羅才嚴汪 朝

（1.陜西鳳縣四方金礦有限公司；2.西安建筑科技大學資源工程學院）

無底柱分段崩落法因其高效率、低成本、結構工藝簡單、回采作業(yè)安全、生產能力大等優(yōu)點，在國內外金屬礦山得以廣泛應用［1］。近年來，高分段、大結構已然成為該方法的主流發(fā)展趨之一，進一步加大了其推廣和應用前景［2-5］。然而，該方法所伴隨的覆蓋層形成問題和高貧化問題限制著其發(fā)展。其中，覆蓋層形成問題尤其體現(xiàn)在硬巖頂板礦山，增大了礦山生產工程量和開采成本；而高貧化問題主要是因為崩落法在松散巖石覆蓋層下進行出礦，并且大都采用截止品位控制放礦。

針對無底柱分段崩落法所在的2點突出問題，國內外學者廣泛開展理論和試驗研究，其中具有代表性的是無巖覆蓋層開采理論［6-7］和低貧化放礦理論［8-9］。這2種理論及其有效組合不但提高了礦石出礦品位，減少了廢石混入，而且節(jié)省了強制放頂費用，保障了礦山快速投產與達產，為礦山創(chuàng)造了較好的直接經濟效益，在國內許多礦山尤其是硬巖頂板礦山得以廣泛應用。

陜西某金礦屬于急傾斜厚大礦體，采區(qū)工程地質巖組以半堅硬圍巖—堅硬巖石為主，設計采用無底柱分段崩落法開采。該礦屬于典型的硬巖頂板礦山，強制放頂較大程度上影響礦山生產進度和經濟效益。同時，礦山現(xiàn)行放礦方案為截止品位放礦，迫切需求新的放礦方案降低礦石損失貧化。為解決礦山覆蓋層形成難題和高貧化問題，需要對覆蓋層形成和低貧化放礦方案進行設計，并利用數值模擬對方案作為驗證和優(yōu)化。

1 覆蓋層形成方案

無巖覆蓋層開采技術是指在無底柱分段崩落法開采過程中不專門開展強制放頂，而是依靠巖石的自然冒落形成所需要的覆蓋層。為此，首先對礦山開展巖體工程質量評價工作，同時依據分析結果開展礦體可崩性評價和工程跨度計算分析，以此判別硬巖頂板冒落時的所需條件，最后進行礦山中段回采規(guī)劃，制定礦山覆蓋層形成方案。

1.1 巖體質量評價

開展巖體質量評價工作的目的在于確定礦區(qū)巖體極限暴露面積，為無底柱分段崩落法覆蓋層形成方案設計提供參考。調查結果分析顯示，礦區(qū)有2組節(jié)理發(fā)育，其產狀分別為35°∠75°、308°∠80°。根據巖石判斷準則，采用RMR、MRMR等方法進行巖體質量及可崩性評價，綜合得出巖體穩(wěn)固性較好，可崩性較差，同時結合工程跨度分析計算，確定采區(qū)巖體極限暴露面積范圍為30～1 169.64 m2。

1.2 覆蓋層形成方案

基于無巖覆蓋層開采理論，結合礦區(qū)巖體質量評價，確定覆蓋層形成方案如下。

（1）盡快回收1 340，1 390 m中段殘留礦柱，未能回收礦體采用中深孔爆破回采，擴大礦巖暴露面積，誘導其塌落。

（2）1 290 m中段回采時，第2、3分層崩落礦體先作覆蓋層；第1分層及以下中段礦體崩落后正常出礦。

（3）隨著下部礦體回采，上部空區(qū)面積逐漸增大，當超過巖體極限暴露面積時，發(fā)生自然塌落，當1 340 m中段上部礦巖發(fā)生大面積崩落且覆蓋層厚度達到2倍分段高度時，可將1 290 m中段2分層、3分層礦石放出。

