大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法的發(fā)展及技術(shù)問題探討

何榮興 任鳳玉 宋德林 馬姣陽 付 煜 劉清福

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110819)

無底柱分段崩落法引入我國已有近50 a 的歷史，其結(jié)構(gòu)參數(shù)由最初的10 m×10 m 逐漸增大，大結(jié)構(gòu)參數(shù)開采已成為無底柱分段法的主要發(fā)展趨勢，如杏山鐵礦為18.75 m×20 m、大紅山鐵礦設計采用20 m×20 m，目前本溪正在設計中的大臺溝鐵礦一期設計結(jié)構(gòu)參數(shù)為28.5 m ×25 m，目前國內(nèi)在建或生產(chǎn)中的無底柱礦山及主要參數(shù)如表1 所示，按照此趨勢發(fā)展，國內(nèi)無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)仍會繼續(xù)增大;然而在向大結(jié)構(gòu)參數(shù)過渡中的許多礦山遠沒有達到所預期的指標和效益，無底柱分段崩落法仍和國外典型無底柱礦山存有較大差距，所以，在大結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)展過程中存在一些問題需要注意和討論。

1 無底柱分段崩落法的發(fā)展

近年來，礦山生產(chǎn)面臨環(huán)境因素的控制，礦山設計要考慮地表農(nóng)田不破壞、地表村莊不搬遷、地表河流不改道、地下水不受影響、嚴格控制占用土地，特別是嚴格控制少占或不占耕地，這些正是無底柱分段崩落法的短板。在此條件下，充填采礦法成為新建礦山的首選采礦方法，成為一種“時尚”，如河北鋼鐵礦業(yè)公司馬城鐵礦，年產(chǎn)2 500 萬t，田興鐵礦，年產(chǎn)2 000萬t，等等，多個年產(chǎn)量千萬噸以上的礦山都設計采用充填法開采，也有人預言充填法將取代無底柱分段崩落法。筆者從經(jīng)濟發(fā)展需求、鐵礦石市場環(huán)境、國內(nèi)礦山賦存特點、對露天轉(zhuǎn)地下的適應性等方面來分析無底柱分段崩落法的發(fā)展前景和應用范圍。

表1 國內(nèi)代表性無底柱礦山主要參數(shù)Table 1 The main parameters of representative pillarless mine

近年來，經(jīng)濟的高速發(fā)展，鐵礦石需求量猛增，國內(nèi)鐵礦石產(chǎn)能不足，自給率僅能達到50%左右，國外鐵礦石大供應商可以隨意控制礦石價格。據(jù)統(tǒng)計，2013 年我國進口鐵礦石8.19 億t，國際鐵礦石供應商壟斷市場哄抬礦價，使我國遭到巨大損失，2013 年我國進口鐵礦中，國際供應商從我國獲利達500 億美元。2014 年，國內(nèi)鋼鐵需求量陷入周期性的低谷，進口鐵礦石價格降低至80 美元，對國內(nèi)鐵礦山的打壓沒有絲毫緩解。國內(nèi)鐵礦石產(chǎn)能不足，成本高是導致國內(nèi)鐵礦石市場受制于國外供應商的主要原因。盡管目前鋼鐵需求量萎靡，但經(jīng)濟發(fā)展的趨勢和礦產(chǎn)資源消耗往往具有周期性特征，所以，在未來的20 ～30 a 間，國民經(jīng)濟發(fā)展對金屬礦產(chǎn)的需求將持續(xù)增長，國民經(jīng)濟的健康發(fā)展需要實現(xiàn)鐵礦資源的低成本、安全高效開采，所以，無底柱分段崩落法是最符合我國國情的一種采礦方法。

其次，目前我國80%以上的鐵礦石是由露天礦采出的，其中90%以上的露天礦都已進入深部開采，最終都會轉(zhuǎn)入地下開采。此時露天開采對地表和周邊環(huán)境的破壞已經(jīng)形成，所以，無底柱分段崩落法成為露天轉(zhuǎn)地下的首選采礦方法，而且也是適應深部開采的采礦方法。

除此之外，隨著一些品位高、賦存條件好的鐵礦消耗殆盡，一些貧鐵礦床、深部礦床相繼投入開采，低品位與復雜難采礦床的開采比例將越來越大，隨之對高效開采技術(shù)的需求將越來越迫切，無底柱分段崩落法開采的技術(shù)特點對此類礦床具有良好的適應性。

客觀而言，充填法在開采順序，環(huán)境保護等方面的優(yōu)越性是無底柱分段崩落法無法比擬的，但關(guān)于充填法產(chǎn)能、成本以及礦房尺寸與頂板穩(wěn)固性關(guān)系等諸多問題仍有待進一步研究論證，所以，無底柱分段崩落法仍將是我國礦業(yè)未來發(fā)展中最主要的采礦方法。

