劉 歡 任鳳玉 付 毅 邱勝光

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

自然崩落法起源于19 世紀末美國密歇根州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 多個國家的礦山中得到了應用與研究［2］。20 世紀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、巖體可崩性、散體移動規(guī)律、支護技術、自然崩落法開采工藝等技術和理論的不斷發(fā)展與完善，以及無軌自行設備的普遍使用，該方法已被用于開采堅硬穩(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，針對低品位破碎軟巖、低品位硬巖或其它難以用常規(guī)方法實現(xiàn)經(jīng)濟開采的大規(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，用于開采松軟破碎礦體［4］。20 世紀80 年代以來，國內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研究。雖然我國自然崩落法在工程實踐方面取得了一定的進展，但是自然崩落法的試驗、生產在我國僅僅處于起步階段［4］，實踐經(jīng)驗和生產管理等方面仍有許多不足，國內可供參考、借鑒的礦山工程經(jīng)驗較少，自然崩落法在我國礦山的應用還有許多亟待解決的技術難題。

自然崩落法是一種大規(guī)模和低成本的采礦方法［15］，具有生產能力大、便于組織管理、作業(yè)安全、開采成本低、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是唯一能與露天礦開采經(jīng)濟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含量較高且對礦床地質條件要求較嚴格的采礦工藝之一，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，對于厚大礦體，冒落大塊的控制與處理技術，就成為事關自然崩落法能否成功應用的關鍵技術之一。本研究結合羅卜嶺銅鉬礦礦床條件，在巖體可崩性分級及可崩性三維空間模型構建的基礎上，研究冒落塊度的控制與處理方法，進而設計出自然崩落法安全開采方案。

1 地質概況

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（似斑狀花崗閃長巖）上部的四坊巖體（花崗閃長巖）和羅卜嶺巖體（花崗閃長斑巖）內，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)內共劃分出4個礦體，自下而上分別為Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號和Ⅳ號礦體，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），最高出露標高561 m，最低見礦標高-345 m，礦體控制長度約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展布，中部礦體平緩，北西和南東側礦體產狀較陡，傾角主要為50°～60°；北東側礦體產狀逐步變緩，傾角小于40°；南西側礦體近似水平［16］。礦體RQD 值較大，平均約77%。礦區(qū)構造應力以水平應力為主，側壓力系數(shù)為1.31～1.76。

2 巖體可崩性分級

在礦山開采設計階段，判定巖體可崩性對于自然崩落法開采方案設計及實施尤為關鍵［17］，也是礦山達到預期經(jīng)濟效益的重要保證［18-19］。目前，可崩性分級方法眾多，不同方法確定的可崩性影響因素及其判定的相互作用關系不同。Barton 等提出的Q 分級法［20-21］，突出了影響因素的相互作用關系，是近年來普遍應用的分級方法。該法綜合了巖石質量指標值（RQD）、結構面組數(shù)（Jn）、結構面粗糙度系數(shù)（Jr）、結構面蝕變影響系數(shù)（Ja）、結構面裂隙水折減系數(shù)（Jw）和應力折減系數(shù)（SRF）等6 個方面因素的影響，計算公式為

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礦體空間內未知塊體模型的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)生相鄰級別變化，變化幅度不大，這一特點有利于冒落進程與冒落塊度控制。

3 自然崩落法安全開采方案

羅卜嶺銅鉬礦床地質儲量大，礦石品位較低，需要規(guī)模效益，礦山擬定了5 萬t/d 的生產目標。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)比較復雜，厚度與傾角變化大，礦巖可崩性差異大，RQD 值較大，構造應力以水平應力為主。為適應礦體的多態(tài)變化、滿足安全高效開采需求，需要改進自然崩落采礦法以及實現(xiàn)分區(qū)開采。

3.1 底部結構及拉底方法改進

羅卜嶺銅鉬礦RQD 值大，預計自然崩落法初始冒落塊度較大，底部結構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508 m，一個出礦口需放出礦石量近40 萬t，為此底部結構還需要有足夠的穩(wěn)定性，需采取強有力的支護和加固措施，且應盡可能減少二次破碎。底部結構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°角掘進裝礦進路，出礦進路采用分支鯡骨式布置方式，從聚礦巷兩端鏟運礦石，聚礦巷間距15 m。

自然崩落法常用的出礦底部結構和拉底工程如圖5（a）所示，本研究采用前進式拉底方式，拉底水平設在出礦水平之上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）所示的標準拉底形式適合于節(jié)理裂隙發(fā)育的礦體，當節(jié)理裂隙不發(fā)育時，礦體初始冒落時易產生大塊，給生產處理造成困難。為降低初始冒落大塊的尺度與大塊率，可利用采動壓力與散體移動場破碎大塊。

利用采動壓力與散體移動場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)頂板礦體的應力狀態(tài)，增大采動壓力的作用時間，使礦體裂隙擴張，減小初始冒落的大塊塊度，并利用放礦散體移動場的擠壓破碎作用，進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，當節(jié)理裂隙發(fā)育時，采用圖5（a）所示的標準拉底方式；當?shù)V體節(jié)理裂隙中等發(fā)育時，拉底工程采用圖5（b）所示的炮孔布置形式，改善采空區(qū)頂板圍巖的應力狀態(tài)；當?shù)V體節(jié)理裂隙不發(fā)育時，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)頂板圍巖應力狀態(tài)的同時，利用兩個分段的放礦進一步降低大塊塊度與大塊率，保障自然崩落法順利生產。

3.2 分區(qū)開采方案及首采區(qū)確定

在地質剖面圖上，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礦體待崩落范圍的控制程度等，確定底部采準工程位置。將底部采準工程接近于同一水平的區(qū)域連在一起，構成一個分區(qū)；同時，將礦體底板標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，應用自然崩法開采的采準系數(shù)較低，經(jīng)濟效益較好，以便快速回收開拓投資；②能夠快速卸掉礦床構造應力（水平壓力），克服礦床水平壓力大的不利影響，便于采場地壓管理；③一旦個別采場底部結構遭受地壓破壞，便于在其下部布置底部結構，回收存于采場內的礦石。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，其底部結構位置較低，便于卸掉構造應力。首采區(qū)礦體水平面積261 674 m2，周長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 值轉換），由Mathews 穩(wěn)定圖得出首采區(qū)礦體發(fā)生崩落時的水力半徑為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。

4 結 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，這一特點有利于冒落進程與冒落塊度控制，加之礦體規(guī)模大而微節(jié)理發(fā)育，適合進行自然崩落法開采。

（2）羅卜嶺銅鉬礦RQD 值大，預計自然崩落法初始冒落塊度較大，采用采動壓力與散體移動場破碎大塊的方法，提出了針對不同節(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。

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