（4）若頂板暴露面積過大仍未發(fā)生塌落，可適當采用爆破誘導冒落。

2 崩落法放礦方案

低貧化放礦是綜合考察多個分層的礦石回收情況，上部分層殘留礦石可減輕巖石混入并兼顧覆蓋層功能。本次放礦管理主要針對1 240 m水平以下中段進路出礦，通過設計多組第1、2分層放礦貧化率和放礦截止品位，同時保持第3分層的放礦貧化率和放礦截止品位不變，擬定8種放礦方法（表1），其中包含現(xiàn)行截止品位放礦方案和無貧化放礦方案。

注：“—”表示按照礦山截止品位出礦。

3 覆蓋層形成方案數值分析

3.1 數值模型建立

仿真計算軟件選擇二維有限元分析軟件Phase2。鑒于計算研究范圍內礦巖均屬彈塑性介質，本構模型可選用摩爾-庫倫破壞準則。

依據覆蓋層形成方案，主要模擬分析1 290，1 340，1 390 m中段回采后頂板的穩(wěn)定性。同時，結合礦區(qū)礦體賦存環(huán)境，參考各中段平面圖、勘探線剖面圖及投影圖，確立模型及采區(qū)范圍（圖1）。整個模型尺寸為1 650 m×500 m（長×高）；1 290 m中段回采54A～80線，長度為470 m；1 340 m中段回采59A～79A線，長度為344 m；1 390 m中段回采59A～74A線，長度為264 m。

模型的礦巖力學參數、初始應力場及邊界條件均根據礦山實際情況選取，考慮篇幅影響，不作詳細闡述。

3.2 頂板穩(wěn)定性數值模擬與分析

依據礦山實際開采過程，模擬過程分8個步驟完成，分別模擬各階段回采作業(yè)，詳細過程見表2。

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3.2.1 應力分析

初始應力平衡后，模型最大主應力為0～21.6 MPa；最小主應力為0～6 MPa，如圖2所示。

1 390 m中段59A～69線礦體回采后，頂板開始出現(xiàn)應力集中，σ1最大值達10.45 MPa，σ3最小值呈現(xiàn)負值（-2.8 MPa），預示頂板開始出現(xiàn)拉應力；1 340 m中段59A～68線礦體回采后，空區(qū)周圍應力進一步發(fā)生變化，上覆巖層荷載往采場四周積聚，最大值達19 MPa，頂底板的最大主應力值都較小。同時，采場頂底板承受張拉荷載強度進一步增大（極值為-3.6 MPa）。

隨著stage4～stage8對應各中段礦體的依次回采，最大主應力逐漸增高，最大值達34 MPa；最小主應力極值從-3.6 MPa變化至-6 MPa（圖3），且運算至stage 5時，拉應力極值（-4.8 MPa）超出巖體的抗拉屈服強度（-4.4 MPa），采場頂板將出現(xiàn)片幫、垮塌等現(xiàn)象，且結合采場拉、壓應力極值變化趨勢（圖4、圖5）分析易知，隨著后續(xù)礦體回采，采場頂底板片幫、垮塌趨勢逐漸加快。

3.2.2 位移分析

待模型完成初始平衡并進行位移“清零”后，便可逐一完成各步驟的回采模擬，記錄分析各步驟位移變化情況如圖6所示。

頂板沉降位移記錄結果顯示，伴隨各階段礦體回采，采場上覆巖層失去礦巖支撐，頂板沉降變形在上覆巖層荷載作用下持續(xù)增大。從沉降位移極值變化曲線來看（圖7），頂板沉降位移整體呈逐步增大趨勢，但其增長速率與頂板暴露面積增長速率呈正相關分布，例如，1 390 m中段59A～69線礦體回采時，頂板暴露面積變化最大，對應頂板沉降位移極值增長量達30 cm，后續(xù)各中段礦體依次回采后，頂板暴露面積增長幅度均小于stage2，因而頂板沉降位移增長幅度同樣變緩。從數值上看，頂板沉降變形量持續(xù)增大，最大值達到52.5 cm，同時在拉應力荷載作用下，頂板發(fā)生自然塌落。

