羅卜嶺銅鉬礦自然崩落法安全開采方案研究

劉 歡 任鳳玉 付 毅 邱勝光

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819；2.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建龍巖364200）

自然崩落法起源于19 世紀(jì)末美國密歇根州Menominee Ranges 鐵礦，隨后在美國的Pewabic 鐵礦首次得到應(yīng)用與發(fā)展［1］。經(jīng)過100 多年的不斷發(fā)展，該方法已在美國、智利、印度尼西亞、南非、澳大利亞、加拿大等20 多個(gè)國家的礦山中得到了應(yīng)用與研究［2］。20 世紀(jì)60 年代以前，自然崩落法主要用于開采松軟破碎不穩(wěn)固的礦體，隨著巖體力學(xué)、巖體可崩性、散體移動(dòng)規(guī)律、支護(hù)技術(shù)、自然崩落法開采工藝等技術(shù)和理論的不斷發(fā)展與完善，以及無軌自行設(shè)備的普遍使用，該方法已被用于開采堅(jiān)硬穩(wěn)固的厚大礦體，如Palabora 銅礦、Premier 金剛石礦、Northparks E26 銅金礦等［3］。目前，針對(duì)低品位破碎軟巖、低品位硬巖或其它難以用常規(guī)方法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開采的大規(guī)模礦床，自然崩落法是一種有效選擇。

我國于20 世紀(jì)60 年代在云南易門銅礦、山東萊蕪鐵礦開展過自然崩落法的采礦試驗(yàn)，用于開采松軟破碎礦體［4］。20 世紀(jì)80 年代以來，國內(nèi)許多科研單位分別在金山店鐵礦［5］、鏡鐵山鐵礦［6］、漓渚鐵礦［7］、豐山銅礦［8］、金川三礦［9］、黃山銅鎳礦［10］、銅礦峪銅礦［11-12］、普朗銅礦［13-14］等礦山開展了自然崩落法的試驗(yàn)研究。雖然我國自然崩落法在工程實(shí)踐方面取得了一定的進(jìn)展，但是自然崩落法的試驗(yàn)、生產(chǎn)在我國僅僅處于起步階段［4］，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)管理等方面仍有許多不足，國內(nèi)可供參考、借鑒的礦山工程經(jīng)驗(yàn)較少，自然崩落法在我國礦山的應(yīng)用還有許多亟待解決的技術(shù)難題。

自然崩落法是一種大規(guī)模和低成本的采礦方法［15］，具有生產(chǎn)能力大、便于組織管理、作業(yè)安全、開采成本低、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是唯一能與露天礦開采經(jīng)濟(jì)效益相媲美的高效地下采礦工藝［4］。然而，該方法也是開采技術(shù)含量較高且對(duì)礦床地質(zhì)條件要求較嚴(yán)格的采礦工藝之一，要求礦體具有良好的可崩性，在可崩性不能完全滿足的條件下，對(duì)于厚大礦體，冒落大塊的控制與處理技術(shù)，就成為事關(guān)自然崩落法能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。本研究結(jié)合羅卜嶺銅鉬礦礦床條件，在巖體可崩性分級(jí)及可崩性三維空間模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，研究冒落塊度的控制與處理方法，進(jìn)而設(shè)計(jì)出自然崩落法安全開采方案。

1 地質(zhì)概況

羅卜嶺銅鉬礦屬斑巖型礦床，主要礦石礦物為黃銅礦和輝鉬礦。銅鉬礦化主要賦存于中寮巖體（似斑狀花崗閃長(zhǎng)巖）上部的四坊巖體（花崗閃長(zhǎng)巖）和羅卜嶺巖體（花崗閃長(zhǎng)斑巖）內(nèi)，并受（弱）鉀化—絹英巖化蝕變帶和（弱）綠泥石化—絹英巖化蝕變帶控制。根據(jù)金屬礦物組合、礦化特征及空間分布位置，區(qū)內(nèi)共劃分出4個(gè)礦體，自下而上分別為Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)礦體，礦體形態(tài)如圖1所示。礦體空間上基本為隱伏礦體（局部出露地表），最高出露標(biāo)高561 m，最低見礦標(biāo)高-345 m，礦體控制長(zhǎng)度約2 885 m，寬約1 000 m，展布面積約2.14 km2。礦體空間形態(tài)總體呈馬鞍狀向外側(cè)展布，中部礦體平緩，北西和南東側(cè)礦體產(chǎn)狀較陡，傾角主要為50°～60°；北東側(cè)礦體產(chǎn)狀逐步變緩，傾角小于40°；南西側(cè)礦體近似水平［16］。礦體RQD 值較大，平均約77%。礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，側(cè)壓力系數(shù)為1.31～1.76。

