何榮興 任鳳玉 宋德林 馬姣陽 付 煜 劉清福

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110819)

無底柱分段崩落法引入我國(guó)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(shì)，如杏山鐵礦為18.75 m×20 m、大紅山鐵礦設(shè)計(jì)采用20 m×20 m，目前本溪正在設(shè)計(jì)中的大臺(tái)溝鐵礦一期設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)為28.5 m ×25 m，目前國(guó)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(shì)發(fā)展，國(guó)內(nèi)無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)仍會(huì)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(yuǎn)沒有達(dá)到所預(yù)期的指標(biāo)和效益，無底柱分段崩落法仍和國(guó)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(shè)計(jì)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(yán)格控制占用土地，特別是嚴(yán)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(shí)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(gè)年產(chǎn)量千萬噸以上的礦山都設(shè)計(jì)采用充填法開采，也有人預(yù)言充填法將取代無底柱分段崩落法。筆者從經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求、鐵礦石市場(chǎng)環(huán)境、國(guó)內(nèi)礦山賦存特點(diǎn)、對(duì)露天轉(zhuǎn)地下的適應(yīng)性等方面來分析無底柱分段崩落法的發(fā)展前景和應(yīng)用范圍。

表1 國(guó)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(jì)的高速發(fā)展，鐵礦石需求量猛增，國(guó)內(nèi)鐵礦石產(chǎn)能不足，自給率僅能達(dá)到50%左右，國(guó)外鐵礦石大供應(yīng)商可以隨意控制礦石價(jià)格。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013 年我國(guó)進(jìn)口鐵礦石8.19 億t，國(guó)際鐵礦石供應(yīng)商壟斷市場(chǎng)哄抬礦價(jià)，使我國(guó)遭到巨大損失，2013 年我國(guó)進(jìn)口鐵礦中，國(guó)際供應(yīng)商從我國(guó)獲利達(dá)500 億美元。2014 年，國(guó)內(nèi)鋼鐵需求量陷入周期性的低谷，進(jìn)口鐵礦石價(jià)格降低至80 美元，對(duì)國(guó)內(nèi)鐵礦山的打壓沒有絲毫緩解。國(guó)內(nèi)鐵礦石產(chǎn)能不足，成本高是導(dǎo)致國(guó)內(nèi)鐵礦石市場(chǎng)受制于國(guó)外供應(yīng)商的主要原因。盡管目前鋼鐵需求量萎靡，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢(shì)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(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)金屬礦產(chǎn)的需求將持續(xù)增長(zhǎng)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展需要實(shí)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(guó)國(guó)情的一種采礦方法。

其次，目前我國(guó)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(jìn)入深部開采，最終都會(huì)轉(zhuǎn)入地下開采。此時(shí)露天開采對(duì)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(yīng)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(fù)雜難采礦床的開采比例將越來越大，隨之對(duì)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(diǎn)對(duì)此類礦床具有良好的適應(yīng)性。

客觀而言，充填法在開采順序，環(huán)境保護(hù)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(jìn)一步研究論證，所以，無底柱分段崩落法仍將是我國(guó)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(shè)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(jì)效益［1］。所以，在國(guó)內(nèi)礦山極力推崇大結(jié)構(gòu)參數(shù)的同時(shí)，一些技術(shù)問題和細(xì)節(jié)還需要我們?nèi)リP(guān)注和探討。