綜合上述應力、位移分析結果可知，1 340，1 390 m中段殘留礦柱完成回收作業(yè)后，采空區(qū)頂板開始出現(xiàn)片幫、垮塌等現(xiàn)象，表明硬巖頂板開始自然崩落。1 290 m中段第2、3分層鑿巖爆破后未放出奇石可作為有效礦石覆蓋層，后續(xù)可利用頂板冒落及厚度監(jiān)測系統(tǒng)，對已冒落巖石及覆蓋層厚度進行準確把握，進而指導第1～3分層的出礦計劃及管理。因此，模擬分析結果驗證了覆蓋層形成方案可行。

4 崩落法放礦方案數值分析

4.1 放礦數值模型建立

放礦數值模擬采用PFC2D軟件，選取某一放礦工作面的垂直剖面建立放礦模型，如圖8所示。模型共5個分段，寬121 m，高83.5 m，廢石覆蓋層厚度為33.4 m。采礦結構參數為16.7 m×22 m（分段高度×近路間距），進路尺寸為3 m×3 m，邊孔角為55°，模型側面、底面邊界固定。

鑒于模型尺寸較大，若一次性生成全部模型，計算量過大，故采用分段建模與分段放礦方式，詳細流程參考文獻［10］。

4.2 低貧化放礦數值分析

崩落法放礦過程中，若單方面追求高回收率，往往會伴隨高貧化率。工程實際中為了反映綜合放礦效果，采用回貧差作為綜合放礦指標。

根據擬定8種放礦方案（表1），逐一對放礦過程進行仿真模擬，并對各方案放礦結果進行數據處理，結果如圖9、圖10所示。

從曲線圖中可以得出以下幾點：

（1）礦石回收率、貧化率均受分段位置、放礦方案影響，具體表現(xiàn)：以放礦方案為單一變量時，各分段礦石回收率、貧化率均呈變幅波狀變化；以分段為單一變量時，各方案下礦石回收率、貧化率整體趨勢排序均為第1分段＜第2分段＜第3分段。經分析可知，礦石回收率、貧化率呈現(xiàn)前述變化主要受截止品位影響，因各方案之間截止品位存在差異（第1、2分段截止品位較高，第3分段截止品位為入選品位），導致第3分段回收礦量超過其本身爆破礦量，同時加大了廢石混入。

（2）從整體趨勢來看，第2、3分段的回貧差值相似，均在90.0%左右，而第1分段回貧差明顯小于第2、3分段。同時，依據各方案綜合回貧差曲線可知，8組放礦方案綜合回貧差排序為方案7＜方案3＜方案5＜方案6＜方案2=方案4＜方案8＜方案1，其中，方案1綜合回貧差最大（79.8%），放礦效果最好，方案7綜合回貧差最?。?2.2%），放礦效果最差。

綜上所述，根據回貧差越大，方案越優(yōu)的原則，方案1為最佳低貧化放礦方案，即第1分段放礦的截止品位為1.79 g/t，第2分段為1.79 g/t，第3分段為1.00 g/t。

5 結語

（1）基于無巖覆蓋層開采理論及礦區(qū)巖體工程質量評價結果，提出了適合礦區(qū)的“礦石+巖石”組合覆蓋層形成技術方案。經數值模擬驗證，1 340，1 390 m中段殘留礦柱回采完成后，硬巖頂板開始自然崩落，1 290 m上部2個分層礦石暫留于空區(qū)，下分層可在“礦石+巖石”組成的覆蓋層下繼續(xù)開采，同時給予巖石頂板充足冒落時間。

（2）低貧化放礦工藝是解決無底柱分段崩落法放礦貧損問題的有效途徑之一，研究依據低貧化放礦理論制定8組3個分層綜合控貧損放礦技術方案，并借助現(xiàn)代數值計算軟件PFC2D模擬分析各方案出礦貧損情況，優(yōu)選出最佳方案，即第1、2、3分段放礦的截止品位分別控制為1.79，1.79，1.00 g/t。

（3）本次研究著重于解決無底柱分段崩落法的覆蓋層形成和高貧損問題，研究成果可經由現(xiàn)場工業(yè)試驗進一步細化和完善，以期為國內外同類型礦山企業(yè)提供一定的理論依據和工程實例借鑒。