2 大結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)展過程中需要注意的問題

結(jié)構(gòu)參數(shù)的增大與礦巖工程地質(zhì)條件、配套的設備水平、礦山的生產(chǎn)技術(shù)水平等是密切相關(guān)的，盲目追求大的結(jié)構(gòu)參數(shù)并不一定能取得好的綜合經(jīng)濟效益［1］。所以，在國內(nèi)礦山極力推崇大結(jié)構(gòu)參數(shù)的同時，一些技術(shù)問題和細節(jié)還需要我們?nèi)リP(guān)注和探討。

2.1 設備配套問題

隨著分段高度的增加，炮孔長度增加，而最深炮孔的長度在國內(nèi)采用的邊孔角范圍內(nèi)一般為分段高度的1.4 ～1.7 倍，也就是說其長度會隨著分段高度的增加成倍增長，過深的炮孔影響鑿巖效率，而且也影響鑿巖精度。炮孔深度增加影響最大的還是裝藥工作，因為目前我國中深孔裝藥設備主要是20 世紀70 年代研制的風動裝藥器，勞動強度極大，裝藥效率和密度低，藥粉灑落嚴重，污染井下作業(yè)環(huán)境，并且當上向孔深超過20 m 時，裝藥非常困難，孔深達30 m左右時，幾乎無法裝填炸藥，并且無法完成大直徑深孔的上向裝藥［2-3］。裝藥車在國外礦山已非常普及，也取得了非常好的效果，我國對裝藥車的研發(fā)和應用都比較晚，對于國產(chǎn)裝藥臺車可供選擇的規(guī)格數(shù)量少，性能參數(shù)差，對炸藥要求高。我國許多礦山也在不斷試驗裝藥臺車，目前成功采用的也只有梅山鐵礦、杏山鐵礦等少數(shù)礦山，還需要人工把關(guān)，不能完全地解放勞動力，所以，裝藥臺車在我國無底柱礦山普及應用是大結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

高分段的發(fā)展，使得高階段也成為一種趨勢，不僅能減少采準工作量，而且運輸、配電系統(tǒng)和其他設施所節(jié)省的工作量對降低采礦成本意義重大。階段高度的增加，使溜井長度相應增加，對溜井掘進技術(shù)提出了更高的要求。我國礦山的天(溜)井一直采用普通法和吊罐法施工，勞動強度大、工作環(huán)境及安全性差、效率低，通常只能掘進百米左右的短溜井［4］。天井鉆機是一種機械化程度高、安全高效的天(溜)井施工設備，國內(nèi)也有少數(shù)礦山成功應用天井鉆機的實例，如夏甸金礦采用AT2000 天井鉆機，掘進127 m的溜井［5］，錫鐵山鉛鋅礦采用TYZ －1500 型天井鉆機成功掘進多條溜井［6］，但國產(chǎn)天井鉆機普遍存在鉆鑿硬巖能力差，鑿井直徑較小的缺陷，而國外先進的天井鉆機引進的實例也相對較少，可見國內(nèi)礦山對此設備還沒有給予足夠的重視。所以，高中段的發(fā)展需要高效的天(溜)井掘進設備相配套，才能充分發(fā)揮出大結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)越性。

為適應大型鑿巖、出礦設備的尺寸需求及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的增加，巷道斷面尺寸也有所增加，而且，隨著采深逐漸增加，巷道穩(wěn)固程度削弱，對支護工作和支護設備的需求將會提高。我國大多數(shù)無底柱礦山都有大量的支護工作，人工打眼和安裝，勞動強度大，錨桿安裝質(zhì)量差。錨桿臺車具有穩(wěn)定性好，作業(yè)效率高，能連續(xù)完成錨桿作業(yè)安全的優(yōu)點。國外錨桿臺車的研發(fā)和使用起源于20 世紀60 年代，其他國家也相繼研發(fā)了功能性較強的錨桿臺車，如瑞典Alimak 公司RBC 型錨桿臺車，能安裝樹脂錨桿、砂漿錨桿和摩擦式錨桿，且能以高壓、高速將砂漿噴入孔內(nèi)，實現(xiàn)砂漿配比和攪拌的自動化［7］，中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司和其他單位也研發(fā)了CTM3 －1、CGM－40 等型號的錨桿臺車。杏山鐵礦、北洺河鐵礦、程潮鐵礦等礦山也都裝配了錨桿臺車，收到了較好的效果，但總體普及率還不高，且臺車對錨桿類型選擇比較單一。因此，提高錨桿臺車配套應用率，在大結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，可有效提高巷道的支護質(zhì)量，提高采準效率。