2 巖體可崩性分級(jí)

在礦山開采設(shè)計(jì)階段，判定巖體可崩性對(duì)于自然崩落法開采方案設(shè)計(jì)及實(shí)施尤為關(guān)鍵［17］，也是礦山達(dá)到預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益的重要保證［18-19］。目前，可崩性分級(jí)方法眾多，不同方法確定的可崩性影響因素及其判定的相互作用關(guān)系不同。Barton 等提出的Q 分級(jí)法［20-21］，突出了影響因素的相互作用關(guān)系，是近年來普遍應(yīng)用的分級(jí)方法。該法綜合了巖石質(zhì)量指標(biāo)值（RQD）、結(jié)構(gòu)面組數(shù)（Jn）、結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)（Jr）、結(jié)構(gòu)面蝕變影響系數(shù)（Ja）、結(jié)構(gòu)面裂隙水折減系數(shù)（Jw）和應(yīng)力折減系數(shù)（SRF）等6 個(gè)方面因素的影響，計(jì)算公式為

以圖2 中數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，以塊體模型作為Q 值數(shù)據(jù)的空間載體，采用距離冪次反比法完成整個(gè)礦體空間內(nèi)未知塊體模型的Q 值估值。最小選擇樣品數(shù)為5和最大選擇樣品數(shù)為15，得到礦體Q 值的空間分布見圖3。由該圖分析可知：Q 值隨空間位置變化而發(fā)生相鄰級(jí)別變化，變化幅度不大，這一特點(diǎn)有利于冒落進(jìn)程與冒落塊度控制。

3 自然崩落法安全開采方案

羅卜嶺銅鉬礦床地質(zhì)儲(chǔ)量大，礦石品位較低，需要規(guī)模效益，礦山擬定了5 萬t/d 的生產(chǎn)目標(biāo)。有利的開采條件是礦體規(guī)模大，不利的條件是礦體形態(tài)比較復(fù)雜，厚度與傾角變化大，礦巖可崩性差異大，RQD 值較大，構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主。為適應(yīng)礦體的多態(tài)變化、滿足安全高效開采需求，需要改進(jìn)自然崩落采礦法以及實(shí)現(xiàn)分區(qū)開采。

3.1 底部結(jié)構(gòu)及拉底方法改進(jìn)

羅卜嶺銅鉬礦RQD 值大，預(yù)計(jì)自然崩落法初始冒落塊度較大，底部結(jié)構(gòu)需要有足夠的放礦能力，方可放出較大塊度的礦石。此外，礦石層高度最大達(dá)508 m，一個(gè)出礦口需放出礦石量近40 萬t，為此底部結(jié)構(gòu)還需要有足夠的穩(wěn)定性，需采取強(qiáng)有力的支護(hù)和加固措施，且應(yīng)盡可能減少二次破碎。底部結(jié)構(gòu)工程平面布置形式如圖4 所示，穿脈出礦巷道間距30 m，與穿脈巷道成50°角掘進(jìn)裝礦進(jìn)路，出礦進(jìn)路采用分支鯡骨式布置方式，從聚礦巷兩端鏟運(yùn)礦石，聚礦巷間距15 m。

自然崩落法常用的出礦底部結(jié)構(gòu)和拉底工程如圖5（a）所示，本研究采用前進(jìn)式拉底方式，拉底水平設(shè)在出礦水平之上16 m，一般拉底超前20～30 m 為宜，可卸掉聚礦巷壓力。在兩條出礦巷道之間的上方布置兩條平行的拉底巷道，拉底巷道間距為13～17 m。圖5（a）所示的標(biāo)準(zhǔn)拉底形式適合于節(jié)理裂隙發(fā)育的礦體，當(dāng)節(jié)理裂隙不發(fā)育時(shí)，礦體初始冒落時(shí)易產(chǎn)生大塊，給生產(chǎn)處理造成困難。為降低初始冒落大塊的尺度與大塊率，可利用采動(dòng)壓力與散體移動(dòng)場(chǎng)破碎大塊。

