柴青平，張寶金，張振江，白儉，楚長青，荊洪迪，王子介

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司， 遼寧 鞍山市 114051；2.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所， 遼寧 沈陽 110169)

0 引言

自然崩落法是一種不依賴傳統(tǒng)鑿巖爆破的大規(guī)模采礦方法，其主要依靠拉底工程誘使礦巖中的應(yīng)力發(fā)生變化，使得礦巖中的結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展形成貫通的裂隙網(wǎng)，并在自重作用下發(fā)生自然垮落。它在開采低品位破碎礦體時能夠充分回采資源，具有十分明顯和獨(dú)特的優(yōu)勢[1-12]。

自然崩落法的礦石冒落機(jī)理如圖1所示，在可崩性良好的礦巖中，采區(qū)大面積拉底后，破壞了原礦體的應(yīng)力平衡，引起應(yīng)力重新分布形成新的平衡拱，拱內(nèi)的礦石在重力作用下不斷脫落。

圖1 自然崩落法礦石冒落機(jī)理

應(yīng)用自然崩落法采礦的現(xiàn)有礦山主要是有色金屬礦山（見表1），該類型礦山的特點(diǎn)是礦體裂隙較為發(fā)育，但上下盤圍巖穩(wěn)固，礦體的可崩性較好，適合使用自然崩落法進(jìn)行開采，如銅礦峪銅礦和普朗銅礦都已成功采用自然崩落法開采礦石[6-12]。

表1 采用自然崩落法開采的主要礦山

對于礦體穩(wěn)固而上下盤圍巖不穩(wěn)固的礦床，自然崩落法并不適用。因為不穩(wěn)固的圍巖無法為采場提供必要的支撐，且堅硬的礦體無法實現(xiàn)自然崩落。

通過以上分析和實際案例可知，自然崩落法的使用條件為：礦體不穩(wěn)固，而上下盤圍巖穩(wěn)固，最理想的條件是礦體為中等堅硬且具有密集的節(jié)理和裂隙，當(dāng)拉底到一定面積之后能自然崩落成大小適中的礦石。礦體厚度應(yīng)足夠大，一般不小于20～30 m，礦石價值不高，地表允許崩落。

為了使黑色金屬礦適用自然崩落法的使用條件，必須降低礦體的堅固性系數(shù)，改變礦體的巖石力學(xué)性質(zhì)，以實現(xiàn)大規(guī)模自然崩落法開采?；诖耍瑤r體人工致裂技術(shù)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。例如由鞍鋼礦業(yè)和中國恩菲工程技術(shù)有限公司合作，采用水壓致裂技術(shù)對眼前山鐵礦開展的水壓致裂礦巖預(yù)處理試驗，為自然崩落法在鐵礦山的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐[3-6]。

1 齊大山礦自然崩落法開采的可行性研究

1.1 齊大山鐵礦工程背景

齊大山鐵礦為采、選一體的冶金礦山，目前采用露天開采，年設(shè)計生產(chǎn)能力為采剝總量5100萬t，原礦處理量1440萬t，鐵精礦480萬t，精礦品位達(dá)到67.5%以上。該礦自從1914年開始開采，至今已達(dá)百余年，目前礦坑深度已達(dá)250余米，繼續(xù)采用露天開采將不得不提高剝采比，這將直接影響礦山的經(jīng)濟(jì)效益。且隨著開挖深度的增加，露天礦的邊坡問題也逐漸凸顯。因此，由露天開采轉(zhuǎn)為地下開采是礦山未來發(fā)展的必經(jīng)之路，而自然崩落法因其獨(dú)特的優(yōu)勢可作為礦山地下開采的備選方案之一。

齊大山鐵礦礦區(qū)水文地質(zhì)條件較簡單，但由于大規(guī)模露天采坑的存在，以及采坑上游一些小河溝匯水，未來坑內(nèi)開采的防水工作是影響礦山安全的重要因素之一。早期坑內(nèi)開采期間有較大的涌水量，說明礦體局部裂隙相對較發(fā)育。

礦體走向長度很大，因斷層切割，沿礦體走向工程地質(zhì)條件差異很大。從礦體完整性來看，1260線以北（深部1680線以北）和3850線以南礦體被斷層切割更強(qiáng)，構(gòu)造活動的影響更明顯。低品位礦石和夾石面理更發(fā)育，巖石抗壓強(qiáng)度也相對較低，可能構(gòu)成構(gòu)造弱帶。從工程地質(zhì)條件看，1260線以北（深部1680線以北）和3850線以南礦段相對更適用自然崩落法開采。

1.2 齊大山鐵礦礦巖可崩性初步評價

1.2.1 礦巖工程質(zhì)量評價

鐵礦床屬于整體結(jié)構(gòu)或大塊狀結(jié)構(gòu)，堅硬程度屬較堅硬至堅硬，巖石質(zhì)量多為好到極好；千枚巖、綠泥片巖、綠泥石英片巖等巖層則屬于厚層狀結(jié)構(gòu)，總體上致密堅硬，巖石質(zhì)量變化相對簡單，但局部因斷裂等因素而破碎，巖石質(zhì)量較差。

通過對補(bǔ)勘的18個鉆孔進(jìn)行RQD統(tǒng)計，結(jié)果為絕大多數(shù)鉆孔巖石質(zhì)量為中等至極好，巖體為中等完整至完整。RQD值最小為 85%，大部分為90%～100%。