橇毛工作是裝藥和出礦作業(yè)前一項非常重要的輔助工作，國外礦山在使用手持式撬毛機具的基礎(chǔ)上開發(fā)了撬毛臺車，實現(xiàn)了撬毛工作的機械化。我國井下礦山普遍使用撬棍撬毛，操作者站在爆破后落下的礦石堆或廢石堆上，手持撬棍依靠人的視覺進行工作，頂板較高時，借助柴油鏟運機完成該項工作，但是撬棍質(zhì)量大，工人勞動強度繁重，安全性差［7］，隨著進路斷面尺寸的增大，這些缺陷就更加突出。相比上述設備，橇毛臺車在我國的利用率更低，橇毛臺車的引入可提高掘進、出渣(礦)作業(yè)循環(huán)的效率和安全性。

分段崩落法大結(jié)構(gòu)參數(shù)的發(fā)展得益于大型鑿巖、鏟裝、裝藥等設備的應用，同樣，大結(jié)構(gòu)參數(shù)的發(fā)展也促進了國內(nèi)大型先進采礦設備的研發(fā)和應用，但在耐久性、全面性方面與國外設備仍然有較大差距，國內(nèi)礦山的大型設備裝配水平、配套程度也還遠遠不夠，所以，礦山在要滿足礦山生產(chǎn)能力和參數(shù)要求基礎(chǔ)上，可選擇性進口一些采礦設備。早在20 世紀70 年代，弓長嶺鐵礦就從國外引進野馬鑿巖機，當時國內(nèi)液壓鑿巖設備沒有發(fā)展，相應的配件很難補給，之后一直沒有應用，造成了資源浪費;北洺河鐵礦使用simba1354 鑿巖機，為改善爆破效果，北洺河鐵礦組織優(yōu)化爆破參數(shù)試驗研究，鉆頭直徑由原來的76 mm增加到89 mm，也是北洺河鐵礦所采用鑿巖機所允許最大直徑，鑿巖機在高負荷下運轉(zhuǎn)，鑿巖效率低，鑿巖精度難以保證，最后又改為原來的炮孔直徑?？梢?，國內(nèi)礦山在引進國外先進設備過程中，除了要充分了解設備參數(shù)及性能外，還要考慮礦山的可持續(xù)發(fā)展的問題。

2.2 大結(jié)構(gòu)參數(shù)的爆破問題

實踐表明，無底柱分段崩落法礦石爆破質(zhì)量好壞，不僅影響礦山出礦效率、生產(chǎn)能力和成本，還影響礦石損失貧化指標［8］;而且高效率的大斗容電動鏟運機在無底柱礦山的普遍應用對礦石爆破質(zhì)量提出了更高的要求。高分段和鑿巖設備類型對鑿巖精度的影響、裝藥設備對裝藥質(zhì)量的影響，都最終影響到爆破質(zhì)量，研究適合大結(jié)構(gòu)無底柱分段崩落法的回采爆破參數(shù)的優(yōu)化方法，具有較強的理論和實際意義［9］。目前國內(nèi)礦山多采用類比法和經(jīng)驗公式法確定爆破參數(shù)，不同礦山之間的礦巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙發(fā)育程度和所用炸藥爆破性能都不盡相同，爆破效果也參差不齊。而且隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的增大，單排裝藥量也增加了，所引起的爆破震動對圍巖穩(wěn)固性、炮孔及眉線的完整性，乃至地表居民的影響都會相應增大;放礦松動體是一個橢球體，同排炮孔所處的擠壓爆破條件是不同的，邊孔的擠壓爆破條件要明顯差于中間孔，因此研究大結(jié)構(gòu)參數(shù)下扇形炮孔的起爆順序?qū)τ跍p小爆破震動，改善爆破效果都有積極意義。

