn)為散體密度在松動邊界上產(chǎn)生突變，在移動帶內(nèi)密度場為定常場，速度場滿足無源場連續(xù)流動條件。崩落礦巖散體在放出過程中由于結(jié)構(gòu)變形必發(fā)生二次松散現(xiàn)象，因此研究符合實(shí)際散體的移動體積變化規(guī)律和速度場非常重要。

采礦工作者應(yīng)在目前研究成果的基礎(chǔ)上，使崩落采場放礦的研究，尤其是使放礦計(jì)算機(jī)模擬的研究方向向縱深發(fā)展。把已取得的研究成果推向?qū)嶋H應(yīng)用，使其在采礦設(shè)計(jì)與生產(chǎn)技術(shù)管理實(shí)踐中發(fā)揮重要作用，優(yōu)選結(jié)果參數(shù)、預(yù)報(bào)損失貧化指標(biāo)和優(yōu)化放礦控制。

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Application and developing trend of pillarless sublevel caving

The application and research status of pillarless sublevel caving at home and abroad were introduced and analyzed,and its developing trend was pointed out.

pillarless sublevel caving;height of lift;drift spacing;drawing theory

1672-609X（2010）06-0044-05

TD853.36＋2

B

2010-07-23

郭 雷（1979-），男，河南平頂山市人，碩士，工程師，主要從事礦山工程設(shè)計(jì)和研究工作。