2.1 設(shè)備配套問題

隨著分段高度的增加，炮孔長(zhǎng)度增加，而最深炮孔的長(zhǎng)度在國(guó)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(zhǎng)度會(huì)隨著分段高度的增加成倍增長(zhǎng)，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?yàn)槟壳拔覈?guó)中深孔裝藥設(shè)備主要是20 世紀(jì)70 年代研制的風(fēng)動(dòng)裝藥器，勞動(dòng)強(qiáng)度極大，裝藥效率和密度低，藥粉灑落嚴(yán)重，污染井下作業(yè)環(huán)境，并且當(dāng)上向孔深超過20 m 時(shí)，裝藥非常困難，孔深達(dá)30 m左右時(shí)，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(guó)外礦山已非常普及，也取得了非常好的效果，我國(guó)對(duì)裝藥車的研發(fā)和應(yīng)用都比較晚，對(duì)于國(guó)產(chǎn)裝藥臺(tái)車可供選擇的規(guī)格數(shù)量少，性能參數(shù)差，對(duì)炸藥要求高。我國(guó)許多礦山也在不斷試驗(yàn)裝藥臺(tái)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(dòng)力，所以，裝藥臺(tái)車在我國(guó)無底柱礦山普及應(yīng)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(shì)，不僅能減少采準(zhǔn)工作量，而且運(yùn)輸、配電系統(tǒng)和其他設(shè)施所節(jié)省的工作量對(duì)降低采礦成本意義重大。階段高度的增加，使溜井長(zhǎng)度相應(yīng)增加，對(duì)溜井掘進(jìn)技術(shù)提出了更高的要求。我國(guó)礦山的天(溜)井一直采用普通法和吊罐法施工，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境及安全性差、效率低，通常只能掘進(jìn)百米左右的短溜井［4］。天井鉆機(jī)是一種機(jī)械化程度高、安全高效的天(溜)井施工設(shè)備，國(guó)內(nèi)也有少數(shù)礦山成功應(yīng)用天井鉆機(jī)的實(shí)例，如夏甸金礦采用AT2000 天井鉆機(jī)，掘進(jìn)127 m的溜井［5］，錫鐵山鉛鋅礦采用TYZ －1500 型天井鉆機(jī)成功掘進(jìn)多條溜井［6］，但國(guó)產(chǎn)天井鉆機(jī)普遍存在鉆鑿硬巖能力差，鑿井直徑較小的缺陷，而國(guó)外先進(jìn)的天井鉆機(jī)引進(jìn)的實(shí)例也相對(duì)較少，可見國(guó)內(nèi)礦山對(duì)此設(shè)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(jìn)設(shè)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(yīng)大型鑿巖、出礦設(shè)備的尺寸需求及采場(chǎng)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(duì)支護(hù)工作和支護(hù)設(shè)備的需求將會(huì)提高。我國(guó)大多數(shù)無底柱礦山都有大量的支護(hù)工作，人工打眼和安裝，勞動(dòng)強(qiáng)度大，錨桿安裝質(zhì)量差。錨桿臺(tái)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(diǎn)。國(guó)外錨桿臺(tái)車的研發(fā)和使用起源于20 世紀(jì)60 年代，其他國(guó)家也相繼研發(fā)了功能性較強(qiáng)的錨桿臺(tái)車，如瑞典Alimak 公司RBC 型錨桿臺(tái)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(shí)現(xiàn)砂漿配比和攪拌的自動(dòng)化［7］，中鋼集團(tuán)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(hào)的錨桿臺(tái)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(tái)車，收到了較好的效果，但總體普及率還不高，且臺(tái)車對(duì)錨桿類型選擇比較單一。因此，提高錨桿臺(tái)車配套應(yīng)用率，在大結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，可有效提高巷道的支護(hù)質(zhì)量，提高采準(zhǔn)效率。

橇毛工作是裝藥和出礦作業(yè)前一項(xiàng)非常重要的輔助工作，國(guó)外礦山在使用手持式撬毛機(jī)具的基礎(chǔ)上開發(fā)了撬毛臺(tái)車，實(shí)現(xiàn)了撬毛工作的機(jī)械化。我國(guó)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(jìn)行工作，頂板較高時(shí)，借助柴油鏟運(yùn)機(jī)完成該項(xiàng)工作，但是撬棍質(zhì)量大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度繁重，安全性差［7］，隨著進(jìn)路斷面尺寸的增大，這些缺陷就更加突出。相比上述設(shè)備，橇毛臺(tái)車在我國(guó)的利用率更低，橇毛臺(tái)車的引入可提高掘進(jìn)、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(shè)備的應(yīng)用，同樣，大結(jié)構(gòu)參數(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了國(guó)內(nèi)大型先進(jìn)采礦設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用，但在耐久性、全面性方面與國(guó)外設(shè)備仍然有較大差距，國(guó)內(nèi)礦山的大型設(shè)備裝配水平、配套程度也還遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)口一些采礦設(shè)備。早在20 世紀(jì)70 年代，弓長(zhǎng)嶺鐵礦就從國(guó)外引進(jìn)野馬鑿巖機(jī)，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)液壓鑿巖設(shè)備沒有發(fā)展，相應(yīng)的配件很難補(bǔ)給，之后一直沒有應(yīng)用，造成了資源浪費(fèi);北洺河鐵礦使用simba1354 鑿巖機(jī)，為改善爆破效果，北洺河鐵礦組織優(yōu)化爆破參數(shù)試驗(yàn)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(jī)所允許最大直徑，鑿巖機(jī)在高負(fù)荷下運(yùn)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。可見，國(guó)內(nèi)礦山在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備過程中，除了要充分了解設(shè)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(shí)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(biāo)［8］;而且高效率的大斗容電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)在無底柱礦山的普遍應(yīng)用對(duì)礦石爆破質(zhì)量提出了更高的要求。高分段和鑿巖設(shè)備類型對(duì)鑿巖精度的影響、裝藥設(shè)備對(duì)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(qiáng)的理論和實(shí)際意義［9］。目前國(guó)內(nèi)礦山多采用類比法和經(jīng)驗(yàn)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(dòng)對(duì)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(huì)相應(yīng)增大;放礦松動(dòng)體是一個(gè)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(dòng)，改善爆破效果都有積極意義。