2.3 基于現(xiàn)場出礦的放礦理論

目前放礦理論研究大多采用室內(nèi)物理實驗模擬和數(shù)值模擬的方法，只能保證模擬散體移動場與實際散體移動場在幾何上相似［7］，散體級配及濕度環(huán)境上都無法相似，在散體運動學上和動力學上更無法做到相似，因而室內(nèi)模擬實驗所得的相應參數(shù)與現(xiàn)場崩落礦巖散體的流動參數(shù)差別較大，導致所推測的放出體形態(tài)也與實際有很大差異。而且現(xiàn)場崩落礦石是在前一步距放礦后經(jīng)爆破擠壓而成的，崩落體的形態(tài)至今都沒有統(tǒng)一的認知，導致礦巖初始的接觸關(guān)系都不能接近于真實值，而且受現(xiàn)場出礦設備的實際鏟裝深度影響很大，所以室內(nèi)物理實驗及數(shù)值實驗都難以實現(xiàn)接近于現(xiàn)場實際移動規(guī)律或放礦指標的模擬。但目前基于現(xiàn)場測試的放礦理論主要受限于實驗儀器和手段，國內(nèi)最早于上世紀70 年代在河北銅礦進行過放置標志物測定現(xiàn)場放出體形態(tài)的工作，因所放標志物回收率過低，未能獲得完整的放出體。國外Kiruna 鐵礦在上世紀90 年代初進行過現(xiàn)場測試放出體的試驗工作，由于所放標志物膠管在放礦過程中發(fā)生鉆孔流動等原因，圈出的放出形態(tài)類似于“指掌形”［10-12］。澳大利亞Ridgeway 金礦采用了鋼管作為標志物進行試驗，并用磁選機進行標志物的回收，提高了其回收率，但是還有大量的標志物未能回收到，給后續(xù)的分析帶來了困難［13-14］。在總結(jié)以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，東北大學和梅山鐵礦合作，采用RFID 技術(shù)及高強度的PVC 管和玻璃膠進行標志物的制備，并對標志物進行了爆破沖擊和回收實驗，有效解決抗爆破沖擊和標志物回收率低的難題，目前正在進一步試驗過程中。

2.4 其他方面需要研究和注意的問題

我國目前對炸藥的研發(fā)力度還遠遠不夠，而且普遍存在著地方保護政策，從炸藥長遠發(fā)展上來講，應充分利用炸藥的高擴容能力長時間作用于礦體達到有效破碎的目的，既能提高爆破效果，又能減小爆破震動，因此，高爆力，低猛度的炸藥應該是一個發(fā)展方向。

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響礦石損失貧化指標的重要參數(shù)，圖1 為基律納鐵礦實驗的采場結(jié)構(gòu)，我國礦山自主研發(fā)能力缺乏。除此之外，大結(jié)構(gòu)參數(shù)的發(fā)展，使單個采場的礦量增加，底板殘留體礦量增加，所以，應注重采場的地壓控制和殘留體的回收技術(shù)的研究。采礦生產(chǎn)管控一體化信息平臺、與智能設備相適應的采礦技術(shù)、遠程遙控自動定位采礦設備構(gòu)成了智能化采礦，也是未來采礦技術(shù)的一個總體發(fā)展趨勢，國外無底柱礦山遙控鏟運機出礦、鑿巖機鑿巖的遙控技術(shù)以及信息化管理平臺已相當完善，我國起步較晚，但也取得了一定的成果。大臺溝鐵礦經(jīng)過國內(nèi)外的考察和合作，引進遙控鑿巖臺車、裝藥臺車和自動鏟運機等設備，設備的先進程度和自動化水平將與國外先進礦山水平接軌，未來會成為國內(nèi)智能化采礦的典范。

圖1 基律納鐵礦試驗采場結(jié)構(gòu)Fig.1 The stope structure in the test of Kiruna iron ore

如圖2 所示，杏山鐵礦開采的數(shù)字化、自動化水平在國內(nèi)地下礦山名列前茅，已實現(xiàn)破碎、提升、皮帶運輸、排水、通風、供電系統(tǒng)的全過程自動化控制，實現(xiàn)了皮帶無人看護、卸料車遙控作業(yè)、井下運輸電機車地面遙控無人駕駛、中深孔鑿巖臺車遙控自動化作業(yè)等，向無人采礦的目標邁出了重要一步。但要真正實現(xiàn)礦山整體上的智能采礦，還有很長的路要走，需要礦業(yè)工作者共同努力，不斷積累，在完善大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法的同時，推進和實現(xiàn)我國礦業(yè)的現(xiàn)代化［15］。

圖2 杏山鐵礦智能化系統(tǒng)Fig.2 The intelligent system in Xingshan iron mine

3 結(jié) 語

隨著充填采礦法的快速興起，無底柱分段崩落法面臨著強有力的挑戰(zhàn)，大結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)展為無底柱分段崩落法持續(xù)發(fā)展注入了新的活力。無底柱分段崩落法大結(jié)構(gòu)參數(shù)與大型化設備具有相互影響、相互促進的關(guān)系，只有配套的、先進的大型化設備及完善的放礦理論與大結(jié)構(gòu)參數(shù)相匹配才能充分發(fā)揮出大結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)越性，進一步增加礦山的生產(chǎn)能力，降低生產(chǎn)成本，抵御國外礦石供應的影響。

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