深部擴(kuò)界補(bǔ)充勘探表明，最高的磁鐵赤鐵礦天然抗壓強(qiáng)度為101 MPa，赤鐵磁鐵礦天然抗壓強(qiáng)度為78.8 MPa，這與鉆孔巖芯的狀態(tài)不太吻合，對比同區(qū)域西鞍山鐵礦的巖石物理力學(xué)參數(shù)試驗結(jié)果也偏低，因此還需進(jìn)一步試驗驗證。

1.2.2 可崩性主要影響因素分析

研究對象主要為 I號礦體，礦體走向長度為4900 m，水平厚度為36.3～267.6 m，平均為146.88 m，厚度變化系數(shù)為41.52%。產(chǎn)狀穩(wěn)定，走向和傾向上表現(xiàn)為舒緩波狀，走向為305°～335°，地表傾向南西，深部傾角陡立呈70°～90°，局部有倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。從礦體形態(tài)與產(chǎn)狀看，除了60線至F3-3礦段（約660線）之間的礦體厚度較小之外，其他區(qū)段的礦體無論厚度還是傾角都適合采用自然崩落法開采。

齊大山鐵礦邊坡穩(wěn)定性研究表明，礦體北部（F3-5斷層以北）礦體完整性較差，南部較好，現(xiàn)場踏勘情況也證實了這種情況。因此初步判斷，礦體北部可崩性較好，南部相對較差。

1.3 可崩性及崩落塊度預(yù)測

初步估計礦體的RMR值應(yīng)在61～80之間，屬于Ⅱ級巖體，可崩性屬可崩，但難度大，且大塊產(chǎn)出率會比較高。斷層破碎帶附近礦體可崩性中等。

根據(jù)儲量核實報告中的鉆孔 RQD值的統(tǒng)計分析，1680線以南礦體崩落難度較大。由于1680線以北北端礦體的勘探時間較早，礦體工程地質(zhì)資料較少，從工程地質(zhì)平面圖上看，構(gòu)造比較發(fā)育，其可崩性比 1680線以南礦體好，應(yīng)針對此區(qū)礦體布置一些工程，對礦體內(nèi)的斷層及節(jié)理構(gòu)造進(jìn)行統(tǒng)計分析，以確定其可崩性。

通過與普朗銅礦、銅礦峪銅礦的礦巖條件進(jìn)行對比，初步預(yù)估齊大山鐵礦中、南端采用自然崩落法的大塊率（大于1.2 m的礦塊）應(yīng)在25%～45%之間，大塊產(chǎn)出率比較高；北端礦體的大塊率可能在15%～30%之間。在應(yīng)用自然崩落法的前期研究階段應(yīng)重點(diǎn)研究減少大塊產(chǎn)出率的方法及措施。

2 自然崩落法創(chuàng)新技術(shù)方案

2.1 自然崩落法初步方案

首采區(qū)選擇在1680線附近，以1680線為界把礦體分為南北兩部分進(jìn)行開采，南部的拉底順序為從北向南，北部的拉底順序為從南向北，初步安排兩個區(qū)同時開始向兩側(cè)拉底。從目前來看，齊大山鐵礦需要采用人工致裂輔助崩落，其中 1680線以南的礦體尤為必要，一方面是增加礦體的可崩性，另一方面是降低崩落大塊產(chǎn)出率。

2.2 人工致裂輔助落礦方案

為了使齊大山鐵礦適于使用自然崩落法，需要使用必要的礦巖預(yù)處理技術(shù)對礦體進(jìn)行人工致裂，使其產(chǎn)生致密裂隙實現(xiàn)礦體的自然崩落，具體采用的人工致裂技術(shù)可以是高壓水致裂或高壓氣體致裂，具體方案的實施過程如圖2所示。

圖2 自然崩落法人工致裂輔助崩落方案

通過在采場的適當(dāng)位置打一定數(shù)量的水平或扇形鉆孔，然后使用高壓水、高壓氣體以及水氣耦合等方式對礦體進(jìn)行人工預(yù)裂，降低礦巖的堅固性系數(shù)，從而改變礦體的可崩性，使礦巖能實現(xiàn)自然崩落。同時，利用微震、超聲波、鉆孔攝像、多點(diǎn)位移計以及測斜儀等儀器技術(shù)對采場人工預(yù)裂區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測，獲得裂隙的分布與延伸范圍，確定人工預(yù)裂效果是否達(dá)到自然崩落的最優(yōu)條件，若符合自然崩落的最優(yōu)條件，則進(jìn)行開采，若不符合最優(yōu)崩落條件，則根據(jù)獲得的裂隙分布情況確定新一輪鉆孔的位置和數(shù)量，繼續(xù)進(jìn)行高壓致裂，直至達(dá)到最優(yōu)崩落條件。

3 結(jié)論

為了使齊大山鐵礦實現(xiàn)從露天向地下開采的轉(zhuǎn)變，需要尋找合適的采礦方法并設(shè)計合適的開采方案。通過對齊大山鐵礦現(xiàn)場調(diào)查和研究，發(fā)現(xiàn)人工致裂輔助的自然崩落法是一個可行的方案。為此，本文從自然崩落法的機(jī)理、自然崩落法的應(yīng)用現(xiàn)狀、齊大山鐵礦礦巖可崩性評價、崩落塊度預(yù)測以及人工致裂輔助崩落方案設(shè)計等方面進(jìn)行了論述，以期為現(xiàn)場實際提供可行方案，同時也為其他相似條件礦山提供借鑒。