2.3 基于現(xiàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬的方法，只能保證模擬散體移動(dòng)場(chǎng)與實(shí)際散體移動(dòng)場(chǎng)在幾何上相似［7］，散體級(jí)配及濕度環(huán)境上都無法相似，在散體運(yùn)動(dòng)學(xué)上和動(dòng)力學(xué)上更無法做到相似，因而室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)所得的相應(yīng)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)崩落礦巖散體的流動(dòng)參數(shù)差別較大，導(dǎo)致所推測(cè)的放出體形態(tài)也與實(shí)際有很大差異。而且現(xiàn)場(chǎng)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(rèn)知，導(dǎo)致礦巖初始的接觸關(guān)系都不能接近于真實(shí)值，而且受現(xiàn)場(chǎng)出礦設(shè)備的實(shí)際鏟裝深度影響很大，所以室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)及數(shù)值實(shí)驗(yàn)都難以實(shí)現(xiàn)接近于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際移動(dòng)規(guī)律或放礦指標(biāo)的模擬。但目前基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的放礦理論主要受限于實(shí)驗(yàn)儀器和手段，國(guó)內(nèi)最早于上世紀(jì)70 年代在河北銅礦進(jìn)行過放置標(biāo)志物測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)放出體形態(tài)的工作，因所放標(biāo)志物回收率過低，未能獲得完整的放出體。國(guó)外Kiruna 鐵礦在上世紀(jì)90 年代初進(jìn)行過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試放出體的試驗(yàn)工作，由于所放標(biāo)志物膠管在放礦過程中發(fā)生鉆孔流動(dòng)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(biāo)志物進(jìn)行試驗(yàn)，并用磁選機(jī)進(jìn)行標(biāo)志物的回收，提高了其回收率，但是還有大量的標(biāo)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(yàn)的基礎(chǔ)上，東北大學(xué)和梅山鐵礦合作，采用RFID 技術(shù)及高強(qiáng)度的PVC 管和玻璃膠進(jìn)行標(biāo)志物的制備，并對(duì)標(biāo)志物進(jìn)行了爆破沖擊和回收實(shí)驗(yàn)，有效解決抗爆破沖擊和標(biāo)志物回收率低的難題，目前正在進(jìn)一步試驗(yàn)過程中。

2.4 其他方面需要研究和注意的問題

我國(guó)目前對(duì)炸藥的研發(fā)力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而且普遍存在著地方保護(hù)政策，從炸藥長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展上來講，應(yīng)充分利用炸藥的高擴(kuò)容能力長(zhǎng)時(shí)間作用于礦體達(dá)到有效破碎的目的，既能提高爆破效果，又能減小爆破震動(dòng)，因此，高爆力，低猛度的炸藥應(yīng)該是一個(gè)發(fā)展方向。

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響礦石損失貧化指標(biāo)的重要參數(shù)，圖1 為基律納鐵礦實(shí)驗(yàn)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，我國(guó)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(gè)采場(chǎng)的礦量增加，底板殘留體礦量增加，所以，應(yīng)注重采場(chǎng)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(tái)、與智能設(shè)備相適應(yīng)的采礦技術(shù)、遠(yuǎn)程遙控自動(dòng)定位采礦設(shè)備構(gòu)成了智能化采礦，也是未來采礦技術(shù)的一個(gè)總體發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)外無底柱礦山遙控鏟運(yùn)機(jī)出礦、鑿巖機(jī)鑿巖的遙控技術(shù)以及信息化管理平臺(tái)已相當(dāng)完善，我國(guó)起步較晚，但也取得了一定的成果。大臺(tái)溝鐵礦經(jīng)過國(guó)內(nèi)外的考察和合作，引進(jìn)遙控鑿巖臺(tái)車、裝藥臺(tái)車和自動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)等設(shè)備，設(shè)備的先進(jìn)程度和自動(dòng)化水平將與國(guó)外先進(jìn)礦山水平接軌，未來會(huì)成為國(guó)內(nèi)智能化采礦的典范。

圖1 基律納鐵礦試驗(yàn)采場(chǎng)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(dòng)化水平在國(guó)內(nèi)地下礦山名列前茅，已實(shí)現(xiàn)破碎、提升、皮帶運(yùn)輸、排水、通風(fēng)、供電系統(tǒng)的全過程自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)了皮帶無人看護(hù)、卸料車遙控作業(yè)、井下運(yùn)輸電機(jī)車地面遙控?zé)o人駕駛、中深孔鑿巖臺(tái)車遙控自動(dòng)化作業(yè)等，向無人采礦的目標(biāo)邁出了重要一步。但要真正實(shí)現(xiàn)礦山整體上的智能采礦，還有很長(zhǎng)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(shí)，推進(jìn)和實(shí)現(xiàn)我國(guó)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(qiáng)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(shè)備具有相互影響、相互促進(jìn)的關(guān)系，只有配套的、先進(jìn)的大型化設(shè)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(jìn)一步增加礦山的生產(chǎn)能力，降低生產(chǎn)成本，抵御國(guó)外礦石供應(yīng)的影響。

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