利用采動(dòng)壓力與散體移動(dòng)場(chǎng)破碎大塊的方法原理為，根據(jù)礦體節(jié)理裂隙發(fā)育程度，通過增大拉底工程的爆破范圍，改善采空區(qū)頂板礦體的應(yīng)力狀態(tài)，增大采動(dòng)壓力的作用時(shí)間，使礦體裂隙擴(kuò)張，減小初始冒落的大塊塊度，并利用放礦散體移動(dòng)場(chǎng)的擠壓破碎作用，進(jìn)一步降低大塊尺寸與大塊率。具體做法是，根據(jù)拉底巷道揭露的礦體節(jié)理裂隙發(fā)育程度確定拉底方式，當(dāng)節(jié)理裂隙發(fā)育時(shí)，采用圖5（a）所示的標(biāo)準(zhǔn)拉底方式；當(dāng)?shù)V體節(jié)理裂隙中等發(fā)育時(shí)，拉底工程采用圖5（b）所示的炮孔布置形式，改善采空區(qū)頂板圍巖的應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)?shù)V體節(jié)理裂隙不發(fā)育時(shí)，采用圖5（c）所示的雙層拉底方式，增加一層拉底巷道，在改善采空區(qū)頂板圍巖應(yīng)力狀態(tài)的同時(shí)，利用兩個(gè)分段的放礦進(jìn)一步降低大塊塊度與大塊率，保障自然崩落法順利生產(chǎn)。

3.2 分區(qū)開采方案及首采區(qū)確定

在地質(zhì)剖面圖上，根據(jù)巖體可崩性、礦體形態(tài)、礦體底板位置及拉底工程對(duì)礦體待崩落范圍的控制程度等，確定底部采準(zhǔn)工程位置。將底部采準(zhǔn)工程接近于同一水平的區(qū)域連在一起，構(gòu)成一個(gè)分區(qū)；同時(shí)，將礦體底板標(biāo)高變化大的部位也連在一起，作為特殊采區(qū)，由此得出如圖6所示的分區(qū)方案。

首采區(qū)選擇的原則為：①礦體開采條件好，水平投影面積大、厚度大，應(yīng)用自然崩法開采的采準(zhǔn)系數(shù)較低，經(jīng)濟(jì)效益較好，以便快速回收開拓投資；②能夠快速卸掉礦床構(gòu)造應(yīng)力（水平壓力），克服礦床水平壓力大的不利影響，便于采場(chǎng)地壓管理；③一旦個(gè)別采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)遭受地壓破壞，便于在其下部布置底部結(jié)構(gòu)，回收存于采場(chǎng)內(nèi)的礦石。按照該原則，選擇圖6中No.1分區(qū)作為首采區(qū)，該分區(qū)拉底巷道適合布置于-216 m 水平，出礦巷道布置在-232 m 水平，其底部結(jié)構(gòu)位置較低，便于卸掉構(gòu)造應(yīng)力。首采區(qū)礦體水平面積261 674 m2，周長(zhǎng)2 639 m，水力半徑為99.16 m。首采區(qū)穩(wěn)定數(shù)N 為0.15～1.28（按Q 值轉(zhuǎn)換），由Mathews 穩(wěn)定圖得出首采區(qū)礦體發(fā)生崩落時(shí)的水力半徑為16～52 m，首采區(qū)水力半徑為99.16 m，表明首采區(qū)位于崩落區(qū)內(nèi)。

4 結(jié) 論

（1）基于巖芯數(shù)據(jù)建立的羅卜嶺銅鉬礦Q值三維空間模型，直觀顯示出Q 值隨空間位置變化平緩，相鄰礦體可崩性變化幅度不大，這一特點(diǎn)有利于冒落進(jìn)程與冒落塊度控制，加之礦體規(guī)模大而微節(jié)理發(fā)育，適合進(jìn)行自然崩落法開采。

（2）羅卜嶺銅鉬礦RQD 值大，預(yù)計(jì)自然崩落法初始冒落塊度較大，采用采動(dòng)壓力與散體移動(dòng)場(chǎng)破碎大塊的方法，提出了針對(duì)不同節(jié)理裂隙發(fā)育程度的拉底方法，從而保障自然崩落法順利生產(chǎn)。

（3）根據(jù)礦體形態(tài)與可崩性空間分布，應(yīng)用改進(jìn)的自然崩落法，可分為6 區(qū)開采，以適應(yīng)礦體形態(tài)變化大、地下開采產(chǎn)能要求高的需求。首采區(qū)應(yīng)選擇在位置較低、規(guī)模較大的第一采區(qū)，以便快速增大產(chǎn)能與卸掉構(gòu)造應(yīng)力。